Магнитооптический эффект Фарадея в мультислойных пленках Co/SiO2 , Co/TiO2 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

Введение.

Глава1. Обзор литературы.

1.1. Теоретическое рассмотрение магнитооптических эффектов в слоистых и гранулированных структурах.

1.1.1. Однородные среды.

1.1.2. Макроскопическое описание МОЭ в пленках.

1.1.3. Микроскопическое описание МОЭ в неоднородных металлических пленках.

1.2. Экспериментальные результаты по МОЭ в слоистых и гранулированных структурах.

1.2.1. МОЭ в однородных пленках и массивных кристаллах Со.

1.2.2. МОЭ в гранулированных и мультислойных пленках.

Глава2. Методика эксперимента.

2.1. Изготовление образцов.

2.2. Методики измерения ЭФ: спектральные и полевые зависимости.

2.2.1. Описание установок.

2.2.2. Методика измерений.

2.2.3. Методика выполнения численных расчетов.

ГлаваЗ. Экспериментальные измерения МОЭ в мультислойных пленках

3.1. Мультислойные пленки Со/вЮг.

3.1.1. Полевые зависимости.

3.1.2. Спектральные зависимости ЭФ для однослойных пленок.

3.1.3. Зависимости характера спектра ЭФ от числа пар слоев ъ.

3.1.4. Зависимость характера спектра ЭФ от толщины слоев Со.

3.1.5. Зависимость характера спектра ЭФ от толщины слоев вЮг.

3.2. Мультислойные пленки С0/ТЮ

3.3. Практическое применение полученных результатов.

3.4. Обобщение полученных экспериментальных результатов.

Глава4,Обсуждение результатов экспериментальных измерений МОЭ в мультислойных пленках.

4.1. Спектры ЭФ мультислойных пленок Со/вЮг с однородными магнитными слоями.

4.2. Спектры ЭФ мультислойных пленок с неоднородными магнитными слоями.

4.2.1. Пленки Со/8Ю2.

4.2.2. Пленки Со/ТЮ2.

4.3. Сравнение теоретических и экспериментальных результатов.

4.4. Обобщение полученных в Главе 4 результатов.

Мультислойные структуры, включающие ультратонкие магнитные слои, представляют собой принципиально новые физические объекты, свойства которых определяются не только природой исходных магнитных материалов, но и, часто даже в большей степени, геометрическими параметрами структуры и характеристиками немагнитных компонент. При этом обнаруживаются новые свойства и эффекты, не присущие исходным компонентам структуры и имеющие значительные перспективы прикладного применения. Только за несколько последних лет в мультислойных пленках были обнаружены такие эффекты, как гигантское магнитосопротивление, квантовый захват электронов, спин-зависимое тунелирование электронов проводимости, осцилляции величины магнитооптических эффектов по толщине как магнитных, так и немагнитных слоев, усиление эффекта Керра (ЭК) в различных участках спектра. Два последних случая свидетельствуют о том, что исследование мультислойных структур чрезвычайно важно для магнитооптики, так как одной из центральных задач этой области магнетизма является создание теоретических основ и разработка методов регулирования величины магнитооптических эффектов МОЭ в заданных участках оптического спектра. Среди различных путей решения этой задачи привлекает внимание предсказанное в ряде теоретических работ (например, [1, 2, 3]) резонансное усиление фарадеевского вращения (ФВ) в композиционных средах, состоящих из металлических магнитных частиц или слоев в немагнитной диэлектрической матрице. При этом, хотя бы в одном измерении, размеры частиц должны быть много меньше длины световой волны, что позволяет использовать при расчетах приближение эффективного тензора диэлектрической проницаемости среды.

В отличие от ситуации, сложившейся при изучении мультислойных структур магнитный металл/немагнитный металл, где экспериментальное продвижение намного опережает теоретическое, в случае структур магнитный металл/немагнитный диэлектрик до недавнего времени экспериментальные магнитооптические исследования практически отсутствовали. К началу настоящего исследования в институте физики им. Л.В.Киренского была впервые продемонстрирована существенная перестройка спектра ФВ в мультислойных пленках Бе/БЮг по сравнению с однородными пленками Бе [4]. Известно, что все классические ферромагнитные металлы Бе, N1, Со, а также их сплавы, характеризуются приблизительно идентичными спектральными зависимостями ФВ (см., например, [5]) с широким максимумом в области длин волн 0.7-1.0 мкм и резким уменьшением при продвижении в коротковолновую область. В мультислойных пленках Ре/БЮг ФВ, наоборот, возрастало при уменьшении длины волны. Оптическое же поглощение при этом, по крайней мере, не увеличивалось, что открывало возможность увеличения магнитооптической добротности. Таким образом, обнаруженная модификация спектральной зависимости ФВ оказалась интересной, как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения. При этом возник целый ряд вопросов. Как зависит характер магнитооптических спектров от технологических режимов изготовления мультислойных структур и от их геометрических параметров? Имеет ли принципиальное значение количество слоев? Как изменяются характеристики спектров при изменении материала диэлектрика? Как соотносятся экспериментальные зависимости с теоретическими предсказаниями? На эти и некоторые другие вопросы предполагалось найти ответы в процессе выполнения данной работы.

Целью работы является экспериментальное установление закономерностей, связывающих характер спектров магнитооптического эффекта Фарадея (ЭФ) в мультислойных пленках ферромагнитный металл/немагнитный диэлектрик со структурными параметрами пленок, на примере структур Со/БЮг и С0/ТЮ2 и сравнение полученных закономерностей с имеющимися в литературе теоретическими описаниями таких систем.

Для достижения этой цели должны быть решены следующие основные задачи.

1. Получить экспериментальные спектральные зависимости ЭФ для мультислойных пленок Со/БЮг при изменении их структурных параметров: абсолютной и относительной толщин слоев Со и БЮг и их количества. Получить спектральные зависимости ЭФ для мультислойных пленок, содержащих в качестве диэлектрика слои ТЮ2.

2. Рассмотреть спектры ЭФ для различных типов мультислойных структур в рамках существующих феноменологических подходов. Установить степень соответствия полученных результатов существующим теоретическим предсказаниям. Объяснить выявленные отклонения экспериментальных результатов от теоретических предсказаний.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержащего 66 названий.

Заключение

В заключении сформулируем основные результаты и выводы, полученные в данной работе.

1. Проведено экспериментальное исследование спектров эффекта Фарадея в мультислойных пленках Со/БЮг и С0/ТЮ2 в зависимости от геометрических параметров структуры и показателя диэлектрика. Обнаружена существенная перестройка этих спектров по сравнению с однородными однослойными пленками Со.

2. Получены закономерности, связывающие характеристики спектров ЭФ с параметрами пленочной структуры. Показано, что спектральные зависимости эффекта Фарадея мультислойных пленок ферромагнитный металл/немагнитный диэлектрик определяются не только физическими свойствами составляющих слоев металла, но и соотношением толщин металлических и диэлектрических слоев, их количеством и величиной коэффициента преломления диэлектрика. Зависимость эффекта Фарадея от толщины составляющих слоев Со имеет критический характер с резким изменением при толщине 20 - 30 А. Обнаружено, что при формировании многослойных пленок Со/БЮг и С0/ТЮ2 по мере увеличения числа пар слоев 2 характер фарадеевских спектров изменяется с последующей стабилизацией при ^ > го. Величина г0 зависит от толщины слоев Со и диэлектрика и составляет от 6 до 8.

3. Проведен расчет спектров ЭФ в рамках модели эффективной среды с параметрами материалов, близкими к параметрам экспериментальных пленок. Показано, что полученные экспериментальные спектры мультислойных пленок удовлетворительно описываются в рамках использованной модели в случае островкового строения магнитного слоя. Оценены средние размеры и форма островков при которых расчетные спектры ФВ точнее всего соответствуют экспериментальным. Полученная

86 средняя высота островка по порядку величины согласуется с оцененной из кривых намагничивания.

4. Показано, что регулируя толщину и коэффициент преломления диэлектрических слоев можно менять спектральное распределение ЭФ, в том числе, увеличивать его значения в ультрафиолетовой области спектра на порядок.

В заключении работы пользуюсь приятной возможностью сказать глубокую благодарность своему научному руководителю доктору физ.-мат. наук, профессору Ирине Самсоновне Эдельман за постановку задачи работы, неизменное внимание и большую помощь в ходе ее выполнения. Хочу поблагодарить Турпанова И.А. и Бетенькову А.Я. за предоставленные образцы, Бондаренко Г.В. за предоставленные данные рентгеновского флуоресцентного анализа, Пузыря А.П. за проведение электронномикроскопических измерений, Жаркова С.М. за расшифровку электронограмм, Колмогорцева C.B. за ценные дискуссии, а так же всех сотрудников лаборатории ФМЯ за дружеский интерес и поддержку.

1.M.Hui, D.Stroud. Theory of Faraday rotation by dilute suspensions of small particles. // Appl.Phys.Lett. - 1987. - V.50. - N.15.

2. T.K.Xia, P.M.Hui, D.Stroud. Theory of Faraday rotation in granular magnetic material. // J.Appl.Phys. 1990. - V.67. -N.6.

3. M.Abe, M.Gomi. Magneto-optical effect and effective dielectric tensor in composite material containing magnetic fine particles or thin layers. // JapJ.Appl.Phys. 1984. - V.23. -P.1580.

4. S.Edelman, P.D.Kim, I.A.Turpanov, T.P.Morozova, A. Ja.Betenkova, V.N.Zabluda. Faraday effect dispersion in multilayered Fe/SiCb films. // J.Magn.Magn.Mater. 1994. - V.132.-P.384-388.

5. K.H.Clemens, J.J.Jaumann. Magnetooptical and optical properties of ferromagnetic films in infrared light. // Z.Phys. 1963. - V.173. - P.135-148.

6. A.B.Соколов. Оптические свойства металлов. // М.: Гос. изд. физ-мат. литературы, 1961.

7. А.В.Малаховский. Избранные вопросы оптики и магнитооптики соединений переходных элементов. -Н.: «Наука», Сибирское отделение, 1992.

8. H.R.Zhai, M.Lu, Y.Z.Miao, Y.B.Xu, S.M.Zhou, H.Wang, J.W.Cai, B.X.Gu, S.L.Zhang, H.Y.Zhang. Magneto-optics in layered and multilayered films. // J.Magn. Magn.Mater. 1992. - V.115. -P.20-34.

9. D.Weller, W.Reim. // Appl.Phys.A 1989. - V.49. - P.599.

10. В.М.Маевский. Теория магнетооптических эффектов в многослойных системах с произвольной ориентацией намагниченности. // ФММ. 1985. -Т.59. -Вып.2. - С.213-219.

11. Liang-Yao Chen, McGahan William A., Z.S.Shan, D.J.Sellmyer, Woolam John A. Kerr effect of two-medium layered systems. // J.Appl.Phys. 1990. - V.67. -N.12. -P.7547-7555.

12. С.М.Рытов. Электромагнитные свойства мелкослоистой среды. // ЖЭТФ. 1955. - Т.29. - С.605-616.

13. W.L.Bragg, A.B.Pippard. // Acta Cryst. 1953. - V.6. - P.865.

14. Г.В. Розенберг. Оптика тонкослойных покрытий. М.: Изд. Физ-мат. Лит., 1958.

15. Ф.Абелес. // Сборник «Физика тонких пленок». М.: Изд. «Мир», 1973. - Т.6. - С.171.

16. E.David. // Zs.Physik. 1939. - V.114. -Р.389-394.

17. Н.Shopper. // Zs. Physik. 1951. - V.130. - Р.565-573.

18. S.Yoshida, T.Yamaguchi, A.Kinbara. // J.Opt.Soc.Amer. 1971. - V.61.1. P.62.

19. I.C.Maxwell-Garnett. Phil. Trans. Roy. Soc. London, 1904. - V.203A. -P.385.; - 1905. - V.205A. - P.237.

20. Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц. Электродинамика сплошных сред. // М.: Изд. «Наука», 1982.

21. Г.С.Кринчик, Л.В.Никитин, О.В.Касаткина. Определение тензора диэлектрической проницаемости ультрадисперсной среды. // Поверхность, физика, химия, механика. 1985. - Т.7. - С.140-143.

22. S.Chikazumi. Physics of magnetism. Wiley, New York, 1964, Chap.2 (Русский перевод С.Тикадзуми. Физика ферромагнетизма. Магнитные свойства вещества. - М.: «Мир», 1983).

23. R.M.Bozorth. Ferromagnetism. -D. VanNostrand.Comp., Inc., Toronto, New York, London, 1951. (Русский перевод Р.Бозорт. Ферромагнетизм. М.: ИЛ, 1956).

24. Г.С.Кринчик. Магнитооптика ферромагнитных металлов. // Известия АН СССР, сер.физ. 1964. - Т.28. - С.481^87.

25. D.Weller, G.R.Harp, R.F.C.Farrow, A.Cebollada, S.Sticht. Orientation dependence of the polar Kerr effect in fee and hep Co. // Phys.Rev.Lett. 1994. -V.72. - N.13. - P.2097.

26. Е.А.Ганынина, Г.С.Кринчик, Л.С.Миронова, А.С.Таблин. Анизотропиямагнитооптических свойств монокристалла кобальта. // ЖЭТФ. 1980. - Т.78. -Вып.2. - С.733-740.

27. P.B.Jonson, R.W.Christy. Optical constants of transition metals. // Phys.Rev.B. 1974. - V.9. - P.5056.

28. F.Batallan, I.Rosenman, C.B.Sommers. Band structure and Fermi surface of hep ferromagnetic cobalt. // Phys.Rev B11. 1975. - V.l. - P.545-557.

29. C.M.Sehneides, P.Brissler, P.Schusfer, et.al. Fee Co (100) on Cu (100) substrate. // Phys.Rev.Lett. -1990, v.64, p.1059.

30. Yu.V.Goryukov, G.G.Khaliulin, I.A.Garifalliu, et.al. FMR studies of magnetic properties of Co and Fe thin films on A1203 and MgO sublattices. // J.Appl.Phys. 1994. - V.76. -N.10. -P.6096-6098.

31. Т.А.Точинский, О.И.Касючиц, В.М.Федосюк. Структуры мультислойных Со/Си пленок. // ФТТ. 1992. - Т.34. - Вып.5. - С.1338-1342.

32. K.H.J.Buschow, P.G.Van Engen, R.Jongebreur. Magnetooptical properties of mettalic ferromagnetic materials. // J.Magn.Magn.Mater. 1983. - V.38. - P. 1-22.

33. K.Nakajima, T.Miyazaki. Thickness dependence of magneto-optical properties in face-centered cubic Co/Cu (001) ultrathin films. // J.Appl.Phys. 1996. - V.79. - N.8. - P.4977-4979.

34. S.V.Halikov, Y.A.Uspensky. // J.Phys.Condens.Matter. 1990. - V.2. -P.6137.

35. T.Katayama, Y.Suzuki, M.Hayashi, W.Geerts. Change of magneto-optical Kerr rotation due to interlayer thickness in magnetically coupled films with noble-metal wedge. // J.Appl.Phys. 1994. - V.75. - N.10. - P.6360-6362.

36. J.Ferre, M.Nyvit, G.Penissard, V.Prosser, D.Renard, S.Visnovsky. MO Kerr and Faraday Studies of Au/Co ultrathin film structures. // J.Magn.Magn.Mater. -1995. V.148. - P.281-282.

37. N.A.Yusuf, A.A.Rousau, H.M.El-Ghanew. The wavelength dependence of Faraday rotation in magnetic fluids. // J.Appl.Phys. 1988. - V.64. - P.2781-2782.

38. Р.Ф.Бурлакова, И.С.Эдельман, К.П.Коваль, В.Ф.Павлов. Магнитооптические спектры окислов железа со структурой шпинели. // ФТТ. 1975. -Т.17. - С.320-322.

39. Z.S .Jiang, J.T.Ji, G.J Jin, H.Sang, G.Guo, S.Y.Zhang, Y.W.Du. On the Faraday rotation in Fe-Si02 granular films. // J.Magn.Magn.Mater. 1995. - V.140-144. -P.469-470.

40. L.V.Nikitin, A.A.Tulinov. Magneto-optical properties of ultrafine nickel and cobalt particles. // Digest of 14th international colloquium on magnetic films and surfaces. Dusseldorf, Germany. - 29 August - 2 Septemder 1994. - P.722.

41. L.V.Nikitin, O.M.Nakashidze. Magneto-optical properties of discontinuous cobalt films. // J.Magn.Magn.Mater. 1990. - V.83. - P.72-78.

42. M.Abe, M.Gomi, F.Yokoyama. Magneto-optical effect in anodized А120з film with micropores electrodeposited with Co. // Jap J.Appl.Phys. 1985. - V.57. -N.l. - P.3909-3911.

43. E.A.Ganshina, A.B.Granovsky, V.S.Guschin, et.al. Influence of the size and shape of magnetic particles on magneto optical properties of (Co2oFe3o)xAgi.x granular alloys. // J.Magn.Magn.Mater. - 1997. - V.165. - P.320-322.

44. E.A.Ganshina, A.B.Granovsky, V.S.Guschin, et.al. Optical and magneto -optical spectra of magnetic granular alloys. // Physica A. 1997. - V.24. -P.45-51.

45. И.С.Эдельман. Т.П.Морозова, В.Н.Заблуда, П.Д.Ким, И.А.Турпанов, А.Я.Бетенькова, Г.В.Бондаренко. Магнитооптические эффекты в пленках Co/Si02. // ФММ. - 1996. - Т.81. - С.90.

46. S.Edelman, T.P.Morozova, V.N.Zabluda, P.D.Kim, I.A.Turpanov,

47. A.Ja.Betenkova, G.V.Bondarenko. Kerr rotation and magnetic circular dichroism in Co/Si02 multilayers. // J.Magn.Magn.Mater. 1996. - V.161. - P.299-302.

48. Г.А.Болотин, М.М.Кирилова, JI. В .Номерованная, И.Д.Лобов и др. Оптика и магнетооптика металлических тонкослойных структур. Теория и эксперимент. // ФММ. 1994. - Т.78. - Вып.1. - С.57-68.

49. И.С.Эдельман, Т.П.Морозова, Т.А.Ким, В.Н.Заблуда, И.В.Турпанов, А.Я.Бетенькова, Ю.А.Дыннйк. Дисперсия вращения Фарадея в мультислойных пленках Go/Si02. // Письма в ЖЭТФ. 1996. - Т.63. - Вып.4. - С.256-259.

50. A J.R.Ives, R.I.Hekeu, J.A.C.Bland. // J.Appl.Phys. 1994. - V.75. -P.6458.

51. В.А.Игнатченко, Р.С.Исхаков, Г.В.Попов. Закон приближения намагниченности к насыщению в аморфном ферромагнетике. // ЖЭТФ. 1982. - Т.82. - Вып.5. - С.1518-1531.

52. V.A.Ignatchenko, R.S.Iskhakov. The study of stochastic characteristics of amorphous magnets. // Physics of Magnetic Materials, Jadwisin'84, Poland. Part 1/Invited Papers. Singapur-Philadelphia: Word Scientific. - 1984. - P.527-550.

53. I.Edelman, T.Morozova, A.Puzyr, I.Turpanov, V.Zabluda, L.Chekanova, Yu.Dinnik. Magnetooptical properties of the fee Co films. // Abstracts of the Europ.Conf. Physics of Magnetism. Poland, Poznan. - 24-28 June, 1996. -P.156.

54. Yu.A.Dynnik, I.S.Edelman, T.P.Morozova, P.D.Kim, I.A.Turpanov, A.Ya.Betenkova. Intensification of Faraday rotation in multilayer Co/Si02 films at short wavelengths. // Sci.Appl.Photo. 1998. - V.40. - N.5. - P.397-402.

55. LEdelman, A.Betenkova, P.Kim, T.Morozova, I.Turpanov, V.Zabluda, Yu.Dynnik. Faraday rotation in Co/Si02 multilayers. // Abstracts of the Europ.Conf. Physics of Magnetism. Poland, Poznan. - 24-28 June, 1996. - P. 156.

56. Yu.A.Dynnik, I.S.Edelman, T.P.Morozova, P.D.Kim, I.A.Tmpanov, A.Ya.Betenkova. Faraday rotation enhancement in short wavelength spectral region in multilayered Co/Si02 films. // Optical memory & neural networks. 1998. - V.7. -N.3. -P.274.

57. Ю.А.Дынник, И.С.Эдельман, Т.П.Морозова, П.Д.Ким, И.А.Турпанов, А.Я.Бетенькова, Г.В.Бондаренко. Эффект Фарадея в пленках Со/ТЮг. // Письма в ЖЭТФ. 1997. - Т.65. -Вып.7. - С.531.

58. Л.С.Палатник, М.Я.Фукс, В.М.Косевич. Механизм образования и субструктура конденсированных пленок. М.: Изд. «Наука», 1972.101

59. P.Smilauer. Thin metal films and percolation theory. // Contemporary Phys 1991. - V.32. -N.2. -P.89-102.

60. Г.Б.Двайт. Таблицы интегралов и другие математические формулы. -М.: «Наука», 1966.