WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 12 05;11;12 Однонаправленная анизотропия в ферро-ферримагнитной пленочной структуре 1 © Г.И. Фролов,1 В.Ю. Яковчук,1 В.А. Середкин,1 Р.С. Исхаков,1 С.В. Столяр,1,2 В.В. Поляков 1 Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН, 660036 Красноярск, Россия 2 Красноярский государственный университет, 660041 Красноярск, Россия e-mail: sva@iph.krasn.ru (Поступило в Редакцию 5 апреля 2005 г.) Исследован механизм формирования однонаправленной анизотропии в обменно-связанной ферроферримагнитной пленочной структуре с ортогональным расположением эффективных намагниченностей в слоях. Показано, что причиной ее возникновения является магнитная гетерофазность ферримагнитного сплава в области компенсации. Обсуждаются особенности перемагничивания магнитомягкого слоя пленочной структуры РЗМ–ПМ/NiFe на основе модели однородного вращения намагниченности. Обнаружено, что однонаправленная анизотропия приводит к резкому понижению уровня магнитного шума в магнитомягком слое. Показаны возможности практического применения этих материалов.

В многочисленных пленочных структурах, состоящих слоях. За последние годы накоплен обширный материиз магнитожесткого и магнитомягкого слоев, за счет ал по изучению и практическому применению ферроэффектов обменного взаимодействия между слоями воз- ферримагнитных пленочных структур [8–15], поэтому, никают необычные свойства, представляющие большой на наш взгляд, назрела необходимость проанализиронаучный и прикладной интерес. Одно из необычных вать состояние дел в данной области. В представпроявлений этого взаимодействия — возникновение од- ленной работе рассмотрены вопросы природы однононаправленной обменной анизотропии в магнитомяг- направленной анизотропии, влияние однонаправленной анизотропии на магнитные свойства ферромагнитного ком слое, приводящее к смещению петли гистерезиса слоя и возможности практического применения ферро H вдоль оси магнитных полей. Несмотря на то что это явление было обнаружено 50 лет назад [1], пол- ферримагнитных пленочных структур.

ного понимания его механизмов нет, поэтому изучение природы однонаправленной анизотропии остается Механизмы формирования незавершенным процессом. В то же время большой однонаправленной анизотропии практический интерес к этим материалам, связанный с их использованием в устройствах магнитной памяти [2], Феноменологическое описание эффектов обменной устройствах спинтроники [3], в магнитных датчиках [4], однонаправленной анизотропии достаточно простое и создает мощную мотивацию для расширения исследоваосновано на предположении о коллинеарности магнитний в этой области.

ных моментов на границе раздела различных фаз Основной объем исследований природы однонаправленной обменной анизотропии проведен на ферроjM1M2 = JM1M2 cos(MM2). (1) антиферромагнитных (FM/AFM) пленочных структурах [5]. Однако эти материалы обладают рядом недостатВ работе [7], в которой впервые сообщалось о суков, ограничивающих возможности их применения [6]:

ществовании однонаправленной анизотропии в обменнонизкая температурная стабильность H, увеличение связанной пленочной структуре TbxFe1-x/NiFe с ортокоэрцитивной силы магнитомягкого слоя по сравнению с гональным расположением эффективных намагниченнооднослойной пленкой FM, эволюция петель гистерезиса стей в слоях, были высказаны следующие предполос ростом номера цикла перемагничивания.

жения о природе ее возникновения. Считалось, что в В начале 80-х годов прошлого столетия авторами аморфном ферримагнитном слое может существовать работы [7] была обнаружена однонаправленная анизо- плоскостная составляющая вектора намагниченности тропия в ферро-ферримагнитной пленочной структуре ферримагнитного слоя, которая может быть обусловле(TbFe/NiFe). Эти пленочные структуры привлекли вни- на, например, химической неоднородностью по толщине мание исследователей тем, что, с одной стороны, в пленки аморфного сплава, приводящей в свою очередь к них отсутствовали недостатки, характерные для пленок наличию компенсационной плоскости, в которой осуще(FM/AFM), а с другой — тем, что здесь однонаправлен- ствляется разворот вектора намагниченности.

ная анизотропия возникает в структуре с ортогональ- Однако выполненные в дальнейшем исследования хиным расположением эффективных намагниченностей в мического состава аморфных пленок сплавов РЗМ–ПМ, 70 Г.И. Фролов, В.Ю. Яковчук, В.А. Середкин, Р.С. Исхаков, С.В. Столяр, В.В. Поляков получаемые используемым нами методом термическо- ла предложена модель микрогетерофазного строения го напыления, показали отсутствие градиента концен- аморфных сплавов DyCo. Особенности магнитной митрации компонентов в этих пленках нормально их кроструктуры этих сплавов в компенсационной облаплоскости. Поэтому на передний край здесь выхо- сти, следующие из этой модели, позволили описать дят другие механизмы. Так, плоскостная составляющая ряд экспериментальных результатов по ферромагнитвектора намагниченности в аморфных пленках РЗМ– ному и спин-волновому резонансам (ФМР и СВР).

ПМ, характеризующихся перпендикулярной магнитной Для регистрации этих особенностей были 1) получены анизотропией, может быть обусловлена и локальной трехслойные пленочные структуры NiFe/DyCo/NiFe с дисперсией оси магнитной анизотропии, приводящей однонаправленной обменной анизотропией и ортогок тому, что интегральное направление оси легкого нальной ориентацией эффективных намагниченностей намагничивания не совпадает с направлением нормали слоев; 2) изучены спектры ФМР и СВР таких структур;

пленки. Если данный механизм работает, то при откло- 3) установлена возможность представления спиновой нении от компенсационного состава РЗМ–ПМ в ту или системы аморфных сплавов DyCo в концентрационной иную сторону величина однонаправленной анизотропии области магнитной компенсации в виде двух подсистем, в обменно-связанных структурах (РЗМ–ПМ)/NiFe должв одной из которых доминирует намагниченность ПМ на возрастать и характеризоваться максимальными знаподрешетки (нанофаза ), а в другой — намагниченчениями для пленочных структур, в которых направленость РЗМ подрешетки (нанофаза ). Предложенная ние оси легкого намагничивания аморфного слоя РЗМ– модель отражает основное свойство строения аморфных ПМ расположена в плоскости пленки. Неоднократные сплавов — их естественную флуктуационную (топоисследования, выполненные нами [14], а также другими логическую и композиционную) неоднородность. Магисследователями [9,11], констатируют обратное. Однонитные микроструктуры аморфных ферримагнетиков в направленная анизотропия в структурах РЗМ–ПМ/NiFe области концентраций xi ± x xcomp (матрица ), существуeт только в таком концентрационном диапазоне xi ± x xcomp (матрица ) будут существенно отлиаморфного сплава, при котором реализуется перпендичаться от магнитной микроструктуры в области конценкулярная магнитная анизотропия в слое РЗМ–ПМ.

траций xi - x < xcomp < x + x. Сама точка магнитной Существование однонаправленной анизотропии в плекомпенсации xcomp в этом случае будет определяться ночных структурах Tbx Fe1-x/NiFe, DyxCo1-x/NiFe, впер1 условием M = pM( ) + qM( ) = 0, где p и q — eff eff вые обнаруженное в работе [7], свидетельствует о спе2 объемные доли нанофаз и, M( ) и M( ) —их 1 eff eff цифической магнитной микроструктуре слоев сплава эффективные намагниченности при xi - x и xi + x РЗМ–ПМ — наличии нанообластей в сплаве DyxCo1-x, соответственно.

TbxFe1-x, в которых вектор намагниченности „подреНа рис. 1 представлены экспериментальные зависимошетки“ 3d-металла имеет плоскостную составляющую, сти величины поля смещения H(x) петли гистерезиса а уже он участвует в обменном взаимодействии с от концентрации РЗМ элемента в планарной пленочной ферромагнитным слоем сплава NiFe.

структуре DyCo/NiFe, а также схемы распределения Установить причины, приводящие к плоскостной сонанофаз и в слое DyCo. Видно, что кривая 1 ставляющей „подрешетки“ 3d-металла в слоях сплава H(x) для пленочных структур Dyx Co1-x/NiFe опиРЗМ–ПМ с составами, близкими к компенсационносывается антисимметричной функцией H(x - xcomp) и му и обладающими высокой интегральной перпендихарактеризуется особыми точками: координаты нулей кулярной анизотропией, не просто. Это связано со (минимальные значения H) и точки экстремума. Также спецификой аморфного ферримагнитного сплава РЗМ– видно, что максимальные величины полей смещения ПМ, а именно с низкими значениями намагниченности H(x) в этих планарных структурах достигаются при насыщения (MS 0), с высокой магнитожесткостью x 19 at.% для докомпенсационных составов DyCo и (коэрцитивное поле в компенсационном составе сплава при x 24 at.% для послекомпенсационных составов РЗМ–ПМ/DyCo, например, достигает > 10 kOe). ПоDyCo.

этому для исследования физических свойств данных Результаты данного эксперимента естественным обрамагнитожестких материалов мы предложили изучать зом интерпретируются в рамках предложенной модели многослойные обменно-связанные пленочные структуры строения аморфных сплавов DyCo в области магнитной NiFe/Dyx Co1-x/NiFe, в которых толщины слоя сплава компенсации. Действительно, в области концентраций Dyx Co1-x значительно меньше толщины слоя NiFe — dDyCo < dNiFe. Наличие обменного взаимодействия меж- РЗМ–ПМ элемента x 16 at.% (x 27 at.%) магнитная структура аморфного DyCo однозначно относится ду подрешеткой атомов Co ферримагнитного сплава и слоем NiFe приводило к существенным модификациям к магнитной нанофазе (либо ). Следовательно, 1 магнитных характеристик такого хорошо изученного магнитные моменты подрешетки Co и подрешетки Dy сплава, как NiFe. коллинеарны оси перпендикулярной анизотропии слоя В наших работах [15,16] по результатам измере- DyCo и, как следствие, векторы эффективных намагниний динамических (и статических) магнитных харак- ченностей слоев DyCo и NiFe взаимно ортогональны — теристик композитных пленок NiFe/DyxCo1-x/NiFe бы- обменной связи здесь нет. Иная ситуация реализуется в Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. Однонаправленная анизотропия в ферро-ферримагнитной пленочной структуре пии, а эффективная намагниченность примесной фазы ориентируется в плоскости слоя. При синтезе слоя NiFe включается постоянное магнитное поле для формирования заданного направления оси легкого намагничивания (ОЛН) и эффективная намагниченность примесной фазы в слое Dyx Co1-x ориентируется по направлению этого поля и, следовательно, по сформированной в NiFe оси одноосной анизотропии. Но примесная фаза в области x < xcomp характеризуется неравенством MCo < MDy, a в области x > xcomp — неравенством MCo > MDy. Последнее означает, что в области x < xcomp векторы намагниченности подрешетки Co и намагниченности слоя NiFe антиколлинеарны, тогда как в области x > xcomp они направлены одинаково (схема на рис. 1,b). Этим и обусловлено изменение знака поля смещения H при концентрационном переходе через xcomp (рис. 1,a).

Особенности квазистатического перемагничивания ферро-ферримагнитных пленочных структур Рис. 1. Петли гистерезиса и концентрационная зависимость В обменно-связанных структурах состояние одного величины поля смещения H(x) (a) и предполагаемая схеслоя может существенно влиять на состояние другого.

ма ориентации векторов намагниченностей 3d металлов (b) Например, прямое обменное взаимодействие между феробменно-связанных пленочных структур DyCo/NiFe. A —подромагнитными слоями (положительная связь) с различложка; I — матричная, II — примесная.

ной величиной анизотропии приводит к тому, что при перемагничивании оба слоя будут вести себя как единое целое с коэрцитивной силой, промежуточной между области концентраций xi - x < xcomp < x + x. Здесь коэрцитивными силами первого и второго слоев [6].

магнитная структура слоя DyCo формируется хаотичеОднонаправленная анизотропия в FM/AFM пленочной ски перемешанными нанофазами и. Если фаза 1 структуре приводит к смещению петли гистерезиса, 1 матричная, то фаза примесная, при матричной 1 наличию только одного направления легкого намагничи2 примесная. Исключение — точка компенсации xcomp, где вания, стабилизации доменной структуры ферромагнитобъемные доли нанофаз и приближенно равны.

1 ного слоя и т. д. [17,18].

При всех концентрациях xi в этой области эффективВ ферро-ферримагнитных структурах обнаружен ряд ная намагниченность матричной фазы в слое DyCo i особенностей перемагничивания по сравнению с пленустанавливается по полю перпендикулярной анизотроками FM/AF [9]. На рис. 2,a представлена угловая пии (MCo, MDy коллинеарны этой оси, что регистрируетзависимость петель гистерезиса для пленки DyCo/NiFe ся полярным эффектом Керра). В этом случае в примес(толщины слоев 70 и 210 nm соответственно, ось легной фазе намагниченность MCo из-за обменного взаиj кого намагничивания ферромагнитного слоя совпадает модействия переходных элементов примесной и матричс направлением однонаправленной анизотропии). В наной фазы обязана иметь плоскостную составляющую, правлении ОЛН ( = 0) петля гистерезиса имеет максиа эффективная намагниченность нанофазы имеет j мальное раскрытие (HC = 2Oe) и сдвинута вдоль оси возможность ориентироваться по внешнему магнитному полей на H = 10.5 Oe. С увеличением раскрытие полю. Обменное взаимодействие MCo примесной фазы петли уменьшается и при 25 /2 процесс пере в слое DyCo с намагниченностью слоя NiFe и привоj магничивания становится безгистерезисным. Величина дит, по нашему мнению, к обменной однонаправленной смещения также уменьшается и при = /2 петля анизотропии в слое NiFe.

становится симметричной (поле анизотропии, опредеВид полученной экспериментальной зависимости (ан- ленное из этой кривой, Hk = 15 Oe).

тисимметричный относительно xcomp) также интерпрети- На рис. 2, b показано изменение вида петли гистереруется в рамках предложенной модели. В этих планар- зиса для той же пленки при наложении постоянного ных системах формируется слой DyxCo1-x, в котором магнитного поля H вдоль оси трудного намагничиваэффективная намагниченность основной фазы ориенти- ния слоя NiFe. При H = 4 Oe петля схлопывается и руется по оси перпендикулярной магнитной анизотро- повторяет кривую, полученную при перемагничивании Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 72 Г.И. Фролов, В.Ю. Яковчук, В.А. Середкин, Р.С. Исхаков, С.В. Столяр, В.В. Поляков dcr = 3 nm. Но даже для структур с толщиной NiFe слоя dFM < 3 nm не обнаружено схлопывания петли гистерезиса при перемагничивании вдоль ОЛН [21].

Pages:     || 2 |



© 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.