книги / Физика тонких пленок. Современное состояние исследований и технические применения. Т. 6
.pdfной 2100 А имелась един |
Внешнее поле Нх <-Нь |
|||||||
ственная петля гистерези |
|
|||||||
са |
и коэрцитивная |
сила |
|
|||||
составляла |
9 |
Э. |
Точно |
|
||||
так же для всей системы |
|
|||||||
была |
найдена |
|
одна |
по |
|
|||
стоянная |
времени |
пере- |
|
|||||
магничивания. Если |
тол |
|
||||||
щина |
одной |
или |
обеих |
|
||||
пленок |
гораздо |
больше |
|
|||||
критической, |
то |
можно |
|
|||||
получить псевдодоменную |
|
|||||||
стенку, |
подобную |
стенке |
|
|||||
Блоха, |
» |
параллельную |
|
|||||
плоскости пленки, как по |
|
|||||||
казано на фиг. 2. Свой |
|
|||||||
ства такой структуры мо |
|
|||||||
гут |
быть |
весьма |
слож |
|
||||
ными. |
|
|
|
усложне |
|
|||
Дальнейшие |
|
|||||||
ния |
возникают |
при отри |
|
|||||
цательной |
связи. Кнеер и |
|
||||||
Цинн [20] |
сообщили, |
что |
|
пленки EuS и NiFe становились независимыми, когда толщина слоя EuS превышала 250 А. Иначе говоря, один слой мог быть перемагничен независимо от другого. Используя идеи, на кото рых основана формула ( 1), эти исследователи приписали такое поведение системы низкому значению постоянной А для EuS. Но Ан и Алмази [18, 21] показали, что низкое значение tc обусловле
но отрицательным взаимодействием. Таким образом, пленки ста новятся независимыми при таких толщинах, когда энергия маг нитного поля верхней пленки (фиг. 2) превышает энергию связи:
t > EJMHa , |
(2) |
где Е0— энергия связи на единицу поверхности границы раз
дела.
В двухпленочной структуре, толстой или тонкой, разумно го ворить об энергии связи на единицу площади пленки, как это только что было сделано, однако трудно получить значение ука занной величины, которая по существу представляет собой от несенную к единице площади пограничную обменную энергию. Для тонкой структуры с одновременным перемагничиванием пленок это фактически и невозможно. Для толстой структуры искомую величину определить можно, но для получения кор ректного значения необходимо проследить изменение направле ния вектора намагниченности при перемещении от слоя к сло}о
гораздо детальнее и строже, чем это было сделано в рассмотрен ных моделях. Этот вопрос обсуждается в разд. 11,2.
Вторая структура с прямым обменным взаимодействием изображена на фиг. 3: две ферромагнитные пленки связаны че
рез промежуточную слабоферромагнитную пленку. Такая струк тура была впервые получена Брюэром, Массне и сотр. [22] как
побочный результат исследования «косвенной» связи. Изучен ные образцы состояли из напыленных слоев сплава 81Ni— 19Fe
толщиной от |
1000 до 2000 А, слоя палладия переменной тол |
щины и слоя |
из сплава 35Со—52Nt— 13Fe толщиной 1800 А. |
— 2
— 3
Фиг. 3. Структура, в которой две пленки связаны через слабоферромагнитнын слой.
J, з —снльноферромагннтные слои; 2— слабоферромагннтный слой
Было обнаружено, что нижняя и верхняя ферромагнитные пленки взаимодействуют, когда толщина промежуточной пал ладиевой пленки ниже некоторого значения (около 300 А для пленок, приготовленных при комнатной температуре), и что энергия связи увеличивается почти линейно с уменьшением этой толщины. Оказалось также, что энергия связи менялась с тем пературой опыта, уменьшаясь с ростом температуры, как пока зано на фиг. 4.
Продолжению этой работы посвящены публикации [23—27], в которых продемонстрировано, что связь возникает вследствие диффузии ферромагнитного материала в палладий и образова ния ферромагнитного сплава. Существование диффузии было строго подтверждено зависимостью силы связи от температуры напыления, а также увеличением связи в результате последую щего отжига [23]. Далее, температурная зависимость связи (фиг. 4) в точности совпадает с температурной зависимостью намагниченности. Отсюда следует, что в результате диффузии Ni, Fe или Со в слой Pd образуется слабоферромагнитный сплав, или, точнее, сплав с меняющимся по толщине составом. Тогда верхняя и нижняя пленки оказываются связанными вплоть до температуры, близкой к ферромагнитной темпера туре Кюри слабомагнитного сплава. Сплавы с температурами Кюри, лежащими в интервале от 0 до 200 °С, можно получить при относительно низких концентрациях Ni, Fe или Со в Pd [28, 29], однако в [23] указывается, что кобальт мог диффунди ровать и в очень большом количестве.
Для доказательства существования диффузии Массне [26, 27] исследовал намагниченность рассматриваемых структур как функцию температуры и сравнил ее с намагниченностью струк тур без промежуточного слоя палладия. Было обнаружено, что магнитный момент действительно зависит от присутствия пал ладиевого сплава. Магнитный момент быстро увеличивается
Фиг. 4. Зависимость энергии связи от температуры для структуры (Ni—Fe)—Pd—Со (для одной из толщин промежуточного слоя палладия) [22].
при понижении температуры в соответствии с предсказанием диффузионной модели.
Сыотер [30] продолжил исследования диффузии, изучив влияние отжига. Он измерил влияние отжига на анизотропию и коэрцитивную силу обеих пленок, а также на их связь. Была обнаружена весьма сложная зависимость энергии связи от тем пературы и времени, из которой следует невозможность описа ния процесса отжига с помощью лишь энергии активации. По этому Сыотер предположил, что ферромагнитный сплав обра зуется путем объемной диффузии и диффузии по границам зе рен, так что результирующая пленка обладает весьма неодно родным профилем состава.
Следует отметить, что энергия связи между верхним и ниж ним слоями пропорциональна косинусу угла (cos0) между их
намагниченностями [24, 25]. Намагниченность одного слоя дей ствует подобно эффективному полю на намагниченность дру гого слоя. Мы увидим, что тот же закон действует и в ряде
других ситуаций, в частности, как и следовало ожидать, в случае магнитостатической связи. Неизвестно, должна ли эта зависи мость проявляться только для объемной диффузии, поэтому мы не можем решить, вытекает ли этот результат из диффузионной модели.
От рассмотренных структур всего один шаг к структурам с однородными промежуточными слоями с низкими темпера турами Кюри, например, из элементов типа Gd или какого-ни будь сплава. Этот слой может создавать эффективную связь между верхней и нижней пленками. Естественно, что напыление следует проводить при достаточно низких температурах для предотвращения диффузии. В работах [26, 27] это достигалось напылением промежуточных слоев из Pd—Со. Температурная зависимость была аналогична наблюденной в предыдущем при мере. Оказалось, что в пределах точности эксперимента для промежуточных пленок тоньше 100 А связь разрушается при температурах Кюри промежуточного слоя. Ли и Томпсон [31] предложили использовать для этой цели сплавы Ni—Fe—Си, Ni—Fe—Мо и особенно Ni—Fe—Cr. Эти авторы изучали одно слойные пленки последнего сплава и нашли, что из-за метал лургической нестабильности с ними трудно работать. Насколько известно автору, до сих пор никто не изучил угловую зависи мость энергии связи в системе с более или менее однородным изотропным промежуточным слоем. Теоретически в таких систе мах должен существовать однородный поворот спинов от од ного направления к другому. Следовательно, в слое
Е = A (ду/дх)2= А (0//)2, |
(3) |
где <р — угол вектора намагниченности внутри промежуточного слоя (как функция х), А — постоянная обменного взаимодей ствия в пленке, t — ее толщина, угол 0 определен выше.
Было бы интересно экспериментально исследовать эту угло вую зависимость и сравнить ее как с теорией, так и с результа тами для диффузионных пленок.
Недавно Хагедорн [32] предложил новую структуру, близ кую к описанной. Она похожа на структуру, изображенную на фиг. 3, но вместо двух ферромагнитных пленок, связанных сла бомагнитной, состоит из пленки с низкой анизотропией, распо ложенной между двумя пленками с высокой анизотропией. Вследствие анизотропии закон взаимодействия модифицируется и соотношение (3) уже более неприменимо [32]. Хагедорн [32] проанализировал свойства такой структуры и предположил, что с ее помощью можно получить исключительно высокие магнит ные проницаемости. Мы обсудим эту систему при рассмотрении вопросов перемагничивания в разд. III, 2.
2. ФЕРРО-АНТИФЕРРОМАГНИТНАЯ СВЯЗЬ (ОБМЕННАЯ АНИЗОТРОПИЯ)
Обратимся теперь к структуре лишь слегка более сложной, чем изображенная на фиг. 1, но обнаруживающей удивительное
многообразие интересных эффектов. Эта структура состоит из связанных ферро- и антиферромагнитной пленок (фиг. 5). Если ферроили ферримагнитная пленка намагничена до насыще ния при температуре выше температуры Нееля (TN) антиферро
магнитной пленки, то картина источников обменной анизотро пии схематически может быть представлена на фиг. 6, а. Спины
Ф и г. 5. Структура с ферро-антиферромагнитнон связью.
/ —ферромагнитный слой; 2 —антиферромагыитный слой.
антиферромагнетика разупорядочены. Если теперь структуры охладить ниже TN и если плоскость границы раздела не яв
ляется плоскостью компенсации намагниченности антиферро магнетика, то создается ситуация, показанная на фиг. 6, 6. Ори
ентация спинов в антиферромагнетике определяется направле нием намагниченности насыщения в ферромагнетике. Такое же положение может возникнуть, если антиферромагнитная пленка образуется в результате окисления ферромагнитной пленки при температуре ниже TN. В каждом из этих случаев изменение
ориентации спинов при пересечении границы раздела опреде ляется обменным взаимодействием между ферро- и антиферро магнитной пленками. Поэтому в этом состоянии спины анти ферромагнетика стремятся удержать спины ферромагнитного слоя в их первоначальном положении (фиг. 6, в). В этом случае
с помощью ряда методик можно наблюдать однонаправленную обменную анизотропию. Положение, величина и точное напра вление анизотропии будут зависеть (по крайней мере отчасти) от кристаллографических свойств обеих пленок. Анизотропия максимальна в состоянии, приведенном на фиг. 6, б, умень
шается для других взаимных кристаллографических ориента ций и исчезает, когда плоскость раздела является плоскостью компенсации антиферромагнетика (фиг. 6, г).
Впервые обменную анизотропию и ряд родственных эффек тов наблюдали Майклджон и Вин в 1956 г. [33], после чего эти явления были широко изучены. Эти авторы наблюдали рас сматриваемые явления в частично окисленном мелкодисперсном
порошке кобальта, но по существу такой же эффект обнаружи вается в неоднородных однофазных системах и в тонких плен ках. Последние представляли собой ферромагнитный металл с антиферромагнитным окислом или нанесенные друг на друга ферро- и антиферромагнитные слои.
Антиферромагне* тик Ферромагнетик
/ |
^ |
1 1 1 |
I |
i |
i |
111 |
i |
|
\ |
- |
i l l |
, |
|
|
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
/ |
/ |
tt i t i t |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 1 |
|
I I i 1 N |
|
|||||||
|
|
a |
|
|
6 |
|
|
|
ii
i I
t i
\ |
Г \ |
\ |
— |
| |
j |
|
i |
h |
\\ |
\\ |
\\ |
" |
1" |
• |
l |
||
' |
' |
|
||||||
\ |
\ |
\ |
" |
|
j |
|
|
i |
в |
2 |
|
Фиг. 6. Схематическая |
картина источников обменной анизотропии [3]. |
а —высокие температуры; |
б —температура ниже Гуу» в —в перемагннчнвающем поле; |
? —граница раздела является плоскостью компенсации. |
Кроме системы Со—СоО, имеются сообщения о большом количестве двухкомпонентных систем из ферро- и антиферро магнетика. В их число входят: Fe—FeO [34], Fe—FeS [35, 36], Ni—NiO [37, 38], сплав Ni—Fe и его окисел [39], а также си стема, состоящая из сплавов Ni—Fe и Ni—Fe—Mn [40, 41]. В перечисленных структурах ферро- и антиферромагнитный ма териалы. содержат по крайней мере один общий магнитный ион, однако это не обязательно для существования обменной анизо тропии, поскольку она была обнаружена и в системе (Ni—Fe) — СГ2О3 [42]. Согласно данным [43], ее наблюдали и в системе
(Ni—Fe)—Сг (весьма вероятно, однако, что этот случай отно сится по существу к предыдущей системе).
К неоднородным однофазным системам с ферромагнитноантиферромагнитной или ферримагнитно-антиферромагнитной связью относятся сплавы Си—Мп и Ag—Мп [44], (Ni, Ре)зМп [45], Fe65(Nii-*Mn*)35 [46], различные смешанные манганаты [47]
и смешанные ферриты [48]. Системы этого типа иногда обнару живают слабый ферромагнетизм Дзялошинского — Мориа [49]. Тогда они могут иметь очень высокие коэрцитивные силы и, сле довательно, обладать однонаправленным вращательным момен том даже в довольно больших полях. Однако можно отличить эти явления от эффектов связи по другим их проявлениям, например по обсуждаемым ниже формам петли гистере зиса.
Обычно при изучении пленочных структур рассматривались двухкомпонентные системы, а не гетерогенные материалы, кото
рые сами по себе |
широко трактуются в литературе [3—5, 50]. |
В дальнейшем мы |
их здесь также не будем рассматривать, |
кроме случаев, когда они могут пролить свет на проблемы пле ночных структур. Майклджон [4] привел один эксперименталь ный пример ферро-ферримагнитной связи между Fe и Fe30 4. Казалось бы, он представляет значительный интерес, однако с тех пор дальнейших исследований не было проведено. Читате лям, интересующимся данным вопросом, следует обратиться к более раннему обзору [4].
Наиболее удачными структурами для изучения обменной анизотропии в тонких пленках сначала оказались системы ме талл— окисел типа Со—СоО или Ni—NiO, а позже — системы NiFe—NiFeMn. Первую структуру обычно получали нанесением пленки металла с последующим ее окислением. Вероятно, в большинстве подобных структур окисел имеет эпитаксиальную ориентацию, отвечающую грани кристаллита, на которой он образуется. Эти системы имеют один серьезный недостаток. Пленка окисла обычно очень тонкая, как правило порядка не скольких десятков ангстрем, и ее свойства трудно очень точно измерять. Но этот недостаток компенсируется тем, что по сра внению со многими другими системами здесь очень хорошо контролируются условия на границе раздела. Свойства изучае мых окислов можно четко определить, и обычно они известны. Кроме того, ряд свойств можно исследовать в функции от вре мени окисления, т. е. при увеличении толщины окисла, хотя абсолютную величину толщины обычно на опыте не удается хорошо измерить. СоО является классическим примером анти ферромагнетика с очень сильной анизотропией, a NiO — подоб ным же примером вещества со слабой анизотропией; отсюда следует, что любое свойство, общее обеим системам, вероятно,
является общим для всех таких структур с обменной анизотро пией *).
Сплавы Ni—Fe—Мп обычно образуются в результате диф фузии через границу раздела между пленкой из сплава Ni—Fe и нанесенной сверху пленкой марганца [40, 41]. Эти системы об наруживают эффекты обменной анизотропии вплоть до темпе ратур выше 200 °С [47], что позволяет проводить измерения при комнатных температурах. Очевидный недостаток данной си стемы состоит в том, что она не является сплавом одного по стоянного состава, а имеет переменный состав. Однако, судя по высоким температурам Нееля, найденным в этих пленках, вполне возможно, что наиболее важные эффекты отвечают со ставам, недавно изученным в [46]. Принципиальным преимуще ством этой системы является легкость изменения свойств путем отжига, благодаря чему оказалось возможным изучить большое число магнитных характеристик в зависимости от отжига и вре мени диффузии. Этим методом Глазер и сотр. [53—56] смогли показать, каким образом коэрцитивная сила и одноосная анизо тропия изменяются с развитием однонаправленной анизотропии, изучить сдвиг петли гистерезиса и вращательный гистерезис (см. ниже).
Структура, показанная на фиг. 5, обнаруживает удивитель ное многообразие необычных свойств. Некоторые из них наблю дались самыми первыми исследователями в этой области, тогда как другие — в результате более детальных работ; часть свойств открыта совсем недавно. Чтобы оценить значимость этих свойств, прежде всего обсудим теорию когерентного вращения, которая в прошлом применялась для описания перемагничивания таких пленок. Затем, рассматривая различные эффекты, мы сможем сравнить ее предсказания с экспериментом. Эта модель использовалась весьма плодотворно при изучении невзаимодей ствующих ферромагнитных пленок [1, 57—59], хотя она не очень хорошо описывает реальные процессы при перемагничивании [60]. Ее применение к широкому классу многослойных структур описано в разд. III, 2. Однако, как будет показано ниже, для случая ферро-антиферромагнитной связи эта модель оказывается совершенно несостоятельной.
Следуя анализу Майклджона [4], с помощью диаграммы, изображенной на фиг. 7, записываем полную энергию связан ной системы:
Е = — НМ cos(0 — р) + KAF sin12 о — JKcos (0 — а), (4)
где Е — энергия на единицу объема ферромагнетика; первый
член в правой части уравнения — энергия поля на единицу объ-
1) Общие свойства NiO суммированы в [38], а |
СоО — в [51]. Анизотро |
пия и магнитострикция этих веществ обсуждаются |
в [52]. |
Фиг. 7. |
Векторная диаграмма направлений поля и спинов в системе |
с обменной |
анизотропией [4]. |
ема ферромагнетика, второй член — энергия анизотропии на единицу объема антиферромагнетика и третий член — энергия анизотропного обмена на единицу объема ферромагнетика. При написании выражения (4) было сделано несколько предположе ний. Во-первых, считается, что направление спинов в обоих ма териалах не зависит от расстояния от границы раздела и, вовторых, что все плоскости пленки действуют одинаково. Далее пренебрегают анизотропией ферромагнитной пленки, а также вкладом приложенного поля в антиферромагнетике по сравне нию с обменной анизотропией. Первые два предположения чрез вычайносомнительны, третье и четвертое в большинстве случаев, вероятно, разумны. Углы а и р определяются из требования минимума энергии (4) и условия их непрерывного изменения, пока значение Е отвечает относительному минимуму. Коувел
[50] применил эту модель к случаю гетерогенного сплава. Повидимому, такая трактовка весьма плодотворна для этой за дачи, но, как будет видно, она гораздо менее подходит для рас сматриваемой здесь проблемы тонких пленок.
Условия минимума энергии дЕ/да = dEfdр = 0 для выра
жения (4) дают
Vк!Кар) sin (р — а) = |
sin 2а, |
|
(HM/JK) sin (0 — р) = |
sin (Р — а). |
^ |
Уравнения (5) решаются численно и упомянутая выше одно направленная анизотропия проявляется двумя путями. Вопервых, кривые механического момента будут содержать
|
компоненту с |
sin G, |
про |
||||
|
порциональную этой |
ани |
|||||
|
зотропии. Во-вторых, пет |
||||||
|
ля //^-гистерезиса (или |
||||||
|
снятая |
в петлескопе) |
бу |
||||
|
дет |
сдвинута |
относитель |
||||
|
но поля. Оба эти явления |
||||||
|
изображены |
на |
фиг. |
8. |
|||
|
Простая теория [33] пред |
||||||
|
сказывает, что |
смещение |
|||||
|
петли |
гистерезиса |
|
Я„ |
|||
|
должно |
быть |
связано |
с |
|||
|
константой обменной ани |
||||||
|
зотропией Кс, |
определяе |
|||||
|
мой из кривых механиче |
||||||
|
ского момента, формулой |
||||||
|
|
На = Ке/М. |
(6) |
||||
|
Однако это |
равенство |
|||||
|
редко |
выполняется |
[42]. |
||||
Ф и г. 8 (данные [33]). |
Теоретическое |
и экспери |
|||||
а —петля гистерезиса; б —кривая вращательного |
ментальное значения |
мо |
|||||
момента в системе с обменной анизотропией. |
гут |
отличаться |
почти |
в |
|||
|
два |
раза. Отсюда немед |
ленно вытекает требование построения более строгой модели, объясняющей поведение пленок с обменной анизотропией.
Указанные выше свойства обычно, но не всегда наблюдаются в системах ферромагнетик — антиферромагнетик. Если анизо тропия антиферромагнетика достаточно низка, то вращательный момент, обусловленный обменной анизотропией, может разру шаться перемагничиванием. Так иногда происходит, например, в случае системы Ni—NiO. По-видимому, универсальным свой ством таких структур является сохранение вращательного ги стерезиса до очень сильных полей. Вращательный гистерезис служит мерой энергетических потерь при вращении приложен ного поля на угол 360°
На фиг. 9 эти потери изображены в зависимости от прило женного поля для двух систем: для нормального ферромагне тика или взаимодействующих пленок выше температуры TV, когда потери на гистерезис исчезают при полях, превышающих поле анизотропии, и для структуры ферромагнетик— антифер ромагнетик. В последнем случае потери становятся почти по стоянными выше некоторого поля. Совершенно очевидно, что такое поведение не может быть связано только с ферромагнети ком, но должна существовать некоторая переориентация спинов антиферромагнетика, которая из-за высокой анизотропии не