Магнитооптическое исследование ультратонких пленок железа и кобальта тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

50СКСВСКШ ОРДЕНА ЛЕНИНА. ОРЯЕНА ШдОВОГО КРАСНОГО ЗНШЕШ

и ОРДЕНА окгяе?;/ло'л . Р230ШШ Государственной ушззрсптет им. Ы.3.Ломоносова

ггг~ог~ : : : ™

ЗЯЗЗЧВСКИЙ фахуЛЬТСТ

■> £ tiK.It ✓ . • -

На правах рукошсп УДК" 537.521; 537.532; 538.975;

ш . сяньбо

' магнитооптическое исследование ■ ' улегратошия пленок ееяеза и кобальта

Специальность 01.04.II - Сизекз магнитных язлэнаИ"

АВТОРЕФЕРАТ диссзртации на соискание ученой степени кандидата фззяко-матэматичвских наук

МОСКВА - 1994

Работа выполнена ва кафедре пагнётазма фюического факультета МГУ ем. М.Е.Ломоносова.

Научный руководитель: доктор физзко-математэтеск^ Езу<{„

. гео Е.Е.ШагшгЕЗБ

Официальные оппоненты: доктор фгзнко-ыатекатических наук

вне О.С.Колотов

кандидат СизЕКО-матвмангсескза наук • доцент А.С.Таблпн

Ведущая органкзаидя: Московски Ав^оыобнльно-ДороЕНнй

ИНСТИТУТ ( МШ )

5ашита диссертации состоится в часов (.гнут' на заседании диссертационного совета КЗ (К. 053. 05. 77 ) Б МГУ им. Ы. В.ЛОМОНОСОВА по адресу : П93ЭЭ, ГСП, Москва, Воробьэвы горк, МГУ, Физический факультет, аудитория /^Я/4 .

. С. дассартецней могго ознакомиться в библиотеке физического факультета !-.ТУ им. М.В.Ломоносова.

Автореферат разослан пЖ_? 19Э#г.

Ученый секретарь ШссертщиоЕного совгта к 3 окгт ( К. 053 . 05 . 77 ) в К1ГУ ем. М.В.Ломоносова кандидат фкзико-математичесгак наук Т.М.Козлова,

ВВЕШ2ИЗ I. Обсая хараетерпсткка работы Цстуадьность теш. Фазовые перехода в дзух-размзрнш: (2Д) ферромагнетиках . является об§ек?ом исследования Еязпков-теорэтнкоз з течение последних 50 лет. Работа Знсагера (Рпуз.Не-г. т.65,1944,р.117) оказалась поворотной зехой в теоретической фгаихе. В .противоположность позез зыполнэеннм расчетам 2 указанной работе бнло доказано, что з 2Д-изотроттнчх Гейзенберговских системах воз'&яно существование дальнего и блинного порядка при коночных гешературах. Экспериментальное- исследование Д^ухрагмерных ферромагнетиков я соответственно прозерка суцеотвуизшх теорий стали возможными лиеь с появлением новых технологических методов, позволяших получить совершенные, улътратонкие (вплоть до одеого монослоя) пленки За-перегсдгп металлов.

В настоящее зрэмя основное внимание

Еязиков-экслэринентатороз обращено на' исследование физических свойств и мЕкрсмагштЕой структуры ультратонких ке^еза, кобальта, никеля, пермаллоя, напыленных на стеклянные и текстурированные подложи, активно изучаются гаю» образца, в которых меуду ферромагнитной пленкой и тодасгкой нашлеи немагнитный слой, исходным материалом для

которого служат медь, серебро,-золото, рутешй, гром и др., претвм толаина этого слоя- изменяется в широких пределах. Проведение этих исследований способствует $ешэнив фундаментальных задач Физике машинах явлений^ установлению зависимости самопроизвольной накагшчешости и температуры Кюри от толапшг плсеке; расширенна представлений о структуре доменов и доменных границ в тонких магнитных пленках (ТЫЛ); . установлению особенностей магнитной анизотрохшл в Т1Ш и влияния на ее свойства н&феррсыагнитной подлоаки и намагнитноге слоя; проверке теоретически предсказанных физических аффектов, появляющихся прн суцественном уменьшении толщины магнетика.

Повышенный интерес к ТЩ обусловлен также4 большими и многообещающими перспективами их практического применения в качестве . наиболее совершенных элементов памяти в вычислительных счетворешащЕХ устройствах, что связано с тем, что скорость перемашичивания ТМП на два-три порядка вазе, чом в аналогичных одомэстах на ферритах.

Кроме того, в последние годы активно разрабатывается мулътислойнне устройства, представлягше собой чередование магнитиых и немагнитных слоев суомикронной толщины, в частности, магнеторезистивные датчики,, магнитооютческие , среды для перпендикулярной магнитной записи и др.,что в свою очередь также стимулирует получение более полной информация о свойствах ультратонких магнитных пленок.

Учктызая вьппеиэлсдабЕаое, ыогно утверздеть, что

- з -

экспериментальное исследование магнотиа к магянтосцтичеашх свойств ультрэтонкзх пленок гзлеза н кобальта является актуальном и имеет научнуэ и практаческув значимость.

Цэльп диссертационной работы является исследование магнитных и магнитооптических свойств ультратонких пленок хелеза и кобальта, напыленных на стеклянше и кремииевнз подложи, а такке изучение влияеия на указанные характеристика: толща и состава немагнитного слоя, нанесенного между плэнкой и подлоякой.

Научная новизна работы состоит

— з установлении особенностей поведения магнитных характеристик ультратонких пленок гелеза и кобальта при уменьшении (вплоть до одного монослоя) их толщины; з изучении влияння па утсззаЕныо свойства голщиеы и ооотвва немагнитного слоя, в том числе типа подлогки;

— в анализе существования в изучаемых образцам плоскостей и перпендикулярной анизотропии;

— в обнаружении особенностей дисперсионного поведения магнитооптических эффектов в пленках железа и кобальта, их зависимости от состаза немагнитного слоя и подаокки;

— в установлении . зависимости величины магнитооптического сигнала от толщины ферромагнитной пленки, в сравнении ее с суиествуташми теоретическими расчетами.

Дрзкягевекая ценность работы состоит в том, что результаты проведенных: исследований позволяют указать способа получения многослойные структур с магшггнкми слоями, имепзгми сзльео рзБЛнчапшеся значения коэрцитивной силы,а т£кх:з большие значения магнитооптических сффектоз, что чрезвычайно вазко при конструировании мультислойвых устройств, в чзспюоте, кагнеторезпстизных датчиков, кагшхтооптичвскпх сред для перпендикулярной магнитной записи и др.

■Апробация работы.

Материалы диссертационной работе докладывались на •

— Всероссийском совещании по физике магнЕгшя. явлений

г. Астрахань - 1933.

-- т Всероссийской школе-семинаре * Ноше магнитные кгтершлч ьшкроэлектроннкн " г. Ыоскза - 1994

— Ыз£дународно£ конференции по магнетизму.

Польза, г. Вариава - 1994

Публикации

Основные результаты диссертации опубликовании в печатных работах [1-4].

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введений, трех глав, заключения и

¡зЗлиографкп. Объем диссертации составляет 32 страницы ¡елнпошсЕсго текста, вклзачахюх 25 рнсу:исоз и охлу таблицу, ¡иблиогрефгя сэдзркзт 72 наи?»<зпогаЕия.

2.С0ЛЕР31Ш2 РАБОТЫ Ю ЕВ5Д5Н1-С1 обоснована актуальность теш; выбор объектов ^следования; сформулированы цель, новизна, научная и ракткческая значимость работы, основные положения, ггносише на залщту; кратко изложено соаераание диссертации ю главам.

ЕРЗАЯ ГЛАВА диссертационной-- работы носит обзорный .арактер. В ней перечислены основные методы получения лътратонких ферромагнитных пленок, споссбк их исследования, риведзин наиболее заслуживавшие внимание литературные днные о структурных, магнитных и магнитооптических зойствах ультратонкнх пленок переходных ' металлов и их плазов.

ТОРАЯ ГЛАВА посвящена описании методик эксперимента и агЕИтооптических установок для изучения матаггных и аглитосптических свойств магнетиков. В ней так:е приведены арнктеристЕкз изучаэмых образцов, проанализированы олибки ксперимента.

3 2.1 кратко изложена фенсменолсгическая теория агнитсоптических эффектов; приведены соотношения, оззоляюше рассчитать полярный, меридиональный и

экваториальный эффекты Керра.

В 2 .2 описана магнитооптическая установка для измерения магнитна характеристик фзррокагаеягков, собранная на базе двойного отражательного микроскопа МИС-П. Б работе использозался динамический метод регистрации магнитооптических сигналов, зашзчашийся в ■ модуляции интенсивности линейво-полйризовгшого света, отраженного, от образца при перзмагЕичив&шги его церемонным иаггктным нолем. Регистрируется при этом относительное изменение интенсивности опаханного света б - д I / I , где 10~ постоянная состовлящая, пропорциональная интенсивности отраженного света в отсутствии магнитного поля, а д I -переменная, пропорциональная глубине модуляции света за счет • магнитооптического эффекта. Прешупество зтог-о метода состоит в том, что он позволяет устранить влияние колебаний иптенсиЕноси! источника света е флуктуации фототока приемника излучения. Кроме того, поскольку модуляционный метод является дифференциальным, то его чувствительность на 2-3 порядка вызе по сравнению со статическим, т.е. возмохнр измерение относительного изменения интенсивности

—А -Щ

отраженного света порядка 10 - 10 .

Магнитные свойства пленок измерялись с помощью экваториального эффекта Керра (ЗЭК). Полевые зависимости ЭЭК записывались с помощью деухкоординатного самописца, на сдан вхож которого подавался сигнал, пропорциональна б , а на второй - пропорциональный напряженности поля в зазоре

электромагнита, 'Уровененъ шумов н наводок оценивался по значениям магнитооптического сигнала на з - костоненте (вектор 2 .пеетт в плоскости падения света). Измерения проводились 2 том случае, если отношзазхе • сигнал / иум было

H3 М9ЕВЕЗ 100.

В 2.3 списана спектральная магнитооптическая

установка, собранная на базе монохроматора ДМР - 4. Здгсь такке использовался модуляционный метод регистрации магнитооптических сигналов. С целью повышения отношения, сигнал / шум обработка результатов проводилась с помощью микрокалькулятора Ж - 64 по большему числу измерений ( N не меныпе 10 ). На вход КН - 64 подавалось напряжение, пропорциональное 5, проводилась выборка по N - измерениям, и со светового индикатора микрокалькулятора считывалось усредненное значение магнптооптичзсксгто сигнала ö .

3 2.4 описан метод язгогозлэеея образцов, приведены их основные характеристики.

Для изготовления пленок использовалась сверхвысоковакуумная установка УСУ - 4. Предварительный вакуум порядка I0"4 Topp создавался с помощью адсорбционного цеолитового насоса, охлаждаемого гядккм азотом. С помощью магниторазрядного насоса достигался вакуум порядка 20~9 Topp. Для нанесения пленок использовалось магнэтронное распылительное устройство.' 3 качестве рабочего инертного газа применялся ксзеон при давлении 7х10_4Торр. В качестзе подложек использовались кремний и стекло. Температура подлокек в

- Б -

момент нанесения пленик сила комнатной. Толщина- -к пленок яелеза и кобальта изменялась от 5 до 2000 1. Значение 1; определялось по времени напыления и скорости осаждения пленок. Для определения скорости осаздения измерялся вес пленки иа подложке известных размеров. Немагнитный слой мевду .пленкой и подлоккой создавался напылением меди и тантала. Толщина этого слоя была равна 400 1. • Для предотвращения окисления пленки железа и кобальта были

о

покрыты 100 А С.

Из/чаемые образцы можно описать следувдими структурными формулами:

подлоЕка / 400 1 Та / Ре^. / 100 1 С; подлета / 400 А Си / ?е.1 / 100 1 С;

подлояка / ?е ^ / 100 а С; ПОДЛОЕКа / 400 А Та / Со^ / 100 А С;

^ о

подлохка / Со^. / 100 а с.

В 2.5 проанализированы погрешности эксперимента. Показано, что ошибка измерений не превышала 10 - 15 56. ТРЕТЬЯ ГЛАВА посвящена результатам измерений магнитных и магнитооптических характеристик изучаемых образцов, а также обсуждению полученных данных.

Магнитные свойства пленок железа и кобальта изучались с помощью ЗЭК - 5 . Зависимости' ЭЭК от величины внешнего магнитного поля Н измерялись для двух взаимно перпендикулярных направлений Н в плоскости пленки ( I и 2).

В случае I Н совпадало с оряептапзей поля в плоскости, подлскки в процессе изготовления пленки. Анализ иолучон'ь?. даиных показал; что для пленок хелсза я кобальта толщиной t < 200 А' крпшз намагничивания б (ЮЛ ~ М( Н 5/ М, ( 3 я - значение ЭЭК пш М ^ М_,

- 3 а 3 -

М3 - намагниченность насыщения), измеренные для двух взаимно - перпенднкулярилх направлений Н, существенно различаются, что свидетельствовало о наличии магштной анизотропии в плоскости пленок.

Для иллюстрации на рис. I и 2 приведены типичные зависимости !1 (Н) / М3 для укгзаяннх образцов. Из рисунков видно, что кривыэ I имеют начальный участок, на котором ЭЭК практически равен нуля. В некотором поле И -- Нс наблюдается рззкоз возрастание ЭЗК. В области Н > Нс регистрируется слабое ■ изменение ЭЭК, а зач1шзя с некоторого поля, соотвествуидего пола насыщения образца Нд , величина ЗЭК в пределах ошибки эксперимента не изменяется. Форма петли гистерезиса з этом случае близка к прямоугольной ( коэффициент прямоугольности равен 0.95 — 0.93 )

Кривые 2 з большом интервала полей характеризуется лпнэйеой . зависимостью ЭЭК от величины внешнего магнитного поля. Аналогичные измерения на пленках гэлеза и кобальта толщиной t > гоо а показали, что з этом случае кривые I п 2 нз различаются, что свидетельствовало об отсутствии плоскостной магнитной анизотропии.

При измерении полярного эффекта Керра (ПЭК) на изучаемых

образцах озлэ установлено, что ПЭК более, чем на порядок меньше ЗЭК, причем в полях вплоть до I кЭ наблэдается

™зе£5Ий рост ПЭК с увеличением Н. Это позволило сделать /

вывод о том, что в изучаемых образцах вектор намагниченности ориентирован в плоскости пленок.

Анализ зависимостей коэрцитивной силы Нс и поля насыщения Нв от толщины изучаемых пленок показал следупцее. Для всех образцов с ± < 250 1 значение Нр падает с ..уменьшением г, а при .400 < * < 2000 А Нр уменьшается с ростом I ( см. вставки рис. I и 2 ). Поле наышения Нв имеет аналогичную зависимость от 1;.

Кроме того, было установлено, что пленки железа с Та -слоем имевт Нс в 2 — 3 раза выше, чем с медным, и в 3 — 4 раза выше, чем образцы, в которых пленка железа была напылена непосредственно на подложку. Состав подлогкк ( стекло и кремний) слабо влияет на величину Нс.

В случае пленок кобальта наличие немагнитного слоя оказывает существенное влияние на взлину Нс, начиная с 1; > 100 1.

При объяснении описанных выше результатов были приняты во внимание , данные о. структурных особенностях изучаемых образцов, которые были получены с помощью рентгеновского де$рактометра ЛРОН — ЗМ в лаборатории Даугавлилского университета.

В конце 3.1 проанализирована практическая значимость полученных экспериментальных данных.

Магнитооптические свойства изучаемых образцов были

исследованы на спектральной установке, собранной на базе

¡¿онохроматора ДМР-4. Спектральные зависимости 2ЭК б )'

бшзн, измерены в области энергии квантов падашцего света

1.6-4.2 эВ при угле падения на образец- ср = 65?

. На рис. 3 и 4 приведены для примера дисперсионные

зависимости б (&ь> ), полученные на образцах со следушими

структурными формулами:

подлохка / 400 A Та / Fe t / 100 I С , ■

подложка / 400 i la / Со t / 100 А С .

Анализ этих данных, а тгкге подученных на образцах с

другими структурными формулами позволил сделать следушие

выводы. .

Кривые б (jt ш ) для образцов с t > 250 I и с t > =

* Ре Со

200 1 в пределах ошибки эксперимента совпадают. Кроме того, эти кривые совпадает с зависимостями б (h ы ) для моно кристаллического хелеза и кобальта.

i

При -tFe< 250 1 и tCo < 200 а величина ЗЭК падает с

о

уменьшением толщины пленки t. На образцах ,с t < 10 А (за исключением Со-пленок-, напыленных 'на стекло ) ЗЗК не был обнаружен.

Кривые 8 (TÍ и ) были нсгользоэаны для построения зависимостей б ( t ) при фиксированных значениях энергии

кзантов падащего сзета 7uü) ( см. приведенные для примера

' м

на вставках рис. 3, 4. кривые б( t ) при д,и = 1.7 и

3.4 еВ. ). -

Из рисунков видео, что начальный участок ö ( t ) имеет

о

линейную зависимость ö от t ., а при t?e> 250 А и tQo> > 200-1 б = const.

ИЗ кривых ö ( t ) была найдена критическая толщина t^, начиная с которой ЗЭК не изменяется по ветчине. ОцзЕка t^ была проведена по точке пересечения прямых ö ' ~ t и S = const. Оказалось, что при = 1.7 и 3.4 эВ t ^ для n

о *

Со-пленок равно соответственно 200 и. 140 А , а для пленок кэлеза - 240 и 210 А.

При обсуждении .этого результаты были проанализированы существуйте представления о толщине поверхностного слоя, исследуемого в магнитооптических измерениях. До последнего времени речь обычно шла о глубине проникновения света в образец t^ = А. / 4 х к (Я — длина волны падащего света, "к — коэффициент поглощения среды ). В работе Хуберта с соавторами ( Phys.Stat.Sol. 1992. v.131, p.201 ) была введеиа новая физическая величина — " глубина формирования магнитооптического сигнала " t 0 = W 8 и ( п — показатель преломления света в среде ). Сравнение эксперементально-найденных значений t ^ с расчЕтаЕЕымп по приведенным формулам t^ и tQ показало, что значещя t кр 2 • t цр. различаются в 1.5 — 2 раза, a tQ и t примерно, на 10 56/ в коЕце 3.2 приведены " экспериментальные данные, снидетельствушие о влиянии свойств граничащей с ферромагнитной пленкой среды на величину - магнитооптического

¡ффекта, в частности, ЭЭК. В заключении сформулированы основные результаты и выводы.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДИ

1. Исследованы магните л магнитооптические,/свойства ультратонкнх пленок гелеза и кобальта, напыленных на стеклянные и кремниевые подложи; изучено влияние на указанные характеристики толпины и состава немагнитного слоя (Си и Та ), нанесенного меаду пленкой и подлогкой.

2. Установлены особенности поведения магнитных и магнитооптических сзойств изучаемых образцов при уменьшении ( вплоть до монослойного предела ) их толпины.

3. Обнаружено,что пленки гелеза и кобальта толгиной х <

о

20О А характеризуется плоскостной магнитной анизотропией; вдоль легкой оси наблндавтся прямоугольные петли гистерезиса ( коэффициент прямоугольностп 0.95 — 0.93 ), вдоль трудной — безгистерезисные прямые. Пленки с -Ь > 200 I — изотропны.

о

4. Установлено, что в области толгда пленок * < 250 А коэрцитивная сили Нс изучаемых образцов падает с уменьшением

о

^ , а при 400 < Ъ < 2000 А уменьшается с ростом

5. Обнарухеио, что пленки гелеза, напиленные на танталовый слой, имеют значение Н„ в 2 — 3 раза выше, чем напыленные на медный, и в 3 — 4 раза выше, чем напылеЕше непосредственно на подложу. Состав годлоеки ( стекло ели кремний ) слабо влияет на величину Нс. г В случае пленок

кобальта наличке немагнитного слоя оказывает существенное влияние на величину Нс, начиная с t = 100 А . .

6. Установлено-, что при фиксированной энергии квантов падапдего света величина экваториального . эффекта Керра ( ЗЭК ) в области толщин плеиок t < 200 А линейно

о

зависит от -Ь , а в области t > 200 — 250 А — остается неизменной.

7. Обнаружено, что ЭЭК на пленках железа и ксбгльта толщиной

о

\ < 10 А ( за исклвчением пленок кобальта на стекле) в пределах ошибки эксперимента отсутствует.

8. Показано, что в магнитооптике изучаемый приповерхностный слой определяется глубиной формирования магнитооптического сигнала 1; 0 = X / 8 п., а Ее глубиной проникновения света в среду »дп. = ^ / 4 тс к ( А. — длина волны падаэдего света, п и к — соответственно показатель преломления и ноглодэния-среды). ' <

9. Подтверзден ранее известный экспериментальный факт о влиянии свойств граничащей с ферромагнитной пленкой срзды на величину ЭЭК. '

4. СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ I. Е.Е.Чепурова ( Шалыгина ). Л.В.Козловский, Ду Сяльбо, А.М.ЙЕвенцов. Магнитооптическое' исследование ультратоЕких-ферромагнитных" пленок. — Тезисы докладов Всероссийского совещания по Физике магнитных явлений. Астрахань — 1933, с.,1.

2. Е.Е.Чепуроза, Л.В.Козловский, Ду СяяьОо, А.М.Ливевпов. Магнитооптическое исследование ультратонкпх пленок езлеза и кобальта. — Тезисы докладов НУ Всероссийской школы -семинара "НоЕые магнитные материалы -гкгроэлектроннкп" Москва — 1994, ч.' 2, с. 42 — 43.

3- E.E.Chepurova, L.T.Eozlovsliy, Си Xieng Во, F.H.Liventsov. Jiagneto-optical Investigation of Ultra thin Pilms of Transition KetalB. International Conference on Magnetism. Натзат? — 1994-, Poland., p.69.

4. Е.Е.Чепурова, Л.В.Козловскгй, Ду Сгпзъбо, А.М.Лявепцов. Магнитооптическое исследование ультратонзсих пленок келеза. Письма в ЕТФ, 1994, т. 20 ( принята к печати ).

- Id -

I.О

<

CO.

~0.5 -

«о

/

2 /] /

/

/

J

/

ON

С

re 80 60 40 20

^ 1_i_1_

100

200 400 1000 tk

25

50

Н.Э

Рис.1

Типичные кривые намагничивания пленок зелеза толгдно!: i о

Z< 2СО А, измеренные для двух Бзапг.2Ю-перпенЕгкудярннх направлен^:. На вставке приведена зависимость коэрцитивной силы Нс от толнины Ре пленок: кривая I - Hc(f ) для образцоз с Та-слоем; 2 - с Cj -esoeu; 3 - для

пленок гелеза, напыленных непосредственно на стекло.

Типичные кривые калггнгчгзания для пленок кобальта тол' У 0

¡цпно" и< 200 А, измеренное для дзух взагс-ко-перпендп-•гглярныз: вапралгнп:":. На вставке приведена зависимость корцитивноГ: силы Нс от толщины Со пленок: кривая I -Ес( I ) для образцов с Та-слое;л; 2 - для пленок кобальта, нд~:лендцх непосредственно на стерло.

Рпс.З Спектральные зависимости экваториального эффекта Керра 6 (¡ъОй) для пленок келеза разных толдин напыленных на Та-сло". На вставке приведены зависимости о (Г ) при - 1.7 и 3.4 эЗ ( кривые I п 2 соответственно

- то _

?пс.4 Спег.трглькые зззнспг.'осгс экваториального-. эффекта Кер-

ра о для: пленок кебальта рггн-г: ~Ь .нашпенит: на

Та-сло!1. Н£ встазг.е г.т:£д£нн 3£.е::с:::.'.остп о ("Ь ) при1.7

г 3.4 эЗ ( кг-п-е : :: 2 сотэегетзекно).

ООП ¿кз.ф-та ¡.ТУ За::.89 -10.-94?.