Введение 5
Глава 1 Структура межслойных границ и магнитное упорядочение в сверхрешетках Бе/Сг 16
1.1 Магнетизм сверхрешеток Бе/Сг 16
1.2 Экспериментальные детали 19
1.3 Влияние условий роста на структуру межслойных границ в
сверхрешетках Бе/Сг 20
1.4 Незеркальное рассеяние нейтронов от сверхрешеток Бе/Сг с
неколлинеарным магнитным упорядочением 24
1.5 Прямое определенние угла неколлинеарности в
сверхрешетках Бе/Сг из анализа незеркального рассеяния нейтронов 30
1.6 Влияние структуры интерфейсов на магнитное упорядочение
в сверхрешетах Бе/Сг 34
1.7 Заключение и выводы по главе 1 36
Глава 2 Неоднородная магнитная структура в сверхрешетках Бе/С4 . 37
2.1 Магнетизм ферримагнитных сверхрешеток Бе/С4 38
2.2 Рефлектометрия поляризованных нейтронов и резонансная
рентгеновская магнитная рефлектометрия 41
2.3 Экспериментальные детали 44
2.4 Структурная и магнитная характеризация 46
2.5 Анализ данных РРМР и РПН 56
2.5.1 Единая параметризованная модель 56
2.5.2 Схема расчета спектров РРМР 58
2.5.3 Определение длин рассеяния для Сй 65
2.5.4 Неоднородные магнитные состояния при низких температурах 70
2.6 Обсуждение результатов 77
2.7 Заключение и выводы по главе 2 79
Глава 3 Эффекты близости в слоистых наноструктурах Cr/V 81
3.1 Волны спиновой плотности в объемных материалах и нано
структурах на основе Cr 81
3.2 Комплементарное применение рентгеновской и нейтронной
дифрактометрии для прямого определения параметров волн спиновой плотности 86
3.3 Экспериментальные детали 92
3.4 Ориентационные переходы в наноструктурах Cr/V 94
3.4.1 Экспериментальные результаты 94
3.4.2 Обсуждение результатов 104
3.5 Формирование волн спиновой плотности в сверхрешетках Cr/V 108
3.5.1 Экспериментальные результаты 108
3.5.2 Анализ результатов 123
3.6 Управление спин-волновым состоянием сверхрешеток Cr/V путем
насыщения их водородом . . 130
3.7 Заключение и выводы по главе 3 139
Глава 4 Определение локальной атомной структуры тонких магнитных пленок марганцевых ферритов 142
4.1 Атомная структура ферритов Fe2MnO4 142
4.2 Техника DAFS 145
4.2.1 Экспериментальные аспекты 145
4.2.2 Обработка данных 148
4.3 Локальная атомная структура тонких пленок Fe2MnO4 . . . 153
4.3.1 Экспериментальные детали 153
4.3.2 Анализ спектров 160
4.3.3 Обсуждение результатов 174
4.4 Заключение и выводы по главе 4 175
Заключение 177
Список сокращений и условных обозначений 180
Литература
Магнитные металлические наноструктуры - новый класс искусственных магнитных материалов, которые чрезвычайно активно исследуются в последние 30 лет. Эти объекты представляют собой тонкие плёнки либо многослойные структуры, образованные чередующимися слоями различных металлов, выращенных на монокристаллической подложке, которая задаёт кристаллографическую ориентацию системы. Хотя бы один из слоев, образующих наноструктуру, содержит магнитоупорядоченный металл - ферромагнетик либо антиферромагнетик. Типичные толщины отдельных слоёв обычно составляют от единиц до сотен нанометров и прецизионно контролируются на атомном уровне. Одним из важных представителей магнитных металлических наноструктур являются магнитные сверхрешетки, в которых несколько раз повторяются блоки из чередующихся слоев различных металлов, образуя таким образом искусственную магнитную решетку в направлении роста слоев.
Сегодня область магнитных наноструктур исследований представляет собой чрезвычайно перспективную часть физики конденсированного состояния, быстрое развитие которой диктуется как актуальностью возникающих фундаментальных физических проблем, так и потребностями современной микроэлектроники и наноэлектроники. Присуждение А. Ферту и П. Грюнбергу Нобелевской премии по физике 2007 года за их пионерские работы в данной области [1,2] подчёркивает актуальность и фундаментальную значимость исследований многослойных металлических наноструктур. В настоящее время за рубежом исследования и поиски новых перспективных материалов спинтроники приняли массовый характер, по результатам исследований опубликовано множество научных статей и ряд монографий, регулярно появляются сообщения о коммерциализации предложений по технологическому использованию полученных материалов.
Фундаментальный интерес к многослойным металлическим наногетероструктурам обусловлен прежде всего тем, что эти объекты обладают новыми уникальными свойствами и открывают новые возможности по сравнению с традиционными объёмными материалами. Во-первых, использование сверхчистых материалов, высокосовершенных монокристаллических подложек и современных методик послойного роста (молекулярно-лучевой эпитаксии, высоковакуумного магнетронного распыления, лазерной абляции и др.) позволяет контролируемым образом варьировать неравновесные условия роста наноструктур (задаваемая подложкой кристаллографическая ориентация системы, скорости напыления материалов, температуры подложки и источников) и, таким образом, контролируемым образом влиять на формирование внутрислойной атомной структуры образцов. Во-вторых, возможность выращивать сверхтонкие слои металлов и прецизионно контролировать их толщину позволяет управлять размерными эффектами, связанными с малой толщиной слоёв. Одним из наиболее существенных проявлений размерных эффектов является оциллирующее межслойное обменое взаимодействие между ферромагнитными слоями в магнитных металлических наноструктурах через парамагнитную или антиферромагнитную прослойку [3,4]. В-третьих, послойный рост различных ферромагнитных, антиферромагнитных и парамагнитных материалов позволяет выращивать многослойные магнитные структуры, обладающие новой искусственной периодичностью магнитных моментов отдельных слоёв - ферромагнитного, антиферромагнитного и неколлинеарного типа.
В формировании макроскопических свойств металлических магнитных наноструктур большую роль играет атомная и магнитная структура межслойных границ, влияние близости соседних слоёв и, в частности, гибридизация двух различных материалов в интерфейсной области, образование областей с уменьшенной или увеличенной намагниченностью вблизи интерфейсов и др. Кроме того, очень важную роль играет распределение магнитных моментов внутри отдельных слоёв магнитных сверхрешёток, т.к. конкуренция межслойного и внутрислойного обменного взаимодействия может приводить к неоднородному распределению магнитных моментов внутри отдельных слоёв. Все указанные факторы нередко решающим образом влияют на макроскопическое поведение магнитных наноструктур и определяют их свойства. Для понимания природы эффектов, присущих металлическим магнитным наноструктурам, и эффективного их прикладного использования необходимо развитие и применение новых неразрушающих методов исследования атомной и магнитной микроструктуры отдельных слоев, образующих такие наноструктуры. Методы, основанные на использовании рассеяния нейтронов и синхротронного излучения, особенно, в случае комплементарного (взаимодополняющего) их использования, позволяют наиболее эффективно решить сформулированную задачу. Тема настоящей диссертации, посвященной развитию нейтронно-синхротронных методов исследования
металлических магнитных наноструктур и применению их к исследованию широкого класса научно и технологически важных магнитных металлических наноструктур, несомненно, является актуальной.
Актуальность. Актуальность темы настоящей работы определяется настоятельной необходимостью разработки неразрушающих методов
прямого определения атомной и магнитной микроструктуры магнитных металлических наноструктур, имеющих большое научное и прикладное значение. Актуальность диссертационной работы подтверждается также тем, представленные исследования были выполнены в рамках государственного задания ФАНО России (тема "Спин"01201463330) и была частично поддержана грантами Минобрнауки Российской Федерации № 8682 ("Спин-зависящие эффекты в магнитных металлических наноструктурах") и № 14.616.21.0067 ("Исследование обменных
взаимодействий кирально-упорядоченных магнитных слоев в редкоземельных сверхрешетках"), а также грантами РФФИ № 14-02- 00013-а, 14-22-01063-офи-м, 95-02-04813-а, 98-02-17517-а, 01-0217119-а, 01-02-17202-а, 04-02-16464-а, 10-02-96033-р-урал, 12-02-12054-офи-м.
Целью данной работы является исследование атомной и магнитной микроструктуры магнитных металлических наноструктур, основанное на комплементарном (взаимодополняющем) использовании рассеяния нейтронов и синхротронного излучения.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Исследование влияния структурных свойств межслойных границ на магнитное упорядочение в сверхрешетках Ре/Сг с помощью комплементарного применения рефлектометрии поляризованных нейтронов, незеркального рассеяния нейтронов и рентгеновской рефлектометрии.
2. Определение внутрислойной магнитной структуры сверхрешеток Ре/Ой с помощью комплементарного применения резонансной рентгеновской магнитной рефлектометрии и рефлектометрии поляризованных нейтронов.
3. Исследование влияния эффектов близости и размерных эффектов на волны спиновой плотности в слоистых наноструктурах Сг/У с помощью комплементарного применения рентгеновской и нейтронной дифрактометрии.
4. Определение локальной атомной структуры вблизи кристаллографически неэквивалентных злов в пленках ферритов МнБе2О4 С использованием техники ПАББ спектроскопии.
5.
Объектами исследования были магнитные металлические сверхрешетки (Бе/Сг, Бе/Об, Сг/У), наногетероструктуры (Сг/У, У/Сг/У), тонкие пленки (Сг и МпБе2О4), выращенные на различных монокристаллических подложках.
В работе развиты неразрушающих методы определения атомной и магнитной микроструктуры магнитных наноструктур, основанные на комплементарном (взаимодополняющем) использовании рассеяния нейтронов и синхротронного излучения, которые были применены для исследования широкого класса научно и технологически важных магнитных металлических наносистем. Основные результаты работы заключаются в следующем.
1. Было экспериментально показано, что в сверхрешетках Бс/Ог формируется латеральная доменная структура, рассеяние поляризованных нейтронов на которой приводит к появлению незеркально рассеянных нейтронов. Был предложен метод определения угла неколлинеарности в магнитных сверхрешетках, основанный на анализе незеркального рассеяния поляризованных нейтронов. Комплементарным применением рентгеновской рефлектометрии, рефлектометрии поляризованных нейтронов и незеркального расссеяния нейтронов установлена прямая корреляция между среднеквадратичной шероховатостью межслойных границ и углом неколлинеарности в сверхрешетках Бе/Сг.
2. Был развит метод определения неоднородной внутрислойной структуры в магнитных сверхрешетках, основанный на комплементарном применении рефлектометрии поляризованных нейтронов и резонансной рентгеновской магнитной рефлектометрии. С помощью развитого метода было показано, что малым числом повторений в сверхрешетках Бе/Ой с приводит при низких температурах к возникновению уникальных магнитных фаз, характеризующихся неоднородным изменением с глубиной направления магнитных моментов в слоях Об.
3. Комплементарным применением нейтронной и рентгеновской дифрактометрии систематически исследовано влияние эффектов близости слоев ванадия и размерных эффектов на волны спиновой плотности в эпитаксиальных тонких пленках и сверхрешетках Сг/У. Показано, что близость слоев ванадия определяет поляризацию и направление распространения волны спиновой плотности в тонкопленочных системах Сг/У. Экспериментально доказано существование парамагнитного слоя толщиной до 5 нм в слоях Сг вблиз межслойных границ в сверхрешетках Сг/У. Показано, что по мере увеличения толщин слоев Сг магнитное состояние в сверхрешетках Сг/У изменяется от парамагнитного состояния к соизмеримой фазе волны спиновой плотности и, наконец, к несоизмеримой волне спиновой плотности в достаточно толстых слоях Сг. Установлено, что магнитное состояние в сравнительно толстых слоях Сг может быть контролируемым образом модифицировано путем насыщения водородом соседних слоев ванадия при относительно малых давлениях. Показано экспериментально, что, насыщая водородом слои ванадия, можно обратимым образом переводить несоизмеримую фазу волны спиновой плотности в соизмеримую.
4. Развит метод ПАББ определения локальной атомной структуры тонких пленок с кристаллографически неэквивалентными узлами, занятыми атомами элементов с близкими атомными номерами, основанный на анализе энергетической зависимости интенсивности брегговских рефлексов. При применении данного метода к исследованию тонких пленок искусственных марганцевых ферритов показано, что в системе наблюдается значительное увеличение расстояния Mn(A)-O для первой координационной сферы по сравнению с соответствующим значением для Fe(A)-O, а также значительное уменьшение эффективного координационного числа на узле В для первой координационной сферы.
В заключение отметим, что комплементарное применение нейтронного и рентгеновского синхротронного рассеяния позволяет с высоким разрешением определять неоднородную атомную и магнитную структуру внутри ферромагнитных и антиферромагнитных слоёв в магнитных металлических наноструктурах. Мы подчёркиваем важность такого комбинированного подхода, поскольку он позволяет получить результаты, которых невозможно добиться при использовании только одной из этих методик. Развитие и использование комплементарных нейтронных и рентгеновских методик значительно расширяет экспериментальные возможности при исследовании и дизайне новых материалов и устройств спинтроники.
1. Fert A. Nobel Lecture: Origin, development, and future of spintronics / A. Fert // Rev. Mod. Phys. - 2008. - Vol. 80. - P. 1517-1530.
2. Grunberg P. A. Nobel Lecture: From spin waves to giant magnetoresistance and beyond / P. A. Granberg // Rev. Mod. Phys. - 2008. - Vol. 80. - P. 1531-1540.
3. Parkin S. S. P. Oscillations in exchange coupling and magnetoresistance in metallic superlattice structures: Co/Ru, Co/Cr, and Fe/Cr / S. S. P. Parkin, N. More, K. P. Roche // Phys. Rev. Lett. - 1990. - Vol. 64. - P. 2304-2307.
4. Parkin S. S. P. Systematic variation of the strength and oscillation period of indirect magnetic exchange coupling through the 3d, 4d, and 5d transition metals / S. S. P. Parkin // Phys. Rev. Lett. - 1991. - Vol. 67. - P. 3598-3601.
5. Morphology of crystallites and magnetic structure of non-collinear Fe/Cr multilayers / T.P. Krinitsina, E.A. Kravtsov, V.V. Lauter-Pasyuk, H.J. Lauter, V.V. Popov, L.N. Romashev, V.A. Tsurin, A.M. Burkhanov, V.V. Ustinov // J. Magn. Magn. Mater. - 1999. - Vol. 181. - P. 203¬
206.
6. Magnetic off-specular neutron scattering from Fe/Cr multilayers / V.V. Lauter-Pasyuk, H.J. Lauter, B. Toperverg, O. Nikonov, E.A. Kravtsov, M.A.Milyaev, L.N. Romashev, V.V. Ustinov // Physica B. - 2000. - Vol. 283. - P. 194-197.
7. Interface formation and magnetic ordering in Fe/Cr hybrid nanostructures / E.A. Kravtsov, V.V. Lauter-Pasyuk, H.J. Lauter, B. Toperverg, O. Nikonov, A.Petrenko, M.A.Milyaev, L.N. Romashev, V.V. Ustinov // Physica B. - 2001. - Vol. 297. - P. 118-120.
8. Magnetic neutron off-specular scattering for the direct determination of the coupling angle in exchange-coupled multilayers / V. Lauter-Pasyuk, H.J. Lauter, B. Toperverg, O. Nikonov, E. Kravtsov, L. Romashev, V. Ustinov // J. Magn. Magn. Mater. - 2001. - Vol. 226-230. - P. 1694 - 1697.
9. In-plane magnetisation anisotropy of Fe/Cr superlattices with biquadratic exchange coupling / V.V. Ustinov, M.A. Milyaev, L.N. Romashev, T.P. Krinitsina, E.A. Kravtsov // J. Magn. Magn. Mater. - 2001. - Vol. 226230. - P. 1811 -1814.
10. Using of the high-grade layered structures for the demonstration of the depth resolution of the RBS method / A.P. Kobzev, E.A. Kravtsov, L.N. Romashev, A.V. Semerikov, V.V. Ustinov // Vacuum. - 2001. - Vol. 83. - P. 501-5054.
11. Kourtina N. Method of the reflections function in the X-ray reflectometry study of multilayers / N.V. Kourtina, E.A. Kravtsov, V.V. Ustinov // J. Magn. Magn. Mater. - 2002. - Vol. 240. - P. 294- 296.
12. Effect of interface structure on magnetic and magnetoresistive properties of Fe/Cr multilayers / V.V. Ustinov, L.N. Romashev, T.P. Krinitsina, E.A. Kravtsov, M.A. Milyaev, A.V. Semerikov, V.A. Tsurin, N.V. Kourtina // J. Magn. Magn. Mater. - 2002. - Vol. 240. - P. 511- 514.
13. Spin-Resolved Unpolarized Neutron Off-Specular Scattering for Magnetic Multilayer Studies / H.J. Lauter, V. Lauter-Pasyuk, B. Toperverg, L. Romashev, V. Ustinov, E. Kravtsov, A. Vorobiev, O. Nikonov, J. Major // Appl. Phys. A. - 2002. - Vol. 74. - P. S1557 - S1560.
14. Domains and Interface Roughness in Fe/Cr Multilayers - Influence on the Gmr Effect / H.J. Lauter, V. Lauter-Pasyuk, B. Toperverg, L. Romashev, M. Milyaev, T. Krinitsina, E. Kravtsov, V. Ustinov, A. Petrenko, V. Aksenov // J. Magn. Magn. Mater. - 2003. - Vol. 258. - P. 338-340.
15. Влияние температуры роста на структуру межслойных границ сверхрешеток Fe/Cr / Н.В. Багрец, Е.А. Кравцов, М.А. Миляев, Л.Н. Ромашев, А.В. Семериков, В.В. Устинов // Физ. Мет. Металловед. - 2003. - Т. 96. - C. 88.
16. Complementary polarized neutron and resonant x-ray magnetic reflectometry measurements in Fe/Gd heterostructures: Case of inhomogeneous intralayer magnetic structure / E. Kravtsov, D. Haskel,
S.G.E. te Velthuis, S.J. Jiang, B.J. Kirby // Phys. Rev. B. - 2009. - Vol. 79. - p. 024421.
17. Кравцов Е.А. Комплементарное применение нейтронного и
рентгеновского синхротронного рассеяния для определения магнитной микроструктуры обменно-связанных слоистых
наногетероструктур / Е.А. Кравцов, В.В. Устинов // Физика твердого тела. - 2010 - Т. 52. - С. 2116-2119.
18. Применение поляризационной нейтронной и резонансной рентгеновской магнитной рефлектометрии для определения неоднородной магнитной структуры в сверхрешетках Fe/Gd / Е.А. Кравцов, D. Haskel, S.G.E. te Velthuis, S.J. Jiang, B.J. Kirby // Известия Российской академии наук. Серия физическая - 2010 - Т. 74. - С. 1531-1533.
19. Charge-magnetic interference resonant scattering studies of ferromagnetic crystals and thin films / D. Haskel, E. Kravtsov, Y. Choi, J. C. Lang, Z.
Islam, G. Srajer, J. S. Jiang, S. D. Bader, P. C. Canfield // European Physical Journal-Special Topics - 2012 - Vol. 208. - P. 141-155.
20. Proximity effect of vanadium on spin-density wave magnetism in Cr films / E. Kravtsov, A. Nefedov, F. Radu, A. Remhof, H. Zabel, B. Hjorvarsson, A. Hoser, S. B. Wilkins // Phys. Rev. B. - 2004. - Vol. 70. - p. 054425.
21. Proximity effect of vanadium on strain and spin-density waves in thin Cr films / E. Kravtsov, R. Brucas, B. Hjorvarsson, A. Hoser, G. McIntyre, A. Nefedov, F. Radu, A. Remhof, H. Zabel // J. Magn. Magn. Mater. - 2005. - Vol. 286. - P. 425-430.
22. Reorientation of spin-density waves in Cr films induced by proximity effect of vanadium / E. Kravtsov, A. Nefedov, H. Zabel, R. Brucas, B. Hjorvarsson, A. Hoser, G. J. McIntyre // J. Phys.: Condens. Mater. - 2005. - Vol. 17. - p. 3143.
23. Onset of spin-density-wave antiferromagnetism in Cr/V multilayers / E. Kravtsov, R. Brucas, B. Hjorvarsson, A. Hoser, A. Liebig, G. J. McIntyre, M. A. Milyaev, A. Nefedov, L. Paolasini, F. Radu, A. Remhof, V. V. Ustinov, F. Yakhou, H. Zabel // Phys. Rev. B. - 2007. - Vol. 76. - p. 024421.
24. Fine tuning spin-density-wave state in Cr/V heterostructures via hydrogen uptake / E. Kravtsov, A. Nefedov, G. Nowak, K. Zhernenkov, H. Zabel, B. Hj"orvarsson, A. Liebig, A. Hoser, G. J. McIntyre, L. Paolasini, A. Remhof // J. Phys.: Condens. Mater. - 2009. - Vol. 21. - p. 326006.
25. Site-specific local structure of Mn in artificial manganese ferrite films / E. Kravtsov, D. Haskel, A. Cady, A. Yang, C. Vittoria, X. Zuo, V. G. Harris // Phys. Rev. B. - 2006. - Vol. 74. - p. 104114.
26. Element- and site-specific oxidation state and cation distribution in manganese ferrite films by diffraction anomalous fine structure / A. Yang, Z. Chen, A. L. Geiler, X. Zuo, D. Haskel, E. Kravtsov, C. Vittoria, V. G. Harris // Appl. Phys. Lett. - 2008. - Vol. 93. - p. 052504.
27. Layered Magnetic Structures: Evidence for Antiferromagnetic Coupling of Fe Layers across Cr Interlayers / P. Grunberg, R. Schreiber, Y. Pang,
M. B. Brodsky, and H. Sowers // Phys. Rev. Lett. - 1986. - Vol. 57. - P. 2442 - 2445.
28. Enhanced magnetoresistance in layered magnetic structures with antiferromagnetic interlayer exchange / G. Binasch, P. Grunberg, F. Saurenbach, W. Zinn // Phys. Rev. B. - 1989. - Vol. 39. - P. 4828 - 4830.
29. Giant Magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr Magnetic Superlattices / M.
N. Baibich, J. M. Broto, A. Fert, F. Nguyen Van Dau, F. Petroff, P. Etienne, G. Creuzet, A. Friederich, J. Chazelas // Phys. Rev. Lett. - 1988.
- Vol. 61. - P. 2472 - 2475.
30. Magnetic rare earth superlattices / C.F. Majkrzak , J. Kwo , M. Hong , Y. Yafet , Doon Gibbs , C.L. Chien, J. Bohr // Adv. Phys. - 1988. - Vol. 40.
- P. 99-189.
31. Unguris J. Observation of two different oscillation periods in the exchange coupling of Fe/Cr/Fe(100) / J. Unguris, R. J. Celotta, D. T. Piers // Phys. Rev. Lett. - 1991. - Vol. 67. - P. 140-143.
32. Domain Observations on Fe/Cr/Fe Layered Structnres. Evidence for a Biquadratic Coupling Effect / M. Ru’hrig, R. Schafer, A. Hubert, R. Mosler, J. A. Wolf, S. Demokritov, P. Gru’u’berg // Physica Status Solidi.- 1991. - Vol. 125. - p. 635-656.
33. Bruno P. Theory of interlayer magnetic coupling / P. Bruno // Phys. Rev. B. - 1995. - Vol. 52. - p. 411.