ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОЙ АНИЗОТРОПИИ ИОННО-СИНТЕЗИРОВАННЫХ ТОНКИХ МАГНИТНЫХ ПЛЕНОК СИЛИЦИДА ЖЕЛЕЗА Fe3Si
|
ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 7
1.1 СПЛАВЫ PdFe 7
1.2 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КУБИЧЕСКОЙ АНИЗОТРОПИИ С
ТЕТРАГОНАЛЬНЫМИ ИСКАЖЕНИЯМИ 8
1.3 КЛАССИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СТОНЕРА-ВОЛЬФАРТА 15
ГЛАВА 2. ТЕХНОЛОГИЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ПЛЕНОК. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ И ИССЛЕДУЕМЫЕ ОБРАЗЦЫ 20
2.1 МЕТОД МОЛЕКУЛЯРНО ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ И РЕАКТИВНОГО
МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ 20
2.2 МЕТОД ФЕРРОМАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА 29
2.3 МЕТОД ВИБРАЦИОННОЙ МАГНИТОМЕТРИИ 32
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ АНАЛИЗ 38
3.1 СТРУКТУРНЫЕ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА УЛЬТРАТОНКИХ ПЛЕНОК СПЛАВА
PdFe 38
3.2 АНАЛИЗ СПЕКТРОВ ФМР ПЛЕНОК СПЛАВА PdFe 40
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 48
ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 50
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 51
ВЫРАЖЕНИЕ БЛАГОДАРНОСТИ 56
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 7
1.1 СПЛАВЫ PdFe 7
1.2 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КУБИЧЕСКОЙ АНИЗОТРОПИИ С
ТЕТРАГОНАЛЬНЫМИ ИСКАЖЕНИЯМИ 8
1.3 КЛАССИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СТОНЕРА-ВОЛЬФАРТА 15
ГЛАВА 2. ТЕХНОЛОГИЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ПЛЕНОК. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ И ИССЛЕДУЕМЫЕ ОБРАЗЦЫ 20
2.1 МЕТОД МОЛЕКУЛЯРНО ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ И РЕАКТИВНОГО
МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ 20
2.2 МЕТОД ФЕРРОМАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА 29
2.3 МЕТОД ВИБРАЦИОННОЙ МАГНИТОМЕТРИИ 32
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ АНАЛИЗ 38
3.1 СТРУКТУРНЫЕ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА УЛЬТРАТОНКИХ ПЛЕНОК СПЛАВА
PdFe 38
3.2 АНАЛИЗ СПЕКТРОВ ФМР ПЛЕНОК СПЛАВА PdFe 40
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 48
ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 50
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 51
ВЫРАЖЕНИЕ БЛАГОДАРНОСТИ 56
Современный уровень развития компьютерных технологий, для которого характерно оперирование колоссальным объёмом данных, требует непрерывного движения вперед в сфере разработки технологических решений по увеличению быстродействия и энергоэффективности электронных устройств. До недавнего времени основное внимание уделялось развитию электроники на базе различных полупроводниковых гетероструктур. Однако необходимость решения проблемы увеличения потребления энергии системами обработки и передачи информации возродила интерес ученых к поиску новых материалов и структур. Одной из таких перспективных систем являются материалы с управляемыми элекродинамическими параметрами и наноэлектромеханические устройства, в которых обеспечивается связь между электронными и механическими степенями свободы такой системы. В частности, интерес научных групп привлекают возможные преимущества использования в таких системах сверхпроводников, что позволило бы снизить потери на диссипацию. Комбинация двух материалов с конкурирующими типами спинового упорядочения - сверхпроводника (С) и ферромагнетика (Ф) - открывает дополнительную уникальную возможность управлять сверхтекучим (бездиссипативным) транспортом, оказывая влияние на спиновую степень свободы, что может служить основой для реализации нового класса устройств низкотемпературной электроники и спинтроники.
В последние годы слабые ферромагнитные слои с низкой коэрцитивностью приобретают большой практический интерес из-за возможности их интеграции в различные джозефсоновские элементы сверхпроводник-ферромагнетик-сверхпроводник (СФС) [1-12] и сверхпроводящие сверхбыстрые электронные устройства [13,14]. Характеризующиеся низкими магнитным моментом, температурой Кюри и
обменным полем, два основных кандидата, сплавы Cu-Ni и Pd-Fe, в настоящее время рассматриваются для приложений в структурах СФС. Исторически сложилось, что слабый ферромагнитный сплав Cu-Ni был впервые использован в СФС-переходах Nb-CuNi-Nb, чтобы продемонстрировать поток сверх тока Джозефсона через ферромагнитный барьер, а также инверсию ток-фазового соотношения (п-состояние) [15, 16]. Однако из-за стабильной магнитной доменной структуры (с высоким коэрцитивным полем) и внеплоскостной магнитной анизотропии сплавы Cu-Ni полезны только для изготовления сверхпроводящих фазовых преобразователей с постоянными фазовыми сдвигами, полезными для цифровой [17, 18] и квантовой [19, 20] логики. Напротив, сплавы Pd-Fe с низким содержанием Fe проявляют анизотропию в плоскости и малое коэрцитивное поле, что делает их идеальными кандидатами для новых элементов криогенной магнитной памяти Джозефсона. В этих устройствах значение критического джозефсоновского тока определяется приложенным магнитным потоком, включающим ориентацию намагниченности, и определяется магнитной историей ферромагнитного слоя. Например, авторами статьи [21] были исследованы характеристики СФС-контакта с прослойкой из слабо-ферромагнитного сплава Pd0,99 Fe0,01 и было предложено практическое использование таких переходов в качестве магнитных переключателей.
Несмотря на большой объём исследований, проведённых в различных лабораториях по исследованию сплава PdFe, многие научные задачи остаются нерешёнными. В частности, актуальной задачей является определение режимов получения тонких плёнок (ТП) PdFe в качестве ферромагнитной прослойки в гибридных СФС-структурах. Кроме того требуется знание динамических ферромагнитных свойств тонких слоев PdFe, поскольку одной из ключевых проблем любого элемента памяти является рабочая скорость, то есть период переключения Ф-барьера между «0» и «1» магнитными состояниями. Эксперимент ферромагнитного резонанса (ФМР)
дает необходимые базовые знания о динамических свойствах ферромагнитных сплавов PdFe, включая оценку характерного времени отклика Ф-слоя, намагниченности насыщения и величину поля анизотропии [22, 23]. Тем не менее, исследование ФМР тонких пленок PdFe является сложной экспериментальной задачей из-за очень слабого сигнала поглощения ФМР и низкой температуры Кюри. Вот почему до сих пор, насколько известно, эксперименты ФМР ограничивались исследованиями относительно толстых пленок PdFe [24] или пленок с большой концентрацией железа [25].
Мотивированное недавним всплеском применений ферромагнитных слоев в сверхпроводящих и квантовых элементах, целью данной работы явилось исследование магнитных характеристик ультратонкой СФ-структуры эпитаксиальной плёнки сплава Pd0.96Fe0.04, нанесенной на эпитаксиальную сверхпроводящую пленку нитрида ванадия (VN). Как результат: определить константы магнитной анизотропии и величину коэрцитивного поля.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
• провести аналитический обзор и анализ научно-технической литературы по теме магистерской диссертации;
• синтезировать образцы тонких пленок сплава палладий-железо;
• провести экспериментальные исследования синтезированной структуры методами ФМР и вибрационной магнитометрии (ВМ);
• проанализировать полученные данные.
Объектом исследования в данной работе служили ультратонкие СФ- структуры эпитаксиальной плёнки сплава Pdo.96Feo.o4, нанесенной на эпитаксиальную сверхпроводящую пленку VN, полученные методами молекулярно лучевой эпитаксии (МЛЭ) и реактивного магнетронного распыления (РМР) в сверхвысоковакуумной установке (SPECS, Germany).
Выпускная квалификационная работа (ВКР) состоит из трех глав. В первой главе, носящей обзорный характер, приводятся необходимые нам теоретические модели и материалы по тонким пленкам сплава PdFe. Во второй оригинальной главе освещается технология приготовления пленок и методы измерений для исследования магнитных свойств, определяются ключевые понятия и аспекты вопросов, касающихся ФМР в ТП. В последней главе содержатся результаты проведенных нами экспериментов и их сравнение с теоретическими моделями.
В последние годы слабые ферромагнитные слои с низкой коэрцитивностью приобретают большой практический интерес из-за возможности их интеграции в различные джозефсоновские элементы сверхпроводник-ферромагнетик-сверхпроводник (СФС) [1-12] и сверхпроводящие сверхбыстрые электронные устройства [13,14]. Характеризующиеся низкими магнитным моментом, температурой Кюри и
обменным полем, два основных кандидата, сплавы Cu-Ni и Pd-Fe, в настоящее время рассматриваются для приложений в структурах СФС. Исторически сложилось, что слабый ферромагнитный сплав Cu-Ni был впервые использован в СФС-переходах Nb-CuNi-Nb, чтобы продемонстрировать поток сверх тока Джозефсона через ферромагнитный барьер, а также инверсию ток-фазового соотношения (п-состояние) [15, 16]. Однако из-за стабильной магнитной доменной структуры (с высоким коэрцитивным полем) и внеплоскостной магнитной анизотропии сплавы Cu-Ni полезны только для изготовления сверхпроводящих фазовых преобразователей с постоянными фазовыми сдвигами, полезными для цифровой [17, 18] и квантовой [19, 20] логики. Напротив, сплавы Pd-Fe с низким содержанием Fe проявляют анизотропию в плоскости и малое коэрцитивное поле, что делает их идеальными кандидатами для новых элементов криогенной магнитной памяти Джозефсона. В этих устройствах значение критического джозефсоновского тока определяется приложенным магнитным потоком, включающим ориентацию намагниченности, и определяется магнитной историей ферромагнитного слоя. Например, авторами статьи [21] были исследованы характеристики СФС-контакта с прослойкой из слабо-ферромагнитного сплава Pd0,99 Fe0,01 и было предложено практическое использование таких переходов в качестве магнитных переключателей.
Несмотря на большой объём исследований, проведённых в различных лабораториях по исследованию сплава PdFe, многие научные задачи остаются нерешёнными. В частности, актуальной задачей является определение режимов получения тонких плёнок (ТП) PdFe в качестве ферромагнитной прослойки в гибридных СФС-структурах. Кроме того требуется знание динамических ферромагнитных свойств тонких слоев PdFe, поскольку одной из ключевых проблем любого элемента памяти является рабочая скорость, то есть период переключения Ф-барьера между «0» и «1» магнитными состояниями. Эксперимент ферромагнитного резонанса (ФМР)
дает необходимые базовые знания о динамических свойствах ферромагнитных сплавов PdFe, включая оценку характерного времени отклика Ф-слоя, намагниченности насыщения и величину поля анизотропии [22, 23]. Тем не менее, исследование ФМР тонких пленок PdFe является сложной экспериментальной задачей из-за очень слабого сигнала поглощения ФМР и низкой температуры Кюри. Вот почему до сих пор, насколько известно, эксперименты ФМР ограничивались исследованиями относительно толстых пленок PdFe [24] или пленок с большой концентрацией железа [25].
Мотивированное недавним всплеском применений ферромагнитных слоев в сверхпроводящих и квантовых элементах, целью данной работы явилось исследование магнитных характеристик ультратонкой СФ-структуры эпитаксиальной плёнки сплава Pd0.96Fe0.04, нанесенной на эпитаксиальную сверхпроводящую пленку нитрида ванадия (VN). Как результат: определить константы магнитной анизотропии и величину коэрцитивного поля.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
• провести аналитический обзор и анализ научно-технической литературы по теме магистерской диссертации;
• синтезировать образцы тонких пленок сплава палладий-железо;
• провести экспериментальные исследования синтезированной структуры методами ФМР и вибрационной магнитометрии (ВМ);
• проанализировать полученные данные.
Объектом исследования в данной работе служили ультратонкие СФ- структуры эпитаксиальной плёнки сплава Pdo.96Feo.o4, нанесенной на эпитаксиальную сверхпроводящую пленку VN, полученные методами молекулярно лучевой эпитаксии (МЛЭ) и реактивного магнетронного распыления (РМР) в сверхвысоковакуумной установке (SPECS, Germany).
Выпускная квалификационная работа (ВКР) состоит из трех глав. В первой главе, носящей обзорный характер, приводятся необходимые нам теоретические модели и материалы по тонким пленкам сплава PdFe. Во второй оригинальной главе освещается технология приготовления пленок и методы измерений для исследования магнитных свойств, определяются ключевые понятия и аспекты вопросов, касающихся ФМР в ТП. В последней главе содержатся результаты проведенных нами экспериментов и их сравнение с теоретическими моделями.
Данная ВКР была посвящена исследованию тонких ферромагнитных пленок сплава палладий-железо. В качестве объектов изучения послужила гетероструктура Pd0.96Fe0.04/VN/MgO, полученная последовательным
напылением VN методом реактивного магнетронного распыления мишени ванадия в атмосфере смеси азота и аргона на монокристалл MgO (Crystal, Germany) и дальнейшим напылением Pd0 96Fe004 посредством ко-испарения палладия и железа методом молекулярно-лучевой эпитаксии в сверхвысоковакуумной установке (SPECS, Germany).
Синтезированные ТП проявляют чрезвычайное многообразие различных свойств. В данной ВКР основное внимание было направлено на исследование магнитных свойств ТП сплава PdFe. Для получения результатов была использована технология комбинированного исследования методами ФМР и ВМ, которая позволила определить тонкие детали магнитной анизотропии изучаемой гетероструктуры.
Проведенные нами исследования привели к следующим выводам: с использованием методов ферромагнитного резонанса и вибрационной магнитометрии исследована магнитная анизотропия ультратонких пленок ферромагнитного сплава Pd0 96Fe004, выращенных на подложке нитрида ванадия.
Моделированием угловой зависимости резонансного поля установлено, что тонкие ферромагнитные пленки сплава палладий-железо, полученные методом МЛЭ, обладают кубической симметрией магнитокристаллической анизотропии с тетрагональным искажением.
Построенный нами экспериментальный график зависимости положения резонансной линии от угла по характеру поведения совпадает с кривой, которая была теоретически смоделирована для описания прецессии вектора намагниченности во внешнем магнитном поле для случая кубически
анизотропного образца с тетрагональным искажением. Исходя из обнаруженного хорошего согласия экспериментальных данных с
расчетными, были определены константы магнитной анизотропии для ультратонкой гетероструктуры Pd0.96Fe0.04/VN/MgO.
Кроме того, сравнивая константы анизотропии, полученные для тонкой пленки сплава PdFe на VN, с данными для системы (001)MgO || (001)Pd0.92Fe008 было сделано предположение, что подложки VN и MgO по- разному воздействуют на ТП PdFe: в одном случае происходит сжатие, а в другом растяжение пленки подложкой. Однако данное допущение требует дальнейших экспериментальных подтверждений.
напылением VN методом реактивного магнетронного распыления мишени ванадия в атмосфере смеси азота и аргона на монокристалл MgO (Crystal, Germany) и дальнейшим напылением Pd0 96Fe004 посредством ко-испарения палладия и железа методом молекулярно-лучевой эпитаксии в сверхвысоковакуумной установке (SPECS, Germany).
Синтезированные ТП проявляют чрезвычайное многообразие различных свойств. В данной ВКР основное внимание было направлено на исследование магнитных свойств ТП сплава PdFe. Для получения результатов была использована технология комбинированного исследования методами ФМР и ВМ, которая позволила определить тонкие детали магнитной анизотропии изучаемой гетероструктуры.
Проведенные нами исследования привели к следующим выводам: с использованием методов ферромагнитного резонанса и вибрационной магнитометрии исследована магнитная анизотропия ультратонких пленок ферромагнитного сплава Pd0 96Fe004, выращенных на подложке нитрида ванадия.
Моделированием угловой зависимости резонансного поля установлено, что тонкие ферромагнитные пленки сплава палладий-железо, полученные методом МЛЭ, обладают кубической симметрией магнитокристаллической анизотропии с тетрагональным искажением.
Построенный нами экспериментальный график зависимости положения резонансной линии от угла по характеру поведения совпадает с кривой, которая была теоретически смоделирована для описания прецессии вектора намагниченности во внешнем магнитном поле для случая кубически
анизотропного образца с тетрагональным искажением. Исходя из обнаруженного хорошего согласия экспериментальных данных с
расчетными, были определены константы магнитной анизотропии для ультратонкой гетероструктуры Pd0.96Fe0.04/VN/MgO.
Кроме того, сравнивая константы анизотропии, полученные для тонкой пленки сплава PdFe на VN, с данными для системы (001)MgO || (001)Pd0.92Fe008 было сделано предположение, что подложки VN и MgO по- разному воздействуют на ТП PdFe: в одном случае происходит сжатие, а в другом растяжение пленки подложкой. Однако данное допущение требует дальнейших экспериментальных подтверждений.