Магнитооптическое исследование низкоразмерных магнитных структур тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.11, кандидат физико-математических наук Абросимова, Нина Михайловна

• Абросимова, Нина Михайловна
• кандидат физико-математических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Абросимова, Нина Михайловна

Введение

Глава I. Влияние термической обработки на магнитные свойства плёнок никеля и железа

1.1. Магнитные плёнки, методы их получения, некоторые особенности магнитных свойств тонких магнитных плёнок и методы их исследования

1.2. Магнитооптическая установка для измерения приповерхностных магнитных характеристик ферромагнитных материалов (МИС-11)

1.3. Спектральная установка для исследования магнитооптических свойств ферромагнитных материалов

1.4. Исследуемые образцы

1.5. Анализ погрешностей эксперимента

1.6. Результаты исследования магнитных свойств исходных и отожжённых плёнок никеля и железа и их обсуждение

1.7. Результаты исследования магнитооптических свойств исходных и отожжённых плёнок никеля и железа и их обсуждение 51 Основные результаты и выводы к главе I 53 Список литературы к главе I

Глава II. Низкоразмерные магнитные структуры

2.1. Общие представления о низкоразмерных магнитных структурах. Способы их получения и методы исследования. Практическое применение низкоразмерных магнитных структур

2.2. Особенности магнитных свойств и микромагнитной структуры (равновесного распределения намагниченности) низкоразмерных магнитных структур

2.3. Магнитооптическая установка микронного разрешения -магнитооптический микромагнетометр (МИМ-8)

2.4. Исследуемые образцы

2.5. Результаты исследования микромагнитной структуры и магнитных свойств пермаллоевых прямоугольных элементов микронных размеров и их обсуждение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Магнитооптическое исследование низкоразмерных магнитных структур»

В настоящее время уделяется большое внимание изучению магнитных свойств и микромагнитной структуры (равновесного распределения намагниченности) низкоразмерных магнитных материалов, особенность которых состоит в том, что, по крайней мере, один их размер лежит в микрометрическом или нанометрическом диапазоне. Одним из примеров твердотельных низкоразмерных материалов являются тонкие магнитные плёнки (ТМП), толщина t которых значительно меньше, чем два других их размера. В качестве другого примера можно указать системы, представляющие собой множество (порядка 106) микро- и нанопроволок плоской и круглой формы, полученных с помощью высокоразрешающей электронно-лучевой литографии и химического осаждения на пористые полупроводниковые подложки. Наконец, приповерхностная область магнитных кристаллов также является объектом пониженной размерности, эффективная размерность которого ближе к двум, чем к трем.

Интерес к перечисленным выше объектам не случаен и обусловлен рядом причин. В частности, в случае тонких магнитных плёнок толщиной несколько атомных слоев мы имеем дело с принципиально новыми низкоразмерными материалами, отличительной особенностью которых является нарушение трансляционной симметрии в одном из направлений. Это сопровождается появлением ряда, присущих только этим объектам физических свойств и явлений. Например, в отличие от массивных магнетиков в ультратонких плёнках наблюдается изменение доменной структуры и структуры доменных границ. В условиях нарушенного полного внутреннего отражения в них возможно возбуждение поверхностных плазменных и магнитоплазменных волн. В самое последнее время в ферромагнитных плёнках толщиной менее 6 монослоев теоретически предсказаны и экспериментально зарегистрированы новые квантовые размерные эффекты. В случае многослойных тонкоплёночных систем, представляющих собой чередования магнитных и немагнитных слоев субмикронной толщины, обнаружено гигантское магнитосопротивление.

Повышенный интерес к перечисленным выше материалам обусловлен также многообещающими перспективами их практического применения. Так тонкие металлизированные магнитные плёнки и многослойные структуры используются в качестве сред для высокоплотной магнитной записи [1-3]. На их основе создаются датчики магнитных полей, превосходящие по ряду характеристик (особенно в области малых полей) другие датчики. Одной из разновидностей таких датчиков являются миниатюрные магнитные головки для считывания сверхплотной магнитной записи. Кроме того, плёнки с высоким значением индукции насыщения используются при создании магнитных головок для высокоплотной записи.

Что касается приповерхностных слоев ферромагнитных материалов, то можно отметить следующее. Вблизи поверхности магнитные материалы обладают особыми свойствами. В частности, структура доменных границ (ДГ) в приповерхностной области может отличаться от объёмной; на поверхности ферромагнетиков возможно скопление дефектов кристаллической решетки; поверхность кристаллов может находиться в особом состоянии. Кроме того, для приповерхностной области, например, аморфных материалов характерно наличие сильной неоднородности в структуре и химическом составе. Таким образом, приповерхностная область магнитных кристаллов и особенно низкоразмерных магнитных материалов может оказывать существенное влияние на формирование их магнитных характеристик.

Несмотря на стремление в значительной степени расширить изучение низкоразмерных магнитных материалов, развитие этого направления долгое время тормозилось несовершенством технологий их приготовления. В течение последних лет удалось решить многие технологические проблемы. Так благодаря значительному прогрессу в развитии вакуумной техники, основанной на применении высокотехнологичных насосов с криогенными ловушками, позволяющими получать вакуум до 10"9 - 10'11 Торр, удалось получить совершенные тонкоплёночные образцы с очень малой толщиной (вплоть до одного монослоя), характеризующиеся практически всеми свойствами объёмного магнетика (спонтанной намагниченностью, петлёй гистерезиса, остаточной намагниченностью) [4]. Рациональный выбор прекурсора при изготовлении аморфных материалов и научно-обоснованный режим их термической обработки позволил получить нанокристаллические материалы с уникальными статическими и динамическими магнитными свойствами. Все это обусловило новый подъем интереса к исследованиям низкоразмерных магнитных структур. Однако анализ существующих данных показал, что к моменту проведения наших исследований по-прежнему существовало много нерешенных проблем. Например, не был окончательно решен вопрос о влиянии приповерхностной микромагнитной структуры (равновесного распределения намагниченности) на процессы перемагничивания низкоразмерных магнитных материалов; не изучена взаимосвязь приповерхностных магнитных свойств и микроструктуры аморфных и нанокристаллических сплавов; экспериментально не исследовано взаимное влияние микро- и нанопроволок, принадлежащих ансамблю указанных элементов (~106), на их магнитные свойства и микромагнитную структуру.

Таким образом, можно утверждать, что экспериментальное решение перечисленных выше проблем является актуальной задачей физики магнитных явлений.

Проведение исследований микромагнитной структуры и поведения в магнитном поле низкоразмерных магнитных материалов, а также низкоразмерных элементов, в частности, приповерхностных областей в магнитомягких материалах, возможно с использованием высокочувствительных экспериментальных методик. Одним из наиболее эффективных способов исследования таких объектов является магнитооптический метод, который и был использован в данной работе.

Цель работы состояла в магнитооптическом исследовании влияния термической обработки на приповерхностные магнитные свойства тонких плёнок никеля и железа, FeNiCrSiNbMnB FeNiCrSiNbMnBPC аморфных сплавов и сравнении полученных данных с объёмными характеристиками, а также изучении локальных магнитных свойств и микромагнитной структуры пермаллоевых прямоугольных элементов микронных размеров.

Для достижения поставленной цели было намечено решение следующих задач:

• исследование влияния термической обработки на магнитные свойства тонких плёнок Fe и Ni;

• изучение локальных магнитных свойств и микромагнитной структуры пермаллоевых прямоугольных элементов микронных размеров (микрострайпов);

• исследование влияния размеров, формы и взаимного расположения пермаллоевых микрострайпов на их локальные магнитные свойства;

• исследование магнитных свойств и микромагнитной структуры многокомпонентных Fe6i.4Ni3.6Cr3.2Si2.4Nb7.gMn3.6B1g и Fe64.6Ni3.7Cr7/7SijNb2Mn1B4P10C6 исходных и отожжённых аморфных лент.

Научная новизна работы состоит

• в обнаружении сильного влияния отжига на магнитные свойства плёнок Fe и Ni;

• в обнаружении зависимости локальных магнитных характеристик микронных пермаллоевых элементов (микрострайпов) от их размеров, положения изучаемого участка в микрострайпе и взаимного расположения микрострайпов относительно друг друга в ансамбле указанных элементов (~106);

• в установлении влияния неоднородных полей рассеяния на локальные магнитные свойства микрострайпов;

• в обнаружении особенностей приповерхностной микромагнитной структуры, локальных магнитных свойств и процессов перемагничивания FeNiCrSiNbMnB и FeNiCrSiNbMnBPC аморфных лент и влияния на них термической обработки;

• в установлении взаимосвязи магнитных свойств и микрокристаллической структуры FeNiCrSiNbMnB и FeNiCrSiNbMnBPC сплавов.

Практическая ценность: полученные результаты позволяют дать научно-обоснованные рекомендации при разработке многослойных тонкоплёночных систем для современных устройств спиновой микроэлектроники, а также при изготовлении объёмных аморфных сплавов и магнитомягких материалов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях:

Int. Symp. on Advanced Magnetic Technologies, Taipei, Taiwan, May 13-16, 2001; 15th Soft Magnetic Materials Conference, Bilbao, Spain 5-7 September, 2001;Joint European Magnetic Symposia EMMA-MRM, Grenoble, France, August 28 -September 1, 2001; MISM 2002, Московском международном симпозиуме по магнетизму, Москва, 20-24 июня, 2002; XVIII Международной школе - семинаре "Новые магнитные материалы микроэлектроники", Москва, 24-28 июня, 2002; XIX Международной школе - семинаре "Новые магнитные материалы микроэлектроники", Москва, 28 июня - 2 июля, 2004; EASTMAG-2004, Krasnoyarsk, Russia, August 24-27, 2004; Joint European Magnetic Symposia, Dresden, Germany, September 05-10, 2004; MISM 2005, Московском международном симпозиуме по магнетизму, Москва, 25-30 июня, 2005.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 21 печатных работах, список которых приведён в конце цитируемой литературы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Общий объём работы составляет 135 страниц машинописного текста, включая 56 рисунков, 3 таблицы и список цитируемой литературы из 138 наименований.

Заключение диссертации по теме «Физика магнитных явлений», Абросимова, Нина Михайловна

Основные результаты и выводы к главе I.

1. Проведено экспериментальное исследование влияния температуры отжига на приповерхностных и объёмных магнитные характеристики, а также магнитооптические свойства плёнок никеля и железа толщиной 50 - 200 нм.

2. Обнаружено сильное влияние температуры отжига и толщины образцов на приповерхностные и объёмные магнитные характеристики и, в частности, на значения коэрцитивной силы #с плёнок никеля и железа.

3. Показано, что найденные зависимости коэрцитивной силы Нс от толщины плёнок и температуры отжига могут быть объяснены микроструктурными особенностями изучаемых образцов. Доказано, что увеличение значений Нс плёнок никеля и железа обусловлено усилением их текстуры.

4. Обнаружено, что исходные и отожжённые при температуре Т = 300 °С плёнки никеля характеризуются наличием магнитной анизотропии в плоскости образцов. При этом ориентация оси лёгкого намагничивания (OJIH) совпадает с направлением магнитного поля, приложенного параллельно подложке в процессе изготовления плёнок. Эти данные позволяют сделать вывод о наличии в образцах наведённой магнитной анизотропии, причиной которой, согласно существующим представлениям, может быть парное упорядочение атомов.

5. Установлено, что как приповерхностные, так и объёмные магнитные свойства отожжённых при температуре Т = 400 и 500 °С плёнок никеля не зависят от ориентации перемагничивающего поля, приложенного в плоскости образцов, а значения Нс существенно увеличиваются по сравнению с исходными образцами. Этот экспериментальный результат свидетельствуют о том, что благодаря отжигу при температуре Т = 400 и 500 °С возможно получение изотропных магнитожёстких никелевых тонкоплёночных систем.

6. Обнаружено, что приповерхностные и объёмные значения Нс и MR/MS изучаемых плёнок различаются, причем //CSUR > #cV0L и MRSUR/Ms > MRW0L/MS. По аналогии с существующими экспериментальными данными, этот факт был сделан вывод о различающейся доменной структуре приповерхностного слоя и внутреннего объёма плёнок.

7. Установлено, что спектральные зависимости экваториального эффекта Керра (ЭЭК) плёнок никеля и железа аналогичны спектрам ЭЭК, наблюдаемым для монокристаллических образцов Ni и Fe, но величина ЭЭК уменьшается с ростом температуры отжига. Сопоставление значений намагниченности насыщения Ms исходных и отожжённых образцов позволило сделать вывод о том, что в соответствии с феноменологической теорией линейных по намагниченности магнитооптических эффектов, изменения ЭЭК обусловлены уменьшением величины М$ в результате отжига пленок.

8. Обнаружено, что для всех исходных и отожжённых плёнок никеля и железа одной серии величина ЭЭК не зависит от толщины образца. Этот результат подтверждает известный факт, что при толщине изучаемых образцов t, превышающей глубину проникновения света в среду, t^п, величина магнитооптического сигнала не зависит от значения /.

9. Полученные экспериментальные результаты могут быть использованы при разработке тонкоплёночных систем, применяемых в современных устройствах спиновой микроэлектроники.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Абросимова, Нина Михайловна, 2006 год

1. Z. Wang, Y. Nakamura, Quarternary giant magnetoresistance random access memory, J. Appl. Phys., 79, 8, 1996, p. 6639-6641.

2. H. P. Oepen, M. Benning, H. Ibach, Magnetic domain structure in ultrathin cobalt films, J. Magn. Magn. Mater., 86, 1990, p. 137-142.

3. M. Праттон, Тонкие ферромагнитные пленки», Л.: Судостроение, 1967.

4. Тонкие ферромагнитные пленки. Под ред. Р.В. Телесина, М.: Мир, 1964.

5. Р.Суху, Магнитные тонкие плёнки, М.: Мир, 1967.

6. М. Xu, Т.М. Liakopoulos, С.Н. Ahn, S.H. Han, H.J. Kim, A microfabricated transformer for high-frequency power or signal conversion, IEEE Trans. Magn., 34, 4, 1998, p. 1369-1371.

7. K.H. Shin, M. Inoue, K.I. Arai, Elastically coupled magneto-electric elements with highly magnetostrictive amorphous films and PZT substrates, Smart Mater. Struct., 9, 2000, p. 357-361.

8. Fergen, K. Seemann, A.V.D. Weth, A. Schiippen, Soft ferromagnetic thin films for high-frequency applications, J. Magn. Magn. Mater., 242-245, 2002, p. 146151.

9. H. Lessoff, D. C. Webb, Magnetic epitaxial films: application and potential, Thin Solid Films, 39, 1976, p. 185-194.

10. H.D. Buckley, Surface films and metallurgy related to lubrication and wear, Progress Surf. Science., 12, 1,1982, p.1-153.

11. N.D. Mermin, H.Wagner, Absence of ferromagnetism or antiferromagnetism in one- or two dimensional isotropic Heisenberg models, Phys. Rev. Lett., 17, 1966, p. 1133-1136.

12. L.Onsager, Crystal statistics. I. A two-dimensional model with an order- disorder transition, Phys. Rev., 65, № 3 and 4, 1944, p.l 17- 149.

13. B.Kaufman, L.Onsager, Crystal statistics. III. Shot- range order in binary ising lattice, Phys. Rev., 76, 1949, p. 1244-1252.

14. C.N.Yang, The spontaneous magnetization of two- dimensional Ising model, Phys. Rev., B85, 1952, p. 808-816.

15. O. Kohmoto, N. Mineji, Y. Isagawa, F. Ono, O. Kubo, Perpendicular anisotropy of sputtered Ni films, J. Magn. Magn. Mater., 239, 2002, p. 36-38.

16. T. Otiti, G.A. Niklasson, P. Svedlindh, C.G. Granqvist, Anisotropic optical, magnetic, and electrical properties of obliquely evaporated Ni films, Thin Solid Films, 307, 1997, p. 245-249.

17. W. Y. Lee, К. H. Shin et all, Magnetization reversal dynamics in NigoFe2o thin films, J. Magn. Magn. Mater., 239, 2002, p. 103-105.

18. C.B. Вонсовский, Магнетизм, магнитные свойства диа-, пара-, ферро-, антиферро- и ферримагнетиков, М.: Наука, 1971.

19. F.J.A. Broeder, W. Hoving, P.J.H.Bloemen, Magnetic anisotropy of multilayers, J. Magn. Magn. Mater., 93, 1991, p. 562-570.

20. С. Тикадзуми, Физика ферромагнетизма, M.: Мир, 1987, т.2.

21. S. Chikazumi, «Physics of Magnetism» John Willey&Sons, Inc., New York-London-Sydney, p. 554.

22. E.E. Шалыгина, Магнитооптическое исследование микромагнитных структур, Докторская диссертация, М., 1991.

23. S Sniomi, Т. Nakabayashi et all, Magnetic properties and structure of Co/Pt multilayered films evaporated on heated substrates, J. Appl. Phys., (Japanese) Part I, 32, 1993, p.791-795.

24. S.T. Purcell, H.W. Kesteren, E.C. Cosman, W. Hoving, Structural and magnetic studies of ultrathin epitaxial Co films deposited on a Pd (111) single crystal, J. Magn. Magn. Mater., 93, 1991, p. 25-30.

25. C. Liu, S.D.Bader, Magnetic properties of ultrathin fee Fe(l 11)/Ru(0001) films, Phys. Rev., В 41, 1990, p. 553-556.

26. C.Liu, S.D.Bader, Magnetic properties of ultrathin epitaxial films of iron, J. Magn. Magn. Mater., 93,1991, p. 307-314.

27. C. Liu, S.D. Bader, Two- dimensional magnetic phase transition of ultra thin iron film on Pd (100), J. Appl. Phys., 67, 1990, p. 5758-5760.

28. S.B. Qadri, C. Kim, M. Twigg et all, Ion-beam deposition of Ag/Fe multilayers and their structural and magnetic properties, J. Vac. Scl. Technol, A 9(3), 1991, p. 512-514.

29. C.H. Lee, H. He, F.J. Lamehis, W. Vavra, C. Uher, R. Clarke, Magnetic anisotropy in epitaxial Co superlattices, Phys. Rev., В 42, 1990, p. 1066-1069.

30. Г.С. Кринчик, Физика магнитных явлений, М.: Изд. Московского университета, 1985.

31. G. Herzer, Grain size of coercivity and permeability in nanocrystalline ferromagnets, IEEE Trans. Magn., 26, 1990, p. 1397-1402.

32. S. Szabo, M. Kis-Varga, D.L. Beke, R. Juhasz, Effect of residual strain, grain size Fe impurities on magnetic properties of nanocrystalline Ni (Fe) alloys, J. Magn. Magn. Mater., 215-216, 2000, p. 60-62.

33. C.J. Lin, G.L. Gorman, C.H. Lee, R.F.C. Farrow, E.E. Marinero, H.V. Do, H. Notarys, Magnetic and structural properties of Co/Pt multilayers, J. Magn. Magn. Mater., 93, 1991, p. 194-206.

34. E. E. Shalyguina, Kyung-Ho Shin, M.A. Karsanova, Magnetic and magneto-optical properties of Fe/Ti, Zr, Pt bilayers and Fe/Ti, Zr, Pt/Fe trilayers, Non-Linear Electromagnetic Systems, ISEM' 99, IOS Press, ISSN: 1383 7281, Pavia, January 2000, p. 27-31

35. E.E Shalyguina, L.V. Kozlovskii, A.A. Korendayssev, Магнитооптическое исследование тонкопленочных магнитных структур, Письма в ЖТФ, т. 22, в. 3, 1996, с. 63-67.

36. E.E Shalyguina, N.I. Tsidaeva, S. Khudaykova, R. Iskhakov, J. Moroz, Magneto-optical investigation of Co/Pd multilayers, J. Magn. Soc. Japan, 21 (Suppl. S2), 1997, p. 181.

37. E.E Shalyguina, К.Н. Shin, Influence of nonmagnetic layer (Ti, Zr, Pt) on magnetic and magneto-optical properties of Fe/NML bilayers and Fe/NML/Fe trilayers, J. Magn. Magn. Mater., 220,2000, p. 167-174.

38. J.A. Barnard, M. Tan, A. Waknis, E. Haftek, Magnetic properties and structure of Al/Fe-N periodic multilayer thin films, J. Appl. Phys., 69, 1991, p. 5298-5300.

39. C.Y. Shin, C.L. Bauer, J.O. Artman, Interdependence of magnetic properties and intrinsic stress in mono- and polycrystalline thin nickel films, J. Appl. Phys., 64, №10, 1988, p. 5428-5430.

40. T. Otiti, G.A. Niklasson, P. Svedlindh, C.G. Granqvist, Anisotropic optical, magnetic and electrical properties of obliquely evaporated Ni films, Thin Solid Films, 307, 1997, p. 247-249.

41. Y.V. Kudryavtsev, V.V. Nemoshkalenko, Y.P. Lee, K.W. Kim, C.G. Kim, B. Szymanski, Magneto-optical spectroscopy study of the solid-state reaction in Ti/Ni multilayered films, J. Appl. Phys., 88, №5, 2000, p. 2430-2436.

42. O. Kohmoto, N. Mineji, Y. Isagawa, F. Ono, O. Kubo, Perpendicular anisotropy of sputtered Ni films, J. Magn. Magn. Mater., 239,2000, p. 36-38.

43. E.E Shalyguina, K.H. Shin, Influence of nonmagnetic layer (Ti, Zr, Pt) on magnetic and Magneto-optical properties of Fe/NML bilayers and Fe/NML/Fe trilayers, J. Magn. Magn. Mater., 220, 2000, p. 167-174.

44. E.E. Шалыгина, В.В. Молоканов, М.А. Комарова, Магнитооптическое исследование Со-обогащенных аморфных микропроволок, ЖЭТФ, т. 122, 3(9), 2002, с. 593-599.

45. X. Bi, L. Gan, X. Ma, S. Gong, H. Xu, Change of coercivity of magnetic thin films with-non-magnetic layers and applications to spin valve, J. Magn. Magn. Mater., 268, 2004, p. 321-325.

46. Г.С. Кринчик, E.E. Чепурова, А.П. Парсанов, Доменная структура пермаллоевых страйп-пленок, ФТТ, т. 11, 1969, с. 2029-2031.

47. Г.С. Кринчик, Е.Е. Чепурова, Ш.В. Эгамов, Магнитооптические интенсивностные эффекты в ферромагнитных металлах и диэлектриках, ЖЭТФ, т. 74,2, 1978, с. 714-719.

48. Глава И. Низкоразмерные магнитные структуры.

49. Общие представления о низкоразмерных магнитных структурах. Способы их получения и методы исследования. Практическое применение низкоразмерных магнитных структур.