Введение 3
1. Сплавы Pd - Fe 6
2. Теория ФМР в тонких пленках 8
2.1 Энергия ферромагнитной пленки в магнитном поле 8
2.2 Условие ферромагнитного резонанса и резонансные поля 11
3. Образцы и техника эксперимента 17
3.1 Технология приготовления плёнок 17
3.2 Измерение спектров ферромагнитного резонанса 25
4. Результаты исследований и их обсуждение 27
Заключение 39
Список литературы
Активное внедрение тонкоплёночных элементов (ТПЭ) составляет одну из основ успехов современной микро- и наноэлектроники. Этот факт является следствием больших достижений в изучении физики низкоразмерных структур, межслойных взаимодействий и фазовых превращений. Именно в системах пониженной размерности эти взаимодействия и превращения проходят наиболее ощутимо. Объясняются эти преобразования наличием у тонкопленочных элементов развитой удельной поверхности и высокой активности диффузионных процессов. Также межслойные взаимодействия и фазовые превращения сопровождаются изменением характеристик энергетического спектра электронной системы и появлением новых свойств. Используемые в микро- и наноэлектронике тонкопленочные слоистые структуры — это двумерные объекты, постоянство физико-химических свойств которых выходит на первый план. Причём требование в сохранении характеристик относится как к процессу создания ТПЭ, так и к процессу их эксплуатации [1].
Одной из важнейших практических задач на сегодня является создание материалов с определёнными, наперёд заданными свойствами, а быстро развивающийся синтез тонких пленок стимулирует изучение их физических свойств. Ещё более интересным представляется исследование многослойных пленочных структур, физические свойства которых зависят не только от толщины слоев и типа напыляемых элементов-металлов, но и от технологических режимов их получения [2].
Сплавы Pd1-xFex с малой концентрацией железа х начали привлекать внимание ученых с начала 1960-х годов. Парамагнитный металл палладий становится ферромагнитным при незначительном, менее 1 ат.%, легировании железом [3].
Сегодняшний интерес к этим сплавам связан с возможностью применения ультратонких пленок из магнитомягких слабых
ферромагнетиков в низкотемпературной электронике. Относительно небольшая намагниченность насыщения и малая коэрцитивность позволяют использовать такие материалы-ферромагнетики в качестве слоя между двумя сверхпроводниками в так называемых SFS-структурах (сверхпроводник S - ферромагнетик F - сверхпроводник S) для осуществления контроля электрического сопротивления и фазы сверхпроводящего тока путем воздействия слабого магнитного поля [4]. Наличие доменной структуры и магнитный гистерезис - главные отличительные свойства ферромагнетиков. В случае джозефсоновских SFS-контактов должно наблюдаться влияние неоднозначной зависимости магнитной индукции и намагниченности от напряженности внешнего магнитного поля на характеристики таких переходов [5].
Метод ферромагнитного резонанса (ФМР) позволяет исследовать сверхтонкие магнитные пленки толщиной от долей нанометра. Спектры ФМР несут информацию об однородности пленок, их магнитокристаллической анизотропии, величине g-факторов, насыщенной намагниченности. Однако, исследование методом ФМР ТПЭ сплава PdFe может быть связано с трудностями, обусловленными очень слабым сигналом поглощения и низкой температурой Кюри. Вероятно, поэтому до сих пор, насколько нам известно, эксперименты ограничивались изучением относительно толстых пленок PdFe [6] или пленок с большой концентрацией железа [7].
Цель настоящей работы заключалась в ознакомлении с явлением ферромагнитного резонанса (ФМР) и его применением к исследованиям свойств тонких пленок сплава Pd1-xFex с малой концентрацией железа х, полученных методом МЛЭ при разных условиях.
Достижение цели потребовало решения следующих задач:
1. Ознакомление с литературой, посвященной эффекту ФМР;
2. Знакомство с методиками и техникой выполнения экспериментов
по спектроскопии ФМР;
3. Ознакомление с теорией спектров ФМР и применением ее на практике для описания ориентационных зависимостей резонансного поля для ферромагнитных тонких пленок Pd1-xFex;
4. Анализ величин констант анизотропии исследованных образцов тонких магнитных пленок сплава Pd1-xFex и установление взаимосвязи с их морфологией и степенью кристалличности.
Объектами исследований в работе явились тонкие плёнки сплава Pd1-xFex (с концентрацией железа x = 8 ат.%) разной морфологии (сплошные и островковая), осажденные на подложку MgO с ориентацией (001) методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) на сверхвысоковакуумной установке (SPECS, Германия). Толщины плёнок составляли 20 нм.
Выпускная квалификационная работа состоит из четырех глав. В первой главе и второй главе, которые несут обзорный характер, приводятся необходимые читателю теоретические модели и материалы по тонким пленкам сплава PdFe. В третьей главе освещается технология изготовления пленок и методы измерений для исследования магнитных свойств, определяются ключевые понятия и аспекты вопросов, касающихся ФМР в ТПЭ. В последней главе содержатся результаты проведенных нами экспериментов и их сравнение с теоретическими моделями.
В результате выпускной квалификационной работы были достигнуты следующие результаты:
• Ознакомлена с природой и основами теории спектров ФМР тонких магнитных пленок.
• Методом ФМР исследована серия из трех тонких пленок сплава Pd0.92Fe0.08 с различающимися условиями синтеза и, соответственно, с разной степенью кристалличности и морфологией.
• Анализ угловой зависимости резонансного поля показал, что тонкие ферромагнитные пленки сплава палладий-железо, полученные методом молекулярно-лучевой эпитаксии, обладают магнитокристаллической анизотропией существенно кубической симметрии с небольшим тетрагональным искажением.
• Обнаружено, что магнитная анизотропия различается для всех трех
образцов: для сплошной тонкой пленки с несовершенной
кристалличностью уменьшена в два раза константа Kj, а для островковой пленки редуцирована одноосная анизотропия.
• Уменьшение величины одноосной анизотропии для островковой пленки, на наш взгляд, связано в первую очередь с модификацией анизотропии формы. Оценка эффективного соотношения размеров dx/dz ~ 4 хорошо согласуется с реальной морфологией образца.
