4.2 Енергетичний аналіз

У роботі [43] досліджена структурна стабільність адсорбційних атомів і кластерів Со на поверхні (100) Сu методом молекулярної динаміки. Було встановлено, що енергія системи Co/Cu сильно знижується в тому випадку, коли атоми Со містяться усередині шару Cu, а не у вигляді адсорбованого атома на поверхні. Ще більш сильна стабілізація даної плівкової системи відбувається, коли атоми Со утворять об’ємні або поверхневі кластери Со (рис.13).

Автори [43] доходять до висновку, що в умовах конденсації Со на поверхні Cu можливе також утворення поверхневого сплаву. Ці висновки цілком узгоджуються з результатами роботи [44], у якій аналізувалися способи включення кластерів Со у моно- або полікристилічну плівку Со (рис.14). Дані роботи [44] також узгоджуються із висновками [33,42]. Згідно з електронно-мікроскопічними дослідженнями [44] на поверхні зерен Сu має місце змінний контраст, який може бути обумовлений деформацією зерен Сu через присутність в них дуже малих включень Со, які, в окремих випадках можна безпосередньо спостерігати методом ПЕМ (розмір цих кластерів ~ 3 нм). У той самий час при отриманні багатошарових плівок Со/Сu високочастотним розпиленням з дуже малою товщиною окремих шарів формується псевдогранулярна мікроструктура, в яких має місце ефект ГМО, буде різною, оскільки частина із них буде знаходитися у т.р.(Со-Сu) в атомарному вигляді або входити в склад феромагнітних кластерів великих розмірів, а величина ГМО буде визначатися [33] кластерами Со в об’ємі плівки Сu.

Рисунок13 - Зміна енергії зв’язку двохатомного кластера Со із (001)Сu підкладкою залежно від його локалізації (а) і енергетика утворення поверхневого кластера Со (б) [33]

Рисунок 14 – Схематичне зображення включення пластинчастих і об’ємних включень частинок Со у шаруватій (а) і полікристалічний (б) плівках Cu [39]

Також можна говорити, що особливості фазово-структурного стану вивчених плівкових систем на основі Cu та Co цілком зрозумілі в рамках термодинамічного аналізу [29, 45] та аналізу діаграми стану системи Cu-Co[46].

Окрім системи Cu/Co, вивчається також багато інших. З’являються роботи з результатами досліджень таких плівкових систем, як Fe/Cr/Fe [47] або NiFe/Cu/NiFe [48]. Але ці дослідники приділяють основну увагу лише окремим аспектам структурно-фазового складу плівок, зокрема, велика увага приділяється доменній структурі магнітного матеріалу, ії перетворенні при термообробці, зміні розмірів кристалітів з часом та ін.

Іншою групою вчених інтенсивно вивчаються плівки CoAg [49, 50] або (СоFe)Ag [51] у вигляді гранульованих сплавів магнітних включень у немагнітній матриці срібла.

Останнім часом надходять повідомлення про пошук нових матеріалів ГМО. Наприклад, у [52] наведені результати дослідження системи Cu-Mn-Al або двошарової плівкової системи Со/Тb [53].

Висновки

Явище ГМО, яке спостерігається в мультишарах і гранульованих сплавах, пояснюється спінзалежним розсіюванням електронів, які рухаються по двох спінових каналах з паралельною та антипаралельною орієнтацією спінів відносно вектора намагніченості феромагнітних шарів. Відомі теоретичні моделі свідчать про те, що величина ГМО пропорційна квадрату спінової асиметрії, хоча велику роль відіграють обмінні та атомні потенціали на межі поділу шарів, її шорсткість, зонна структура шарів і спіннезалежне розупорядкування, дифузійні процеси на межі поділу шарів, швидкість релаксації спіну при зміні орієнтації магнітних моментів сусідніх шарів. Експериментальні дослідження ефекту ГМО у мультишарах свідчать про те, що певний вплив на величину ГМО має наявність буферного шару, хоча його товщина не має помітного впливу на величину ефекту.

Подальший розвиток наших досліджень пов’язаний із вивченням структурно-фазового стану, дифузійних процесів та електрофізичних властивостей плівкових матеріалів із спінзалежним розсіюванням електронів.

Робота виконана в рамках науково-технічного проекту між Сумським державним університетом та Інститутом ядерної фізики ПАН (договір №М/18-2004).

Summary

This article contains a brief review of the giant magnetoresistance effect (GMR). We analyzed the main results of the modern experimental and theoretical works. It was shown that same of impotents aspects of these questions are not researched.

Список літератури

1. И.Иноуэ, Х.Ито, И.Асано и др. Теория електронной структуры и магнитотранспортных свойств в многослойных магнитных пленках // ФММ.-1996. - Т. 79, Вып.7. - С. 54 - 64.

2. Parkin S.S.P. Giant magnetoresistance in magnetic nanostructures // Annu. Rev. Mater. Sci. – 1995. – V. 25. – P. 357 – 388.

3. Третяк О.В., Львов В.А., Барабанов О.В. Фізичні основи спінової електроніки. – Київ: КНУ, 2002. – 314 с.

4. Butler B., Zhang X.-G., Nicholson D. Giant magnetoresistance in layered magnetic materials // www.its.na/article.phtml.

5. Pratt W.P., Lee S.-F., Slaughter J.M. et al. Perpendicular GMR of Ag/Co multilayers // Phys. Rev. Let. – 1991. – V. 66, № 23. – Р. 3060 – 3063.

6. Colino J.M., Schuller I.K., Korenivski V. et al. Effect of annealing on the magnetoresistance and structure of Fe/Cr(110) superlattices // Phys. Rev. B. – 1996. – V. 54, № 18. – Р. 13030 – 13033.

7. Zhang S., Levy P.M. Interpretation of the magnitoresistance in multileayerd structures // Phys. Rev. B. – 1993. - V. 47, № 11 - P. 6776 – 6779.

8. Tsui F., Uher C., Flynn C.P. Positive GMR in Dy/Sc superlatties // Phys. Rev. Let. – 1994. - V. 72, № 19 - P. 3084 – 3087.

9. Swagten H.J.M., Strijkers G.J., Bloemen P.J.H. et al. Enhanced giant magnetoresistance in spin-valves sandwiched between insulating NiO // Phys. Rev. B. – 1996. - V. 53, № 14. - P. 9108 - 9114.

10. Bailey W.E., Wang S.X., Tsymbal E.Yu. Electronic scattering from Co/Cu interfaces: In situ measurement and comparison with theory // Phys. Rev. B. – 2000. - V. 61, № 2. - P. 1330 - 1335.

11. Qi Y.-N., Zhang S. Crossover from diffusive to ballistic transport properties in magnetic multilayers // Phys. Rev. B. – 2002. - V. 65. - P.214407-1 – 214407 – 8.

12. M. Marszalek, J. Jaworski, A. Michalik et al. Structural and magnetoresistive properties of Co/Cu multilayers // JMMM. – 2001.- V. 226–230. - P. 1735–1737.

13. M. Marszalek, J. Jaworski, J. Lekki et al. Characterization of Co/Cu multilayers growth by scanning probe microscopy // Sur. Scien. – 2002. - V.507–510. - P.346–350.

14. M. Marszalek, J. Jaworski, Z. Stachura et al. Influence of the roughness of the buffer layer on the magnetoresistance of Co/Cu multilayers // phys. stat. sol. – 2002. - V. 189, № 3. - P. 653–658.

15. Ш. Ковач, Б. Дини, С.Р. Тейгзейра и др. Сравнение структурных, магнитных и транспортных свойств гранулированных сплавов (СоFe_x)_xAg_1-x , полученных плазменным распылением и испарением в сверхвысоком вакууме //ФММ. – 1995. - Т. 79, Вып.1. - С. 98 – 109.

16. Vovk A. Ya., Golub V.O., Malkinsky L. et al. Magnetoresistance and magnetic properties of electron beam deposeted (Co₅₀Fe₅₀)_xAg_1-x granular films // Металлофиз. новейшие технол. – 2003. – Т. 25, № 7. – С. 827 – 841.

17. Vovk A. Ya., Wang J.-Q., Pogoriliy A.M. et al. Tunneling magnetotransport in electron beam deposited (Co₅₀Fe₅₀)_x (Al₂O₃)_1-x germet films // Металлофиз. новейшие технол. – 2002. – Т. 24, № 8. – С. 1055 - 1064.

18. Васьковский В.О., Курляндская Г.В., Лопес Антон Р. и др. Магнитные и магниторезистивные свойства быстрозакаленных лент Co-Cu // ФММ. – 2001. – Т. 92, № 3. – С. 17 – 23.

19. Butler W.H., Zhang X.-G. and Nicholson D.M.C. First-principles calculations of electrical conductivity and giant magetoresistance of Co/Cu/Co spin valves // Phys. Rev.B. – 1995. – V. 52, № 18. – P. 13399 – 13410.

20. Butler W.H., Zhang X.-G., Nicholson D.M.C. at al. Giant magnetoresistance from an electron waveguide effect in cobalt-copper multilayers //Phys. Rev. Let. – 1996. – V. 76, № 17. – Р. 3216 – 3219.

21. Butler W.H., Zhang X.-G., Schulthess T.C. et all. Conductance and giant magnetoconductance of Co/Cu/Co spin valves: Experimant and theory //Phys. Rev.B. – 1997. - V. 56, № 22. – Р. 14574 - 14582.

22. Wu J.-H., Li B.-Z., Yang G.-L. Comment on “Theory of giant magnetoresistance effect in Fe/Cr multilayers Spin-dependent scattering from imputurities” // Phys. Rev. B. – 1996. – V. 53, № 14. – Р. 9471 - 9472.

23. Tsymbal E.Yu., Pettifor D.G. Effect of band structure and spin-independent disorder on conductivity and giant magnetoresistance in Co/Cu and Fe/Cr multilayers // Phys. Rev. B. – 1996. - V. 54, № 21. – Р. 15314 - 15329.

24. Lucinski T., Elefant D., Reiss G. et al. The concept of the existence of interfacial superparamagnetic entites in Fe/Cr multilayers // JMMM. – 1996. – V. 162. – P. 29 – 37.

25. Gross R., Alf L., Buchner B. et al. Physics of grain boundaries in the CMR manganites // MMM. - 2000. – V. 211. – P. 150 – 159.

26. Dlaas C., Szunyogh L., Weinberger P. et al. theoretical evaluation of magnetotransport properties in Co/Cu/Co – based spin valves // Phys. Rev. B. – 2002. - V. 65, № 5 – Р. 134427 – 1 – 134427 – 8.

27. Vonille C., Barthelemy A., Elokan F. et al. Micriscopic mechanisms of giant magnetoresistance multilayers // Phys. Rev. B. – 1996. - V. 54, № 21. – Р. 15314 - 15329.

28. Dlaas C., Weinberger P., Szunyogh L. et al. Ab initio calculations of magnetotransport for magnetic multilayer /// Phys. Rev. B. – 1999. - V. 60, № 1.- Р. 492 - 501.

29. Маршалек М., Проценко С.И., Чорноус А.Н. Структурно-фазовое состояние двухслойных пленок Co/Cu и Co/Cr // Тонкие пленки в оптике и электронике. – Харьков: ННЦ ХФТИ, 2003. – С. 205 – 208.

30. Федосюк В.М., Шварцатер В., Касютич О.И. Сверхтонкие электролитически осажденные многослойные Со/Сu - и CoNi/Cu – пленки на Ga As // Металлофиз. новейшие технол. – 2000. – Т.22, № 4. – С. 42 – 47.

31. Чеботкевич Л.А., Воробьев Ю.Д., Буркова И.Н. и др. Структура и магнитные свойства отожженных пленок Со/Сu /Со / ФММ. -2000. –Т.89, № 3. - С. 56 – 61.

32. Васьковский В.О., Ювченко А.А., Лепановский В.Н. и др. Элементы гранулированного состояния в многослойных пленках Со/Сu //ФММ. -2002. -Т. 93, № 3. - С. 43–49.

33. Федосюк В.М., Блайт Х.И., Касютич О.И. Структура и магнитные свойства пленок гранулированных сплавов Со-Cu на основе Со // Поверхность. – 2000. – № 3. – С. 62 – 65.

34. Васьковский В.О., Щеголев Н.Н. , Лепаловский В.Н. и др. Структурно-обумовленные особенности свойств гранулированных серед Со-Сu //Изв. вузов. Физика.-2002.- № 12.- С. 35–42.

35. Oepts W., Gijs M.A., Reinders A. et al.Perpendicular giant magnetoresistance of Co/Cu multilayers on grooved substrates: systematic analysis of the temperature dependence of spin-dependent scattering// Phys. Rev. B.- 1996. – V.53, №21.- P. 14024-14027.

36. Чешко І.В. ГМО в плівкових матеріалах на основі кобальту та міді //Тези науково-технічної конференції викладачів, співробітників, аспірантів та студентів фізико-технічного факультету. – Суми: СумДУ, – 2004. – С. 19 – 21.

37. Чешко І.В. Структура і фазовий стан плівкових систем на основі Сu та Со // Материалы 8-го Международного молодежного форума “Радиоэлектроника и молодежь в ХХІ веке”. – Харьков: ХНУРЭ, – 2004. – С. 153.

38. Чешко І., Проценко С. Фазоутворення і дифузійні процеси в плівкових наносистемах Со/Сu // Матеріали Міжнародної наукової конференції студентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики ЕВРИКА-2004. – Львів: Еврика. – 2004. – С. 75.

39. Лобода В.Б., Шкурдода Ю.А., Пирогова С.Н. Структура и гальваномагнитные свойства трехслойных пленок Со/Сu/Co // Вісник СумДУ. -2004. - №8(67). – С.107-115.

40. Marszalek M., Jaworski J., Wider H. et al. Growth types surface topography of Co, Cu and Co/Cu multilayers studied by AES and STM/SFM // Vacuum. – 2004. – V. 72. – P. 97 – 101.

41. Marszalek M., Jaworski J., Kas M., Tokman V. et al. Influence of a Pb buffer layer on structural and magnetotransport properties of Co/Cu multilayers // Vacuum.- 2004. – V. 74. – P. 287 - 291.

42. Маршалек М., Приходько І., Проценко С. Особливості фазового складу двошарових плівок Co/Cu // Фізика і технологія тонких плівок. – Івано-Франківськ: ПрУ, 2003. – Том 1. - С. 94 – 96.

43. Касютич О.И., Федосюк В.М., Точицкий Т.А. Структура наноразмерных систем Co/Cu и механизм его формирования // Поверхность. – 2000. – № 3. – С. 34 – 41.

44. Леванов Н.А., Бажанов Д.И., Степанюк В.С. и др. Энергетические характеристики структурной стабильности адатомов и ультрамалых кластеров кобальта на поверхности Сu(001)//Поверхность.-2000. - №9. – С.69-72.

45. Проценко І.Ю., Саєнко В.А. Тонкі металеві плівки (технологія і властивості). – Суми: Вид-во СумДУ, 2002. – 187с.

46. Диаграммы состояния двойных металлических систем/Под. Ред. Н.П. Лякишева.-Москва: Машиностроение, - 1997. – 1027с.

47. Демокритов С.О., Дровосеков А.Б., Крейнес Н.М. и др. Межслойное взаимодействие в системе Fe/Cr/Fe: зависимость от толщины прослойки хрома и температуры// ЖЭТФ.-2002.- Т.122, Вып.6(12).- С.1233-1246.

48. Neamtu J., Volmer H., Coraci A. Magnetorisistive properties and microstructure of NiFe thin films and NiFe(t)/Cu(s)/NiFe(t) multilayer films// Thin Solid Films.-1999. - V.6, №11. - P.218-221.

49. Rubin S., Holdennried M., Micklitr H. A model system for the GMR in granular systems: well-defened Co clusters embedded in an Ag matricx// JMMM. - 1999. - №203. - P.97-99.

50. Du J.H., Lui W.J., Li Q., sang H. et all. Microstructural characterization of CoAg granular films// JMMM. - 1999 - №191. - P.97-99.

51. Ковач Ш., Данц Б., Гейезайра С.Р., Родон О. Сравнение структурных, магнитных и транспортных свойств гранулированных сплавов (СоFe_x)_xAg_1-x получение плазменным распылением и испарением в сверхвысоком вакууме// ФММ. - 1995. - Т.79, Вып. 1. - С. 97-109.

52. Yiping L., Murthy A. and Hadjipanayis G.C. Giant magnetoresistance in Cu-Mn-Al// Phys. Rev. B. - 1996.- V.54, №5.- P.3033-3036.

53. Свалов А.В., Савин Л.А., Курлендская Г.В. и др. Спин- вентильные магниторезистивные структуры на основе многослойных пленок Со/Тb//ЖТФ.- 2002.-Т.72, Вып.8. – С. 54-57.