WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика твердого тела, 1999, том 41, № 1 Анализ механизма увеличения эффекта Керра в Mn / Dy / Bi © С.Г. Овчинников, Л.В. Буркова, В.А. Середкин, В.Ю. Яковчук Институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук, 660036 Красноярск, Россия E-mail sgo@iph.krasnoyarsk.su (Поступила в Редакцию 2 июня 1998 г.) Приведены результаты исследований структурных, магнитных и магнитооптических свойств пленок Mn / Dy / Bi, полученных с помощью мультислойной технологии. Показано, что в таких пленках максимальный угол вращения Керра равен k = 2.25. Рассмотрены возможные причины столь значительного увеличения эффекта Керра: увеличение вероятности 6p-3d-переходов вследствие искажения симметрии, поляризация 6p-зоны Bi, изменение плотности состояний вблизи уровня Ферми. Проведен анализ последней причины с помощью моделирования электронной структуры Mn / Dy / Bi наложением уровней Dy на зонную структуру MnBi, что позволило выявить возможные дополнительные переходы, которые могут возникать в результате введения прослойки Dy и давать вклад в магнитооптический эффект Керра.

Поликристаллические пленки MnBi являются одним перераспределению плотности состояний вблизи уровня из первых материалов [1], в которых был обнаружен Ферми, оказывает влияние на гибридизацию [13,16], а большой эффект Керра при комнатной температуре величина МО эффекта в значительной степени зависит (k = 0.7) [2]. В пленках Mn / Dy / Bi, получаемых от положения атомов примеси в элементарной ячейке в последнее время с использованием мультислойной MnBi [13]. Последний вывод согласуется с результатами технологии, наряду с уменьшением среднего размера вычислений в рамках кластерной модели [17]. Анализ кристаллитов до 15 nm и увеличением перпендикуляр- экспериментальных данных дает основание предполаной анизотропии получен угол вращения 2.25 [3], что гать, что соотношение вклада рассматриваемых причин представляет значительный как научный, так и практив эффект Керра определяется спецификой вводимой прический интерес. Экспериментальные результаты покамеси [8,11].

зывают, что при введении в объем пленки примесей, В данной работе приводятся результаты исследований например, Ti [4], Zn, Te [5], Sb [6], V, Cr, Cu, Ni [7], структурных, магнитных, магнитооптических свойств Ag, Au, In, Pt [8], а также Dy [9] происходит ухудшение пленок Mn / Dy / Bi и анализируется механизм наблюдамагнитооптических (МО) свойств. Допирование Al [8,10] емого в них значительного увеличения эффекта Керра приводит к увеличению эффекта Керра до 2, однако (k = 2.25).

при этом уменьшается перпендикулярная анизотропия в 2 раза. Использование в качестве примеси Sm, Ce, Pr [11] 1. Образцы и методика эксперимента позволяет получить угол вращения 2-2.5, но при этом коэффициент прямоугольности петли гистерезиса меньПленки Mn / Dy / Bi изготовлялись последовательным ше единицы.

осаждением чередующихся слоев Bi, Dy, Mn, Dy и т. д.

Результаты самосогласованного вычисления спинна стеклянные подложки при комнатной температуре поляризованной зонной структуры MnBi, в котором в вакууме 3 · 10-6 Torr [18]. Сразу после испарения спин-орбитальное взаимодействие рассматривалось как образцы отжигались в вакууме 5 · 10-6 Torr при темпевозмущение, показали, что основной вклад в магратуре 250-270C. Длительность отжига выбиралась 60, нитооптический эффект должны вносить переходы 30, 15 и 7 min в зависимости от толщины и количества Bi 6p Mn 3d [12]. Релятивистский расчет электронслоев [19]. Толщины слоев Bi и Mn выбирались таким ной структуры в приближении локального функционала образом, чтобы выполнялось атомное соотношение 1 : 1, плотности методом присоединенных сферических волн и изменялись в пределах 12.5-100 nm для Bi, 4-39 nm (LDA–ASW) позволил получить спектральную зависидля Mn. Толщина Dy выбиралась в интервале от мость эффекта Керра MnBi, которая хорошо согласуется до 40 nm.

с экспериментом [13,14]. Использование такого подхода Структурные свойства пленок изучались с помощью при анализе микроскопической природы эффекта Керра просвечивающей электронной микроскопии. Химичев MnBi дало возможность авторам объяснить причину его больших значений сочетанием значительного маг- ский состав и толщина образцов определялись с помощью спектрального флюоресцентного анализа. Оженитного момента на Mn, большой спин-орбитальной спектры позволили получить распределение компоненсвязи Bi, которая, как считается, в 10 раз больше, тов по толщине. Анализ химических связей проводился чем в 3d-металлах [15], и сильной гибридизации между d-зоной Mn и p-состояниями Bi [14]. Теоретическое на основе рентгеновских фотоэлектронных спектров.

рассмотрение влияния примесей на эффект Керра [13,16] Намагниченность насыщения (Ms) и константа перпенпоказывает, что их наличие приводит к изменению на- дикулярной анизотропии (Ku) определялись на торсионмагниченности Mn и спин-орбитальной связи Bi [16], к ном магнитометре. Угол вращения полярного эффекта 92 С.Г. Овчинников, Л.В. Буркова, В.А. Середкин, В.Ю. Яковчук Керра (k) и его спектральные зависимости снимались со стороны подложки при комнатной температуре на магнитооптической установке в полях до 16 kOe. Коэрцитивная сила (Hc) определялась из керровских петель гистерезиса.

2. Экспериментальные результаты В результате оптимизации по толщине и количеству слоев в исходном состоянии были получены пленки Mn / Dy / Bi с параметрами: средний размер кристаллитов 15 nm, Hc = 6kOe, Ku = 1 · 107 erg/cm3, k = 2.при = 633 nm. Эти пленки до отжига состояли из чередующихся слоев Bi, Dy и Mn толщиной 49.5, Рис. 2. Петли гистерезиса пленок Mn / Dy / Bi (1) и MnBi (2).

и 17 nm соответственно, с общим количеством слоев, равным 7. Их отжиг проводился при температуре 270C в течение 30 min.

Сравнительный анализ кристаллической структуры та- показывают, что Bi и Mn в металлическом состоянии, а ких пленок и пленок MnBi, полученных нами по обычной Dy как в металлическом, так и окисленном состоянии.

технологии [20], показывает, что значительное уменьше- На рис. 1 представлен Оже-профиль пленки ние размера кристаллитов в первых является следствием Mn / Dy / Bi, который показывает, что распределение введения Dy в виде прослойки. В пленках MnBi после каждого компонента в объеме пленки достаточно одноотжига наблюдается большое количество крупных кри- родно. Повышенное содержание кислорода и диспрозия в сталлитов размером 250-400 nm, отдельные кристал- приповерхностной и в приподложечной областях можно литы имеют размер 1000-3000 nm. В оптимальных объяснить характерной для РЗ-элементов тенденцией по структурным свойствам пленках Mn / Dy / Bi средний мигрировать к поверхности пленки и там подвергаться размер кристаллитов в результате отжига уменьшается окислению [21].

с 300 до 15 nm, т. е. почти на два порядка по сравнеДетальное рассмотрение особенностей структурных нию с MnBi. Электронограммы пленок Mn / Dy / Bi до свойств пленок Mn / /Dy / Bi в сравнении с пленками отжига показывают поликристаллическое состояние Bi, MnBi позволяет сделать вывод, что использование мульDy и Mn, при этом средний размер кристаллитов Bi и Mn тислойной технологии способствует формированию мелпримерно 300 nm, а размер кристаллитов Dy на порядок кокристаллической структуры [3]. Допирование Dy меньше. После отжига кроме образовавшейся фазы MnBi именно с помощью введения соответствующей прослойостается небольшая объемная доля Mn и Bi в свободной ки способствует более однородному распределению атофазе. Объемная доля чистого Dy в результате отжига мов Dy в объеме пленки при отжиге и их вхождению значительно уменьшается, что может быть обусловлено в кристаллическую решетку, причем есть основание его вхождением в кристаллическую решетку MnBi. Возпредполагать, что с большей вероятностью они должны можно также образование соединений Dy с кислорозанимать промежуточные положения в элементарной дом и/или с окисью Mn, что подтверждается наличием ячейке MnBi и/или замещать Bi [11], но не Mn [4].

рефлекса DyMnO3 на электронограммах и следует из Не исключается и то, что незначительная часть Dy не рентгеновских фотоэлектронных спектров. Эти спектры будет участвовать в образовании твердого раствора и выделится в отдельную фазу. Эта фаза при небольших количествах вводимой примеси, по-видимому, будет распределяться по границам кристаллитов MnBi, а при больших количествах будут образовываться включения из чистого Dy.

На рис. 2 изображена петля гистерезиса пленки Mn / Dy / Bi с оптимальными параметрами, снятая при комнатной температуре. Сравнение с приведенной на этом же рисунке петлей гистерезиса пленки MnBi, полученной нами по обычной технологии, показывает, что в результате введения прослойки Dy значительно улучшается прямоугольность петли гистерезиса, которая для всех полученных пленок Mn / Dy / Bi равна единице.

В табл. 1 приведены магнитные и магнитооптические параметры пленок Mn / Dy / Bi, имевших различные толРис. 1. Оже-профиль пленки Mn / Dy / Bi. щины и количество слоев до отжига. Приведены также Физика твердого тела, 1999, том 41, № Анализ механизма увеличения эффекта Керра в Mn / Dy / Bi Таблица 1. Магнитные и магнитооптические свойства пленок Mn / Dy / Bi, MnBiDy и MnBi Толщина Общее Время Hc, Ms, Ku · 10-7, k, количество отжига, Состав Bi, nm Mn, nm Dy, nm kOe G erg / cm3 deg слоев min Mn / Dy / Bi 49.5 17 5 3 30 2 485 1 1.Mn / Dy / Bi 49.5 17 20 3 60 5 – – 1.Mn / Dy / Bi 50 18 4 7 30 1.6 520 1.2 1.Mn / Dy / Bi 104 39 5 3 60 4.7 320 0.7 1.Mn / Dy / Bi 49.5 17 5 7 30 6 330 1.4 2.MnBiDy 148 30 8 0.MnBi 148 60 3.5 400 1.4 1.MnBi [13] 148 300 0.8 620 20 0.параметры пленок MnBiDy и MnBi, полученных нами меньше, чем в полученных нами пленках MnBi. Это по обычной технологии, и литературные данные для в немалой степени может быть связано с возникновепоследних. Как видно из таблицы, для всех пленок нием мелкокристаллической структуры [17]. Расчеты Mn / Dy / Bi угол вращения Керра значительно больше, показывают, что при введении примеси, например Al в чем опубликованные значения для MnBi. Максимальное MnBi, происходит уменьшение спин-орбитального взазначение k = 2.25 имеют отмеченные выше пленки имодействия из-за гибридизации состояний примеси и с оптимальными параметрами. В пленках, полученных Bi [16]. Поэтому маловероятно, что две первые причины нами с помощью обычного введения примеси Dy в экви- могут вносить вклад в увеличение k, и таковуюследует валентном процентном соотношении, угол МО вращения искать в изменении электронной структуры, которое значительно меньше и составляет 0.35 (табл. 1). На происходит в результате введения прослойки Dy.

рис. 3 представлена спектральная зависимость k для Чтобы более ясно представить механизм усиления пленок Mn / Dy / Bi, которая имеет максимум в области эффекта Керра, необходимо рассмотреть зонную струкдлин волн = 633 nm. Видно, что этот максимум туру MnBi [12], расчет которой дает картину плотности несколько смещен в сторону более коротких длин волн состояний, изображенную на рис. 4, a–c. Как видно из по сравнению с зависимостью для пленок MnBi, которая рисунка, наибольшая вероятность оптических перехотакже представлена на этом рисунке. дов связана с переходами Bi 6p Mn 3d с энергией 1.5-2 eV. Количественные расчеты подтверждают этот вывод [13,14]. Вычисленная спектральная зависимость 3. Обсуждение результатов имеет максимум при 1.8 eV, что согласуется как с нашими (рис. 3), так и с опубликованными другими авторами Обращает на себя внимание большой угол вращения экспериментальными данными.

Керра в пленках Mn / Dy / Bi, максимальное значение При феноменологическом рассмотрении угол вращекоторого более чем в 1.5 раза превосходит значение ния Керра определяется недиагональным членом тензора для пленок MnBi, полученных нами (табл. 1). Как оптической проводимости [15] указывалось выше, вращение Керра зависит от спинорбитальной связи, намагниченности и плотности состо4 xy k = Re, (1) яний [15]. Проведенные нами измерения показали, что (1 - (n + ik)2)(n + ik) намагниченность пленок Mn / Dy / Bi примерно на 30% где n + ik — комплексный показатель преломления на частоте. Для объяснения большого эффекта Керра в пленках Mn / Dy / Bi предлагается несколько причин микроскопического уровня, которые могут привести к увеличению xy при введении прослойки Dy.

1) Как отмечалось выше, к большому эффекту Керра в MnBi приводят электронные переходы 6p-3d (см.

рис. 4, a–c), матричные элементы которых входят в xy.

Введение атомов Dy в решетку MnBi может приводить к искажению симметрии и обусловленному этим возрастанию вероятности 6p-3d-переходов, т. е. к увеличению их матричных элементов. Искажение симметрии происходит, если атомы примеси занимают промежуточные положения в элементарной ячейке MnBi [13]. Как отмеРис. 3. Дисперсионные зависимости k пленок Mn / Dy / Bi (1) и MnBi (2). чалось выше, атомы Dy в пленках Mn / Dy / Bi с большей Физика твердого тела, 1999, том 41, № 94 С.Г. Овчинников, Л.В. Буркова, В.А. Середкин, В.Ю. Яковчук нее не должны оказывать заметного влияния. Анализ электронной структуры пленок MnBiAl позволил сделать вывод, что при добавлении Al происходит значительная поляризация 6p-зоны Bi, т. е. увеличивается количество 6p-электронов со спином вниз и дырок со спином вверх, и это должно приводить к увеличению МО эффекта [17].

Подобным образом может действовать Dy в пленках Mn / Dy / Bi. Возможным механизмом такого воздействия может быть гибридизация 4 f - и 5d-состояний Dy c 6p-состояниями Bi (рис. 4, c), увеличивающая плотность состояний последнего ниже уровня Ферми, что, в свою очередь, должно привести к увеличению вероятности оптических переходов.

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.