Исследование поверхностей переходных металлов методом электронной оже-спектроскопии с разрешением по спину тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Поляризованные электроны

1.2 Вторично-электронная спектроскопия

1.3 Электронная оже-спектроскопия (ЭОС)

1.4 Исследования

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ

2.1 Экспериментальное оборудование

2.2 Методика проведения экспериментов

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ ОЖЕ-ЭЛЕКТРОНОВ

МОНОКРИСТАЛЛА Ре№3 (110)

3.1 Экспериментальные результаты исследования поляризации оже-электронов

Ее и N1, входящих в состав сплава Ре№з

3.2 Обработка экспериментальных результатов на основе расчетных плотностей электронных состояний.

3.3 Температурные зависимости поляризации оже-электронов 78 Ц 3.4 Модель поведения намагниченности поверхности (110) Ре№з в широком диапазоне температур

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ НАМАГНИЧЕННОСТИ ТОНКИХ ПЛЕНОК

ВАНАДИЯ, НАПЫЛЕННЫХ НА ФЕРРОМАГНИТНУЮ ПОДЛОЖКУ.

4.1 Экспериментальные результаты

4.2 Анализ экспериментальных данных. Намагниченность V и Бе в области интерфейса

ГЛАВА 5. НОВЫЙ КОМПАКТНЫЙ 40 кВ ДЕТЕКТОР МОТТА

5.1 Введение

5.2 Конструкция прибора

5.3 Испытания детектора Мотта 102 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 105 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Прогресс технологий создания низкоразмерных магнитных систем, открытие в них новых фундаментальных явлений, важных для понимания самой природы магнетизма, а также # перспективы использования наноструктур в новейших приборах и устройствах, в том числе при разработке современных компьютеров, определяют постоянно растущий интерес к этой области физики. Антиферромагнитное межслойное взаимодействие, гигантское магнетосопротивление, открытые в металлических магнитных сверхрешетках, не только заложили новое направление физики магнитных явлений, но также привели к качественному усовершенствованию памяти компьютеров и появлению нового поколения сенсорных устройств. Во многих новейших электронных устройствах используется спиновая степень свободы заряженных частиц. В научной литературе даже появился специальный термин «спинтроника». Поэтому изучение свойств пучков поляризованных по спину электронов приобретает огромное значение.

Интерес к исследованиям взаимодействия поляризованных электронов с твердым телом обусловлен еще и тем, что они позволяют получать уникальную информацию о магнитной структуре поверхности металлов, сплавов, тонких пленок. Спин-поляризационная электронная оже-спектроскопия (СПЭОС) дает возможность изучать магнитную структуру каждой из компонент, входящих в сложную магнитную систему отдельно и, таким образом, является одной из наиболее мощных инструментов изучения низкоразмерного магнетизма. I

Данная работа посвящена исследованию намагниченности подрешеток Fe и Ni, входящих в состав монокристалла FeNÍ3 (110), исследованию намагниченности тонких пленок немагнитного ванадия, напыленного на магнитную подложку, а также развитию методов спин-поляризационных экспериментов на базе нового 40 кВ моттовского детектора.

Целями работы являются: 1) Экспериментальное исследование намагниченности поверхности монокристалла FeNÍ3 (110) в широком диапазоне температур, а так же тонких пленок ванадия, напыленных на магнитную подложку; 2) Отработка методики спин-поляризационного эксперимента с использованием нового 40 кВ детектора Мотта. В связи с этим, в данной работе необходимо было решить следующие задачи:

1. Создать спектрометр, позволяющий проводить исследования методом СПЭОС.

2. Исследовать спиновую поляризацию в широком диапазоне температур оже-электронов железа и никеля, входящих в состав монокристалла FeN¡3.

3. Создать модели, позволяющие оценивать локальную намагниченность поверхностных подрешеток на основе данных о поляризации оже-пиков и описать температурную зависимость намагниченности поверхности.

4. Исследовать поляризацию оже-электронов пленок ванадия различной толщины, напыленных на магнитную подложку.

5. Разработать и изготовить новый компактный классический 40 кВ моттовский поляриметр.

• Научная новизна работы состоит в том, что впервые:

- Разработана методика оже-электронного эксперимента с разрешением по спину при установке энергоанализатора непосредственно на входе моттовского детектора без электронно-оптической системы.

- Методом СПЭОС исследована локальная намагниченность поверхностных подрешеток железа и никеля, входящих в состав монокристалла FeNi3

- Предложена модель оценки локальной намагниченности поверхностных подрешеток по данным спин-разрешенных оже-спектров.

- Экспериментально установлено, что при температурах, близких к температуре Кюри и в слабых магнитных полях как Fe, так и Ni на поверхности монокристалла FeNia (110) антиферромагнитным образом упорядочены относительно объема. Однако, при увеличении внешнего магнитного поля намагниченность на поверхности устанавливается вдоль поля.

- Исследована локальная намагниченность ванадия и железа при напылении тонких пленок ванадия на поверхность монокристалла FeNi3.

- Установлено, что при толщинах пленок ванадия ~2 монослоя атомы ванадия ^ упорядочены антиферромагнитным образом относительно подложки. Направление этого упорядочивания сохраняется при переходе к более толстым пленкам.

- Предложена методика спин-поляризационного эксперимента с использованием нового 40 кВ детектора Мотта.

Практическое значение работы.

1. Создана экспериментальная установка, которая проводить исследования поверхностей твердых тел методом СПЭОС. Установка оснащена специально разработанным спектрометром, состоящим из энергоанализатора электронов и 60 кВ детектора Мотта.

2. Создан высокоэффективный компактный 40 кВ анализатор спиновой поляризации электронов по схеме классического моттовского детектора. Поляриметр обладает высокой стабильностью измеряемой асимметрии рассеяния как во времени, так и по отношению к положению входного анализируемого электронного пучка и позволяет проводить спин-поляризационные измерения в условиях сверхвысокого вакуума.

3. Предложенная методика спин-поляризационного эксперимента с применением нового ^ 40 кВ детектора Мотта может быть использована в аналогичных высоковольтных детекторах спиновой поляризации электронов без задерживающего поля.

4. Экспериментальные данные о локальном магнетизме, полученные при исследовании монокристалла FeNÍ3 (110), имеют важное значение для понимания механизмов, определяющих поляризацию оже-электронов, и природы магнетизма поверхности бинарных сплавов.

5. Экспериментальные данные о магнетизме тонких пленок немагнитного ванадия на ^ поверхности магнитной подложки могут быть использованы для оптимизации режимов роста многослойных магнитных металлических систем, используемых в современной наноэлектронике.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Экспериментальная установка, оснащенная спектрометром, созданным на основе специально разработанного энергоанализатора и 60 кВ детектора Мотта позволяет проводить исследование магнитной и химической структуры поверхности методом спин-поляризационной электронной оже-спектроскопии,

2. На основе предложенной в диссертации методики с помощью 40 кВ детектора Мотта без задерживающего поля, можно проводить комплекс экспериментальных исследований с поляризованными электронами.

3. Экспериментальные данные по поляризации оже-электронов Fe и Ni, входящих в состав монокристалла FeNÍ3 (110) в широком диапазоне температур дают новую фундаментальную информацию о магнетизме поверхности упорядоченных сплавов.

4. Предложенная в диссертации связь между поляризацией оже-спектров и намагниченностью приповерхностных слоев монокристалла FeNÍ3 позволяет построить модель, описывающую поведение намагниченности в окрестности точки Кюри.

5. Экспериментальные оже-спектры с разрешением по спину тонких пленок ванадия на поверхности монокристалла FeNÍ3 (110) демонстрируют индуцированную намагниченность ванадия, в направлении противоположном намагниченности подложки вплоть до толщин в 12 монослоев.

Апробация результатов работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на «3rd International SLS Workshop on Synchrotron Radiation» (Jle Диаблеретс, Швейцария, 2000), VII Санкт-Петербургской ассамблее молодых ученых и специалистов «молодые ученые -промышленности северо-западного региона» (Санкт-Петербург, 2002), VII Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы "Фундаментальные исследования в технических университетах" (Санкт-Петербург, 2003), на международном семинаре участников ^ проекта ИНТАС «Tunnig of exchange coupling with hydrogen: playground for study of low-dimensional magnetism» (Бохум, Германия, 2003), на семинарах кафедры экспериментальной физики СПбГПУ.

Основные результаты работы могут быть сформулированы следующим образом:

1. Создана экспериментальная установка, позволяющая проводить измерения методом спин-поляризационной оже-спектроскопии. Основной частью установки является спектрометр, состоящий из оригинального энергоанализатора и пристыкованного к нему детектора Мотта.

2. Для исследования намагниченности поверхности состав монокристалла Ре№3 (110) были экспериментально получены спин-разрешенные оже-спектры железа и никеля. Установлено, что намагниченность поверхности этого сплава определяется намагниченностью подрешетки железа, в то время как подрешетка никеля намагничена слабо.

3. Установлено, что в определенном интервале температур вблизи температуры Кбри на поверхности монокристалла Ре№з (110) подрешетки Ре и N1 антиферромагнитным образом упорядочены относительно объема. Предложена модель, описывающая такое поведение намагниченности Ре и N1.

4. Экспериментально получены спин-разрешенные оже-спектры тонких пленок ванадия, напыленных на поверхность монокристалла Ре№з (110). Установлено, что под действием магнитной подложки пленка ванадия намагничивается, причем направление намагниченности противоположно направлению намагниченности подложки. Установлено, что увеличение толщины пленки до 12 монослоев не приводит к изменению направления намагниченности ванадия.

5. Создан новый эффективный 40 кВ детектор Мотта и отработана методика проведения на нем спин-поляризационных экспериментов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. И Кесслер. Поляризованные электроны. М. Мир. 1987. 367 с.

2. N.F. Mott. Proc. R. Soc. London, vol. 124, 1929, p. 425.

3. T.J.Gay, M.A.Khakoo, J.A.Brand, J.E.Furst, W.V.Meyer, W.M.K.P. Wijayaranta, F.B.Dunning. Rev. Sci. Instrum., 63 (1), 1992, p. 114.

4. Д. Бриггс, M. П. Сих. Анализ поверхности методами оже- и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. М. Мир. 1987. 600 с.

5. Н. П. Бажанова, В. В. Кораблев, Ю. А. Кудинов. Актуальные вопросы вторично-эмиссионной спектроскопии. J1. ЛПИ. 1985. 88 с.

6. И. А. Аброян, А. Н. Андронов, А. И. Титов. Физические основы электронной и ионной технологии. М. Высшая школа. 1984. 320 с.

7. D. Mauri. Spin polarized secondary electron emission from ferromagnetically ordered FegsBn. Zurich. Nat. Sci. Swiss. Fed. Inst. Technol. 1984. 76 c.

8. JI. Д. Ландау, E. M. Лившиц. Квантовая Механика (нерелятивистская теория). М. Физматгиз. 1963. 704 с.

9. М. Erbudak, W. Maurer, N. Mueller, G. Ravano. Helv. Phys. Acta. (1983)

10. M. Roesler, W. Brauer. Phys. Stat. Sol. (b)l04, 161 (1981) and ibid 104, 575 (1981).

11. J. P. Ganachaud, M. Cailler. Surf. Sci. 83, 498 (1979) and ibid 83, 519 (1979).

12. M. F. Chung, L. H. Jenkins. Surf. Sci. 21. 353 (1970).

13. M. Landolt, D. Mauri. Phys. Rev. Lett. 49, 1783 (1982).

14. M. Landolt, in Polarised Electrons in Surphase Physic, edited by R. Feder (World Scientific, Singapure, 1985), Chap. 9.

15. M. Landolt, R Allenspach, D. Mauri. J. Appl. Phys. 57, 3626 (1985)

16. R. Allenspach, D. Mauri, M. Taborelli, M. Landolt. Phys. Rev. В 35, 4801 (1987).

17. J. S. Risley. Rew. Sci. Instrum. 43. 95. (1972).

18. E. Antonidies, E. C. Janse, G. A. Sawatsky. Phys. Rev. В 15 1669 (1977).

19. H. V. Haak, G. A. Sawatsky, T. D. Thomas. Phys. Rev. Lett. 41, 1825 (1978)

20. M. Cini. Solid State Commun. 24, 681 (1977).

21. J. C. Fuggle, P. Bennet, F. U. Hilebrecht, A. Lenselink, G.Sawatsky. Phys. Rev. Lett. 49, 1787 (1982).

22. D. E. Ramaker, Crit. Rev. Solid State Matter. Sci. 17,211 (1991).

23. К. H. Benneman, Phys. Rev. В 28, 5304 (1983).

24. A. Kotani, H. Mizuta. Solid State Commun. 51, 727 (1984).

25. В. Sinkovich, P. D. Jonson, N. B. Brookes, A. Clarke, N. V. Smith. Phys. Rev. Lett. 62, 2740 (1989)

26. B. Sinkovich, P. D. Jonson, N. B. Brookes, A. Clarke, N. V. Smith. Phys. Rev. В 52, R6955 (1995)

27. В. Sinkovich, E. Shekel, S. L. Hubert. Phys. Rev. В 52 R 15703 (1995)

28. Yu. Kucherenko, B. Sinkovich, E. Shekel, P. Rennert, S. L. Hubert. Phys. Rev. В 62 5733 (2000)

29. О. S. Anilturk, A. R. Koymen. J. Appl. Phys. 89, 7233 (2001)

30. E. N. Sickafus. Phys. Rev. В 16, 1436. (1977).

31. D. E. Ramaker. Crit. Rev. Solid State Phys. 17. 211. (1991).

32. S. R. Chubb, W. E. Pickett. Phys. Rew. В 38, 10227 (1988).

33. M. P. Seah. Surf. Interface Anal. 2. 222. (1980).

34. D. W. O. Heddle. J. Phys. E.: Sci. Inst. 4. 598. (1971).

35. D. Roy, J.-D. Carette. Topics in Current Physics, v.4, Electron Spectroscopy of Chemical Analysis, pp. 13-58, Springer-Verlag, Berlin, 1972

36. С. В. Вонсовский. Магнетизм. M. «Наука» 1971. 1032 с.

37. С. Тикадзуми. Физика ферромагнетизма. Магнитные характеристики и практические применения. М. Мир. 1987. 419 с.

38. В. JT. Седов. Антиферромагнетизм гамма-железа. Проблема инвара. М. «Наука». 1987. 288 с.

39. В. А. Кизель. Дихроизм. Физическая энциклопедия. А. М. Прохоров, Д. М. Алексеев и др М. 1988 стр.693-694.

40. J. Hubbard. Proc. R. Soc. London, Ser A 276, 238 (1963); 277, 237 (1964); 281, 1401 (1964).

41. С. Тикадзуми. Физика ферромагнетизма. Магнитные свойства вещества. М. Мир. 1983. 304 с.

42. Т. Nautiyal, S. Auluck. Electronic structure and Fermi surphace of Ni3Fe. Phys. Rev. В 47, 1726,(1993).

43. Дж. Смарт. Эффективное поле в теории магнетизма. М. Мир. 1986. 271 с.

44. С. G. Shull, М. К. Wilkinson. Phys. Rev. 97, 304 (1955).

45. J. W. Cable, E. O. Wollan. Phys. Rev. В 7, 2005 (1973).

46. H. C. Siegman. Surface and 2D magnetism. J. Phys.: Condens. Matter 4, 1992, p. 8395-8434.

47. Ч. Киттель. Введение в физику твердого тела. М. «Наука». 1978. 792 с.

48. Галактионов М. С. Исследование магнитных поверхностей и напряженных структур методами спектроскопии поляризованных электронов. Дисс. канд. физ.-мат. наук. СПбГПУ 2000.

49. А. Е. Вол. Строение и свойства двойных металлических систем. Гос. изд. физ.-мат. лит. 1962.

50. L Neel., Compt. Rend., 239, 8, 1954.

51. C.S. Wang, B.M. Klein, H. Krauer, Phys. Rev. Lett., 54, 1985, p. 1852.

52. M. Dube, P.R.L. Heron, D.G. Rancourt, J. Magn. Magn. Mater. 147, 1995, p.122.

53. B. Hjorvarsson, J.A. Dura, P. Isberg, T. Watanabe, T.J. Udovic, G. Andersson, and C.F. Majkrzak, Phys. Rev. Lett. 79 , 901 (1997)

54. V. Leiner, K. Westerholt, A. M. Blixt, H. Zabel, and B. Hjorvarsson, Phys. Rev. Lett., 91, 037202 (2003)

55. V.Uzdin, K. Westerholt,, H. Zabel, and B. Hjorvarsson, Phys. Rev. B, (2003) в печати.

56. D.Spisak and J. Hafner Phys.Rev. В 61, 4160 (2000)

57. T.M Hattox, J.B. Conklin, J.C. Slatter, S.B. Trickey, J. Chem. Phys. Sol. 34 (1973) 1627.

58. G. Allan, Phys. Rev. В 19 (1979) 4774.

59. A. Vega, L.C. Balabas, H. Nait-Laziz, C. Demangeat, H. Dreysse, Phys. Rev. B. 48 (1993) 985.

60. T.G. Walker, H. Hopster, Phys. Rev. В 49 (1994) 7687.

61. M. Finazzi, E. Kolb, J. Prieur et al, JM&MM 165 (1996) 373.

62. P. Fuchs, K. Totland, M. Landolt, Phys. Rev. В 53 (1996) 9123.

63. G.R. Harp, S.S. Parkin, W.L. O'Brien, B.P. Tonner, Phys. Rev. В 51 (1995) 3293.

64. M.A. Tomas, W.J. Antel, W.L. O'Brien, G.R. Harp, J. Phys. Condens. Matter 9 (1997) LI79.

65. R. Coehorn, JM&MM 151 (1995) 341.

66. M.D. Seah, W.A.Dench, Surf. Interface Anal. 1,1 (1979).

67. P.I. Cohen et al Surf Sci 216 (1989) 222.

68. T.Igel et al. Proton-induced Auger electrons from ultrathin Mn films on Fe(100) Surf. Sci/ 405 (1998) p. 182-191.

69. V. N. Petrov, A. S. Kamochkin. New energy analyzer for spin-polarized Auger electron spectroscopy. To be published in. Rev. Sci. Instr.

70. Мотт Н.Ф., Месси Г. Теория атомных столкновений. М.: Мир, 1969, 756 с.

71. Nelson D.F., Pidd R.W. Phys. Rev. 1959. V. 114. P. 728.

72. Kalisvaart M., O'Neill M.R., Riddle T.W., Dunning F.B., Walters G.K. Phys. Rev. 1978. V. В 17. P. 1570.

73. Gray L.G., Hart M.W., Dunning F.B., Walters G.K. Rev. Sci. Instrum. 1984. V. 55. P. 88.

74. Danning F.B., Gray L.G., Ratliff J.M., Tang F.-C., Zhang X., Walters G.K. Rev. Sci. Instrum. 1987. V. 58. P. 1706.

75. Getzlaff M., Bansmann J., Schoenhense G. J. Magn. Magn. Mater. 1994. V. 131. P. 304.

76. Qiao S., Kimura A., Harasawa A., Sawada M., Chung J.-G., Kakizaki A. Rev. Sei. Instrum. 1997. V. 68. P. 4390.

77. Petrov V.N., Galaktionov M.S., Kamochkin A.S. Rev. Sei. Instrum. 2001. V. 72. P. 3728.

78. Petrov V.N., Landolt M., Galaktionov M.S., Yushenkov B.V. Rev. Sei. Instrum. 1997. V. 68. P. 4385.

79. Stamm С., Marty F., Vaterlaus A., Weich V., Egger S., Maier U., Ramsperger U., Fuhrmann H., Pescia D. Science. 1998. V. 282. P. 449.

80. Hoesch M., Greber Т., Petrov V. N., Muntwiler M., Hengsberger M., Auwarter W., Osterwalder J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 2002. V. 124. P. 263.

81. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Т. 1. стр. 259. М.: Мир, 1984, 598 с.

82. Gay T.J., Kahkoo М.А., Brand J.A., Fürst J.E., Meyer W.V., Wijayaratna W.M.K.P., Dunning F.D. Rev. Sei. Instrum. 1992. V. 63. P. 114.

83. Ho Is warth G., Meister H.J. Nucl. Phys. 1964. V. 59. P. 56.