книги / Физика тонких пленок. Современное состояние исследований и технические применения. Т. 6

которых исследуются тщательно изготовленные многослойные структуры с хорошо определенными параметрами.

В ряде публикаций Ваксман и сотр. [179— 182] изучили влия­ ние приведения пермаллоевой пленки в непосредственный кон­ такт с другой ферромагнитной либо с антиферромагнитной пленкой. Сначала проанализируем их результаты для пленок с обменной анизотропией. Эти авторы изучали описанную выше систему NiFe—NiFeMn. В поликристаллических пленках, где

Фиг. 46. Интенсивность первой и второй сгшн-волновых мод для системы NiFe — NiFeMn в зависимости от температуры [181].

тройной сплав образуется диффузией (см. разд. 11,2), основной эффект обусловлен изменением намагниченности с толщиной

наблюдавшегося в других случаях [178]. Поэтому главные уси­ лия авторов были направлены на исследование систем с напы­ лением NiFeMn на монокристаллический пермаллой.

Они обнаружили, что только для изготовленной в достаточ­ но чистых условиях эпитаксиальной пленки NiFe высшие моды (более высокого порядка, чем однородная прецессия) возбуж­ дались очень слабо. Этот факт связывается с величиной энер­ гии эффективной поверхностной анизотропии, не превышающей 0,1 эрг/см2 [179]. В таких условиях нечетные моды возбуждают­ ся слабее, чем четные. Ситуация изменяется на обратную, если на пермаллой наносится антиферромагнитный слой. Однако, как видно из фиг. 40, интенсивность первой моды быстро умень­ шается с температурой и почти обращается в нуль, когда исче­ зает обсуждавшееся ранее смещение петли гистерезиса. Интен­ сивность второй моды практически не зависит от температуры. Таким образом, необычно сильное возбуждение первой моду

можно объяснить закреплением спинов, обусловленным ферро- магнитно-антиферромагнитным обменом.

В случае испарения гадолиния на поликристаллический пер­ маллой [179, 180] ситуация значительно усложняется: каждый из ферромагнитных слоев может резонировать независимо. Это происходит в том случае, когда условие резонанса выполняется для одной из пленок, а вторая пленка находится вдали от резо­ нанса. Но при изменении температуры намагниченность гадоли­ ния изменяется значительно быстрее, чем намагниченность NiFe, так что должны были бы существовать точки пересечения, где для обоих слоев выполняются условия резонанса. Взаимо­ действие снимает это вырождение, а вид соответствующих кри­ вых зависит от силы связи. Ваксман и др. [179] рассчитали пре­ дельные случаи слабой и сильной связи; их результаты пока­ заны на фиг. 41.

Экспериментально оказалось возможным наблюдать только резонансы от пермаллоя, поскольку ширина резонансной линии Gd слишком велика. Однако авторы [179, 180] показали, что поведение исследованных двойных структур качественно согла­ суется с моделью сильной связи. Они высказали мысль [180], что было бы интересно провести подобные эксперименты, заме­ нив гадолиний материалом с узкой резонансной линией. Это было сделано Будером и Массив [183], которые на системе Со—NiFeCo наблюдали эффект, очень близкий к изображенному на фиг. 41, а. Гофман и сотр. провели аналогичные эксперименты на двух- [183а] и трехслойных [184] структурах и по «расстоя­ ниям» между модами определили величину позерхностной энер­ гии взаимодействия слоев. Несомненно, что данная область от­ крывает возможности для большой и плодотворной работы, ко­ торая даст желаемые сведения по упомянутым выше общим проблемам и выдвинет целый ряд новых задач.

5. ДОМЕННАЯ СТРУКТУРА ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ ПЛЕНОК

Кроме рассмотренных в разд. 11,4 эффектов взаимодействия стенок, существует множество других влияний связи на магнит­ ные домены и их внутреннюю магнитную структуру. В любом случае, когда действительно существует поверхностная энергия связи, локальная намагниченность одного слоя будет влиять на локальную намагниченность другого слоя. Наиболее заметно это проявляется, когда мягкая пленка связана с более жесткой пленкой или с антиферромагнитным слоем с доменной структу­ рой. Тогда доменная структура мягкой пленки стремится замк­ нуть доменную структуру жесткой пленки. Это явление изуча­ лось, в частности, в случае связи за счет обменной анизотропии, когда ферромагнитный слой поддерживался в размагниченном

Ф иг. 436. Интерпретация фиг. 43а [186].

Стрелками —-> обозначены направления намагниченности, стрелки----- > указывают на­ правленно поля связи.

щепиться. Если поле достаточно велико для полного перемагничивания мягкой пленки, но не влияет на намагниченность жест­ кой пленки, то при уменьшении поля доменные стенки вновь вернутся в свои положения. В системах с обменной анизотро­ пией антиферромагнитный слой не перемагничивается при всех возможных значениях поля, и поэтому замкнутая конфигурация существует все время. На фиг. 42 продемонстрировано разру­ шение и восстановление стенки, когда намагниченности по обе ее стороны постепенно становятся параллельными, а затем снова антипараллельными.

На фиг. 43а приведена лоренцевская микрофотография крупномасштабных пульсаций намагниченности в домене с не­ выгодной ориентацией вследствие однонаправленной обменной анизотропии, а на фиг. 436 — соответствующая схема направле­ ний намагниченности и поля связи. Исходя из малости периода этой структуры, Массне и Девеньи [186] смогли прийти к вы­ воду, что антиферромагнитные зерна, внутри которых однона­ правленная анизотропия жестко фиксирована, имеют размер порядка 200 А или менее. Подобным же образом Массне и сотр. [140] на основании данных о движении доменов в системах с дырочной связью смогли сделать вывод, что на масштабах по­ рядка толщины доменной стенки (1000 А) дырки должны быть распределены очень плавно.

Одним из свойств, которые очень чувствительны к структуре доменных стенок и к внутренней структуре доменов, является магнетосопротивление. Магнетосопротивление независимых од­ ноосных пленок впервые изучалось Коренном и Юречке [187] в

1962 г., а затем было измерено и на связанных пленках Хиршем и Фридманом [188] и Ру-Бюиссеном и Брюэром [189]. В рабо­ те [188] использовалась методика изучения гистерезисных явлений в пленках с параллельными и с пересекающимися осями одно­ осной анизотропии, а в работе [189] — измерения направлений намагниченности и дисперсий легких осей в системах с обмен­ ной анизотропией. Эти авторы смогли определить зависимость направления намагниченности при заданных величине и направ­ лении магнитного поля от магнитной предыстории образца. Данный вопрос связан с зависящими от истории образца эф­ фектами, описанными выше (разд. 11,2).

6. АНИЗОТРОПИЯ в ы с ш и х п о р я д к о в

И СПИРАЛЬНАЯ АНИЗОТРОПИЯ

Практически все предыдущие рассуждения ограничивались ситуациями, в которых участвовали одноосные ферромагнитные пленки с параллельными осями легкого намагничивания. Со­ вершенно очевидно, что в принципе это вовсе не обязательно: можно создать многослойную пленочную структуру, у которой ориентация легкой оси каждого из слоев будет отличаться от ориентации легких осей соседних слоев. Связанные структуры такого типа были изготовлены и обнаружили широкое разнооб­ разие эффектов взаимодействия. Однако поскольку поведение подобной структуры зависит прежде всего от самого существо­ вания связи, а не от ее микроскопической природы, то рассмот­ рим оба фактора совместно.

Рассмотрим два различных типа структур. Многоосные структуры— это системы, состоящие из сравнительно неболь­ шого числа слоев, каждый из которых имеет достаточно четко определенную ось легкого намагничения. Будем говорить, что такие структуры обладают «анизотропией высших порядков», хотя, например, поведение связанной двухосной структуры, как мы увидим, коренным образом отличается от свойств монокристаллической пленки с двухосной анизотропией в плоскости пленки. Структуры, в которых направление легкой оси плавно изменяется от слоя к слою, будем называть структурами со «спиральной анизотропией». Обычно в таких структурах эффекты анизотропии почти полностью усредняются. Представляет инте­ рес вопрос об изменении намагниченности по толщине пленки. Различие между этими двумя типами структур аналогично тому, которое мы делали между системами с постоянной намаг­ ниченностью в каждом слое и системами с намагниченностью, меняющейся по толщине слоя.

а. Многоосные структуры. Известно, что группа одноосных ферромагнитных элементов или областей, в том числе ферро­

магнитные многослойные пленки (но не только они), при неко­ торых условиях могут проявлять двухосную анизотропию. Нес­ бит и сотр. [190] показали в 1954 г., что два одноосных объекта с взаимно перпендикулярными осями легкого намагничивания дают в ненасыщенном состоянии кривую вращательных момен­ тов, соответствующую двухосному материалу: кривая момента вращения обладает 40-симметрией, которая в высоких полях

Y

Ф н г. 44. Направления легких осей и векторов на­

ния пленки 1; К — ось легкого на.* ыагннчнваиия пленки 2.

ослабляется примерно как 1/Я. Слончевский [191] показал, что взаимодействие между двумя областями уменьшает эффект двухосной анизотропии, но приводит к относительно более мед­ ленному его спаду. Аналогичная трехмерная задача для трех областей с ортогональными легкими осями изучалась Неелем и сотр. [192], продемонстрировавшими возможность существо­ вания в этом случае эффективной анизотропии высших поряд­ ков. Проблемы, которые мы здесь обсудим, являются развитием этих идей.

Некоторые детали проблемы многоосной анизотропии опре­ деляются видом зависимости энергии связи от направления намагниченности в различных слоях (этот вопрос обсуждался

вразд. Ill, 1), количеством слоев и направлениями легких осей

вних. Однако можно сделать ряд общих утверждений, относя­ щихся ко всем подобным структурам. Начнем с рассмотрения задачи о двухосной анизотропии в предположении применимо­ сти cose-закона, а затем распространим наш анализ на случай обменной связи и трехосной анизотропии. В заключение попы­ таемся сделать несколько общих выводов и обсудим некоторые свойства таких систем.

Рассмотрим две пленки с одинаковыми толщинами, намаг­ ниченностями и одноосной анизотропией (константа анизотро­ пии Ки), оси легкого намагничивания которых взаимно перпен­

дикулярны. Такая ситуация изображена на фиг. 44. В соответ­ ствии с законом cos 0 энергию связи запишем в форме соотноше­ ния (16); hi считаем положительным. Если связь отрицательная,

то в нулевом поле ситуация не изменится, а в присутствии поля несколько усложнится. Согласно (15), энергия пары пленок во внешнем магнитном поле равна

Я = — Есcos (02— 9]) + Киsin20i — Ки sin202— МНх cos 0| —■

Нас интересует зависимость Я от Г — среднего направления на­

Чтобы проанализировать следствия соотношений (30) и (31)

В сильных полях анизотропия ослабляется, как 1/Я, и система постепенно становится изотропной. В более высоких приближе­ ниях появится дополнительный член [193], дающий при Н — 0

двухосную и четырехосную анизотропии. Этот член очень мал при большой энергии связи, а в сильных полях он убывает, как

1!Н\