Межслойное магнитное взаимодействие в многослойных системах Fe/Cr/Fe тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.09 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ имени П. Л. КАПИЦЫ

На правах рукописи

Холин Дмитрий Игоревич

МЕЖСЛОЙНОЕ МАГНИТНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ В МНОГОСЛОЙНЫХ СИСТЕМАХ Fe/Cr/Fe

01.04.09 - физика низких температур 01.04.11 - физика магнитных явлений

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва — 2005

Работа выполнена в

Институте физических проблем им. П. Л. Капицы РАН. Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Н. М. Крейнес Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, с.н.с. В. В. Тугушев

доктор физико-математических наук, профессор В. А. Тулин

Ведущая организация:

Институт Теоретической и Прикладной Электродинамики ОИВТ РАН

Защита состоится 6 июля 2005 года в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 002.103.01 при Институте физических проблем им. П. Л. Капицы РАН по адресу: 117334, Москва, ул. Косыгина 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физических проблем РАН.

Автореферат разослан 6 июня 2005 года.

Ученый секретарь Совета член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук профессор

Л. А. Прозорова

1. Общая характеристика работы

Актуальность работы

Бурный всплеск интереса к изучению многослойных магнитных структур начался около 20 лет назад и был связан с существенным прогрессом в технологии получения сверхтонких металлических пленок [1,2]. Метод молекуляр-но-лучевой эпитаксии позволил создавать монокристаллические многослойные пленки с достаточно гладкими границами раздела слоев. В течение нескольких лет в этих структурах были обнаружены крайне интересные как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения явления: антипараллельное упорядочение ферромагнитных слоев [3,4], гигантское магнитосопротив-ление [5], длинноволновые [6] и коротковолновые [7] осцилляции межслойно-го обмена как функции толщины прослойки, а несколько позднее — неколли-неарное межслойное упорядочение ферромагнитных слоев [8,9].

Все перечисленные выше явления впервые были обнаружены в системе Fe/Cr/Fe. Однако в дальнейшем они наблюдались и в большом количестве других систем как с антиферромагнитной прослойкой (в первую очередь Мп), так и с прослойками из немагнитных металлов (Си, Аи, Ag и т.д.). Поскольку обнаруженные эффекты сулили огромные возможности для приложений в области высоких технологий, в течение полутора десятков лет количество публикаций на эту тему было весьма значительно.

В объемном хроме температура Нееля составляет 311 К, а при толщине слоя около 200 А начинает быстро падать и обращается в ноль ниже приблизительно 40 А [10]. Поэтому прослойка хрома при толщине менее 40 А, а для комнатных температур и при большей толщине, считалась долгое время немагнитной. Позднее было обнаружено, что именно в системах Fe/Cr/Fe антиферромагнитный порядок в хроме сохраняется и при температурах существенно выше точки разрушения обычного, объемного антиферромагнитного упорядочения. Существование этой особой антиферромагнитной фазы авторы работы [12] связывают с перераспределением зарядовой и спиновой плотности вблизи границы раздела железа и хрома. Благодаря существованию этой фазы температура разрушения антиферромагнетизма в хромовой прослойке увеличивается с уменьшением ее толщины и при толщинах около 10 А достигает 600-700 К [11].

Был предложен ряд теоретических моделей, объясняющих механизм меж-слойного взаимодействия через немагнитоупорядоченную прослойку в рамках взаимодействия через газ свободных электронов [13, 14]. Эффекты неколлине-арного магнитного упорядочения объяснялись при этом шероховатостью меж-слойных границ либо присутствием в прослойке парамагнитных примесей

(см. обзор [15]). Для случая взаимодействия через антиферромагнитную прослойку также был развит ряд моделей, в которых неколлинеарное магнитное упорядочение объяснялось шероховатостью межслойных границ и связанной с ней фрустрацией обмена на границе железо-хром [12, 16-18].

Для феноменологического описания межслойного взаимодействия двух ферромагнитных слоев через неферромагнитную прослойку была предложена так называемая модель биквадратичного обмена [8, 19], предполагающая следующую зависимость энергии от угла в между намагниченностями ферромагнитных слоев:

Здесь У, и 12 — константы соответственно билинейного и биквадратичного обмена. Такая форма записи нашла микроскопическое обоснование как для случая взаимодействия через газ свободных электронов [16], так и для систем с антиферромагнитной прослойкой в случае большой шероховатости меж-слойных границ [12, 17-19].

Для случая антиферромагнитной прослойки и достаточно гладких границ раздела были предложены другие формы записи энергии межслойного обмена. Так называемая модель магнитной близости [16] дает следующую форму записи энергии межслойного обмена:

а модель половинного угла, возникающая при слабом обмене на границе желе-хром, предлагает следующее выражение [12,17]:

Модель (1) была успешно использована многими авторами для описания экспериментальных результатов, полученных для систем с немагнитоупорядо-ченными прослойками (см. обзор [15]). Модель (2), в свою очередь, нашла подтверждение для прослоек марганца [20].

Ситуация с хромом оказалась более сложной. Для описания экспериментальных данных для этой системы все авторы использовали только модель (1), хотя получающиеся при этом соотношения констант / и 12 зачастую выходили за теоретически обоснованные границы. В то же время попытки использовать для описания систем Ре/Сг/Ре другие модели заканчивались неудачей

Еех = со&в + Зг сое2 в.

0)

Е = С+в2 + С_(я- в)2,

(2)

(3)

[20]. При этом предсказываемый теорией переход от модели (1) к моделям (2) или (3), который должен иметь место при достижении достаточной гладкости межслойных границ раздела никогда экспериментально не наблюдался.

Таким образом, к моменту постановки настоящей работы вопрос о механизме межслойного обмена в системе железо-хром оставался открытым. Экспериментальные данные, которые бы однозначно связывали природу межслойного обмена в этой системе с антиферромагнитным упорядочением хромовой прослойки, фактически отсутствовали. Вопрос о механизме меж-слойного взаимодействия в самой популярной и, казалось бы, наиболее изученной системе Fe/Cr/Fe так и оставался нерешенным. Между тем поток экспериментальных публикаций по данной тематике практически иссяк, и чтобы все же ответить на поставленный вопрос, необходимы были новые систематические экспериментальные исследования межслойного обмена в этой системе.

Цельработы

Целью данной работы было подтвердить либо опровергнуть сложившуюся в последнее время точку зрения, что межслойное взаимодействие в системе Fe/Cr/Fe связано с антиферромагнитным упорядочением хромовой прослойки. Для этого было проведено подробное экспериментальное исследование межслойного обмена в наиболее интересном с прикладной точки зрения диапазоне толщин хрома от 0 до 40 Ä при различной шероховатости границ раздела и в достаточно широком интервале температур.

Положения, выносимые на защиту

1. В серии сверхрешеток [Fe/Cr]lV методом ФМР, помимо акустической и оптической резонансных мод, обнаружены промежуточные моды колебаний, соответствующие сдвигу фаз прецессии намагниченности в соседних ферромагнитных слоях, отличному от 0 и

2. Магнитооптическими методами исследований на трехслойных образцах экспериментально продемонстрировано, что при достаточно гладких меж-слойных границах модель биквадратичного обмена, широко использовавшаяся для описания системы Fe/Cr/Fe ранее, утрачивает свою применимость.

3. Экспериментально получены температурные зависимости межслойного обмена, которые подтверждают, что механизм обмена в системе Fe/Cr/Fe связан с зарядово-индуцированной волной спиновой плотности в хромовой прослойке.

Научная новизна и ценность работы

В данной работе были проведены систематические исследования межслой-нош обмена в системе Fe/Cr/Fe как на образцах типа «сверхрешетка» (с большим количеством чередующихся слоев железа и хрома), так и в трехслойных образцах с контролируемой шероховатостью межслойных границ. Исследования были проведены в диапазоне толщин прослойки от 0 до 40 Ä и при температурах от 77 до 473 К. Для повышения надежности полученных результатов были использованы одновременно несколько экспериментальных методик, дающих информацию как о статических (измерение кривых намагничивания), так и о динамических (ФМР и мандельштам-бриллюэновское рассеяние света) свойствах изучаемой системы.

Впервые было экспериментально продемонстрировано, что при достигнутом нами на ряде образцов высоком качестве межслойных границ модель би-квадратичного обмена (1), как и предсказывается существующими теориями, утрачивает свою применимость. Экспериментально достигнутая граница области применимости этой модели находится в хорошем соответствии с оценками, основывающимися на наличии у хромовой прослойки собственной магнитной жесткости.

Анализ полученных температурных зависимостей показывает, что наши данные находятся в хорошем соответствии с известной из нейтронографиче-ских исследований [11] магнитной фазовой диаграммой тонких слоев хрома, граничащих со слоями железа.

Полученные в работе результаты подтверждают, что межслойный обмен в системе Fe/Cr/Fe действительно связан с антиферромагнетизмом тонких слоев хрома. Данные результаты являются новыми и вносят существенный вклад в наши представления о межслойном взаимодействии в многослойных магнитных системах.

Практическая ценность работы

Высокий прикладной интерес к многослойным магнитным системам связан с возможностью их использования в области высоких технологий. Такие эффекты как гигантское магнитосопротивление, антипараллельное упорядочение соседних ферромагнитных слоев, а также возможность получать структуры с требуемой величиной и знаком межслойного обмена позволяют создавать на их основе компактные датчики магнитного поля, ячейки энергонезависимой памяти для вычислительной техники, магнитные вентили и т.д. Система Fe/Cr/Fe является в этом отношении одной из наиболее перспективных в связи с большой величиной межслойного обмена и, как следствие, высоких полей насыщения, которые достигаются в данной структуре.

В силу всего этого понимание механизма межслойного обмена именно в системе Fe/Cr/Fe является крайне важным для приложений.

Апробацияработы и публикации

Результаты данной работы были доложены на 12 семинарах и конференциях, включая 7 международных. По результатам работы опубликовано 11 статей в реферируемых научных журналах [18, 21-29], из них 6 — в отечествен -ных.

Объемработы

Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Приложения и Заключения. Общий объем диссертации 80 страниц, в том числе 48 рисунков и 2 таблицы. Список литературы содержит 60 наименований.

2. Содержание работы

Во Введении дается общая характеристика диссертации, обсуждается актуальность рассматриваемых вопросов, изложена цель работы, обосновывается ее новизна и научная ценность.

Первая Глава носит обзорный характер. В § 1.1 содержится краткое описание изучаемой системы. Перечислены основные типы образцов, используемые для исследования межслойного обмена в многослойных магнитных системах: трехслойные структуры типа «сэндвич», сверхрешетки, состоящие из большого количества чередующихся слоев ферромагнитного и неферромагнитного материала, и образцы на основе железных вискеров. Описано их принципиальное устройство и перечислены основные особенности их использования. В § 1.2 кратко изложены основные принципы изготовления многослойных магнитных систем методом молекулярно-лучевой эпитаксии. В § 1.3 дан обзор основных экспериментальных и теоретических результатов, известных к моменту написания диссертации, очерчено место наших исследований в общем потоке опубликованных по данной тематике работ.

Вторая Глава посвящена рассмотрению первого этапа наших исследований, проводившихся на сверхрешетках методом ферромагнитного резонанса.

Использование сверхрешеток дает определенные преимущества по сравнению с образцами типа «сэндвич». Во-первых, в сверхрешетке каждый слой железа взаимодействует одновременно с двумя своими соседями. Поэтому эффекты межслойного обмена в такой структуре, упрощенно говоря, удваива-

ются и начинают доминировать над эффектами кристаллографической анизотропии. Во-вторых, использование сверхрешеток позволяет увеличить суммарную толщину железных слоев в образце, что существенно повышает точность многих измерений, в первую очередь кривых намагничивания.

Основные измерения, представленные в данной работе, проводились нами на 2-х образцах: [Сг( 10А)/Ре(21 А)],2 и [Сг(8А)/Те(ЗЗА)] 16, выращенных на установке молекулярно-лучевой эпитаксии "Катунь С" в Институте Физики Металлов УрО РАН1. В качестве подложек использовались пластины из монокристалла М^О, вырезанные параллельно плоскости (100). В качестве буферного слоя напылялась пленка Сг толщиной около 100 А. Образцы выращивались при температуре подложки 210-220° С, что позволяло получить достаточно гладкие границы между слоями и одновременно избежать их перемешивания.

Контроль качества образцов, а также определение толщин слоев Fe и Сг, проводились с помощью малоугловой рентгеновской дифракции и метода микрорентгеноспектрального анализа. Результаты анализа показали, что полученные пленки имеют монокристаллическую етруктуру, причем кристаллографическая ориентация железа и хрома совпадает с ориентацией подложки. На спектре малоугловой рентгеновской дифракции отчетливо наблюдается по крайней мере три брегтовских пика от сверхрешетки что свидетельст-

вует о хорошем качестве образца и четких границах раздела слоев.

Ферромагнитный резонанс изучался нами при комнатной температуре в диапазоне частот от 9.5 до 37 ГГц и полях до 18 кЭ. СВЧ колебания возбуждались в медном цилиндрическом резонаторе, на дно которого помещался образец. Высокочастотный сигнал подавался от перестраиваемого клистронного генератора в резонатор по стандартному прямоугольному волноводу. Прошедшая через резонатор мощность поступала на СВЧ-детектор. Для изучения ФМР во всем указанном диапазоне частот использовался набор из шести резонаторов, в которых возбуждались моды Ноп, Ноп или Ноп СВЧ колебаний. Внешнее постоянное магнитное поле прикладывалось в плоскости образца и создавалось резистивным магнитом системы С. П. Капицы с водяным охлаждением медных обмоток. В зависимости от положения образца на дне резонатора осуществлялось либо продольное, либо поперечное возбуждение резонанса (см. рис. 1). Во время измерений частота излучения генератора настраивалась в резонанс с собственной частотой резонатора. Чтобы избежать ухода частоты с вершины резонанса, использовался блок автоматической подстройки частоты. Для увеличения чувствительности спектрометра использовалась слабая модуляция внешнего магнитного поля и последующее синхронное де-

1 Автор выражает глубокую признательность В. В. Устинову и Л. Н. Ромашеву за предоставленные образцы.

тектирование прошедшего через резонатор сигнала на частоте этой модуляции. Модуляция осуществлялась с помощью пары модуляционных катушек, ток в которых возбуждался звуковым генератором на частоте около 80 Гц. Сигнал с СВЧ-детектора посылался на синхронный детектор, а сигнал модулирующего звукового генератора использовался в качестве опорного. В результате сигнал на выходе синхронного детектора был пропорционален производной от поглощаемой в образце мощности по магнитному полю. Этот сигнал направлялся в персональный компьютер для записи и последующей обработки.

Нвнешн. ^ й Нвнешн-^^

¿у

Рис. 1. Осуществление продольной (а) и поперечной (б) накачки резонанса в зависимости от положения образца.

Спектры ФМР для образца [Сг(10 А)/Ре(21 А)]|2 при двух ориентациях внешнего магнитного поля представлены на рис. 2. Темными кружками показаны частоты линий, наблюдающихся при поперечной накачке резонанса, а светлыми — при продольной. Величина показанных на графиках «экспериментальных погрешностей» соответствует расстоянию между максимумом и минимумом производной поглощения СВЧ мощности в образце. Существенной особенностью этих спектров является наличие нескольких ветвей резонанса. Кроме акустической моды, когда намагниченности соседних слоев железа прецессируют в фазе, и оптической, когда соседние слои прецессируют в про-тивофазе, нами наблюдались промежуточные моды колебаний, когда сдвиг фаз прецессии между соседними слоями оказывается промежуточным между 0 и п. Данный результат был получен нами впервые [21].

Магнитная структура образцов определялась также по их кривым намагни-чивания1. Внешнее магнитное поле от резистивного электромагнита, в диапа-

1 Экспериментальные данные по кривым намагничивания были любезно предоставлены М. А. Миляевым (Институт Физики Металлов УрО РАН), за что автор выражает ему свою глубокую признательность.

зоне от нуля до 20 кЭ, прикладывалось в плоскости образца вдоль кристаллографической оси [ПО] структуры, что соответствует «трудной» оси намагничивания слоев железа. На рис. 3 показаны зависимости проекции М вектора намагниченности пленки на направление внешнего постоянного поля от напряженности поля Ндля образца [Сг(10 А)/Ре(21 А)] 12. Характерными чертами кривой намагничивания являются большая величина остаточной намагниченности Мо и плавный выход кривой на насыщение М, что указывает на наличие в наших сверхрешетках неколлинеарного магнитного упорядочения.

Рис. 2. Спектры ферромагнитного резонанса для образца [Сг(10Л)/Ре(21 А)]12: а — поле направлено вдоль трудной оси намагничивания, б — вдоль легкой. Точки — экспериментальные данные, кривые — результат аналитического расчета.

Рис. 3. Кривая намагничивания для образца [Сг(10 А)/Те(21 А)] 12- Точки — экспериментальные данные, сплошная линия — результат аналитического расчета в рамках модели биквадратичного обмена.

Предварительный анализ кривых намагничивания и спектров ФМР проводился нами с помощью аналитических выражений, полученных А. Б. Дрово-сековым в работе [23]. Расчет проводился в рамках двухподрешеточной модели с учетом анизотропии четвертого порядка в железе. Энергия взаимодействия соседних слоев железа записывалась в форме (1). Обменные константы I, и 12 использовались в качестве подгоночных параметров при аппроксимации экспериментальной кривой намагничивания (сплошная кривая на рис. 2). Полученные значения обменных констант использовались для построения спектров ФМР. На рис. 2 сплошной и штриховой линиями показаны соответственно акустическая и оптическая моды резонанса. Пунктиром на том же рисунке проведены рассчитанные линии двух промежуточных резонансных мод. Соответствующий каждой моде сдвиг фаз прецессии д между соседними слоями железа также показан на рисунке. Двухподрешеточная модель, в рамках которой были получены использованные формулы, предполагает, что сверхрешетка имеет бесконечное число периодов. В силу этого величина д может принимать произвольное значение от 0 до . Для мод, показанных на графике, эта величина подбиралась так, чтобы наилучшим образом соответствовать наблюдавшимся нами неоднородным модам резонанса.

Сравнение экспериментальных данных с аналитическим расчетом позволило понять природу наблюдающегося разнообразия резонансных мод в наших образцах. Однако совпадения расчета с экспериментом носит лишь качественный характер. Причина этого заключается в том, что при конечном количестве слоев в образце самый верхний и самый нижний слои железа имеют лишь одного соседа. Это приводит к разрушению двухподрешеточного упорядочения сверхрешетки: в присутствии магнитного поля намагниченность во внешних слоях железа поворачивается в направлении поля сильнее, чем во внутренних. Для учета этого эффекта нами было проведено численное моделирование кривых намагничивания и спектров ФМР для системы, состоящей из конечного количества слоев. Энергия системы в расчете на единицу площади пленки записывалась следующим образом:

где Л/ — намагниченность у-ого слоя железа, М5 — намагниченность насыщения железа, d — толщина каждого слоя железа, п — количество ферромагнитных слоев в образце, ЛГЯ— размагничивающий фактор (в нашем случае Ак), Ки описывает одноосную анизотропию, а Я,— анизотропию 4-го порядка с "легкими" осями х, у, г, причем ось z совпадает с нормалью к плоскости пленки. Равновесная ориентация магнитных моментов в магнитном поле определялась путем численной минимизации энергии (4). Собственные частоты системы вычислялись с помощью уравнений Ландау-Лифшица без диссипативного члена.

Результат вычисления кривой намагничивания практически не отличался от кривой, показанной на рис. 3. В то же время спектры ФМР изменились по сравнению с расчетом в двухподрешеточной модели весьма значительно (см. рис. 4).

Рис. 4. Результаты численного расчета спектров ФМР для образца [Сг( 10 А)/Ре(21 А)] 12- Обменные параметры определялись так, чтобы наилучшим образом описать спектр.

Прежде всего, исчезла неопределенность с подбором параметра д для промежуточных резонансных мод. Спадающий участок оптической моды колебаний (самая нижняя кривая на графиках в полях от 4 до 9 кЭ) становится дважды вырожденным и заметно отделяется от более высоко лежащих линий резонанса. Промежуточные резонансные моды, лежащие между оптической и акустической ветвями ФМР, также заметно искажаются по сравнению со случаем бесконечной сверхрешетки. Значения констант У, и 12, наилучшим образом описывающие резонансные спектры, показанные на рис. 5, отличаются от параметров, полученных из кривой намагничивания, приблизительно на 0.5 эрг/см2. Такое согласие можно признать вполне приемлемым. Для образца

[Cr(7,7Ä)/Fe(33,2Ä)]16 кривую намагничивания и спектр ФМР удалось одновременно описать при одних и тех же значениях обменных констант.

Использованная нами модель позволила достаточно хорошо описать основные статические и резонансные свойства магнитных сверхрешеток [Fe/Cr]^ и добиться вполне убедительного количественного согласия с экспериментом. Несмотря на некоторое расхождение между значениями обменных констант, полученных из статических и динамических экспериментов для образца [Cr(10 Ä)/Fe(21 А)] 12, мы делаем вывод, что межслойный обмен в сверхрешетках вполне может быть описан моделью биквадратичного обмена.

В то же время большое количество резонансных мод, лишь некоторые из которых удается наблюсти в эксперименте, делает интерпретацию полученных на сверхрешетках данных достаточно сложной и не всегда однозначной. Кроме того, большое количество периодов практически исключает возможность тщательного контроля границ раздела слоев железа и хрома в сверхрешетке. Это заставило нас в дальнейшем отказаться от использования в наших экспериментах магнитных сверхрешеток и обратиться к трехслойным образцам.

В Третьей Главе излагаются результаты исследования межслойного обмена при комнатной температуре в серии трехслойных образцов Fe/Cr/Fe с прослойкой в форме клина.

В работе было изучено в общей сложности 6 образцов. Все они были изготовлены автором диссертации с использованием метода молекулярно-лучевой эпитаксии. Шероховатость границ раздела использованных образцов варьировалась путем изменения технологических параметров напыления пленок. Морфология межслойных границ изучалась методом туннельной микроскопии в процессе приготовления образца.

Образец 020925 (во избежание путаницы в тексте диссертации сохранены рабочие номера образцов) был выращен по оптимальной технологии. Подложка MgO загружалась через шлюз в вакуумную установку и прогревалась около 15 минут при температуре 170ооС для удаления с ее поверхности сорбированной из воздуха воды. После этого подложка помещалась на несколько минут в разреженную кислородную плазму, что позволяло удалить с ее поверхности углерод.

После этих подготовительных процедур на подложку при комнатной температуре со скоростью около 0.05 А/с напылялся зародышевый слой железа толщиной 10 А, который необходим для однозначного задания ориентации последующих слоев. Поверх него при температуре подложки 140°С напылялся буферный слой серебра толщиной от 800 до 1500 А со скоростью около 1 А/с. Затем подложка разогревалась до 400оС, и слой серебра подвергался отжигу в течение приблизительно 5 минут для достижения максимально гладкой поверхности. Основная трехслойная пленка Fe/Cr/Fe, которая, собственно, и со-

ставляла исследуемый образец, напылялась со скоростью около 0.06 А/с при температуре подложки 200°С. Такой режим напыления позволял получать достаточно гладкие границы раздела слоев, и при этом избежать существенного перемешивания атомов на границе.

Кристаллографическое качество образца контролировалось с помощью рассеяния низкоэнергетичных электронов (LEED). Отсутствие в образце посторонних примесей проверялось методом спектроскопии конверсионных электронов (Оже-спектроскопия). Увеличение шероховатости межслойных границ достигалось путем понижения температуры подложки при напылении отдельных слоев образца.

Для магнитных исследований использовались две экспериментальные методики: керровская магнитометрия и измерение спектра спиновых волн в образце с помощью мандельштам-бриллюэновского рассеяния света. Оба метода позволяют проводить измерения свойств образца локально в пятне диаметром порядка 0.1 мм и менее. Благодаря этому мы могли использовать в наших исследованиях образцы с хромовой прослойкой, выполненной в форме клина. В наших образцах толщина хрома менялась от 0 до —40 А на длине 20 мм. Это позволяло нам проводить исследования обменных параметров при различной толщине прослойки на одной и той же пленке, избегая технологического разброса, неизбежного при использовании больших серий образцов.

Измерения кривых намагничивания проводилось с помощью меридионального магнитооптического эффекта Керра. Суть эффекта заключается в изменении поляризации света при отражении его от поверхности магнетика, намагниченного в плоскости падения света. Эффект линеен по намагниченности образца, что делает его крайне удобным для магнитометрических измерений. Источником света в измерительном приборе служил гелий-неоновый лазер с вертикальной поляризацией, излучение которого фокусировалось на поверхности образца в пятно диаметром около 0.1 мм. На выходе из прибора регистрировалось изменение этой поляризации в зависимости от величины приложенного магнитного поля.

Спектры мандельштам-бриллюэновского рассеяния света исследовались с помощью трехпроходного тандем-интерферометра Фабри-Перо конструкции Сандеркока. Источником света служил аргоновый лазер с длиной волны 514.5 нм. Излучение направлялось на образец под углом 45° к нормали и фокусировалось на его поверхности в пятно диаметром около 0.1 мм. В интерферометр направлялся свет, претерпевший обратное рассеяние. Такая геометрия опыта соответствовала волновому вектору изучаемых спиновых волн 9 = 1.57-105см"'. Магнитное поле прикладывалось в плоскости образца перпендикулярно плоскости падения света (конфигурация Деймона-Эшбаха).

На рис. 5 и 6 показаны примеры кривых намагничивания и полевых зависимостей частоты спиновых волн для самого "шероховатого" и самого "гладкого" из наших образцов.

(М/М,)г (м/м,)2

Рис. 5. Пример аппроксимации экспериментальных данных для образца 021027 в рамках модели биквадратичного обмена. Толщина хрома составляет 11.2 А. Точки — эксперимент, сплошные линии — результат расчета.

Рис. 6. То же для образца 020925. Толщина хрома составляет 11.5 А. Точки — эксперимент, сплошные линии — результат расчета.

Кривые намагничивания показаны в так называемых координатах Арротта. В случае двух жестких магнитных моментов, взаимодействие которых описывается моделью биквадратичного обмена (1), кривая намагничивания должна в этих координатах представлять собой два отрезка прямых, соединяющихся в точке насыщения образца (подробнее см. [27, 28]). Однако оценки показывают, что при толщине железных слоев 100 А и величине межслойного обмена более 1 эрг/см2 предположение об абсолютной жесткости структуры железа приводит к существенной ошибке [30].

Для учета деформации магнитной структуры железа в магнитном поле мы использовали численный расчет, аналогичный предложенному в работе [31]. Каждый слой железа разделялся на п подслоев, направление намагниченностей в которых считались независимыми векторами. Каждый подслой был обменно связан с соседними слоями железа. Взаимодействие между подслоями, непосредственно примыкающими к хромовой прослойке, описывалось одним из выражений (1), (2) или (3). Для вычисления магнитной структуры образца в магнитном поле полная энергия минимизировалась по направлению намагниченности в каждом подслое. Для вычислений п бралось равным от 3 до 50, но результат вычислений практически переставал меняться при п > 10.

Для вычисления спектра спиновых волн использовались уравнения Ландау-Лифшица, написанные для вектора намагниченности каждого подслоя железа. Математические выкладки оказываются при этом достаточно громоздкими, поэтому основная их часть в тексте диссертации вынесена в Приложение.

Результаты вычисления кривых намагничивания и спектров с использованием модели биквадратичного обмена (1) и учетом конечной магнитной жесткости железа показаны на рис. 5 и 6.

Для шероховатого образца модель биквадратичного обмена адекватно описывает как кривые намагничивания, так и спектры МБРС, причем это удается сделать, используя одни и те же значения обменных констант.

Для гладкого образца ситуация оказывается иной. Кривые намагничивания также поддаются приемлемому описанию. Однако спектры спиновых волн на участках с большой величиной межслойного обмена демонстрируют качественное отличие от предсказаний модели биквадратичного обмена. Характерное для этой модели смягчение оптической моды спиновых волн на экспериментальных зависимостях полностью отсутствует.

Наши исследования, таким образом, впервые экспериментально демонстрируют для многослойных систем Ре/Сг/Ре выход за границы области применимости модели биквадратичного обмена, предсказанный теориями [12,17,18].

Данное утверждение находится в соответствии с имеющимися в нашем распоряжении данными туннельной микроскопии. Их анализ показывает, что для шероховатого образца характерное расстояние Ь между атомными ступенями на границе раздела железо-хром составляет 15-5-20 А, а для гладкого образца — 40 -г 60 А. Модель биквадратичного обмена справедлива лишь в случае I« , где £ — толщина доменной стенки в хромовой прослойке. Наши оценки показывают, что в нашем случае при толщине хромовой прослойки порядка 10 А £ составляет около 30 А. Таким образом, гладкий образец оказывается вне области применимости модели биквадратичного обмена, что и выражается в существенном отклонении экспериментальных спектров спиновых волн от расчета.

В то же время, обратное неравенство не достигается даже для само-

го гладкого из наших образцов, поэтому модели (2) и (3) также оказываются неприменимы.

Обменные константы I и 12, полученные в результате аппроксимации кривых намагничивания, показаны на рис. 7 для трех образцов с различной шероховатостью. Самый гладкий образец демонстрирует коротковолновые осцилляции билинейного обмена большой амплитуды, в образце с промежуточной шероховатостью эти осцилляции существенно подавлены, а в самом ше-

роховатом полностью отсутствуют. Такой результат неоднократно наблюдался другими авторами и не является неожиданным. Биквадратичный обмен, напротив, меняется с толщиной прослойки довольно медленно и никаких осцилляции не демонстрирует. Такое поведение вполне согласуется с данными других авторов и предсказаниями теории.

Рис. 7. Зависимость обменных констант Л\ и Л от толщины прослойки хрома для трех образцов.

Аналогичные зависимости констант С+ и С_ для гладкого образца приведены в диссертации. Их поведение, напротив, находится в противоречии с теоретическими ожиданиями. Это отражает тот факт, что морфология границ раздела для образца 020925 находится ближе к предельному случаю модели би-квадратичного обмена, чем моделей (2) или (3).

Четвертая Глава посвящена исследованию температурной зависимости межслойного обмена в трехслойных образцах Fe/Cr/Fe.

Температурные измерения проводились нами на трехслойных пленках Fe/Cr/Fe, описанных в Главе 3, в диапазоне температур 77-473 К. Для определения параметров межслойного обмена использовались кривые намагничивания, полученные с помощью экваториального эффекта Керра. Обменные кон-

станты извлекались из кривых намагничивания путем аппроксимации их результатами численного расчета, описанного в третьей главе.

Наиболее интересные результаты были получены на самом гладком образце 020925. На рис. 8 показаны зависимости обменных констант Л и Зг от толщины прослойки при трех температурах. Мы использовали для анализа температурных данных именно модель биквадратичного обмена, хотя она, как было показано в Главе 3, и не вполне адекватно описывает данный образец. Такая процедура представляется, тем не менее, достаточно корректной, поскольку отклонения образца от модели биквадратичного обмена являются не очень сильными, а получающиеся значения обменных констант и их зависимости от толщины прослойки не противоречат здравому смыслу.

Рис. 8. Зависимости обменных констант Л\ и Л от толщины прослойки для гладкого образца 020925 при трех значения температуры.

Рис. 9. Результаты аппроксимации амплитуды осцилляции билинейного обмена для образца 020925 выражением (5).

Если межслойное взаимодействие осуществляется через волну спиновой плотности в хроме, то оно должно быть пропорционально параметру порядка в хромовой прослойке. Исходя из этого, мы аппроксимировали амплитуду коротковолновых осцилляции межслойного обмена следующей зависимостью:

На рис. 9 параметры 1а и Тя отложены как функции толщины хромовой прослойки. Сравнение толщинной зависимости параметра Тя с температурой разрушения антиферромагнитного порядка в хромовой прослойке, измеренной методом рассеяния нейтронов [11], мы обнаруживаем блестящее согласие.

Попытки описать температурную зависимость коротковолновых осцилляции обмена на основе взаимодействия через газ свободных электронов [14] напротив, приводит к противоречию.

Мы утверждаем, таким образом, что коротковолновые осцилляции меж-слойного обмена в системе Ре/Сг/Ге связаны именно с взаимодействием через волну спиновой плотности, имеющей место в хромовой прослойке.

В Заключении сформулированы основные результаты диссертации.

1. Проведено исследование спектров ФМР в серии сверхрешеток [Fe/Cr]A при комнатной температуре. Наряду с акустической и оптической резонансными модами, впервые обнаружены промежуточные моды колебаний, соответствующие сдвигу фаз прецессии намагниченности в соседних ферромагнитных слоях, отличному от 0 и ж.

2. В рамках модели биквадратичного обмена проведен численный расчет кривых намагничивания и спектров ФМР, учитывающий конечность числа слоев в используемых сверхрешетках. Расчет позволил количественно описать как экспериментальные кривые намагничивания, так и спектры ФМР в изученных сверхрешетках.

3. Методом молекулярно-лучевой эпитаксии изготовлена серия трехслойных образцов Fe/Cr/Fe с клинообразными прослойками хрома и различной шероховатостью границ раздела слоев.

4. Методами керровской магнитометрии и мандельштам-бриллюэновского рассеяния света в трехслойных образцах Fe/Cr/Fe проведено подробное экспериментальное исследование межслойного взаимодействия как функции толщины прослойки (в диапазоне 0-40 А) и температуры (в диапазоне 77-473 К) при различной шероховатости границ раздела слоев.

5. Впервые экспериментально продемонстрировано, что при достаточно гладких межслойных границах модель биквадратичного обмена, широко использовавшаяся для описания системы Fe/Cr/Fe ранее, утрачивает свою применимость.

6. Полученные температурные зависимости межслойного обмена подтверждают представления о том, что механизм обмена в системе Fe/Cr/Fe связан с зарядово-индуцированной волной спиновой плотности в хромовой прослойке.

Список литературы

1. P. Grimberg, J. Appl. Phys. 57, 3673 (1985).

2. М. Grimsditch, Mahbub R. Khan, A. Kueny and Ivan K. Schuller, Phys. Rev Lett. 51, 498 (1983).

3. P. Grimberg, R. Schreiber, and Y. Pang, Phys. Rev. Lett. 57, 2442 (1986).

4. С Carbone and S. F. Alvarado, Phys. Rev. В 36,2433 (1987).

5. M. N. Baibich, J. M. Broto, A. Fert, F. Nguyen Van Dau, and F. Petroff, Phys. Rev. Lett. 61 2472(1988).

6. S. S. P. Parkin, N. More, and K. P. Roche, Phys. Rev. Lett. 64, 2304 (1990).

7. J. Unguris, R. J. Celotta, and D. T. Piers, Phys. Rev. Lett. 67,140 (1991).

8. M. Ruhrig, R. Schafer, A. Hubert, R. Mosler, J. A. Wolf, S. O. Demokritov, P. Griinberg, Phys. Stat. Sol. A 125,635 (1991).

9. A. Schreyer, J. F. Anker, Th. Zeidler, H. Zabel, M. Schafer, J. A. Wolf, P. Griinberg, С F. Majkrzak, Phys. Rev. В 52, 16066 (1995).

10. E. E. Fullerton, К. Т. Riggs, С. Н. Sowers, S. D. Bader, and A. Berger, Phys. Rev. Lett. 75, 330 (1995).

11. H. Zabel, J. Phys.: Condens. Matter. 11,9303 (1999).

12. V. N. Men'shov and V. V. Tugushev, JETP 95, 901 (2002).

13. D. M. Edwards, J. Mathon, R. B. Muniz, and M. S. Phan, Phys. Rev. Lett. 67,493 (1991).

14. P. Bruno and С Chappert, Phys. Rev. В46,261 (1992).

15. S. O. Demokritov,/. Phys. D: Appl.Phys. 31, 925 (1998).

16. J. С Slonczewski,/. Magn. Magn. Mater. 150,13 (1995).

17. A. I, Morozov, A. S. Sigov, Physics ofthe Solid State 41 (1999) 1130.

18. С. О. Демокритов, А. Б. Дровосеков, Н. М. Крейнес, X. Нембах, М. Рикарт, Д. И. Холин, ЖЭТФ 122,1233(2002).

19. В. Heinrich, J. F. Cochran, M. Kowalewski, J. Kirschner, Z. Celinski, A. S. Arrott, and K. Myrtle, Phys Rev В 44, 9348 (1991).

20. D. T. Pierce, A. D. Davies, J. A. Stroscio, D. A. Tulchinsky, J. Unguris, R. J. Celotta, J. Magn. Magn. Mater. Ill, 13 (2000).

21. А. Б. Дровосеков, Н.М.Крейнес, Д.И.Холин, В.Ф.Мещеряков, М.А.Миляев, Л.Н.Ромашев, В.В.Устинов, Письма в ЖЭТФ 67, 690 (1998).

22. А. В. Drovosekov, D. I. Kholin, A. N. Kolmogorov, N. М. Kreines, V. F. Mescheriakov, M. A. Miliayev, L. N. Romashev, V. V. Ustinov, J. Magn. Magn. Mat. 198-199,455 (1999).

23. А. Б. Дровосеков, О. В. Жотикова, Н. М. Крейнес, В. Ф. Мещеряков, М. А. Миляев, Л. Н. Ромашев, В. В. Устинов, Д. И. Холин, ЖЭТФ 116,1817 (1999).

24. А. В. Drovosekov, D. I. Kholin, N. М. Kreines, О. V. Zhotikova, S. О. Demokritov, J Magn. Magn Mat. 226-230,1779(2001).

25. A. B. Drovosekov, D. I. Kholin, N. M. Kreines, V. F. Mescheriakov, M. A. Milyaev, L. N. Romashev, V. V. Ustinov, The Physics of Metals and Metallograph 91, Suppl. 1, S38 (2001).

26. A. B. Drovosekov, D. I. Kholin, N. M. Kreines, V. F. Mescheriakov, M. A. Milyaev, L. N. Romashev, V. V. Ustinov, The Physics of Metals and Metallograph 91, Suppl. 1, S74 (2001).

27. Н. М. Крейнес, Д. И. Холин, С.О.Демокритов, М.Рикарт, Письма в ЖЭТФ 78, 1121 (2003).

28. Sergey О. Demokritov, Alexey В. Drovosekov, Dmitry I. Kholin, Natalia M. Kreines, J. Magn. Magn. Mat. 258-259, 391 (2003).

29. S. O. Demokritov, A. B. Drovosekov, D. I. Kholin, N. M. Kreines, H. Nembach, M. Rickart, J. Magn. Magn. Mat. 212-116, E963 (2004).

30. Д. И. Холин, Н. М. Крейнес, Новые магнитные материалы микроэлектроники, Сборник трудов XIX международной школы-семинара, Москва, стр. 431 (2004).

31. М. Buchmeier, В. К. Kuanr, R. R. Gareev, D. E. Biirgler, and P. Griinberg, Phys. Rev. В 67, 184404(2003).

Отпечатано в копицентре Москва, Ленинские горы, МГУ, 1-й ГУМ. www.stprint.ru e-mail: zakaz@stprint.ru тел.939-33-38 Тираж 100 экз. Подписано в печать 03.06.2005г.

« .«"»»ijb.tn

Введение.

Глава 1. Межслойное взаимодействие в многослойных магнитных системах.

§ 1.1. Устройство образцов, общие представления об изучаемой системе.

§ 1.2. Основные принципы выращивания многослойных магнитных структур методом молекулярно-лучевой эпитаксии.

§1.3. История вопроса.

Глава 2. Исследование сверхрешеток [Fe/Cr]^ методом ферромагнитного резонанса.

§ 2.1. Устройство образцов, общие представления об изучаемой системе.

§ 2.2. Экспериментальные результаты.

§ 2.3. Анализ экспериментальных результатов.

2.3.1. Аналитический анализ кривых намагничивания и спектров.

2.3.2. Численный расчет статических и динамических свойств сверхрешетки с конечным количеством слоев.

§ 2.4. Выводы.

Глава 3. Исследования межслойного обмена в трехслойных образцах Fe/Cr/Fe с прослойкой в форме клина при комнатной температуре.

§ 3.1. Методика получения образцов.

§ 3.2. Методика измерений.

3.2.1 Измерение кривых намагничивания образцов при комнатной температуре с помощью меридионального эффекта Керра.

3.2.2. Измерение спектров спиновых волн методом мандельштам-бриллюэновского рассеяния света.

§ 3.3. Экспериментальные результаты.

§ 3.4. Численный расчет кривых намагничивания и спектров МБРС трехслойных образцов.

3.4.1. Методика расчета с учетом деформации магнитной структуры ферромагнитных слоев в приложенном магнитном поле.

3.4.2. Результаты численных расчетов.

§ 3.5. Анализ экспериментальных результатов.

§ 3.6 Сопоставление магнитометрических данных с данными туннельной микроскопии.

§3.7 Выводы.

Глава 4. Исследование зависимости межслойного обмена от температуры.

§4.1. Введение.

§ 4.2. Методика измерений.

§ 4.3. Экспериментальные результаты.

§ 4.4. Температурная зависимость билинейного обмена.

§ 4.5. Температурная зависимость биквадратичного обмена.

§4.6. Выводы.

Заметный всплеск интереса к изучению многослойных магнитных структур начался около 20 лет назад и был связан с существенным прогрессом в технологии получения сверхтонких металлических пленок [1,2]. Метод молекулярно-лучевой эпитаксии позволил создавать монокристаллические многослойные образцы с достаточно гладкими границами раздела слоев. В течение нескольких лет в этих структурах были обнаружены крайне интересные как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения явления: антипараллельное упорядочение ферромагнитных слоев [3,4], гигантское магни-тосопротивление [5], длинноволновые [6] и коротковолновые [7] осцилляции межслой-ного обмена как функции толщины прослойки, а несколько позднее — неколлинеарное межслойное упорядочение ферромагнитных слоев [8, 9].

Практически все перечисленные выше явления впервые были обнаружены в системе Fe/Cr/Fe. Однако в дальнейшем они наблюдались и в большом количестве других систем как с антиферромагнитной прослойкой (в первую очередь Мп), так и с прослойками из немагнитных металлов (Си, Аи, Ag и т.д.). Поскольку обнаруженные эффекты сулили огромные возможности для приложений в области высоких технологий, в течение полутора десятков лет количество публикаций на эту тему было весьма значительно.

В объемном хроме температура Нееля составляет 311 К, а при толщине слоя около 200 А начинает быстро падать и обращается в ноль ниже приблизительно 40 А [10]. Поэтому прослойка хрома при толщине менее 40 А, а для комнатных температур и при большей толщине, считалась долгое время немагнитной. Позднее было обнаружено, что именно в системах Fe/Cr/Fe антиферромагнитный порядок в хроме сохраняется и при температурах существенно выше точки разрушения обычного, объемного антиферромагнитного упорядочения [11, 12]. Существование этой особой антиферромагнитной фазы авторы работы [13] связывают с перераспределением зарядовой и спиновой плотности вблизи границы раздела железа и хрома. Благодаря существованию этой фазы температура разрушения антиферромагнетизма в хромовой прослойке увеличивается с уменьшением ее толщины и при толщинах около 10 А достигает 600-700 К [11, 12].

Был предложен ряд теоретических моделей, объясняющих механизм межслойного взаимодействия через немагнитоупорядоченную прослойку в рамках взаимодействия через газ свободных электронов [14-16]. Эффекты неколлинеарного магнитного упорядочения объяснялись при этом шероховатостью межслойных границ [17] либо присутствием в прослойке парамагнитных примесей [18] (см. также обзор [19]). Для случая взаимодействия через антиферромагнитную прослойку также был развит ряд моделей, в которых неколлинеарное магнитное упорядочение объяснялось шероховатостью межслойных границ и связанной с ней фрустрацией обмена на границе железо-хром [20,21,22, 23].

Для феноменологического описания межслойного взаимодействия двух ферромагнитных слоев через неферромагнитную прослойку была предложена так называемая модель би-квадратичного обмена [8,24]. Эта модель нашла микроскопическое обоснование как для случая немагнитной прослойки [17, 18,16], так и для систем с антиферромагнитной прослойкой в случае большой шероховатости межслойных границ [13,21,23].

Для случая антиферромагнитной прослойки и достаточно гладких границ раздела были предложены также другие формы записи энергии межслойного обмена: так называемая модель "магнитной близости" [20] и модель "половинного угла", возникающая при слабом обмене на границе железо-хром [21, 22].

Модель биквадратичиого обмена была успешно использована многими авторами для описания экспериментальных результатов, полученных для систем с немагнитоупоря-доченными прослойками (см. обзор [19]). Модель магнитной близости, в свою очередь, нашла подтверждение для прослоек марганца [25, 26].

Ситуация с хромом оказалась более сложной. Для описания экспериментальных данных для этой системы все авторы использовали только модель биквадратичиого обмена, хотя получающиеся при этом соотношения обменных констант часто выходили за теоретически обоснованные границы. В то же время попытки использовать для описания систем Fe/Cr/Fe другие модели заканчивались неудачей [26,55]. При этом предсказываемый теорией переход от модели биквадратичиого обмена к моделям магнитной близости или половинного угла, который должен иметь место при достижении достаточной гладкости межслойных границ раздела, никогда экспериментально не наблюдался.

Таким образом, к моменту постановки настоящей работы вопрос о механизме меж-слойного обмена в системе железо-хром оставался открытым. Экспериментальные данные, которые бы однозначно связывали природу межслойного обмена в этой системе с антиферромагнитным упорядочением хромовой прослойки, фактически отсутствовали. Вопрос о механизме межслойного взаимодействия в самой популярной и, казалось бы, наиболее изученной системе Fe/Cr/Fe так и оставался нерешенным. Между тем поток экспериментальных публикаций по данной тематике практически иссяк, и чтобы все же ответить на поставленный вопрос, необходимы были новые систематические экспериментальные исследования межслойного обмена в этой системе.

Цель работы

Целью данной работы было подтвердить либо опровергнуть сложившуюся в последнее время точку зрения, что межслойное взаимодействие в системе Fe/Cr/Fe связано с антиферромагнитным упорядочением хромовой прослойки. Для этого было проведено подробное экспериментальное исследование межслойного обмена в наиболее интересном с прикладной точки зрения диапазоне толщин хрома от 0 до 40 А при различной шероховатости границ раздела и в достаточно широком интервале температур.

Положения, выносимые на защиту

1. В серии сверхрешеток [Fe/Cr]^ методом ФМР, помимо акустической и оптической резонансных мод, обнаружены промежуточные моды колебаний, соответствующие. сдвигу фаз прецессии намагниченности в соседних ферромагнитных слоях, отличному от 0 и 71.

2. Магнитооптическими методами исследований на трехслойных образцах экспериментально продемонстрировано, что при достаточно гладких межслойных границах модель биквадратичиого обмена, широко использовавшаяся для описания системы Fe/Cr/Fe ранее, утрачивает свою применимость.

3. Экспериментально получены температурные зависимости межслойного обмена, которые подтверждают, что механизм обмена в системе Fe/Cr/Fe связан с зарядово-индуцированной волной спиновой плотности в хромовой прослойке.

Научная новизна и ценность работы

В данной работе были проведены систематические исследования межслойного обмена в системе Fe/Cr/Fe как на образцах типа "сверхрешетка" (с большим количеством чередующихся слоев железа и хрома), так и в трехслойных образцах с контролируемой шероховатостью межслойных границ. Исследования были проведены в диапазоне толщин хромовой прослойки от 0 до 40 А и при температурах от 77 до 473 К. Для повышения надежности полученных результатов были использованы одновременно несколько экспериментальных методик, дающих информацию как о статических (измерение кривых намагничивания), так и о динамических (ФМР и мандельштам-бриллюэновское рассеяние света) свойствах изучаемой системы.

Впервые было экспериментально продемонстрировано, что при достигнутом нами на ряде образцов высоком качестве межслойных границ модель биквадратичного обмена, как и предсказывается существующими теориями, утрачивает свою применимость. Экспериментально достигнутая граница области применимости этой модели находится в хорошем соответствии с оценками, основывающимися на наличии у хромовой прослойки собственной магнитной жесткости.

Анализ полученных температурных зависимостей показывает, что наши данные находятся в хорошем соответствии с известной из нейтронографических исследований [12] магнитной фазовой диаграммой тонких слоев хрома, граничащих со слоями железа.

Полученные в работе результаты подтверждают, что межслойный обмен в системе Fe/Cr/Fe действительно связан с антиферромагнетизмом тонких слоев хрома. Данные результаты являются новыми и вносят существенный вклад в наши представления о межслойном взаимодействии в многослойных магнитных системах.

Практическая ценность работы

Высокий прикладной интерес к многослойным магнитным системам связан с возможностью их использования в области высоких технологий. Такие эффекты как гигантское магнитосопротивление, антипараллельное упорядочение соседних ферромагнитных слоев, а также возможность получать структуры с требуемой величиной и знаком межслойного обмена позволяют создавать на их основе компактные датчики магнитного поля, ячейки энергонезависимой памяти для вычислительной техники, магнитные вентили и т.д. Система Fe/Cr/Fe является в этом отношении одной из наиболее перспективных в связи с большой величиной межслойного обмена и, как следствие, высокими полями насыщения, которые достигаются в данной структуре.

В силу всего этого понимание механизма межслойного обмена именно в системе Fe/Cr/Fe является крайне важным для приложений.

Апробация работы и публикации

Результаты данной работы были доложены на 12 семинарах и конференциях, включая 7 международных. По результатам работы опубликовано 11 статей в реферируемых научных журналах [23, 27-36], из них 6 — в отечественных.

Содержание работы

Диссертационная работа состоит из данного введения, четырех глав, заключения, приложения и списка цитируемой литературы.

§ 4.6. Выводы

Наши исследования температурной зависимости межслойного обмена в системе Fe/Cr/Fe в диапазоне толщин хромовой прослойки от 0 до 40 А позволили явно продемонстрировать связь коротковолновой части билинейного обмена с наличием зарядово-индуцированной волны спиновой плотности в хромовой прослойке. Температурная зависимость биквадратичиого обмена оказывается также непосредственно связанной с температурой Нееля в прослойке. Если для более толстых слоев хрома аналогичные результаты сообщались ранее в работах других авторов [61], то при толщине хрома менее 40 А такой результат получен нами впервые.

При этом нам не удалось описать весь полученный нами набор экспериментальных данных формулами, предлагаемыми какой-либо одной теоретической моделью. Для решения этой задачи требуется, по-видимому, дальнейшее развитие современных теоретических представлений.

Длинноволновая часть билинейного обмена зависит от температуры существенно слабее. Это позволяет говорить о том, что ее происхождение не связано с антиферромагнетизмом хромовой прослойки и может описываться как взаимодействие через газ свободных электронов в духе модели RKKY.

4.7)

Заключение

В заключение сформулируем основные результаты диссертации.

1. Проведено исследование спектров ФМР в серии сверхрешеток [Fe/Cr]^ при комнатной температуре. Наряду с акустической и оптической резонансными модами, впервые обнаружены промежуточные моды колебаний, соответствующие сдвигу фаз прецессии намагниченности в соседних ферромагнитных слоях, отличному от 0 и к.

2. В рамках модели биквадратичного обмена проведен численный расчет кривых намагничивания и спектров ФМР, учитывающий конечность числа слоев в используемых сверхрешетках. Расчет позволил количественно описать как экспериментальные кривые намагничивания, так и спектры ФМР в изученных сверхрешетках.

3. Методом молекулярно-лучевой эпитаксии изготовлена серия трехслойных образцов Fe/Cr/Fe с клинообразными прослойками хрома и различной шероховатостью границ раздела слоев,

4. Методами керровской магнитометрии и мандельштам-бриллюэновского рассеяния света в трехслойных образцах Fe/Cr/Fe проведено подробное экспериментальное исследование межслойного взаимодействия как функции толщины прослойки (в диапазоне 0-40 А) и температуры (в диапазоне 77-473 К) при различной шероховатости границ раздела слоев.

5. Впервые экспериментально продемонстрировано, что при достаточно гладких меж-слойных границах модель биквадратичного обмена, широко использовавшаяся для описания системы Fe/Cr/Fe ранее, утрачивает свою применимость.

6. Полученные температурные зависимости межслойного обмена подтверждают представления о том, что механизм обмена в системе Fe/Cr/Fe связан с зарядово-индуцированной волной спиновой плотности в хромовой прослойке.

Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю Н. М. Крейнес за удачно поставленную задачу, мудрое научное руководство и организационные усилия, сделавшие возможным выполнение данной работы;

A. Б. Дровосекова за полезные дискуссии и помощь при проведении измерений;

B. Ф. Мещерякову за помощь в наладке экспериментального оборудования на начальном этапе работ;

В. В. Устинову, JI. Н. Ромашеву и М. А. Миляеву за предоставленные образцы, многочисленные полезные обсуждения и плодотворное соавторство;

В. В. Тугушеву и А. И. Морозову за разъяснение многих теоретических аспектов данной тематики и общестимулирующие беседы;

Б. Хиллебрандсу за предоставленную возможность использовать для выполнения данной работы оборудование его лаборатории в Техническом Университете г. Кайзерслаутерна;

М. Рикарту за помощь при работе с туннельным микроскопом.

Особую благодарность автор выражает С. О. Демокритову за доброжелательную поддержку и огромную фактическую помощь, благодаря которой существенная часть из

1. P. Griinberg, J. Appl. Phys. 57, 3673 (1985).

2. M. Grimsditch, Mahbub R. Khan, A. Kueny and Ivan K. Schuller, Phys. Rev. Lett. 51, 498 (1983).

3. P. Griinberg, R. Schreiber, and Y. Pang, Phys. Rev. Lett. 57,2442 (1986).

4. C. Carbone and S.F. Alvarado, Phys. Rev. В 36,2433 (1987).

5. M. N. Baibich, J. M. Broto, A. Fert, F. Nguyen Van Dau, and F. Petroff, Phys. Rev. Lett. 61 2472 (1988).

6. S. S. P. Parkin, N. More, and K. P. Roche, Phys. Rev. Lett. 64,2304 (1990).

7. J. Unguris, R. J. Celotta, and D. T. Piers, Phys. Rev. Lett. 67, 140 (1991).

8. M. Ruhrig, R. Schafer, A. Hubert, R. Mosler, J. A. Wolf, S. O. Demokritov, P. Griinberg, Phys. Stat. Sol. A 125,635(1991).

9. A. Schreyer, J. F. Anker, Th. Zeidler, H. Zabel, M. Schafer, J. A. Wolf, P. Griinberg, C. F. Majkrzak, Phys. Rev. В 52, 16066(1995).

10. E. E. Fullerton, К. T. Riggs, С. H. Sowers, S. D. Bader, and A. Berger, Phys. Rev. Lett. 75, 330 (1995).

11. T. Schmitte, A. Schreyer, V. Leiner, R. Siebrecht, K. Theis-Brohl and H. Zabel, Europhys. Lett. 48, 692 (1999).

12. H. Zabel, J. Phys:. Condens. Matter. 11, 9303 (1999).

13. В. H. Меньшов, В. В. Тугушев, ЖЭТФ 12, 899 (2001).

14. D.M. Edwards, J. Mathon, R.B. Muniz, and M.S. Phan, Phys. Rev. Lett. 67, 493 (1991).

15. P. Bruno and C. Chappert, Phys. Rev. В 46, 261 (1992).

16. P. Bruno, Phys. Rev. В 52,411 (1995).

17. J. C. Slonczewski, Phys. Rev. Lett. 67, 3172 (1991).

18. J. C. Slonczewski, J. Appl. Phys. 73, 5957 (1993).

19. S. O. Demokritov, J. Phys. D: Appl.Phys. 31,925 (1998).

20. J. C. Slonczewski, J. Magn. Magn. Mater. 150, 13 (1995).

21. А. И. Морозов, А. С. Сигов, Ф7Т41 (1999) 1240.

22. В. H. Меньшов, В. В. Тугушев, ЖЭТФ 125, 136 (2003).23*С. О. Демокритов, А. Б. Дровосеков, Н. М. Крейнес, X. Нембах, М. Рикарт, Д. И. Холин, ЖЭТФ 122, 1233(2002).

23. В. Heinrich, J. F. Cochran, M. Kowalewski, J. Kirschner, Z. Celinski, A. S. Arrott, and K. Myrtle, Phys.Rev. В 44, 9348(1991).

24. M. Chirita, G. Robins, R. L. Stamps, and R. Sooryakumar, M. E. Filipkowski, C. J. Gutierrez, G. A. Prinz, Phys. Rev. В 58, 869 (1998).

25. D. T. Pierce, A. D. Davies, J. A. Stroscio, D. A. Tulchinsky, J. Unguris, R. J. Celotta, J. Magn. Magn. Mater. 222, 13 (2000).

26. А. Б. Дровосеков, H. M. Крейнес, Д. И. Холин, В. Ф. Мещеряков, М. А. Миляев, JI. Н. Ромашев, В. В. Устинов, Письма в ЖЭТФ 67, 690 (1998).

27. А. В. Drovosekov, D. I. Kholin, А. N. Kolmogorov, N. М. Kreines, V. F. Mescheriakov, M. A. Miliayev, L. N. Romashev, V. V. Ustinov, J. Magn. Magn. Mat. 198-199,455 (1999).

28. А. Б. Дровосеков, О. В. Жотикова, Н. М. Крейнес, В. Ф. Мещеряков, М. А. Миляев, JI. Н. Ромашев, В. В. Устинов, Д. И. Холин, ЖЭТФ 116, 1817 (1999).

29. А. В. Drovosekov, D. I. Kholin, N. М. Kreines, О. V. Zhotikova, S. О. Demokritov, J. Magn. Magn. Mat. 226-230, 1779(2001).

30. А. В. Drovosekov, D. I. Kholin, N. М. Kreines, V. F. Mescheriakov, M. A. Milyaev, L. N. Romashev, V. V. Ustinov, The Physics of Metals and Metallograph 91, Suppl. 1, S38 (2001).

31. A. B. Drovosekov, D. I. Kholin, N. M. Kreines, V. F. Mescheriakov, M. A. Milyaev, L. N. Romashev, V. V. Ustinov, The Physics of Metals and Metallograph 91, Suppl. 1, S74 (2001).

32. H. M. Крейнес, Д. И. Холин, С. О. Демокритов, М. Рикарт, ПисьмавЖЭТФ 78, 1121 (2003).

33. S. О. Demokritov, А. В. Drovosekov, D.I. Kholin, N.M. Kreines, J, Magn. Magn. Mat. 258-259, 391 (2003).

34. S. O. Demokritov, A. B. Drovosekov, D. I. Kholin, N. M. Kreines, H. Nembach, M. Rickart, J. Magn. Magn. Mat. 272-276, E963 (2004).

35. S.O. Demokritov, C. Bayer, S. Poppe, M. Rickart, J. Fassbender, B. Hillebrands, D.I. Kholin, N.M. Kreines and O.M. Liedke, Phys. Rev. Lett. 90, 097201 (2003).

36. D. T. Pierce, J. Unguris, R. J. Celotta, M. D. Stiles, J. Magn. Magn. Mat. 200,290 (1999).

37. M. A. Ruderman, and C. Kittel, Phys. Rev. 96, 99 (1954).

38. M. D. Stiles, Phys. Rev. В 48, 7238 (1993).

39. V. V. Ustinov, N. G. Bebenin, L. N. Romashev, V. I. Minin, M. A. Milyaev, A. R. Del, and

40. A. V. Semerikov, Phys. Rev. В 54, 15958 (1996).

41. R. P. Erickson, К. B. Hathaway and J. R. Cullen, Phys. Rev. В 47, 2626 (1993).

42. D. M. Edwards, J. M. Ward and J. Mathon, J. Magn.Magn. Mater. 126, 380 (1993).

43. S. O. Demokritov, E. Tsymbal, P. Gr'unberg, W. Zinn, and I. K. Schuller, Phys. Rev. В 49, 720 (1994).

44. E. Fawcett, Rev. Mod. Phys. 60, 209 (1988).

45. В. В. Устинов, В. А. Цурин, JI. H. Ромашев, В. В. Овчинников, Письма в ЖТФ 25, 88 (1999).

46. В. В. Устинов, Т. П. Криницина, В. В. Попов, В. К. Пушин, А. М. Бурханов, М. А. Миляев,

47. B. И. Минин, А. А. Панкратов, А. В. Семериков, ФММ84, 161 (1997).

48. N. G. Bebenin, А. V. Kobelev, А. P. Tankeyev, V. V. Ustinov, J. Magn. Magn. Mat. 165,469 (1997).

49. Z. Zhang, L. Zhou, P. E. Wigen, K. Ounadiela, Phys. Rev. В 50, 6094 (1994).

50. H.M. Крейнес, Физика низких температур 28, 807 (2002).

51. S.M. Rezende, С. Chesman, M.A. Lucena, A. Azevedo, F.M. de Aguiar, S.S. P. Parkin, J. Appl. Phys. 84, 958 (1998).

52. M. Buchmeier, В. K. Kuanr, R. R. Gareev, D. E. Burgler, and P. Griinberg, Phys. Rev. В 67, 184404 (2003).

53. Д. И. Холин, Н. М. Крейнес, Новые магнитные материалы микроэлектроники, Сборник трудов XIX международной школы-семинара, Москва, стр. 431 (2004).

54. В. Heinrich and J. Cochran, Adv. Phys. 42, 523 (1993).54. http://www.nr.com

55. B. Heinrich, J.F. Cochran, T. Monchesky, and R. Urban, Phys. Rev. В 59, 14520 (1990).

56. Г. С. Кринчик. Физика магнитных явлений. Издательство Московского университета. Москва 1976.

57. A. S. Borovik-Romanov and N. М. Kreines, Physics Reports 81, No. 5 (1982).

58. В. Hillebrands, Brillouin Light Scattering from Layered Magnetic Structures. Topics in Applied Physics, vol.75. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2000.

59. A. Azevedo, C. Chesman, M. Lucena, F. M. de Aguiar, S. M. Rezende, S. S. P. Parkin, J. Magn. Magn. Mat. 177-181, 1177(1998).

60. A. Fert, P. Griinberg, A. Barthelemy, F. Petroff, W. Zinn, J. Magn. Magn. Mat. 140-144, 1 (1995).

61. J. Dekoster, J. Meersschaut, S.Hogg, S. Mangin, E. Nordstrok, A. Vantomme, G. Langouche, J. Magn. Magn. Mat. 198-199, 303 (1999).