Межслойное магнитное взаимодействие в многослойных системах Fe/Cr/Fe

Заметный всплеск интереса к изучению многослойных магнитных структур начался около 20 лет назад и был связан с существенным прогрессом в технологии получения сверхтонких металлических пленок [1,2]. Метод молекулярно-лучевой эпитаксии позволил создавать монокристаллические многослойные образцы с достаточно гладкими границами раздела слоев. В течение нескольких лет в этих структурах были обнаружены крайне интересные как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения явления: антипараллельное упорядочение ферромагнитных слоев [3,4], гигантское магни-тосопротивление [5], длинноволновые [6] и коротковолновые [7] осцилляции межслой-ного обмена как функции толщины прослойки, а несколько позднее — неколлинеарное межслойное упорядочение ферромагнитных слоев [8, 9].

Практически все перечисленные выше явления впервые были обнаружены в системе Fe/Cr/Fe. Однако в дальнейшем они наблюдались и в большом количестве других систем как с антиферромагнитной прослойкой (в первую очередь Мп), так и с прослойками из немагнитных металлов (Си, Аи, Ag и т. д.). Поскольку обнаруженные эффекты сулили огромные возможности для приложений в области высоких технологий, в течение полутора десятков лет количество публикаций на эту тему было весьма значительно.

В объемном хроме температура Нееля составляет 311 К, а при толщине слоя около 200 А начинает быстро падать и обращается в ноль ниже приблизительно 40 А [10]. Поэтому прослойка хрома при толщине менее 40 А, а для комнатных температур и при большей толщине, считалась долгое время немагнитной. Позднее было обнаружено, что именно в системах Fe/Cr/Fe антиферромагнитный порядок в хроме сохраняется и при температурах существенно выше точки разрушения обычного, объемного антиферромагнитного упорядочения [11, 12]. Существование этой особой антиферромагнитной фазы авторы работы [13] связывают с перераспределением зарядовой и спиновой плотности вблизи границы раздела железа и хрома. Благодаря существованию этой фазы температура разрушения антиферромагнетизма в хромовой прослойке увеличивается с уменьшением ее толщины и при толщинах около 10 А достигает 600−700 К [11, 12].

Был предложен ряд теоретических моделей, объясняющих механизм межслойного взаимодействия через немагнитоупорядоченную прослойку в рамках взаимодействия через газ свободных электронов [14−16]. Эффекты неколлинеарного магнитного упорядочения объяснялись при этом шероховатостью межслойных границ [17] либо присутствием в прослойке парамагнитных примесей [18] (см. также обзор [19]). Для случая взаимодействия через антиферромагнитную прослойку также был развит ряд моделей, в которых неколлинеарное магнитное упорядочение объяснялось шероховатостью межслойных границ и связанной с ней фрустрацией обмена на границе железо-хром [20,21,22, 23].

Для феноменологического описания межслойного взаимодействия двух ферромагнитных слоев через неферромагнитную прослойку была предложена так называемая модель би-квадратичного обмена [8,24]. Эта модель нашла микроскопическое обоснование как для случая немагнитной прослойки [17, 18,16], так и для систем с антиферромагнитной прослойкой в случае большой шероховатости межслойных границ [13,21,23].

Для случая антиферромагнитной прослойки и достаточно гладких границ раздела были предложены также другие формы записи энергии межслойного обмена: так называемая модель «магнитной близости» [20] и модель «половинного угла», возникающая при слабом обмене на границе железо-хром [21, 22].

Модель биквадратичиого обмена была успешно использована многими авторами для описания экспериментальных результатов, полученных для систем с немагнитоупоря-доченными прослойками (см. обзор [19]). Модель магнитной близости, в свою очередь, нашла подтверждение для прослоек марганца [25, 26].

Ситуация с хромом оказалась более сложной. Для описания экспериментальных данных для этой системы все авторы использовали только модель биквадратичиого обмена, хотя получающиеся при этом соотношения обменных констант часто выходили за теоретически обоснованные границы. В то же время попытки использовать для описания систем Fe/Cr/Fe другие модели заканчивались неудачей [26,55]. При этом предсказываемый теорией переход от модели биквадратичиого обмена к моделям магнитной близости или половинного угла, который должен иметь место при достижении достаточной гладкости межслойных границ раздела, никогда экспериментально не наблюдался.

Таким образом, к моменту постановки настоящей работы вопрос о механизме меж-слойного обмена в системе железо-хром оставался открытым. Экспериментальные данные, которые бы однозначно связывали природу межслойного обмена в этой системе с антиферромагнитным упорядочением хромовой прослойки, фактически отсутствовали. Вопрос о механизме межслойного взаимодействия в самой популярной и, казалось бы, наиболее изученной системе Fe/Cr/Fe так и оставался нерешенным. Между тем поток экспериментальных публикаций по данной тематике практически иссяк, и чтобы все же ответить на поставленный вопрос, необходимы были новые систематические экспериментальные исследования межслойного обмена в этой системе.

Цель работы.

Целью данной работы было подтвердить либо опровергнуть сложившуюся в последнее время точку зрения, что межслойное взаимодействие в системе Fe/Cr/Fe связано с антиферромагнитным упорядочением хромовой прослойки. Для этого было проведено подробное экспериментальное исследование межслойного обмена в наиболее интересном с прикладной точки зрения диапазоне толщин хрома от 0 до 40 А при различной шероховатости границ раздела и в достаточно широком интервале температур.

Положения, выносимые на защиту.

1. В серии сверхрешеток [Fe/Cr]^ методом ФМР, помимо акустической и оптической резонансных мод, обнаружены промежуточные моды колебаний, соответствующие. сдвигу фаз прецессии намагниченности в соседних ферромагнитных слоях, отличному от 0 и 71.

2. Магнитооптическими методами исследований на трехслойных образцах экспериментально продемонстрировано, что при достаточно гладких межслойных границах модель биквадратичиого обмена, широко использовавшаяся для описания системы Fe/Cr/Fe ранее, утрачивает свою применимость.

3. Экспериментально получены температурные зависимости межслойного обмена, которые подтверждают, что механизм обмена в системе Fe/Cr/Fe связан с зарядово-индуцированной волной спиновой плотности в хромовой прослойке.

Научная новизна и ценность работы.

В данной работе были проведены систематические исследования межслойного обмена в системе Fe/Cr/Fe как на образцах типа «сверхрешетка» (с большим количеством чередующихся слоев железа и хрома), так и в трехслойных образцах с контролируемой шероховатостью межслойных границ. Исследования были проведены в диапазоне толщин хромовой прослойки от 0 до 40 А и при температурах от 77 до 473 К. Для повышения надежности полученных результатов были использованы одновременно несколько экспериментальных методик, дающих информацию как о статических (измерение кривых намагничивания), так и о динамических (ФМР и мандельштам-бриллюэновское рассеяние света) свойствах изучаемой системы.

Впервые было экспериментально продемонстрировано, что при достигнутом нами на ряде образцов высоком качестве межслойных границ модель биквадратичного обмена, как и предсказывается существующими теориями, утрачивает свою применимость. Экспериментально достигнутая граница области применимости этой модели находится в хорошем соответствии с оценками, основывающимися на наличии у хромовой прослойки собственной магнитной жесткости.

Анализ полученных температурных зависимостей показывает, что наши данные находятся в хорошем соответствии с известной из нейтронографических исследований [12] магнитной фазовой диаграммой тонких слоев хрома, граничащих со слоями железа.

Полученные в работе результаты подтверждают, что межслойный обмен в системе Fe/Cr/Fe действительно связан с антиферромагнетизмом тонких слоев хрома. Данные результаты являются новыми и вносят существенный вклад в наши представления о межслойном взаимодействии в многослойных магнитных системах.

Практическая ценность работы.

Высокий прикладной интерес к многослойным магнитным системам связан с возможностью их использования в области высоких технологий. Такие эффекты как гигантское магнитосопротивление, антипараллельное упорядочение соседних ферромагнитных слоев, а также возможность получать структуры с требуемой величиной и знаком межслойного обмена позволяют создавать на их основе компактные датчики магнитного поля, ячейки энергонезависимой памяти для вычислительной техники, магнитные вентили и т. д. Система Fe/Cr/Fe является в этом отношении одной из наиболее перспективных в связи с большой величиной межслойного обмена и, как следствие, высокими полями насыщения, которые достигаются в данной структуре.

В силу всего этого понимание механизма межслойного обмена именно в системе Fe/Cr/Fe является крайне важным для приложений.

Апробация работы и публикации.

Результаты данной работы были доложены на 12 семинарах и конференциях, включая 7 международных. По результатам работы опубликовано 11 статей в реферируемых научных журналах [23, 27−36], из них 6 — в отечественных.

Содержание работы.

Диссертационная работа состоит из данного введения, четырех глав, заключения, приложения и списка цитируемой литературы.

§ 4.6. Выводы.

Наши исследования температурной зависимости межслойного обмена в системе Fe/Cr/Fe в диапазоне толщин хромовой прослойки от 0 до 40 А позволили явно продемонстрировать связь коротковолновой части билинейного обмена с наличием зарядово-индуцированной волны спиновой плотности в хромовой прослойке. Температурная зависимость биквадратичиого обмена оказывается также непосредственно связанной с температурой Нееля в прослойке. Если для более толстых слоев хрома аналогичные результаты сообщались ранее в работах других авторов [61], то при толщине хрома менее 40 А такой результат получен нами впервые.

При этом нам не удалось описать весь полученный нами набор экспериментальных данных формулами, предлагаемыми какой-либо одной теоретической моделью. Для решения этой задачи требуется, по-видимому, дальнейшее развитие современных теоретических представлений.

Длинноволновая часть билинейного обмена зависит от температуры существенно слабее. Это позволяет говорить о том, что ее происхождение не связано с антиферромагнетизмом хромовой прослойки и может описываться как взаимодействие через газ свободных электронов в духе модели RKKY.

4.7).

Заключение

.

В заключение сформулируем основные результаты диссертации.

1. Проведено исследование спектров ФМР в серии сверхрешеток [Fe/Cr]^ при комнатной температуре. Наряду с акустической и оптической резонансными модами, впервые обнаружены промежуточные моды колебаний, соответствующие сдвигу фаз прецессии намагниченности в соседних ферромагнитных слоях, отличному от 0 и к.

2. В рамках модели биквадратичного обмена проведен численный расчет кривых намагничивания и спектров ФМР, учитывающий конечность числа слоев в используемых сверхрешетках. Расчет позволил количественно описать как экспериментальные кривые намагничивания, так и спектры ФМР в изученных сверхрешетках.

3. Методом молекулярно-лучевой эпитаксии изготовлена серия трехслойных образцов Fe/Cr/Fe с клинообразными прослойками хрома и различной шероховатостью границ раздела слоев,.

4. Методами керровской магнитометрии и мандельштам-бриллюэновского рассеяния света в трехслойных образцах Fe/Cr/Fe проведено подробное экспериментальное исследование межслойного взаимодействия как функции толщины прослойки (в диапазоне 0−40 А) и температуры (в диапазоне 77−473 К) при различной шероховатости границ раздела слоев.

5. Впервые экспериментально продемонстрировано, что при достаточно гладких меж-слойных границах модель биквадратичного обмена, широко использовавшаяся для описания системы Fe/Cr/Fe ранее, утрачивает свою применимость.

6. Полученные температурные зависимости межслойного обмена подтверждают представления о том, что механизм обмена в системе Fe/Cr/Fe связан с зарядово-индуцированной волной спиновой плотности в хромовой прослойке.

Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю Н. М. Крейнес за удачно поставленную задачу, мудрое научное руководство и организационные усилия, сделавшие возможным выполнение данной работы;

A. Б. Дровосекова за полезные дискуссии и помощь при проведении измерений;

B. Ф. Мещерякову за помощь в наладке экспериментального оборудования на начальном этапе работ;

В. В. Устинову, JI. Н. Ромашеву и М. А. Миляеву за предоставленные образцы, многочисленные полезные обсуждения и плодотворное соавторство;

В. В. Тугушеву и А. И. Морозову за разъяснение многих теоретических аспектов данной тематики и общестимулирующие беседы;

Б. Хиллебрандсу за предоставленную возможность использовать для выполнения данной работы оборудование его лаборатории в Техническом Университете г. Кайзерслаутерна;

М. Рикарту за помощь при работе с туннельным микроскопом.

Особую благодарность автор выражает С. О. Демокритову за доброжелательную поддержку и огромную фактическую помощь, благодаря которой существенная часть из.