Магнитооптическое исследование низкоразмерных магнитных структур

В настоящее время уделяется большое внимание изучению магнитных свойств и микромагнитной структуры (равновесного распределения намагниченности) низкоразмерных магнитных материалов, особенность которых состоит в том, что, по крайней мере, один их размер лежит в микрометрическом или нанометрическом диапазоне. Одним из примеров твердотельных низкоразмерных материалов являются тонкие магнитные плёнки (ТМП), толщина t которых значительно меньше, чем два других их размера. В качестве другого примера можно указать системы, представляющие собой множество (порядка 106) микрои нанопроволок плоской и круглой формы, полученных с помощью высокоразрешающей электронно-лучевой литографии и химического осаждения на пористые полупроводниковые подложки. Наконец, приповерхностная область магнитных кристаллов также является объектом пониженной размерности, эффективная размерность которого ближе к двум, чем к трем.

Интерес к перечисленным выше объектам не случаен и обусловлен рядом причин. В частности, в случае тонких магнитных плёнок толщиной несколько атомных слоев мы имеем дело с принципиально новыми низкоразмерными материалами, отличительной особенностью которых является нарушение трансляционной симметрии в одном из направлений. Это сопровождается появлением ряда, присущих только этим объектам физических свойств и явлений. Например, в отличие от массивных магнетиков в ультратонких плёнках наблюдается изменение доменной структуры и структуры доменных границ. В условиях нарушенного полного внутреннего отражения в них возможно возбуждение поверхностных плазменных и магнитоплазменных волн. В самое последнее время в ферромагнитных плёнках толщиной менее 6 монослоев теоретически предсказаны и экспериментально зарегистрированы новые квантовые размерные эффекты. В случае многослойных тонкоплёночных систем, представляющих собой чередования магнитных и немагнитных слоев субмикронной толщины, обнаружено гигантское магнитосопротивление.

Повышенный интерес к перечисленным выше материалам обусловлен также многообещающими перспективами их практического применения. Так тонкие металлизированные магнитные плёнки и многослойные структуры используются в качестве сред для высокоплотной магнитной записи [1−3]. На их основе создаются датчики магнитных полей, превосходящие по ряду характеристик (особенно в области малых полей) другие датчики. Одной из разновидностей таких датчиков являются миниатюрные магнитные головки для считывания сверхплотной магнитной записи. Кроме того, плёнки с высоким значением индукции насыщения используются при создании магнитных головок для высокоплотной записи.

Что касается приповерхностных слоев ферромагнитных материалов, то можно отметить следующее. Вблизи поверхности магнитные материалы обладают особыми свойствами. В частности, структура доменных границ (ДГ) в приповерхностной области может отличаться от объёмнойна поверхности ферромагнетиков возможно скопление дефектов кристаллической решеткиповерхность кристаллов может находиться в особом состоянии. Кроме того, для приповерхностной области, например, аморфных материалов характерно наличие сильной неоднородности в структуре и химическом составе. Таким образом, приповерхностная область магнитных кристаллов и особенно низкоразмерных магнитных материалов может оказывать существенное влияние на формирование их магнитных характеристик.

Несмотря на стремление в значительной степени расширить изучение низкоразмерных магнитных материалов, развитие этого направления долгое время тормозилось несовершенством технологий их приготовления. В течение последних лет удалось решить многие технологические проблемы. Так благодаря значительному прогрессу в развитии вакуумной техники, основанной на применении высокотехнологичных насосов с криогенными ловушками, позволяющими получать вакуум до 10″ 9 — 10'11 Торр, удалось получить совершенные тонкоплёночные образцы с очень малой толщиной (вплоть до одного монослоя), характеризующиеся практически всеми свойствами объёмного магнетика (спонтанной намагниченностью, петлёй гистерезиса, остаточной намагниченностью) [4]. Рациональный выбор прекурсора при изготовлении аморфных материалов и научно-обоснованный режим их термической обработки позволил получить нанокристаллические материалы с уникальными статическими и динамическими магнитными свойствами. Все это обусловило новый подъем интереса к исследованиям низкоразмерных магнитных структур. Однако анализ существующих данных показал, что к моменту проведения наших исследований по-прежнему существовало много нерешенных проблем. Например, не был окончательно решен вопрос о влиянии приповерхностной микромагнитной структуры (равновесного распределения намагниченности) на процессы перемагничивания низкоразмерных магнитных материаловне изучена взаимосвязь приповерхностных магнитных свойств и микроструктуры аморфных и нанокристаллических сплавовэкспериментально не исследовано взаимное влияние микрои нанопроволок, принадлежащих ансамблю указанных элементов (~106), на их магнитные свойства и микромагнитную структуру.

Таким образом, можно утверждать, что экспериментальное решение перечисленных выше проблем является актуальной задачей физики магнитных явлений.

Проведение исследований микромагнитной структуры и поведения в магнитном поле низкоразмерных магнитных материалов, а также низкоразмерных элементов, в частности, приповерхностных областей в магнитомягких материалах, возможно с использованием высокочувствительных экспериментальных методик. Одним из наиболее эффективных способов исследования таких объектов является магнитооптический метод, который и был использован в данной работе.

Цель работы состояла в магнитооптическом исследовании влияния термической обработки на приповерхностные магнитные свойства тонких плёнок никеля и железа, FeNiCrSiNbMnB FeNiCrSiNbMnBPC аморфных сплавов и сравнении полученных данных с объёмными характеристиками, а также изучении локальных магнитных свойств и микромагнитной структуры пермаллоевых прямоугольных элементов микронных размеров.

Для достижения поставленной цели было намечено решение следующих задач:

• исследование влияния термической обработки на магнитные свойства тонких плёнок Fe и Ni;

• изучение локальных магнитных свойств и микромагнитной структуры пермаллоевых прямоугольных элементов микронных размеров (микрострайпов);

• исследование влияния размеров, формы и взаимного расположения пермаллоевых микрострайпов на их локальные магнитные свойства;

• исследование магнитных свойств и микромагнитной структуры многокомпонентных Fe6i.4Ni3.6Cr3.2Si2.4Nb7.gMn3.6B1g и Fe64.6Ni3.7Cr7/7SijNb2Mn1B4P10C6 исходных и отожжённых аморфных лент.

Научная новизна работы состоит.

• в обнаружении сильного влияния отжига на магнитные свойства плёнок Fe и Ni;

• в обнаружении зависимости локальных магнитных характеристик микронных пермаллоевых элементов (микрострайпов) от их размеров, положения изучаемого участка в микрострайпе и взаимного расположения микрострайпов относительно друг друга в ансамбле указанных элементов (~106);

• в установлении влияния неоднородных полей рассеяния на локальные магнитные свойства микрострайпов;

• в обнаружении особенностей приповерхностной микромагнитной структуры, локальных магнитных свойств и процессов перемагничивания FeNiCrSiNbMnB и FeNiCrSiNbMnBPC аморфных лент и влияния на них термической обработки;

• в установлении взаимосвязи магнитных свойств и микрокристаллической структуры FeNiCrSiNbMnB и FeNiCrSiNbMnBPC сплавов.

Практическая ценность: полученные результаты позволяют дать научно-обоснованные рекомендации при разработке многослойных тонкоплёночных систем для современных устройств спиновой микроэлектроники, а также при изготовлении объёмных аморфных сплавов и магнитомягких материалов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях:

Int. Symp. on Advanced Magnetic Technologies, Taipei, Taiwan, May 13−16, 2001; 15th Soft Magnetic Materials Conference, Bilbao, Spain 5−7 September, 2001;Joint European Magnetic Symposia EMMA-MRM, Grenoble, France, August 28 -September 1, 2001; MISM 2002, Московском международном симпозиуме по магнетизму, Москва, 20−24 июня, 2002; XVIII Международной школе — семинаре «Новые магнитные материалы микроэлектроники», Москва, 24−28 июня, 2002; XIX Международной школе — семинаре «Новые магнитные материалы микроэлектроники», Москва, 28 июня — 2 июля, 2004; EASTMAG-2004, Krasnoyarsk, Russia, August 24−27, 2004; Joint European Magnetic Symposia, Dresden, Germany, September 05−10, 2004; MISM 2005, Московском международном симпозиуме по магнетизму, Москва, 25−30 июня, 2005.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 21 печатных работах, список которых приведён в конце цитируемой литературы.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Общий объём работы составляет 135 страниц машинописного текста, включая 56 рисунков, 3 таблицы и список цитируемой литературы из 138 наименований.

Основные результаты и выводы к главе I.

1. Проведено экспериментальное исследование влияния температуры отжига на приповерхностных и объёмных магнитные характеристики, а также магнитооптические свойства плёнок никеля и железа толщиной 50 — 200 нм.

2. Обнаружено сильное влияние температуры отжига и толщины образцов на приповерхностные и объёмные магнитные характеристики и, в частности, на значения коэрцитивной силы #с плёнок никеля и железа.

3. Показано, что найденные зависимости коэрцитивной силы Нс от толщины плёнок и температуры отжига могут быть объяснены микроструктурными особенностями изучаемых образцов. Доказано, что увеличение значений Нс плёнок никеля и железа обусловлено усилением их текстуры.

4. Обнаружено, что исходные и отожжённые при температуре Т = 300 °C плёнки никеля характеризуются наличием магнитной анизотропии в плоскости образцов. При этом ориентация оси лёгкого намагничивания (OJIH) совпадает с направлением магнитного поля, приложенного параллельно подложке в процессе изготовления плёнок. Эти данные позволяют сделать вывод о наличии в образцах наведённой магнитной анизотропии, причиной которой, согласно существующим представлениям, может быть парное упорядочение атомов.

5. Установлено, что как приповерхностные, так и объёмные магнитные свойства отожжённых при температуре Т = 400 и 500 °C плёнок никеля не зависят от ориентации перемагничивающего поля, приложенного в плоскости образцов, а значения Нс существенно увеличиваются по сравнению с исходными образцами. Этот экспериментальный результат свидетельствуют о том, что благодаря отжигу при температуре Т = 400 и 500 °C возможно получение изотропных магнитожёстких никелевых тонкоплёночных систем.

6. Обнаружено, что приповерхностные и объёмные значения Нс и MR/MS изучаемых плёнок различаются, причем //CSUR > #cV0L и MRSUR/Ms > MRW0L/MS. По аналогии с существующими экспериментальными данными, этот факт был сделан вывод о различающейся доменной структуре приповерхностного слоя и внутреннего объёма плёнок.

7. Установлено, что спектральные зависимости экваториального эффекта Керра (ЭЭК) плёнок никеля и железа аналогичны спектрам ЭЭК, наблюдаемым для монокристаллических образцов Ni и Fe, но величина ЭЭК уменьшается с ростом температуры отжига. Сопоставление значений намагниченности насыщения Ms исходных и отожжённых образцов позволило сделать вывод о том, что в соответствии с феноменологической теорией линейных по намагниченности магнитооптических эффектов, изменения ЭЭК обусловлены уменьшением величины М$ в результате отжига пленок.

8. Обнаружено, что для всех исходных и отожжённых плёнок никеля и железа одной серии величина ЭЭК не зависит от толщины образца. Этот результат подтверждает известный факт, что при толщине изучаемых образцов t, превышающей глубину проникновения света в среду, t^п, величина магнитооптического сигнала не зависит от значения /.

9. Полученные экспериментальные результаты могут быть использованы при разработке тонкоплёночных систем, применяемых в современных устройствах спиновой микроэлектроники.