ОСОБЕННОСТИ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ АМОРФНЫХ И МНОГОСЛОЙНЫХ ФЕРРИМАГНИТНЫХ ПЛЁНОК ГАДОЛИНИЙ-КОБАЛЬТ ВБЛИЗИ СОСТОЯНИЯ МАГНИТНОЙ КОМПЕНСАЦИИ
|
Актуальность темы
Тонкие магнитные пленки привлекают к себе внимание исследователей последние несколько десятилетий, причем внимание это постоянно возрастает. Изучение свойств пленок, сравнение их со свойствами объемных образцов позволяют получить более полное представление о природе магнетизма. Кроме того, магнитные пленки являются объектом практического интереса, который усилился после начала исследования многослойных магнитных систем. В таких структурах возможно присутствие как слоёв различных магнитных материалов, так и немагнитных прослоек, а свойства многослойных систем могут значительно отличаться от свойств любого из компонентов системы. Уже созданы материалы с новыми физическими свойствами, например, такими как гигантский магниторезистивный эффект, гигантский импеданс, туннельный гигантский магниторезистивный эффект.
Среди магнитных пленок можно выделить особый класс - пленки, содержащие редкоземельные элементы (РЗ) и переходные 36 металлы (ПМ). Это и аморфные пленки РЗ-ПМ, которые могут обладать перпендикулярной магнитной анизотропией с константой анизотропии Ки ~ 105-106 эрг/см3, что делает возможным их применение в качестве элементов памяти [1], и композиционно-модулированные структуры, содержащие слои редкоземельных и 36-переходных элементов, которые также могут использоваться в устройствах магнитооптической памяти или как составная часть спин-вентильных структур - основы для магниторезистивных считывающих головок компьютерных жестких дисков или датчиков скорости и положения движущихся объектов [2].
Кроме того, пленки, содержащие редкоземельные элементы и переходные 36 металлы, обладают уникальной возможностью получения ферримагнитных структур и варьирования их параметров в широких пределах. Особый интерес представляет состояние магнитной компенсации ферримагнетиков, где проявляются аномалии их магнитных свойств.
Для реализации магнитной компенсации и изменения её параметров подходящими объектами являются аморфные и многослойные пленки гадолиний - кобальт. В первом случае это обусловлено неограниченной взаимной растворимостью компонентов, во втором - возможностью изменять соотношение толщин слоев.
Из сказанного выше следует, что изучение аморфных и многослойных пленок, содержащих редкоземельные и переходные металлы, актуально как с научной, так и с практической точек зрения.
Цель работы
Выявление общих закономерностей и особенностей формирования магнитных свойств подрешёточных и слоистых ферримагнетиков вблизи состояния магнитной компенсации.
Задачи исследования
1. Разработка способов изготовления аморфных и слоистых плёночных объектов с редкоземельными компонентами методом высокочастотного распыления.
2. Исследование закономерностей магнитного упорядочения в слоистых ферримагнитных структурах на основе Об и Со.
3. Определение источников и особенностей описания магнитной анизотропии естественных и искусственных слоистых ферримагнетиков вблизи состояния магнитной компенсации.
Научная новизна и результаты, выносимые на защиту
На основе слоёв Об и Со синтезированы обменносвязанные плёночные структуры, которые характеризуются немонотонной температурной зависимостью спонтанной намагниченности и классифицируются как искусственные ферримагнетики. Показано, что температура магнитной компенсации (Тк) в таких плёнках зависит от соотношения толщин слоёв разного типа, периода слоистой структуры, толщины и материала немагнитных прослоек. Впервые в рамках предложенной модели неоднородного межслойного обмена дано феноменологическое описание спонтанной намагниченности многослойных плёнок типа Об/Со в широком диапазоне температур для различных соотношений геометрических параметров слоистых структур.
Впервые выполнен систематический анализ особенностей магнитной анизотропии вблизи состояния магнитной компенсации аморфных плёнок Об-Со и многослойных плёнок Об/Со. Найдено, что многослойные плёнки имеют анизотропию типа плоскость лёгкого намагничивания, главным источником которой выступает анизотропия размагничивающих полей отдельных слоёв. Показано, что общим для обоих типов ферримагнетиков является немонотонное изменение константы магнитной анизотропии около температуры компенсации, которое следует считать эффективным, отражающим нарушение коллинеарности магнитных моментов подсистем Об и Со в магнитном поле. Установлено, что в аморфных плёнках Об-Со наличие конуса ОЛН, изменение угла его раствора от температуры и напряжённости магнитного поля имеют качественное и количественное объяснение в модели неоднородной плёнки, содержащей слои с перпендикулярной и плоскостной анизотропией.
В плёнках Об-Со впервые обнаружена «вращающаяся» магнитная анизотропия. Её наиболее вероятной причиной является микрополосовая доменная структура.
Показано, что в искусственных ферримагнитных структурах типа Од/Со наблюдаются индуцированные магнитным полем переходы из коллинеарной магнитной фазы в угловую магнитную фазу. Найдено, что критическое поле спин-ориентационного перехода имеет немонотонную температурную зависимость с минимумом около температуры компенсации и тем самым демонстрирует сходство с аналогичной характеристикой кристаллических ферримагнетиков.
Впервые установлены закономерности перестройки спектра ферромагнитного резонанса искусственных слоистых ферримагнетиков Од/Со в области температур, включающей температуру компенсации Тк. Показано, что при температурах ниже и выше Тк в спектре присутствует одна резонансная линия. Вблизи Тк резонансный спектр имеет сложный характер, что может быть обусловлено нарушением коллинеарности магнитной структуры в высокочастотном магнитном поле.
Практическая значимость работы
На основе анализа аномалий в температурной зависимости вращающего момента в области магнитной компенсации предложен новый высокочувствительный способ регистрации неоднородностей состава аморфных плёнок Gd-Co.
Продемонстрирована возможность использования аморфных плёнок Gd-Co в составе двухслойных структур как материала для элементов памяти с магнитной записью и магниторезистивным считыванием информации, а многослойных плёнок с редкоземельными компонентами для создания магнитного смещения в спин-вентильных
магниторезистивных структурах.
Апробация работы
Материалы диссертационной работы докладывались на следующих конференциях: Всесоюзный симпозиум по аморфному магнетизму (1986, Владивосток); Школа-семинар «Новые магнитные материалы микроэлектроники» ( 1992, Астрахань; июнь 1998, Москва); 14-th ICMFS (1994, Dusseldorf, Germany); 7th European Magnetic Materials and Applications Conference (Sept. 1998, Zaragoza, Spain); Magnetism of Nanostructured Phases (September 1998, San Sebastian, Spain); Workshop on Rare-Earth Magnets and their Applications (September 1998, Drezden, Germany); VIII International Seminar «Dislokation Structure and Mechanical Properties of Metals and Alloys» (March 1999, Ekaterinburg, Russia); Moskow International Symposium on Magnetism (June 1999, Moscow, Russia); European Conference «Physics of Magnetism-99» (June 1999, Poznan, Poland); Вторая объединённая конференция по магнитоэлектронике (февраль 2000, Екатеринбург); 5-я Всероссийская конфернция «Физико-химия ультрадисперсных (нано-) систем» (октябрь 2000, Екатеринбург); Euro¬Asian symposium “Trends in magnetism” (March 2001, Ekaterinburg, Russia); Conference on Advanced Magneto-Resistive Materials (March 2001, Ekaterinburg, Russia); Soft Magnetic Materials Conference (September 2001, Bilbao, Spain);
Публикации
По теме диссертации опубликовано 17 статей и 1 описание патента. Список публикаций приведен в конце автореферата.
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка цитированной литературы. Она содержит 163 страницы, включая 48 рисунков и 2 таблицы. В списке литературы приведено 128 наименований.
Тонкие магнитные пленки привлекают к себе внимание исследователей последние несколько десятилетий, причем внимание это постоянно возрастает. Изучение свойств пленок, сравнение их со свойствами объемных образцов позволяют получить более полное представление о природе магнетизма. Кроме того, магнитные пленки являются объектом практического интереса, который усилился после начала исследования многослойных магнитных систем. В таких структурах возможно присутствие как слоёв различных магнитных материалов, так и немагнитных прослоек, а свойства многослойных систем могут значительно отличаться от свойств любого из компонентов системы. Уже созданы материалы с новыми физическими свойствами, например, такими как гигантский магниторезистивный эффект, гигантский импеданс, туннельный гигантский магниторезистивный эффект.
Среди магнитных пленок можно выделить особый класс - пленки, содержащие редкоземельные элементы (РЗ) и переходные 36 металлы (ПМ). Это и аморфные пленки РЗ-ПМ, которые могут обладать перпендикулярной магнитной анизотропией с константой анизотропии Ки ~ 105-106 эрг/см3, что делает возможным их применение в качестве элементов памяти [1], и композиционно-модулированные структуры, содержащие слои редкоземельных и 36-переходных элементов, которые также могут использоваться в устройствах магнитооптической памяти или как составная часть спин-вентильных структур - основы для магниторезистивных считывающих головок компьютерных жестких дисков или датчиков скорости и положения движущихся объектов [2].
Кроме того, пленки, содержащие редкоземельные элементы и переходные 36 металлы, обладают уникальной возможностью получения ферримагнитных структур и варьирования их параметров в широких пределах. Особый интерес представляет состояние магнитной компенсации ферримагнетиков, где проявляются аномалии их магнитных свойств.
Для реализации магнитной компенсации и изменения её параметров подходящими объектами являются аморфные и многослойные пленки гадолиний - кобальт. В первом случае это обусловлено неограниченной взаимной растворимостью компонентов, во втором - возможностью изменять соотношение толщин слоев.
Из сказанного выше следует, что изучение аморфных и многослойных пленок, содержащих редкоземельные и переходные металлы, актуально как с научной, так и с практической точек зрения.
Цель работы
Выявление общих закономерностей и особенностей формирования магнитных свойств подрешёточных и слоистых ферримагнетиков вблизи состояния магнитной компенсации.
Задачи исследования
1. Разработка способов изготовления аморфных и слоистых плёночных объектов с редкоземельными компонентами методом высокочастотного распыления.
2. Исследование закономерностей магнитного упорядочения в слоистых ферримагнитных структурах на основе Об и Со.
3. Определение источников и особенностей описания магнитной анизотропии естественных и искусственных слоистых ферримагнетиков вблизи состояния магнитной компенсации.
Научная новизна и результаты, выносимые на защиту
На основе слоёв Об и Со синтезированы обменносвязанные плёночные структуры, которые характеризуются немонотонной температурной зависимостью спонтанной намагниченности и классифицируются как искусственные ферримагнетики. Показано, что температура магнитной компенсации (Тк) в таких плёнках зависит от соотношения толщин слоёв разного типа, периода слоистой структуры, толщины и материала немагнитных прослоек. Впервые в рамках предложенной модели неоднородного межслойного обмена дано феноменологическое описание спонтанной намагниченности многослойных плёнок типа Об/Со в широком диапазоне температур для различных соотношений геометрических параметров слоистых структур.
Впервые выполнен систематический анализ особенностей магнитной анизотропии вблизи состояния магнитной компенсации аморфных плёнок Об-Со и многослойных плёнок Об/Со. Найдено, что многослойные плёнки имеют анизотропию типа плоскость лёгкого намагничивания, главным источником которой выступает анизотропия размагничивающих полей отдельных слоёв. Показано, что общим для обоих типов ферримагнетиков является немонотонное изменение константы магнитной анизотропии около температуры компенсации, которое следует считать эффективным, отражающим нарушение коллинеарности магнитных моментов подсистем Об и Со в магнитном поле. Установлено, что в аморфных плёнках Об-Со наличие конуса ОЛН, изменение угла его раствора от температуры и напряжённости магнитного поля имеют качественное и количественное объяснение в модели неоднородной плёнки, содержащей слои с перпендикулярной и плоскостной анизотропией.
В плёнках Об-Со впервые обнаружена «вращающаяся» магнитная анизотропия. Её наиболее вероятной причиной является микрополосовая доменная структура.
Показано, что в искусственных ферримагнитных структурах типа Од/Со наблюдаются индуцированные магнитным полем переходы из коллинеарной магнитной фазы в угловую магнитную фазу. Найдено, что критическое поле спин-ориентационного перехода имеет немонотонную температурную зависимость с минимумом около температуры компенсации и тем самым демонстрирует сходство с аналогичной характеристикой кристаллических ферримагнетиков.
Впервые установлены закономерности перестройки спектра ферромагнитного резонанса искусственных слоистых ферримагнетиков Од/Со в области температур, включающей температуру компенсации Тк. Показано, что при температурах ниже и выше Тк в спектре присутствует одна резонансная линия. Вблизи Тк резонансный спектр имеет сложный характер, что может быть обусловлено нарушением коллинеарности магнитной структуры в высокочастотном магнитном поле.
Практическая значимость работы
На основе анализа аномалий в температурной зависимости вращающего момента в области магнитной компенсации предложен новый высокочувствительный способ регистрации неоднородностей состава аморфных плёнок Gd-Co.
Продемонстрирована возможность использования аморфных плёнок Gd-Co в составе двухслойных структур как материала для элементов памяти с магнитной записью и магниторезистивным считыванием информации, а многослойных плёнок с редкоземельными компонентами для создания магнитного смещения в спин-вентильных
магниторезистивных структурах.
Апробация работы
Материалы диссертационной работы докладывались на следующих конференциях: Всесоюзный симпозиум по аморфному магнетизму (1986, Владивосток); Школа-семинар «Новые магнитные материалы микроэлектроники» ( 1992, Астрахань; июнь 1998, Москва); 14-th ICMFS (1994, Dusseldorf, Germany); 7th European Magnetic Materials and Applications Conference (Sept. 1998, Zaragoza, Spain); Magnetism of Nanostructured Phases (September 1998, San Sebastian, Spain); Workshop on Rare-Earth Magnets and their Applications (September 1998, Drezden, Germany); VIII International Seminar «Dislokation Structure and Mechanical Properties of Metals and Alloys» (March 1999, Ekaterinburg, Russia); Moskow International Symposium on Magnetism (June 1999, Moscow, Russia); European Conference «Physics of Magnetism-99» (June 1999, Poznan, Poland); Вторая объединённая конференция по магнитоэлектронике (февраль 2000, Екатеринбург); 5-я Всероссийская конфернция «Физико-химия ультрадисперсных (нано-) систем» (октябрь 2000, Екатеринбург); Euro¬Asian symposium “Trends in magnetism” (March 2001, Ekaterinburg, Russia); Conference on Advanced Magneto-Resistive Materials (March 2001, Ekaterinburg, Russia); Soft Magnetic Materials Conference (September 2001, Bilbao, Spain);
Публикации
По теме диссертации опубликовано 17 статей и 1 описание патента. Список публикаций приведен в конце автореферата.
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка цитированной литературы. Она содержит 163 страницы, включая 48 рисунков и 2 таблицы. В списке литературы приведено 128 наименований.
1. На основе слоёв Gd и Со синтезированы обменносвязанные плёночные структуры, которые характеризуются немонотонной температурной зависимостью спонтанной намагниченности и классифицируются как искусственные ферримагнетики. Показано, что температура магнитной компенсации в таких плёнках зависит от соотношения толщин слоёв разного типа, периода слоистой структуры, толщины и материала немагнитных прослоек. Впервые в рамках предложенной модели неоднородного межслойного обмена дано феноменологическое описание спонтанной намагниченности многослойных плёнок типа Gd/Co в широком диапазоне температур для различных соотношений геометрических параметров слоистых структур.
2. Впервые выполнен систематический анализ особенностей магнитной анизотропии вблизи состояния магнитной компенсации аморфных плёнок Gd-Co и многослойных плёнок Gd/Co. Найдено, что аморфные плёнки обладают перпендикулярной анизотропией, а многослойные плёнки имеют анизотропию типа плоскость лёгкого намагничивания, главным источником которой выступает анизотропия размагничивающих полей отдельных слоёв. Показано, что общим для обоих типов ферримагнетиков является немонотонное изменение константы магнитной анизотропии около температуры компенсации, которое следует считать эффективным, отражающим нарушение коллинеарности магнитных моментов подсистем Gd и Со в магнитном поле.
3. Установлено, что определённую роль в формировании магнитной анизотропии в аморфных плёнках Gd-Со играют неоднородности химического состава. В модели неоднородной плёнки, включающий основной слой с перпендикулярной анизотропией и дополнительный (поверхностный) слой с плоскостной анизотропией, впервые дано количественное описание наблюдающимся на эксперименте зависимостям параметров конуса ОЛН от температуры и напряжённости магнитного поля, а также закономерностям спиновой переориентации. Показано, что неоднородности типа «компенсационная поверхность» приводят к аномалиям в температурной зависимости вращающего момента в непосредственной близости от температуры компенсации. На этой основе предложен новый высокочувствительный способ регистрации неоднородностей состава аморфных плёнок Gd-Co.
4. Показано, что в искусственных ферримагнитных структурах типа Gd/Co наблюдаются индуцированные магнитным полем переходы из коллинеарной магнитной фазы в угловую магнитную фазу. Для регистрации таких переходов целесообразно использовать меридиональный эффект Керра, дающий информацию о характеристиках кобальтовой компоненты слоистой системы. Найдено, что критическое поле спин-оринтационного перехода имеет немонотонную температурную зависимость с минимумом около температуры компенсации и тем самым демонстрирует сходство с аналогичной характеристикой кристаллических ферримагнетиков.
5. Впервые установлены закономерности перестройки спектра ферромагнитного резонанса искусственных слоистых ферримагнетиков Gd/Co в области температур, включающей температуру компенсации Тк. Показано, что при температурах ниже и выше Тк в спектре присутствует одна резонансная линия. Выше Тк она связанна со слоями Со. Вблизи Тк резонансный спектр имеет сложный характер, что может быть обусловлено нарушением коллинеарности магнитной структуры в высокочастотном магнитном поле.
6. Представлены примеры практического применения аморфных плёнок Gd-Со как составляющей материала для элементов памяти с магнитной записью и магниторезистивным считыванием информации и многослойных плёнок РЗ/ПМ как источников магнитного смещения в материалах со спин-вентильным магниторезистивным эффектом.
2. Впервые выполнен систематический анализ особенностей магнитной анизотропии вблизи состояния магнитной компенсации аморфных плёнок Gd-Co и многослойных плёнок Gd/Co. Найдено, что аморфные плёнки обладают перпендикулярной анизотропией, а многослойные плёнки имеют анизотропию типа плоскость лёгкого намагничивания, главным источником которой выступает анизотропия размагничивающих полей отдельных слоёв. Показано, что общим для обоих типов ферримагнетиков является немонотонное изменение константы магнитной анизотропии около температуры компенсации, которое следует считать эффективным, отражающим нарушение коллинеарности магнитных моментов подсистем Gd и Со в магнитном поле.
3. Установлено, что определённую роль в формировании магнитной анизотропии в аморфных плёнках Gd-Со играют неоднородности химического состава. В модели неоднородной плёнки, включающий основной слой с перпендикулярной анизотропией и дополнительный (поверхностный) слой с плоскостной анизотропией, впервые дано количественное описание наблюдающимся на эксперименте зависимостям параметров конуса ОЛН от температуры и напряжённости магнитного поля, а также закономерностям спиновой переориентации. Показано, что неоднородности типа «компенсационная поверхность» приводят к аномалиям в температурной зависимости вращающего момента в непосредственной близости от температуры компенсации. На этой основе предложен новый высокочувствительный способ регистрации неоднородностей состава аморфных плёнок Gd-Co.
4. Показано, что в искусственных ферримагнитных структурах типа Gd/Co наблюдаются индуцированные магнитным полем переходы из коллинеарной магнитной фазы в угловую магнитную фазу. Для регистрации таких переходов целесообразно использовать меридиональный эффект Керра, дающий информацию о характеристиках кобальтовой компоненты слоистой системы. Найдено, что критическое поле спин-оринтационного перехода имеет немонотонную температурную зависимость с минимумом около температуры компенсации и тем самым демонстрирует сходство с аналогичной характеристикой кристаллических ферримагнетиков.
5. Впервые установлены закономерности перестройки спектра ферромагнитного резонанса искусственных слоистых ферримагнетиков Gd/Co в области температур, включающей температуру компенсации Тк. Показано, что при температурах ниже и выше Тк в спектре присутствует одна резонансная линия. Выше Тк она связанна со слоями Со. Вблизи Тк резонансный спектр имеет сложный характер, что может быть обусловлено нарушением коллинеарности магнитной структуры в высокочастотном магнитном поле.
6. Представлены примеры практического применения аморфных плёнок Gd-Со как составляющей материала для элементов памяти с магнитной записью и магниторезистивным считыванием информации и многослойных плёнок РЗ/ПМ как источников магнитного смещения в материалах со спин-вентильным магниторезистивным эффектом.