Исследование магнетизма в ультратонких пленках методом рефлектометрии поляризованных нейтронов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ



ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

14-97-98

На правах рукописи УДК 538.975

ПАСЮК Валерия Викторовна

ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНЕТИЗМА В УЛЬТРАТОНКИХ ПЛЕНКАХ МЕТОДОМ РЕФЛЕКТОМЕТРИИ ПОЛЯРИЗОВАННЫХ НЕЙТРОНОВ

Специальность: 01.04.07 — физика твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Дубна 1997

Работа выполнена в научно-экспериментальном отделе физики конденсированных сред Лаборатории Нейтронной Физики им. * академика И.М.Франка Объединенного Института Ядерных Исследований

Научный руководитель - доктор физико-математических наук

профессор, Аксенов В. Л

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук

Ковальчук М.В

- доктор физико-математических наук

Матвеев В.М

Ведущая организация -^Петербургский институт ядерной физик!

РАН им. Б .П. Константинова, г.ГатчинЕ

Защита состоится 21 мая 1997 г. на заседание специализированного совета Д 047.01.05 при Лаборатории нейтронной физики, Лаборатории ядерных реакций ОИЯУ (141980, Московская обл.. Г- Дубна, ОИЯИ).

С диссертацией 'можно ознакомиться в Научной библиотек! ОИЯИ.

1997 г.

Попеко А .Г

I I

I

Автореферат разослан " '

Ученый секретарь

специализированного совета^ , ^^

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1Ктуальность темы исследования. В настоящее время аблюдается большой интерес к магнетизму в системах с ониженной размерностью, таких как ультратонкие магнитные ленки, поверхности, межграничные области. Резкое обрывание ристаллической решетки и отсутствие ближних соседей в оверхностном слое, изменение композиционного состава в [ногослойных пленках, переход к 2-мерным структурам риводит к возникновению экзотических свойств, таких как величение или уменьшение магнитного момента на атом, озникновение магнетизма в немагнитных материалах, уществование сложных магнитных упорядочений. До недавнего ремени изучение 2-мерного магнетизма было ограничено >тсутствием пленок высокого качества. Недавний технический :рогресс дал возможность получения ультратонких пленок ысокого качества со стабильной или метастабильной ристаллической структурой. Появление ряда методов питаксиального выращивания пленок открыло отдельную >бласть в физике твердого тела - магнетизм ультратонких тенок. Экспериментальное изучение магнитных свойств тонких шенок и поверхностей потребовало развития различных 1етодов для измерения слабых магнитных эффектов. 4етод рефлектометрии поляризованных нейтронов (РПН) .вляется уникальным для измерения магнетизма ультратонких шенок. Основное достоинство РПН заключается в том, что этот детод является неразрушающим и позволяет измерить 1бсолютнук> величину намагниченности на глубине до 5000 А от юверхности. Таким образом, проведение экспериментов с гспользованием метода РПН по изучению особенностей магнетизма ультратонких пленок является весьма актуальным ;ля понимания физики этих систем.

1елью диссертационной работы являлось экспериментальное тсследование методом РПН магнитного момента основного юстояния ультратонких пленок Зс1-переходных металлов, шияния эффектов изменения зонной структуры и межатомной 'ибридизации атомов в межграничной области в случае (3<1 - ЗФ 1 Ш - 4<3) взаимодействия переходных металлов на магнитные :войства трехслойных систем; изучение возникновения введенной намагниченности в атомах немагнитных переходных

1

металлов; исследование поглощающих слоев и их влияния н, поляризующую способность магнитных нейтронных зеркал. Научная новизна.

1. Прямое измерение магнитного момента атомов Ре : основном состоянии для ультратонких пленок являете: необходимым для понимания двумерного магнетизма. Особенн< интересен случай, когда монослой магнитного переходной металла нанесен на немагнитный переходный металл (например РеЛУ(ПО)), так как вследствие эффекта гибридизации с1-оболоче: возникают особые магнитные свойства: уменьшение магнитноп момента пленки и возможная поляризация подложки ил] покрывающего слоя. Полученные нами результаты впервы экспериментально подтвердили предсказанное теоретически [1 уменьшение магнитного момента атомов Бе, нанесенных на V подложку по сравнению с поверхностным слоем объемного Ие.

2. Впервые с использованием метода РПН исследован: намагниченность трехслойной системы Рс1/Со(21А)/Рс1, дл; которой теоретичекие расчеты [2] показывают существовани! поляризационных эффектов в слое Рс1, прилежащем 1 межграничной области с Со. Впервые методом РПН измеренс увеличение магнитного момента в изучаемой системе, которо! мы относим к существованию индуцированного магнитног< момента, равного 0.4 Цв, в двух монослоях Рс1, прилежащих ] обеим Рс1/Со границам.

3. Впервые экспериментально исследована спектра льна; зависимость длины рассеяния гадолиния и его сплава с титаноь в тепловой области энергий нейтронов.

Впервые выяснены причины наблюдающегося сильногс падения поляризующих свойств ферромагнитных зеркальны} нейтроноводов в длинноволновой части спектра. Предложен* возможность создания нового поглощающего сплава дл$ поляризующих нейтроноводов с существенно меньше* отражающей способностью на основе бора. Практическое значение.

1. Показано, что метод рефлектометрии поляризованные нейтронов позволяет измерять магнитные эффекты в ультра тонких магнитных пленках вплоть до нескольких монослоев.

2. Исследованы особенности намагниченности в Рс1/Со/Р< системе, используемой в магнито-оптических запоминающш устройствах высокой плотности.

3- Изучены причины падения степени поляризации пучка с юстом длины волны нейтронов. Предложены поглощающие слои [а основе Cd и В оптимизированные на минимум отражения для оздания поляризующих зеркал с высокой степенью поляризации i широком интервале длин волн тепловых нейтронов. Апробация работы. Результаты исследований, изложенных в щссертации, докладывались на XXV и XXVI школах в Закопане Condensed matter studies by nuclear methods" (Закопане, Польша, 1990 i приглашенный докладв в 1991 г .г.), 2 International Conference 'Surface X-Ray and Neutron Scattering (приглашенный доклад. Bad ionnef, Германия 1991 г.), 3 International Symposium on Surface Science" (La Plagne, Франция 1992 г.), 6th International conference on lolid films and surfaces (Париж, Франция, 1992 г.), "Symposium on nagnetic ultra thin film, multilayers and surfaces" (Лион, Франция, 1992 '.), 3 International Conference "Surface X-Ray and Neutron Scattering, }убна, 1993 г.), 14th International Colloquium on magnetic films and ;urfaces (Дюссельдорф, Германия 1994 г.), на семинарах 1етербургского института ядерной физики РАН (Гатчина), Института полупроводников АН Украины (Киев), Университета г. (онстанц (Германия), Лаборатории магнетизма Louis Neel CNRS Гренобль, Франция), Института Лауз-Ланжевена (Гренобль, Франция), отдела физики конденсированных сред Лаборатории 1ейтронной Физики им. И.М.Франка ОИЯИ.

1убликации. По результатам диссертации опубликовано 11 :татей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из пяти глав, филожения, заключения и списка литературы. Работа изложена ia 100 страницах, включает 25 рисунков и 7 таблиц. Список зитературы содержит 111 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Тервая глава состоит из трех частей.

3 первой части обосновывается интерес к изучению вопросов, рассматриваемых в диссертации.

Зо второй части обсуждаются особенности магнетизма в :истемах с пониженной симметрией. Дается обзор теоретических забот о современных методах, используемых для описания магнетизма ультратонких пленок, поверхностей и межграничных эбластей. Приводится обзор экспериментальных методов,

используемых для изучения слабых магнитных эффектен анализируются их возможности и пределы. Далее приводите описание работ, в которых метод РПН был применен дл исследования магнетизма ультратонких пленок и многослйны: магнитных структур. В конце второй части формулируютс основные проблемы, исследуемые в диссертации. В третей части данной главы изложены основные результата выносимые на защиту. Вторая глава состоит из пяти частей.

В первой части описывается спектрометр поляризованны: нейтронов (СПН) на импульсном реакторе ИБР-2, работающий п< методу времени пролета, на котором были выполнены основны эксперименты по исследованию магнетизма в ультратонки: пленках, обсуждаемые в диссертации [3].

Во второй части рассматривается метод получени! коэффициента отражения в эксперименте по методу времен! пролета, рассматриваются вопросы корректного учета фона нормировки функции коэффициента отражения. Для полученш коэффициента отражения в эксперименте по времени пролета нужно измерить спектральные зависимости падающего 1()Ш i отраженного 1ГШ пучков при фиксированном угле падения 6 Для учета фона измеряются фоновые спектры 1оь(?0 и Irb(K падающего и отраженного пучков с Cd затвором на детекторе Тогда экспериментальный коэффициент отражения вычисляется по следующей формуле

[I (А.)- / ,(А.)] R ши-,в)) = ——1- f , П.

ехр^ , [/0(А.)-/0Ь(А(.)Г

где Q - переданный импульс,/ - нормировочный фактор Абсолютная шкала (и, следовательно, нормировочный фактор /'. определяется нормировкой области полного отражения не единицу. Необходимость нормировки возникает в том случае когда проекция образца длиной l (¿sinб) меньше, чем сечение падающего пучка. Нормировка на единицу верна только в том случае, если образец не содержит поглототель, в противном случае следует пользоваться или геометрическим фактором, или обеспечить полное перекрытие образцом сечения пучка. Чтобы при вычислении экспериментального коэффициента отражения Rexp по формуле (2.2) не ухудшать статистические ошибки из-за малой интенсивности Cd фона, производится

редварительная подгонка фоновых спектров полиномиальными ункциями 1гЫЬ,ог, и 10Ь,Ьсот„ которые и используются в расчетах.

третьей части обсуждается учет функции поляризации ассматривается способ коррекции экспериментально змеренных отраженных интенсивностей на неидеальность ункции поляризации. Для получения экспериментальных ээффициентов отражения и I*-, откорректированных на зектральные зависимости функции Р(А.) поляризации и )зфективности спин-флиппера ДХ) для случая

оляризационного эксперимента без анализа поляризации в траженном пучке, коррекция экспериментальных нтенсивностей 1+ и I- проводилась по следующим формулам:

/?+(Я) = -

{1 - Р(Я)[1 - 2/(Я)]|(/

2/(Я)Р(Я)(/0-/0Л)

(2)

Я (Я) = -

{1 -Р(Я)[1 -2/(Я)]}(/~

!гЬ)-и-птг-1гЬ)

2ДХ)РШи0-!0Ь)

(3)

четвертой части анализируется функция разрешения FR(Q) гектрометра СПН, в частности показано, что РИ(С)) гектрометра СПН оптимально адаптирована для эфлектометрических экспериментов.,

пятой части обсуждается методика обработки и анализа :спериментальных данных, приводится метод расчета ээффициента отражения от многослойной структуры штический матричный метод), описываются особенности зограммы для подгонки экспериментальных данных. ретья глава посвящена изучению магнитного момента :новного состояния атомов железа в трехслойной структуре Ч¥е.РМ и состоит из четырех частей.

первой части обсуждаются особенности магнитного момента :новного состояния в системах с пониженной размерностью.

пределах нескольких монослоев (3-5) тонкие пленки ¡реходных металлов с хорошим приближением являются

модельными 2D системами, так как возбуждением перпендикулярных мод спиновых волн можно пренебречь. Основными "носителями" магнитного момента в переходных металлах являются электроны делокализованных d - оболочек (и в меньшей степени гибридизованных s - оболочек), что является причиной сильной чувствительности магнетизма в тонких пленках переходных металлов к окружению.

Если магнитный слой переходного металла поместить на немагнитную подложку, магнитный момент основного состояния будет определяться конкуренцией между двумя доминантными процессами. Сужение 3d зоны на поверхности стремится увеличить магнитный момент, а гибридизация с подложкой - уменыпть.

За счет уменьшения размерности на поверхности увеличивается локализация электронов, это приводит к сужению 3d зоны пс сравнению со значением для объемного материала. Эффекты гибридизации возникают из-за перекрытия 3d магнитных зок абсорбата с, например, s и d электронами подложки. Это вызывает уширение зоны по сравнению с объемным материалом, чтс приводит к уменьшению магнтизма. Теоретические расчеты [4] выполненные для FeAV(UO), Ag/FeAV(l 10), показывают, чтс подложка W(110), значительно уменьшает магнитный момент б монослое железа по сравнению с цв = 2.65 для поверхностного слоя объемного железа. В качестве модельной системы для прямого измерения магнитного момента основного состояния е ультратонкой пленке была выбрана структуре W(110)Fe(l 10)AV(110)/А1203(1120), где толщина пленки Ft составляла всего 3 монослоя.

Во второй части описывается изготовление эпитаксиальныя металлических пленок и их характеристика. Для получения эпитаксиальных пленок мы использовали метод Импульсного Лазерного Напыления (ИЛН), реализованный на установке i Лаборатории Луи Нееля (CNRS, Grenoble). [51- Для создания пленки мы использовали монокристаллическую подложку А1203( 1120). С помощью электронной дифракции во время нанесения пленки производился дифракционный анализ, ис которого следовало, что в пленке не было напряжен^ (кристаллические параметры соответсвовали параметрам объемного W) и ориентация в пленке была W(110).

1ри нанесении пленки Бе производился т-яки анализ из которого ледовало, что Ре растет эпитаксиально на все

;ристаллографические оси Ре были параллельны осям \У с оответствующими индексами. После изготовления пленка была »характеризована на установке ренгеновских лучей методом >ефлектометрии.

) третьей части описываются экспериментальные результаты, по [змерению магнитного момента в пленке, полученные методом 'ПН. Измерения зеркального коэффициента отражения юляризованных нейтронов проводились при температуре 300 К. ¡еличина приложенного магнитного поля была 500 Э. Следует »тметить, что размер образца был очень мал и составлял только > мм в диаметре. После установки в держатель рабочая площадь ^ля рефлектометрических измерений равнялась приблизительно >х5 мм2. Магнитный эффект наиболее наглядно можно [редставить в виде флип-отношения (11711"), как показано на 1исунке 1. Теоретический анализ экспериментальных данных :роизводился по матричному методу, описанному в главе 2. Магнитная часть плотности длины рассеяния, полученная в результате подгонки для слоя Ре, равнялась (4.0 ± 0.1)х10"6 А"2, 'то соответствует магнитному моменту (1.80 ± 0.05) |Ив/атом ри Т = 300 К. Для того, чтобы сравнить полученный результат с еоретическими расчетами, нужно экстраполировать результат, :олученный при комнатной температуре, к Т = 0 К. Для этого ыло проведено измерение температурной зависимости полного гагнитного момента образца с помощью СКВИД-магнетометра. [амагниченность образца была измерена в интервале температур .2 К - 300 К в постоянном магнитном поле, равном 1 кЭ (рис. 2). олагая, что тепловое изменение магнитного момента в бласти температур от 0 К до 4.2 К мало по сравнению со его начением при Т = 300 К, значение магнитного момента, олученное нами в нейтронном эксперименте и равное моменту 1.80 ± 0.05) |Хв/атом при Т = 300 К, можно экстраполировать к начению (2.1 ± 0.1) |1в/атом при Т = 0 К. Полученный нами [агнитный момент для атомов Ре в трехслойной системе ^/РеАУ, равный 2.1+/-0.1 Цв , совпадает в пределах ошибки с еоретическим значением [5], равным 2.18 Ив для монослоя Ре на / - подложке и со значением 2.17 |1в для Ре в системе системе ^/Рет.

0.1

0.01

ЧСА"1)

0.1

Рис. 1 Экспериментальная и теоретическая функции флип-отношения (11711-) для \У/Ре/\У пленки.

0 50 100 150 200 250 300

Тетрегашге (К) Рис.2 Тепловое изменение намагниченности \\7РеЛУ пленки, измеренное в поле Н = 1 кОе

В четвертой части делается анализ и сравнение полученны результатов с известными данными теоретических экспериментальных работ. Это сравнение показывает, чт полученные нами результаты впервые экспериментальн подтвердили предсказанное теоретически уменьшена магнитного момента атомов Бе, нанесенных на \У подложку п сравнению с поверхностным слоем объемного Ре. Четвертая глава посвящена изучению эффектов поляризаци немагнитных атомов Рс1 в ультратонкой Рс1/Со/Рс1 пленке состоит из четырех частей.

В первой части обсуждаются структурные и магнитные свойств Со/Рс1(111) систем, приводится обзор теоретических экспериментальных работ, формулируются проблемы. Несмотря на то, что с!-оболочка Р<3 незаполнена, паллади является парамагнетиком. При этом Рс! является легк поляризуемым: малой примеси Со достаточно, чтобы вызват ферромагнетизм в палладии [6,7]. Теоретические исследовани структуры и магнетизма в СоЯМ(111) тонкой пленке [6] показал! что атомы Со на Рс1 образуют ГЦК решетку с 5-б£ сокращение] расстояний между ближайшими Со-Рс1, атомы Со приобретаю1 увеличенный магнитный момент, равный 1.69 М-в в 1 монослое С на Рс1 и что слой Со индуцирует большой магнитный момен1

0.36 М-в) в ближайшем слое Pd. Для проверки этих теоретических асчетов мы исследовали магнитные свойства структуры 'd(70A)/Co(20A)/Pd(270A)/Au(220 A)/Si.

о второй части описывается приготовление и характеристика бразцов. Пленки были приготовлены методом напыления с омощью электронного пучка в камере ультра-высокого вакуума Лаборатирии Филипс (Philips Research Laboratories, Eindhoven, letherlands). Мы использовали подложки двух типов: Si(100) и ¡(111). Образцы были охарактеризованы с помощью химического нализа, рефлектометрии рентгеновских лучей. Магнитная арактеристика образцов была выполнена с помощью оверхностного магнито-оптического эффекта Керра и агнитометрических измерений. Эксперименты показали тсустствие плоскостной анизотропии. Результаты исследования груктурных и магнитных характеристик образцов редставлены в Таблице 1.

аблица 1.

1рактеристика образцов. В колонке 2 показана ориентация эдложки, d означает, что подложка была протравлена в HF 1слоте. В следующих колонках представлены толщины j/Co/Pd/Au пленок. Полная толщина Pd была определена с эмощью химического анализа (колонка 5Х толщины нижнего и :рхнего Pd слоев раздельно были определены с помощью 'йтронной рефлектометрии (колонки б и 7) . Значения для 1Сыщающего поля, параллельного (Н ||) и перпендикулярного (Н ) к поверхности образцов, представлены в двух последних шонках.

5ра->ец Подложка Co (A) (±5%) Au (A) (±3%) Pd (A) (±3%) Pd(A) (±3%) Pd (A) (±3%) HII (кЭ) Hi (кЭ)

1 SiC 100) d 21A 214 345 270 75 2.5 3.5

2 Si( 111) d 21.2 217 352 270 75 2.5 3.8

3 Si(100) 20.9 216 340 270 70 2.5 3.8

4 SiC 111) 20.9 220 342 272 70 2.5 38

Как следует из таблицы, значения толщин слоев Со, Рс1 и Аи, полученные разными методами, с хорошей степенью точности согласуются между собой.

В третьей части описываются экспериментальные результаты, по измерению профиля ядерной плотности длины рассеяния нейтронов для пленок Рс1/Со/Рс1. Для этого кэффициент отражения измерялся в насыщающем внешнем магнитном поле, равном 6-5 кЭ, приложенном перпендикулярно к плоскости пленки, при этом спины нейтронов были направлены по полю. В этом случае коэффициенты отражения и Я' становятся независимыми от спина нейтрона [11]. Из подгонки экспериментальных данных теоретической моделью, мы получили плотности и

толщины с1, каждого слоя I Плотности не отличались от табличных значений. Толщины каждого слоя, полученные в результате подгонки, находились в идеальном согласии с величинами, полученными с помощью химического анализа и методом рентгеновской рефлектометрии.

В четвертой части описываются результаты измерения намагниченности в пленках Рс1/Со/Рс1 методом рефлектометрии поляризованных нейтронов. Экспериментальные коэффициенты отражения и Я" измерялись в насыщающем внешнем магнитном поле, равном 3-5 кЭ, приложенном параллельно поверхности образца (см. рис. 3). На рисунке экспериментальные данные представлены вместе с подгоночными кривыми. Подгонка экспериментальных данных производилось с использованием фиксированных параметров профилей ядерных плотностей длин рассеяния и толщин слоев, полученных из эксперимента по измерению профиля ядерной плотности длины рассеяния нейтронов для пленок Рс1/Со/Рс1, описанного в третей части. Для определения намагниченности из нейтронного эксперимента удобно представлять данные в виде функции поляризации, или спин-ассиметрии БА = - К")/(11+ + 11"). На рисунке 4

представлена фукция поляризации для образца 4. Сплошной линией показана наилучшая подгонка экспериментальных данных, соответствующая модели, в которой мы полагали, что атомы Со имеют намагниченность объемного материала (1.76 цвХ а индуцированный момент в атомах Рс! являлся параметром подгонки. Для этой модели мы получили, что в слое Рс1 шириной 5 А с обеих сторон от слоя Со существует индуцированный магнитный момент, равный 0.4 цв на атом Р<1 Так как

ю

и с. 3. (а) Коэффициент отражения нйтронов от Рс1/Со(21А)/ТУ пленки, змеренный во внешнем магнитном поле 6-5 кЭ, направленном ерпендикулярно к поверхности образца, (в) Коэффициенты отражения * (о) и И" (+), измернные в магнитном поле 3-5 кЭ, направленном араллельно поверхности пленки. Сплошными линиями показаны одгоночные кривые.

1С. 4. Измеренная (о) и расчетная функции спин-ассиметрии для 1/Со(21 А)/Рс1 пленки. На вставке пунктирная линия соответствует эъемной намагниченности в атомах Со, сплошная линия ^ответствует индуцированной намагниченности 0.4 цв/на атом Рс). в 5 слоях на обеих Со/Рс! границах.

отсутствуют теоретические расчеты для модели, аналогичной изучавшейся нами реальной системе Рё/Со/Рс1, то мы можем говорить только о качественном согласии полученных нами результатов с расчетами, изложенными в работе [б]. В пятой главе исследовалось влияние поглощающего подслоя на поляризующую способность магнитных нейтронных зеркал. Глава состоит из четырех частей.

В первой части приводится теоретический анализ коэффициента зеркального отражения нейтронов от сильных поглотителей. Проанализирована специфика поведения длины рассеяния Сс1 в тепловой области энергий нейтронов. Изотопы 155Сс1 и 157Сс1, входящие в состав естественной изотоп-смеси (14.8Я и 15.7Я соответственно), имеют сильные резонансы в сечении поглощения при Хк155 = 2.25 А и Х^157 = 1.7 А, то есть непосредственно в области максимума теплового спектра нейтронов. Это, в свою очередь, приводит к сильной спектральной зависимости их длин рассеяния, вплоть до изменения знака реальных частей длин рассеяния в области резонанса. Энергетическая зависимость длины рассеяния в области одиночного резонанса записывается по формуле Брейта-Вигнера [9] в следующем виде:

где Е - энергия нейтрона {Е = Пгк2 /2т, к - волновой вектор нейтрона, Ег - энергия резонанса, Г - полная ширина резонанса, Г„ - нейтронная ширна резонанса, g - статстический весовой фактор, величина Ь0 не зависит от энергии и определяется суммой вкладов в длину рассеяния от всех далеко лежащих резонансов и от потенциального рассеяния. Спектральные зависимости реальной и мнимой частей длины рассеяния смеси изотопов 155Сс1(50%) |57Сс1(50%), рассчитанные с использованием параметров резонансов изотопов |550с1 и 1570<1, взятых из [10], подтверждают сложный характер поведения длины рассеяния в тепловой области энергий нейтронов и, как следствие, невозможность компенсаци реальной части длины рассеяния вс! в широком интервале длин волн нейтронов (X, > 0.5 А). Для интерпретации экспериментально полученных значений коэффициента

,1

п

(5)

(Е-Е

4 г' 4

отражения использовалась формула для /^(с/), полученная для

поглощающего слоя конечной толщины с!, нанесенного на полубесконечную подложку:

-i2q.il

-i2q.il

(<7 - <7, Ж<7] + Ч2 ">с + ~ с12 ^ " 2ч\ (<у1 " ч2)

(б)

где ц2 - нормальные компоненты волнового вектора нейтрона в пленке и подложке соответственно.

Во второй части изложены экспериментальные результаты измерения спектральной зависимости коэффициента отражения от пленок Сс1 и всШ. Исследовались два образца, представляющие собой тонкие пленки, нанесенные методом вакуумного напыления на стеклянные подложки (см табл.2)

Таблица 2. Описание образцов

пленка подложка

естественная изотоп-смесь Сс1 1000 А стекло

сплав Сс1(15%)ТК85), 8000 А стекло "Поа^к^"

Были измерены коэффициенты отражения ЯДА) от вс! зеркала и сплава Сс1(15%)гП(85%). Теоретическое описание отражающей способности поглототелей по формулам (5) и (б) позволило детально описать спектральную зависимость коэффициента отражения тепловых нейтронов от поверхности сильных поглотителей. Результаты экспериментов по отражению от всТЛ сплава убедительно доказали, что наблюдаемое сильное отражение нейтронов в длинноволновой части спектра должно приводить к ухудшению свойств любых поляризующих зеркал с всШ подслоем.

В третьей части обсуждаются и приводятся расчеты отражающих свойств сплавов на основе кадмия. С использованием табличных значений длин рассеяния Сё, Ти V на основе формулы (б) был проведен теоретический анализ спектральных зависимостей коэффициентов отражения нейтронов от тонких пленок из сплавов С(1У и СсГП на стеклянной подложке. Из

13

проанализированных сплавов наиболее оптимальным является сплав Сс1(20%)У(80%) толщиной с1 = 1.5 |1ш.

В четвертой части анализируются поглощающие тонкие пленки на основе бора и его изотопа |0В. Рассчитаны профили коэффициента отражения, оптимизированные на минимум отражения для ВТ^ и ВУ тонких пленок. Из сравнения с результатами экспериментов по отражению нейтронов от всШ пленок следовало, что отражающие свойства ВТ1 пленки являются более оптимальными, чем для всШ слоя.

Основные результаты диссертационной работы

1. Продемонстрировано, что метод рефлектометрии поляризованных нейтронов позволяет измерять магнитные эффекты в поверхностях, многослойных структурх и ультратонких мгнитных пленках, толщиной вплоть до нескольких монослоев.

2. Исследован магнетизм ультратонкой пленки железа в трехслойной системе \¥/Ре/\У, состоящей из трех монослоев железа Ре(НО), толщиной (б ± 1) А, эпитаксиально выращенных на монокристаллическом слое вольфрама \У(110), толщиной (500 ± 5) А и покрытой слоем АУ(ПО), толщиной (100 ± 5) А.

а) С использованием метода рефлектометрии поляризованных нейтронов при комнатной температуре измерен магнитный момент атмов железа, равный (1.80 ± 0.05) дв.

б) Обнаружено существование немагнитного слоя толщиной 5 А на обеих границах РеЛУ, являющегося продуктом взаимной интердиффузии железа и вольфрама и состоящего приблизительно из 20£ Ре и 80£ W.

в) С помощью СКВИД - магнитометра измерена температурная зависимость намагниченности пленки в области температур от 300 К до 4.2 К.

г) Используя измеренную температурную зависимость намагниченности, экстраполяцией к нулевой температуре получено значение магнитного момента основного состояния для атомов железа, равное (2.1 ± 0.1) цв, согласующееся с теоретическими предсказаниями того, что контакт с ввольфрамом приводит к уменьшению магнитного момента по сравнению с атомами поверхностного монослоя объемного Ре.

д) Величина магнитного момента Fe, равная (2.1 ± 0.1) 1в/атом (0 К), полученная для трех монослоев Fe, является 1ервым экспериментальным подтверждением теоретических федсказаний о том, что на W/Fe границе магнитный момент Fe 'меньшей, по сравнению со свободной поверхностью, из-за |ффектов гибридизации.

I. Исследованы магнитные свойства ультратонкой пленки Со (21 \) в трехслойной структуре Pd/Co/Pd.

а) С использованием различных методов (химический 1нализ, зеркальное отражение рентгеновских лучей, спин-тезависимое отражение нейтронов в насыщающем магнитном юле, приложенном перпендикулярно к поверхности) детально 1зучена структура пленки и получены согласующиеся между :обой результаты.

б) Измерено предсказанное теоретически увеличение лагнитого момента в системе Pd/Co/Pd на 10£ по сравнению со )начением для объемного Со.

в) Используя метод РПН, нам удалось впервые определить увеличение магнитного момента в изучаемой системе, которое vibi относим к существованию индуцированного магнитного момента, равного 0.4 цв, в двух монослоях Pd, прилежащих к эбеим Pd/Co границам. Альтернативно обсуждается вариант :уществования увеличенного магнитного момента в атомах Со, равного 1.84 |j.Q на атом. Для разделения между двумя шьтенативными случаями и измерения профиля намагниченности в области границы Pd/Co, необходимо измерение коэффициента отражения в области больших значений .тереданного импульса. Мы показали, что несмотря на малый эффект, эти измерения являются возможными.

3. Для измерений малых магнитных эффектов методом РПН поведение функции поляризации является исключительно важным. С целью исследования причин падения степени поляризации пучка с ростом длины волны, мы провели исследование влияния поглощающего подслоя на поляризующую :пособность магнитных нейтронных зеркал.

а) Измерена спектральная зависимость коэффициента отражения от тонкой пленки гадолиния и его сплава с титаном. Впервые экспериментально исследована спектральная зависимость длины рассеяния Gd в тепловой области энергий нейтронов. Обнаруженное непостоянство длины рассеяния Gd и,

как следствие, невозможность ее компенсации с широком интервале длин волн нейтронов, позволили обяснить наблюдающееся сильное падение поляризующих свойств ферромагнитных зеркальных нейтроноводов в длинноволновой части спектра.

Полученные нами экспериментальные данные убедительно демонстрируют, что наблюдаемое сильное отражение нейтронов в длинноволновой части спектра является основной причиной плохой поляризующей способности зеркал с ОсГГ поглощающим подслоем.

б) Предложена возможность создания нового поглощающего сплава для поляризующих нейтроноводов с существенно меньшей отражающей способностью в области длин волн нейтронов от 1 до 10 А. Спектральная зависимость коэффициента отражения проанализирована для поглощающих сплавов ЕШ, ВУ и СсГУ, напыленных на стеклянные подложки. Коэффициент отражения как функция длины волны нейтрона оптимизирован по концентрации и толщине пленок.

4. Наряду с перечисленными физическими задачами был решен ряд вопросов методического характера:

а). Для извлечения информации о структурных и магнитных характеристиках ультратонких пленок, развита методика количественной обработки спектров поляризованных нейтронов с учетом экспериментальных функций поляризации и разрешения установки.

б) созданы программы для обработки и интерпретации эксперементальной информации.

Полученные в работе результаты дают возможность предложить ряд экспериментов по исследованию магнетизма в различных системах, содержащих ультратонкие пленки. Проблема двумерного магнетизма далека от своего разрешения, поэтому представляется интересным продолжать систематические исследования в данном направлении.

)сновные результаты диссертации опубликованы в следующих >аботах:

D.A.Korneev, V.V.Pasyuk, A.V.Petrenko and H.Jankovski

"Neutron Specular Reflection for Thin Films, Surfaces and Interfacial

Studies"

J.Stanek and A.T.Pedziwiatr (eds.) "Condensed matter studies by nuclear methods" V.l, World Scientific 1990, invited talk V.V.Pasyuk, D.A.Korneev, A.V.Petrenko and H.Jankovski "Neutron Reflectivity Study of Titanium Thin Film Aging" Preprint JINR E3-91 -275, Dubna 1991 D.A.Korneev, V.V.Pasyuk, A.V.Petrenko and H.Jankovski "Influence of an Absorbing Sublayer on Polarizing Property of Magnetic Neutron Mirrors"

J.Stanek and A.T.Pedziwiatr (eds.) "Condensed matter studies by nuclear methods", World Scientific 1991, invited talk V.V.Pasyuk, D.A.Korneev, A.V.Petrenko and E.B.Dokukin, "Neutron Reflectivity Studies on Superconducting, Magnetic and Absorbing Thin Films on the Polarized Neutron Spectrometer at the Pulsed Reactor IBR-2" Preprint JINR E3-91-276, Dubna 1991

Invited talk in the 2nd International Conference "Surface X-ray and neutron scattering", Bad Honnef, Germany, June 25-28, 1991

D.A Korneev, V.V.Pasyuk, A.V.Petrenko and H.Jankovski, "Absorbing Sublayers and Their Influence on the Polarizing Efficiency of Magnetic Neutron Mirrors"

Nucl.Instr. & Meth. B63 (1992) 328

V.V.Pasyuk, H.J.Lauter, J.A.C.Bland, A.V.Petrenko, M.T.Johnson and F.J.A.den Broeder

"Magnetic Moment in a Co/Pd Ultrathin Film Studied by Polarized Neutron Specular Reflection"

Communications of the Symposium on Surface Science, La Pla«ne, 1992, p. 102

V.V.Pasyuk, H.J.Lauter, M.T.Johnson, F.J.A.den Broeder,

E.Janssen, J.A.C.Bland and A.V.Petrenko

"Magnetic Properties of Pd/Co/Pd Ultrathin Film Studied by Polarized Neutron Specular Reflection" Appl. Surf. Sci. 65/66 (1993) 1 18

V.V.Pasyuk, H.J.Lauter, M.T.Johnson, F.J.A.den Broeder, E.Janssen, J.A.C.Bland, A.V.Petrenko and J.M.Gay "Interface Magnetisation in Single Ultra-Thin Pd/Co/Pd Sandwich Structure"

Journ.Magn.Magn.Mat. 121 (1993) 180

17

9 V.V.Pasyuk, O.McGrath, HJ.Lauter, D.Givord, A.Petrenko "Magnetism of W(110)/Fe(l I0)/W(110) thin films studied by polarised neutron reflection"

Proceedings of the 14th International Colloquium on Magnetic Film and Surfaces, e-MRS Symposium on Magnetic Ultrathin Films, Multilayers and Surfaces, 29 August-2 September 1994, page 420 Colloquium Digest/Inst.f.Angewandte Physik, Heinrich-HeineUniversität Düsseldorf

10 O.McGrath, V.V.Pasyuk, HJ.Lauter, A.V.Petrenko and D.Givord "Polarized neutron reflectivity of epitaxial thin magnetic films" Annual report of activity 1992-1993, FLNP JINR, Dubna 1994

11 V.Pasyuk, O.McGrath, HJ.Lauter, A.Petrenko, A. Lienard, and D.Givord

"Ground State Moment Reduction in an Ultra-Thin W( 110)/Fe( 110)AV( 110) Film" Journ.Magn.Magn.Mat. 148 (1995) 38

Цитируемая литература

[1] Soon С. Hong, AJ.Freeman and C.L.Fu

"Structural, electronic, and Magnetic Properties of Clean and Ag-Covered Fe Monolayers on W(110)" Phys.Rev. 38 (1988) 12156

[2] R.Wu, C.Li and AJ.Freeman

"Structural, Electronic and Magnetic Properties of Co/Pd(l 11) and Co/Pt(l 11)"

Journ.Magn.Magn.Mat. 99 (1991) 71

[3] D.A.Korneev, V.V.Pasyuk, A.V.Petrenko and E.B.Dokukin "Neutron Reflectivity Studies on Superconducting, Magnetic and Absorbing Thin Films on the Polarised Neutron Spectrometer at the Pulsed Reactor IBR-2"

Springer Proc.Phys. 61 'Surface X-ray and Neutron Scattering' H.Zabel and I.K.Robinson eds.,(1992) p. 213

[4] Soon C. Hong, AJ.Freeman and C.L.Fu

"Structural, electronic, and Magnetic Properties of Clean and Ag-Covered Fe Monolayers on W(110)" Phys.Rev. 38 (1988) 12156

[5] Oran F.K. Mc Grath

"Structural and magnetic properties of eptaxial W/FeAV and Gd/Fe films grown by pulsed laser deposition" Thesis, CNRS, Grenoble, 1994

[6] C.J.Nieuwenhuys

"Magnetic Behaviour of Cobalt, Iron and Manganese Dissolved in Palladium"

Adv.Phys.B 24 (1975) 515

[7] A.Oswald, R.Zeller and P.H.Dederich "Giant Moments in Palladium" Phys.Rev.Lett. 56 (1986) 1419

[8] R.Wu, C.Li and A.J.Freeman

"Structural, Electronic and Magnetic Properties of Co/Pd(l 11) and Co/Pt(l 11)"

Journ.Magn.Magn.Mat. 99 (1991) 71

[9] Экспериментальная ядерная физика (под ред. Сегрэ Э.), т.2, м.:ИЛ, 1955

[10] S.F.Mughabhab, 'Neutron Cross Section', V. 1, part В, Academic Press Inc, 1981

[11] S.S.P.Parkin, V.R.Deline, R.O.Hilleke, G.P.Felcher, "Unidirectional biased Permalloy. PNR Experiment" Phys.Rev. В 42 (1990) 10583

Рукопись поступила в издательский отдел 25 марта 1997 года.