WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 10 Контактно-индуцированный магнетизм в наноструктурах на основе хрома с монослоями немагнитных металлов © В.Н. Меньшов, В.В. Тугушев Российский научный центр „Курчатовский институт“, 123182 Москва, Россия E-mail: vnmenshov@mail.ru, vvtugushev@mail.ru (Поступила в Редакцию 2 ноября 2005 г.

В окончательной редакции 17 февраля 2006 г.) Исследовано магнитное упорядочение в слоистых структурах типа Cr/X(1ML) со встроенными в матрицу хрома моноатомными слоями (ML) ряда немагнитных металлов (X = Sn, V, Ag, Au). Проанализирован механизм индуцирования или модификации волны спиновой плотности (ВСП) в этих системах, связанный с перераспределением зарядовой и спиновой плотностей вблизи интерфейса Cr/X. Подробно рассмотрена полуфеноменологическая модель, позволяющая в рамках функционала Гинзбурга–Ландау качественно описать изменение структуры ВСП в окрестности плоского одиночного немагнитного дефекта. Рассчитана пространственная конфигурация ВСП в сверхрешетке типа [Cr(t)/X(1ML)] и установлены зависимости параметров ВСП от температуры T, типа металла X и периода сверхрешетки t. Но основе полученных результатов интерпретируются эксперименты по мессбауэровской спектроскопии.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ (проект № 04-02-16938).

PACS: 75.70.Cn; 75.30.Fv 1. Введение емых объектов. Например, в мультислоях и сандвичах Cr/Fe впервые были обнаружены такие яркие эффекИсследование коллективных спин-поляризованных со- ты, как гигантское магнитосопротивление, длинно- и стояний зонных электронов в слоистых наноструктурах короткопериодические осцилляции эффективного взаина основе магнитных переходных металлов (мульти- модействия между ФМ-слоями при изменении толщины слоях, бислоях, сэндвичах и т. п.) с недавнего времени разделяющей их прослойки Cr, проскальзывание фазы выделилось в самостоятельный раздел наномагнетизма.

этого взаимодействия, неколлинеарные конфигурации В этих структурах возможна реализация сложных и намагниченностей соседних ФМ-слоев и т. д. [2–4].

неоднородных ферромагнитных (ФМ), антиферромаг- Интенсивное развитие технологии молекулярно-лученитных (АФМ) или смешанных конфигураций спиновой вой эпитаксии позволило в последние годы реаплотности, не существующих в объемных материалах.

лизовать принципиально новые наноструктуры типа Имеется принципиальное понимание того обстоятель- [Cr(t)/X(1ML)] с дискретными периодическими вставкаства, что важнейшую роль в формировании данных кон- ми в матрицу основного материала (Cr) монослоев (ML) фигураций играют процессы перераспределения зарядо- легирующего материала X. Расстояние между соседними вой и спиновой плотностей вблизи внутренних границ монослоями (период структуры) при этом составляет раздела слоев (интерфейсов).

t = Na/2, где a 2.8 — постоянная ОЦК решетки Особое место среди рассматриваемых систем занима- хрома, а число N варьируется от нескольких единиц ют слоистые структуры типа Cr/X, которые можно счи- до нескольких десятков. Даже в технологически совертать тестовыми для исследования роли контактных яв- шенных структурах неизбежно имеют место разрывы лений в наномагнитных материалах. В них слои слабого и нарушения регулярного расположения атомов внутри зонного АФМ (Cr) чередуются со слоями нормального монослоев, поэтому в определенном смысле „дискретметалла (X = V, Sn, Ag, Au), сильного зонного АФМ ные сплавы“ [Cr(t)/X(1ML)] занимают промежуточное (X = Mn) или сильного зонного ФМ (X = Fe, Co). Как положение между объемными разбавленными сплавами известно [1], в объемном хроме имеет место специфи- хрома Cr1-yXy (y 1) и стандартными структурами ческий тип зонного АФМ — волна спиновой плотности Cr/X с соизмеримыми по величине толщинами слоев (ВСП). В системах Cr/X вблизи интерфейсов происходят хрома и легирующего металла.

значительная трансформация ВСП и ее интерференция Как хорошо известно, магнитные свойства ультрас другими коллективными состояниями зонных элек- тонких (от нескольких единиц до нескольких десятков тронов, например сильным зонным ФМ в Cr/Fe или ангстрем) слоев хрома существенно отличаются от магсильным зонным АФМ в Cr/Mn. В результате возникают нитных свойств объемного материала [2–4]. В обзоре [5] довольно сложные и пространственно неоднородные было отмечено, что мессбауэровская спектроскопия на спиновые конфигурации, обусловливающие целый ряд ядрах изотопа олова Sn может быть использована как необычных магнитных и транспортных свойств обсужда- мощный инструмент для изучения локальных магнитных 1884 В.Н. Меньшов, В.В. Тугушев свойств объемного хрома и его сплавов. Используя температуру Нееля объемного хрома. К сожалению, встроенные в матрицу Cr моноатомные или бимоноатом- современная теория зонного магнетизма [13] была разные слои Sn, группа японских исследователей [6–11] работана для объемных материалов и плохо приспопредложила уникальную методику магнитных измере- соблена для описания контактных явлений в слоистых ний, позволяющую извлечь при помощи мессбауэров- наноструктурах. Поэтому ввиду сложности последоваской спектроскопии, требующей большой концентрации тельного микроскопического рассмотрения спинового атомов-зондов Sn, информацию о локальной струк- упорядочения в системах типа [Cr(t)/X(1ML)] воспольтуре ВСП в наноструктурах на основе Cr. В процес- зуемся далее специальным подходом к расчету сложсе эпитаксии атомы Sn замещают атомы Cr, создавая ных конфигураций спиновой плотности, примененным лишь небольшое деформационное напряжение в матри- ранее [14–16] для описания магнитного порядка в слоце вблизи интерфейсов Cr/Sn. При этом сверхтонкое истых системах типа Cr/Fe. Этот подход в значительной поле Hhf на узлах Sn пропорционально амплитуде мере базируется на результатах исследования ближнего спиновой плотности в слоях хрома вблизи интерфейса магнитного порядка в разбавленных сплавах хрома и Cr/Sn [12]. Поэтому, измеряя величину Hhf на узлах был, возможно не слишком удачно, назван „схемой Sn в сверхрешетках [Fe/Cr/Sn(1ML)/Cr], можно непо- зарядово-индуцированной ВСП“. Как нам теперь предсредственно (а не косвенным образом, см. дискуссию ставляется (см. далее), предпочтительнее использовать в [3]) оценить вызываемое ФМ-обкладками железа из- более точный термин: „контакто-индуцированная ВСП“.

менение спиновой плотности внутри прослойки АФМ Далее распространим схему [14–16] на структуры тихрома. Более того, было обнаружено, что немагнитный па [Cr(t)/X(1ML)] с монослоями немагнитного металмонослой олова не является пассивным зондом, пред- ла (X = Sn, V, Ag, Au). Случай магнитных металлов назначенным лишь для считывания мессбауэровского (X = Fe, Ni, Co, Mn) требует отдельного анализа и в сигнала, но сам принципиальным образом влияет на настоящей работе не исследуется.

формирование спинового порядка в матрице хрома вблизи интерфейса Cr/Sn. Так, в работе [6] на сверхрешетке 2. Формирование ВСП в окрестности [Cr(t)/Sn(1ML)](100) с периодом t = 5-40 при комплоского одиночного немагнитного натной температуре было обнаружено сверхтонкое поле дефекта большой величины Hhf = 11-13 T; это прямо указывает на существование АФМ-порядка, зарождающегося при Рассмотрим задачу о формировании ВСП в бестемпературе TN(t), значительно превышающей темпераCr конечном трехмерном кристалле, имеющем объемнотуру Нееля объемного хрома TN = 311 K. Нейтроноцентрированную кубическую решетку с „локально“ награфический анализ мультислоев [Cr(t)/Sn(1ML)](100) рушенной вдоль одного из направлений трансляционпоказал, что при низких температурах в образцах с ной симметрией (пусть для определенности это будет периодом t > 42 формируется несоизмеримая ВСП ось, ортогональная плоскости (100)). Причиной этого со сложной модуляцией вдоль оси роста пленки; ханарушения могут быть, например, граница кристалла с рактерный период и амплитуда ВСП контролируются вакуумом, граница раздела слоев в гетероэпитаксиальизменением расстояния между монослоями Sn [7,8].

ных структурах, имплантированный в матрицу основНедавно эффект усиления АФМ-упорядочения за счет ного вещества тонкий слой легирующего материала и введения монослоев Sn нашел подтверждение также т. д. Предполагается, что объемная система (матрица) для структур с иной кристаллической ориентацией переходит из парамагнитной фазы в состояние с ВСП [Cr(t)/Sn(1ML)](110) [9].

ниже некоторой критической температуры TN. НалиПри мессбауэровских исследованиях сложных мночие макроскопических квазидвумерных неоднородностей гокомпонентных наноструктур типа [Cr/Sn(1ML)/Cr/X] может существенно повлиять на форму и параметры (X = V, Ag, Au) было установлено, что температура ВСП в рассматриваемых структурах. Для качественного Нееля, амплитуда и конфигурация ВСП существенописания этого влияния используется хорошо известно зависят от типа металла X и толщины слоя ная модель плоского одиночного немагнитного дефекта Cr [10–11]. АФМ-порядок усиливается вблизи интер(см., например, [17]).

фейса Cr/(Ag,Au) и подавляется вблизи интерфейса При определенных условиях распределение спиновой Cr/V, причем в структуре [Cr/Sn(1ML)/Cr/V] величина плотности S(r) в системе с ВСП удачно описывается в сверхтонкого поля на узле Sn при комнатной темрамках разложения термодинамического потенциала сипературе вообще становится почти равной нулю, если стемы по степеням параметра порядка (x). Запишем монослой Sn находится на расстоянии ближе, чем функцию S(r) в виде от интерфейса Cr/V.

Таким образом, эксперимент ясно показывает, что S(r) =n (x) cos(2x/a)/g, (1) ВСП в наноструктурах на основе хрома существенным образом модифицируется под влиянием встроенных мо- где n — вектор поляризации и g — эффективный потеннослоев немагнитных металлов, возникая в ряде случаев циал ВСП [18,19]. Если формально предположить, что даже при температурах, существенно превышающих дефект является идеальной бесконечной плоскостью, то Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. Контактно-индуцированный магнетизм в наноструктурах на основе хрома с монослоями... естественно рассматривать пространственную структуру координат x = 0. Реальным прообразом такого дефекта ВСП как неоднородную только вдоль одного направле- является монослой немагнитного металла X, встроенния ex, перпендикулярного этой плоскости. В приближе- ный в матрицу Cr, т. е. функционал (2)-(4) описывает нии слабой связи gN 1, где N — средняя плотность в этом случае трехслойную структуру Cr/X(1ML)/Cr.

состояний на уровне Ферми, выполняются условия для В первом порядке по взаимодействию U0N справедлива описания системы в рамках теории среднего поля. оценка: -U0N2/n0, U0d = U(x)dx, где n0 —разПри этом, как хорошо известно (см., например, [19]), ница в заполнении электронного и дырочного участков формальное наличие малой величины в знаменателе поверхности Ферми, характеризующая отклонение от формулы (1) не ведет к какому-либо противоречию, идеального „нестинга“ (в чистом хроме n0 < 0) [19].

так как в используемой модели ВСП параметр порядка Физический смысл слагаемого (4) заключается в пропорционален exp(-1/gN) и стремится к нулю го- следующем. В узком слое вблизи плоского дефекта раздо быстрее, чем эффективный потенциал g. Запишем происходит изменение электронной поляризуемости, паразложение Гинзбурга–Ландау для термодинамического раметров спектра квазичастиц и заполнения энергетипотенциала в виде суммы ческих зон матрицы. Как следствие, меняются условия неустойчивости парамагнитной фазы относитель = V + s (2) но перехода в АФМ-состояние (обобщенный критерий Стонера–Хаббарда) по сравнению с однородной систе„объемной“ и „поверхностной“ составляющих. Для пермой. Природа потенциала U(x), изменяющего электронвой из них используем известное разложение по степеную поляризуемость матрицы, может быть различной ням параметра порядка (x) и его производных (x) (перераспределение зарядовой плотности, деформация 1 решетки, образование интерфейсных состояний и т. д.) 2 2 V [ ] = c1 + Fc2( )2 + c2 dx, (3) и зависит от конкретного типа плоского дефекта. Например, в структурах типа Cr/Fe с достаточно толстыми где F — фермиевская скорость квазичастиц; c1 и слоями железа перераспределение зарядовой плотности c2 — коэффициенты, зависящие от температуры и детаиграет определяющую роль в изменении электронной лей зонной структуры, причем коэффициент c1 T -TN поляризуемости матрицы хрома вблизи интерфейса [14].

меняет свой знак при переходе через точку Нееля Это связано с тем, что Fe является ярко выраженным объемного АФМ TN. Формула (3) выводится непоэлектронным донором по отношению к Cr, но в то же средственно из микроскопической модели ВСП, в ковремя кристаллические решетки этих металлов почти торой АФМ-неустойчивость обусловлена „нестингом“ идеально соответствуют друг другу [2,3], так что можно электронного и дырочного участков поверхности Ферми в первом приближении не учитывать слабый эффект металла в парамагнитной фазе [18,19]. При этом предпоэпитаксиального напряжения вблизи интерфейса Cr/Fe.

лагается, что | (x)| T и | (x)| T /0 (0 —длиСлагаемое (4) появляется благодаря перетеканию элекна когерентности электронно-дырочной пары; в чистом тронов из слоя Fe в матрицу Cr на глубину порядка хроме 0 (3-5)a). Будем обсуждать только принципидебаевской длины экранирования в хроме lD 3-5.

альную сторону вопроса о формировании ВСП вблизи Поскольку объем дырочного кармана на части поверхплоского дефекта, не касаясь тонкого аспекта, связанности Ферми хрома, ответственной за формирование ного с ее возможной несоизмеримостью в объемном ВСП, превосходит объем электронного кармана [1], материале. Поэтому считаем коэффициент c2 положидобавление электронов из железа можно трактовать тельным и удерживаем в функционале (3) только слакак улучшение „нестинга“ вблизи интерфейса Fe/Cr, гаемые c2( )2 и c2 (см. подробное обсуждение что отвечает выбору параметров U0 < 0 (|U0| e2/lD), случая c2 < 0 в обзоре [19]). Параметр порядка (x), n0 < 0 и соответственно <0 в формуле (4).

отвечающий минимуму функционала (3) при c2 > 0, В работах [14–16] было показано, что появление сларавен нулю в парамагнитной фазе и имеет постоянное гаемого типа (4) вызывает модификацию АФМ-порядка значение = |c1|/2c2 в фазе с соизмеримой ВСП.

Pages:     || 2 | 3 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.