Непланарная одноосная анизотропия поликристаллических и слойистых пленок на основе никеля и кобальта тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

од

. . ||

к,..'О

НАЦИОНАЛЬНА. ЖАДЕМ1Я НАУК УКРА1НИ 1НОТИТУТ МЕХМ0Ф13ИКИ

На правах рукопнсу УДК 538.22 : 539.23

КАКАЗЕЙ ГЛ1Б МИКОШЮВИЧ

НЕПЛАНАРНА ОДНООСНА АШ30ТР0П1Я ПОЛ IКРКСТАЛIЧНИХ ТА ШАРОВИХ ПЛ1ВОК НА ОСНОВ1 Н1КЕЛЮ ТА КОБАЛЬТУ

01.04.13 - ф!зика мэтал!в

АВТОРЕФЕРАТ дасертац! 1 на здобуття наукового ступвня кандидата ф1зико-мзтематичшос наук

КШВ-1996

Дисартац1я е рукошсом.

Робота викокзнз в Iнститут! мэтзлоф!зикк HAH УкрзТни Науков! кэр!вники: - доктор ф!з.-мат. наук, профвсор Погор1лиа Аяатол!й Миколзйович

- кандидат ф!з.-мат. наук JitcsKK Нзтал!я АндрПвна

0ф1ц1Лн! опонэнти: - доктор ф1з.-мат. наук

Кудршцэв И.В. (1КФ HAH Укра!ни)

- кандидат ф!з.-мзт. наук, доцент

Зав I сляк 1.В. (Нац1 онадьниг Ун!варсшвт) Пров!дна орган!зац!я: - Харк!вськи2 пал!техн1чний !нститут

Захист в!д5удеться " 3 " /¡^J^Sf 189 р. о ^

годин! на зас(даш( Опвц!ал!зовзнноТ Вчано! Ради Д СИ .75.01

при Iнститут! Ыеталоф!зики HAH УкраТни за адрэсою: 252680, Ки1в-142, бульв. акад. Вернадоького, 36.

3 дасертац!ею можна ознайамитися у науков!й б10л!отец! 1нстигута мэтзлоф!зики HAH УкраТни.

) $ Авторрефэрат роз!слано " // " TPflОШ? 199^? р.

Вчений сакретар Сшц1ал!зованоТ Вчвно! Рада доктор ф!з.-мзт. наук

— Шщак В.К.

Загальна характеристике робота

АктуальШеть токи. Ода!ею з на!Й!жп важливих проблем ф!зикн магн!тних пвшд в маталах е еивчэння природа магн1тно! ан1зотропИ, оск1льки сама ан!зотроп!я вкзначае так! магн!тн! властивост!, як докенна структура, прсирси гарзмэш 1 чунання, г!стерезисн! явища 1 т.д. Магн1тяа ан!зотроп!я в пол1кристал!чних пл!вках е структурно чутливою властив!отю, оск!льки сильно залажнть в1д !х реально! структури: близького порядку, форми кристалит!в, структура та складу кэй кристэлит1в, напружень у пл1вц! ! т.д. В ц!а робот! були досл!даэн1 шНвки з нвпланарною ан1зотроп!ею, тобто з одноосной ан1зотроп!ею, яка характерtsyeTbca стзлоо К t в!ссю легкого намагн!чуваши» ир виходить з 1Ш329Ш1 пл1вки. Окремим випадкш одноосно1 ан!зотроп!1 е горвэндккулярна ан!зотроп!я.

В осташ! роки значна увага прид!лялась досл!дженшз перпендикулярно! ан!зотроп!Г в багатошзрових пл1вках, як! складаються з 1ЮСл!довеост1 шар!в шрэ1!дниа метал немагн1тЕИЗ кетал, шр чаргукггься м1ж собою. Так! пл1вяи вважааться пврслэкгивним матер! алом для систем запису !нфориац!!. Нззважаичи на зуешия, затрачен! як в ексшрш9нтальн1а, так ! в теоретична галуз1, природа повэрхнввоТ ан1затроп1Т залишилась не до к!нця з'ясованохз, оск!лыск для номинально екв!валюнтних систем в р1зних роботах були отркман1 суттев1 розкиди величин поверхнево! та об'емно! ан!зо-фоп!2.

В тоа жэ час в!домо, що щз в середин! 60-х рок!в велика пэрпвнд1нулярнз ан!зотроп!я с1шстэр!галась в

дрtбнокристал 1чних пл!вках Зй-штая1в, зокрвка в н!кел!. У ц!лому вс1 висновки дих роб 1т носили якЮниа характер, в кошному вкладку розглядався лише один механ!зм перпендикулярноТ ан!зотроп!1, теоретичн1 та ексгоршентальн1 результата не сп!впадали. Дяя з'ясування рол1 кожного иехан(зму та оц1нки максимально! величини перпендикулярно! ан!зотропП, яку можнэ отршати в таких пл1вках потр1бно було провести б!льа докладнэ, комплэнсне дпсл!дн©ння !х магн!тних та структурам властивостей.

Такш чином, дасл1дазння механ1зм!в неплзнаряо! ан1зотропН одно- та багатошарових пл!вок на основ! пэрех!дащ: метал! в е актуальною задачею як для розун1ння фундамвнтальних шггань ф!зики гхл!вок, так 1 для отримання шПвок з параметрами, дозволяючиш використовувата 12 в в-взктронид!, особливо в систомзх запису ¡нформац!!.

Наукова задача роботк - визначенна внеск!в р!зних мэхан!зм1в в формування перпендикулярно! ан!зотропН панокркстал! чнжх пл!вок н!к8ля 1 кобальту та багатоашрових шс!вок на основ! кобальту, розробка матод1в визначення параметр (в напланарно! одноосно! ан!зотроп!1 пл!вок.

Наукова новизна робота полягзе у току, що вшрш: проведано комшюнснэ досл!даеняя формування горпвндакулярно! ан1зотроп11 в нанонристаличних пл!вках горах !дзшх м8тзл1в. Виявланс оанавн1 механ!зии трдандикулярно! ан!зотроп1! та встгнавлзно внесок кожного з них. Вкявлэео, пуз при товгдин! пл!вок Ы! близька 20 нм в1дЗуваеться зм1на знаку стало! ефзктивно! ан!зотроп!1 пл1вки.

- експвримэнтально спостер1гався ефекг, названий "гЮтерэзисом сигналу ферокагн1тного резонансу у високих полях".

- розроблэно методику визначення параметр 1в нахилэно! ан1зотропП нагн!тних пл1вок методом феромагн!тного резонансу. Використання ц1еТ методики дозволило виявиги в!даилення ос1 ан1зотроп1! даяких отриманих нормальним осадаэнням багатошарових пл!вок Со/Рй та одаошарових пл1вок гарех!дша: метал! в в1д норма л! до пл1вки.

Наукова 1 практична ц!нн!сть ррботи. Проведан! досл1-дкэння дозволили виявити основн! законом!рност! формування гарпондакулярш! магн1тно! ан!зотроп!Т нанокристал1чних пл1вок шрех1дних метал!в. Ззпропоновано конкретн! катода »«значения параметр!в дов1льно ор!енговано1 одноосно! ан1зотроп1! магн1тних пл1вок. 0триман1 результата можуть бути використзниаш при розроОц! систем таршндикулярЕого запису !нформацП.

На захист виносяться так! науков! положения:

1. Модаф1кац!я розмзгн 1 чукгсого фактора пд!вки.

обуковлвна магн!тостатитаим шхзн!зшм, дзе основниа знэсок в парпзядикулярну ан!зотроп1ю нанокристал!чких пл!вок 3d -штзл!в, пркчому величина цього внэску зростае !з зб!лыпенням намагн1чаност! шг1вни.

2. 1з 3öt льшеннгга тавщини нанокристал t чних шивок н1к9ля при наявност! в них знэчних розтягуших напрут в!дбуваеться горох!д вектора намагнIчаностt в!д площинно! opl ентац! I до тарпэндикуляриоТ, обумовлениа зростанням магн!тостатичного внэску в шрпвндикулярну ан!зотроп!ю та, як наел!док, зм1нои знака стало! ефохсгавна! ан1зотропП пя1вки.

3. 2м!на гор! оду залвжност! поля фершагн1тного резонансу в!д аз!мутального кута прикладного магн!тного поля при ЗМ9НЫЕ8НН t полярного кута в1добрзжуе наквн!сть в пл!вц1 нахкленоГ зн1зотроп11 1 дозволяв визнатаги ! Т параметра.

Апробац! я робота. Основн! результата робота допов!дались та були представленt на:

1. I Республиканская кэжвузавскаа научной конфзронции "Актуальные проблемы физики твердого тала, радиофизики и теплофизики", Ашхабад, Туркмения, 4-6 апреля <1991>.

2. Укра!нсько-шлъському сэм!нар! з ф1зики магн!тних явгац, Ки1в, 12-14 травня (1992)

3. XIII Всесоюзной конференции "Вовне магнитные материала миировлэктроники, Астрахань, Россия, 21-26 сентября (1992).

4. VI науковому сем!нар! "Ф!зина магн!тиих явищ", Донецьк, 24-29 травня (1993)

5. International Conference on magnetism (ICM-94), Warsaw, Poland, 22-26 August (1994)

6.НАТО Advanced Study Institute "Frontiers in Nanoacale Science of Micron/Sutmicron Devices", Kiev, Ukraine, August 16-27 (1995)

7. Europian Magnetic Materials and Applicatioa Conference (ЕША'95), Vienna, Austria, 3-8 September (1995)

Кр1м того, катар!али дисерггацП допов!дались на наукових сен!нарах Шституту мэтзлофIзиск.

Публ!кац!1. За матер!алани дисартацП обубл!ковано 13

-б-

наукових праць, в тому чисд! 5 статей в журналах та 8 тез допов'даг на наукових конферэнц!ях.

Структура та об'ем робота. Дисертац1ана робота вккладэна на 129 стор!нках t складаеться з вступу, чотирьох глав, bhchqbkIb та списку використано! л!тератури, що вшшчае 1С5 нагмэнувань/ вм1щуе 27 рисунЮв та 2 таблиц!

Одобистий внэсок автора. Дисвртантом базпосэрвднъо були отршан1 нанокркстал1чн1 пл1вкк N1 та Со, доведано !х доел ¡доения за догюмогою влэктроно! м1кроекопП (в тому числ! 1 лоренцовсько!), розроблэно програмк для розрахунк!в кутовжг залешостей поля ФМР та визначення магн!тних параметр!в пл1вок. Иому також налажшъ значна роль в 1нт8рпрзтац11 отриманих результат!в.

Об'ектами досл!д«эння були нанокристал!чн! шг!вкй КI га Со, осадаен! елзктронно - проманавим катодом на п!дкладки з слюда та склз, а також багатошаров! пл!вки Со/Рй, осадаен1 катодаим розшивнням при пост! гному струм! пар к ¡июней Со та Pel, розтаггаваЕШ одна над 1тюю.

Основе! нэтоди досл!дкання: феромагн!тний резонанс, ядэрний магж1тниг резонанс, проев!чукча елактронна м!кроскоп!я, лорэнц1вська м!кроскоп!я, Ожэ - электронна спектроскоп!я, комп'ютерна обробка результат!в, комп'кггерне моделювання.

ОСНОВНМ 3MI01 Р0Б01И

У вступ! обговорнзеться актуальн1сть дисвртац!йно! робота, викладэно мэту ! завдання досл1дшння, в1деначено наукову новизну 1 практичну ц!нн!сть одержаних разультат!в, сформульовано положения, що виносяться на захист.

В пэрш!а глав! представлено оглад л!тературних даних про непланарку ан!затроп1ю в одно- та багатошарових пл!вках на основ! Зй-фэромаг!тних мвтал!в. В шршому розд1л1 вводиться поняття шршндккуллрно I ан!зотроп!1 та II 0!льш загалъного випадку - непланарно! ан!зотроп!1. Пот1« розглядаюгься причини виникнання паршндикулярноI (непланарно Г) ан!зотроп!1 в одношарових пл!вках. Шдкрвслюеться, що в реальних пл!вках величина ан!зотроп!!

залэжить не ст!льки в1д сталих матер!ала, ск!льки в!д кого структурного стану. Коша ввд!лити дэк!лька ф!зичних механ!зм!в виникнення ан!зотроп!1: 1 - кагн!токристалIчкиа/ 2 - магн ! топружний/ 3 - млгн ! тостатичния, обумовлениа д!шль- д!польною взаекод!ею, який мае настухш1 форми реал!зац!I :

- ан!зотрошиз розпод!л дефект!в по межах нристал!т!в/

- ан!зотроп1я форми зразка (макроскоп1чна ан!зотроп!я форми)

- ан!зотроп!я форми елэмент!в структура <м1кроскоп!чна чи Енутр!пня ан! зотроп! я форми.

Вс! ц! механ!зми детально обговориоться в другому четвертому розд!лах. В п'ятену розд!л! розглянуто результата попередн!х досл!джень перпендикулярноТ ан!зотроп!! др!бнокристал1чЕих пл!вок Зй - кетал1в. Шдкреслюеться, що б!лып!сть висновк!в цих роб!т мали ян1сний характер, в кожному випадку враховувався т!льки один механ!зм, теоретичн! та екешриментальн! результата не сп! впадали. Зроблено висновок про доц1льн!сть подалыдого вивчення механ!зм Î в форчування перпендикулярно I ан 1 зотроп 11 др!бнокристал!чних ил1вак 3d - метал!в як перспективного матер!алу для систем ыагн!тного запису 1нформац!1.

В шостому розд!л! розглядаеться перпендикулярна ан!зотроп!я в нових системах - в багатошарових пл!вках феромэгн!тний метал - благородний метал, товщина кожного з шар!в не горевкцуе к1лькох нанометр!в. Ще десять рок!в тому було визначено, що 1Етерфэйс грае головну роль в формуванн! велико! перпендикулярно! ан!зотроп!! таких систем î запропоноваво формулу, що феноменологt4HO встановлюе зв'язок м!ж 1нт8рфэйсною, об'емною та Bmlpraora aHtзотроп!ями. 3 того часу було винонано к!лька сотень робот, алэ, незважаши на гр, м!кроскоп1чна природа поверхнево! ан!зотроп!1 залишилаеться не до к(нця зрозум!лою через суттеву р!зницо в результатах • для ном!нально екв!валвнтних систем. Розглядаеться можлив! причини тако! р!знщ1 - як!сть !нтерфейсу та !! зв'язок з технолог1 ею отримання пл!вки, формування стовчасто! структури та викривлення напрямку росту шар!в, вялив напрут на величину як об'емно!, так ! поверхнево! ан!зотроп!й. Зроблэно висновок про доц!льн!сть

подалып!х досл!дкень.

В друг1й глав 1 описан! експвржангальн! методики, як! використовувались при прсвздэня! робота, ексгориментальн! установки, способа одаржання зразк!в.

Нанокристал1чн! пл!вки К! та Со були одержан! елвнтроно - променевим випаровувэннш на стандарта!я установи,! ВУТ1 -5М 1з граф1тового тигля на склян! та слвдян! п!д£сладки при к!кнатн(г температур!. Як!сть вакуума складзла Ю-6 Topp до включання электронно! пушки та 5*10-5 Topp при П робот!. ШвидкЮть осадаення залежала в!д п!дбору параметр! в елвктроно! пушки t джя цкг зразк!в становааа приЗлизно D.1 нм/с. 3 кетою отрииакня в одному цикл! cepll зразк!в р!зних товпздн було виготовлзно сшц!зльну рухливу заслонку, яка керувалась оператором. Товщина пл!вок вим!ряшаласъ за допомогою !нтерференд 1 тага микроскопу МЖ-4.

У зв'язку з там, що б!льш!сть результат!в було отримано за допомогою методу феромагн!тного резонансу, в другому розд1л! описуються загальн! принщпи цього методу. Явища ФМР пов'язано з прецзс!ею вектора намагн!ченост! навколо HaratTHoro поля. У в!дсутност! матвЛно! ан1зотроп1! власна частота прэцэс!I пропорц!2на напруз! поля. Наявн!сь магн!тно! аЕ!зотроп!1 сутгево ускладнюе умову резонансного тглинання. В загальяому випадау розв'язок можна знайти т!льки за допомогою чисельниг натод!в. Метод ФМР дозволяе знаити лише значения пол!в ан!зотроп!!, для визначення стажх ангзотроп! I необидно знати величину намагн!ченост!, яку треба отримати за допомогою 1нших методик. Головним же досто!нством методу ФМР е аого висока чутлив1сть, що особливо вааишво при досл1даенн! тонких пл!вок.

В дан!а робот! досл!даення проводились за допомогою сшктромэтру ФМР ф!рми RADIOPAN, працюючого на частот! 9 Ггц. Ыаксшальнэ значзння прикладаного магн!тного шля складзе 1.1 Т.

Електронно-м!кроскоп!чн! досл!даэння . структура виконувались на цросв1чуючому елвкгроному «1кроскоп1 ПЕМ-100, на цызму ж прилад! досл!даувалась домвнна структура ш)вйк в шющин! шг!вки. Х!м1чниг склад шПвок досл!даувався на Оже-спэктромвтр! JEOb JAMP-Юз. В четвертому та п'ятому

разд!хэх обгаворюються ф!зичн! осяови ц!х И9тад1к.

В трет!Я глав! представлено результата доел! джэння струнтури 1 магн!тшпс властивоства нанокристал!чних пл!вок N1 та Со, осаджеких елактронно-променевим випаровуванням. В одному технолог!чному цикл! отримувалзсь сер!я пл!вок р!зних товщин (3 = 5 - 40 вы).

Розм1ри кристалЖв й у шгащкн! пл!вки визначалися за допомогою проев(чуичого елентронного м!кроскона. У наатонших пл!внах (Я 5 нм) <1 = 5 вм. У ш1!вках з найб!льшою товпщною (Б <* 40 нм) розм!р кристал!т!в зб!льшувався до 10 нм.

Величина перпендикулярно! ан!зотроп!1 (ПА) визначалась методом <ГМР при к!мнатн1й температур! на частот! 9,4 ГГц. Для цього вим1рювалось поле резонансу при паралэльн!й та перпендикулярнШ ор!ентац!ях магн!тного поля в1дносно шющиеи пл!вки. Отршзн! значения п!дставлялися у в!дом1 р!вняння Юттеля для фвромзгн1тного резонансу, зв1дки отримували значения ефэктавнога поля ан1зотрш!1 Н^", яке пов'язано з величиною шля перпендикулярно! ан!зотроп!1

Ц!каво, що при товщш! В « 20 нм ефэктивне поле ан!зотроп1! зм1ню0 знак на позигивниа. Цэ означае, що ефактивне поле ПА перевишуе поле розмагШчування пл!вки ! енэргетично б!льш виПдною конфигурацию будэ розтащування вектора нвмагн1ченост1 шИвки вздовж нормал! до поверял!.

Анал1з товщинно! залвшосП ефвктивнаго поля ан!зотрон!! проводився на основ 1 теорИ, викладеноТ в другому розд!л!:

де Нд - магн!тострикц!аний внесон, обумовлений зв'язком пл!вки з п!дкладкою, другий член - пов'язаниг з формуваннпм стовшасто! структури ! модиф!кац!ею через цэ ронмагн 1 чуяпого фактора пл!вки а Н^ - нев!домий поки

що вне сок, припущэння про природу якого зроблэне нижче.

Для експеришнтального вивчення виШрювався ©£Р у

йа - * НЫ <2>

Ы

Рис.1 pf f

Залежи1сть Нд нанокристал1ч-них шПвок N1 та Со в!д товщини

пл1ец! до 1 п!сля П зняття 3 п1дклздкк. Для р!зних сер1й величина Нр

зм!нюаалась в!д 1 до 2 кЕ, ада в межах одн!е! сер! 1 розкид Н0 був не дуже великий (не б!льшиа 0.2 кЕ>, тому при розрахунках за формулою (2) Нд вважався шст1внш для вс!е! сер!1. Для сер! 1 ш!вок на рис.1 Н0 1.3 кЕ.

Зг!дно з теор!ев, ефвкгивний розмагы1чуючий фактор такоТ пл!вки визначаеться як:

ЫеП= 4тс(1+(Ы^в-1^в)(1-М3/Мь)2) (3)

да ! - розмагн!чуш! фактори окреиого зерна вздовж нормал! до пл!вки та в И шгащнн! в!дпов!дао, Мь (Ма) -намагн!чэн!сть кристал!та (його кеж!>. У наближенн! витягнутого елШсоТда Нееля розмагн!чуш! фактори зерна маклгь вигляд

„ 1-е2 1 + е / Г"

1гв--я-(Ьа--2е), е = /1 - «Ш))г

°в ге^ 1 - е у

Шдстановка (4-) в (3) дае Нарешт!,

Нв(Б) = Мь НеГ1<П>(б)

Таким чином, у формул! (2) залишились два нев!дрмих параметри - Н^ ! , як! визначалися шляхом найкращого опису экспериментально 1 залэжност! (Б) формулою (2) за допамогою нел!н1йного методу наяменших квадрат1в. Результат тако! обробки наведено на рис.1 у вигляд! нвпврервно!

криво!. Видно, що розрахована 1 енсперимэнтальна залажност!

(Б) практично зб!гаотъся при 1^=2.1 кЕ та Мь/М3=0.03. Ива зб!г дозЕоляе з великим ступеней достов!рност! припуспгга, що внэсок стовтастоТ структури до ефективно! ПА пл!вок М , якка ран1ше взажався незначним, становить до 45% ввличини (тут I надал! вс! оц!нки внеск1в р!зних

кехзн!зм!в до зроблзна для пл!вни з товщиною В г 30 нм). Таким чином, внесок стовпчастоТ структури у модиф!кац1ю розмагн1чуючого фактора пл!вок становить близько 2х.

3 кзтов анал1зу складу дом!гюк пл1вки було доел(давно методом Онв-елвктронно! спектроскоп!7 (ОЕО). Було виявлено майже новну в!дсутн!сть кисню (4 % поблизу повэрхн! ! п!дклздки ! менее 1 % в об'ем! пл!вни). Единою дом!шкою, що вияв&гась суттевсю, був вуглвць (близько 10 % по вс!й товщкнI пл!вки). К!льк!сть н!кэлю по вс!й товщин! пл1вки перевкцувала 85 %. В!дока, та вуглэць магма не розчиняеться у н1кел1, тому пркродао припустят, що весь вуглець збирзеться на межах зерен, що приводить до р!зкого зншення 1х намагн!чэност! 1 до магн!тно! !золяц!1 кристал1т1в.

1шшм способом визначэння розмагн! чуотого фактора пл!вок е вим!р нахилу штл! г!стврэзису при пердандикулярн!Й ор!ентац11 магн!тного поля. Для пл!вки з Кх > 2тМ2 процес намагн!чування мае зд!аснюзатися зеувом домэнних ст!нок, а М(Н)=хН, дв %= 1/Ие1£. У нашому випадку Не:Г;Г 5, тобто нав!ть б!льше, н1ж можуть дати отовпчики. Деяка розб!жн!сть в результатах кожа бути пояснена внеском, обумовлевим нэ1деальн!ств повврхн! пл!вки. 3 л!тератури в!домо, що дай внесок мозга змэншувати на 1 - 2.5. У нашому випадау додатковий вклад поверхн! до зментэння становить

близько 1.3. А знесок, якиа обукавлениг модаф!кац!ею розмагн!чуючого фактора, дае до 60 % величини ПА.

Нагн!тострикц1аниа внесок, обумовлэзиа зв'язком пл!вки з п!дкладкою, якиа ран1ззе вважвея основним для N1, дае не б1льие 25 % ввличини Н^1. На трет!а внесок залишаеться до 30 % ввличини Для розум!ння аого природа важливою е

поява в спектрах зразк!в через к1лька м!сяд!в п!сля осаджэння додаткового резонансного сигналу ШР, 1нт8нсивн!сть якого з часом зб!льщувалась, в тоа час як

1нтэнсиен! сть основного резонансного сигналу зменщувалась. При цьому резонансне поле додаткового п1ка залишалося незм1нним. Очевидно, що ми маемо справу з структурною релзксац!ею пл!вки, насл!дком яко! е поява областей з ПА,

величиною дозволяе припусгитк, що спостер!гаеться релаксац1я третього мвхан!зму, який зникае слрийком або за короткий час 1 неодночасно по вс!й гш1вц1. Найпэвн!ша, цэй мэхан!зм пов'язаний з натугами в кежах кристал1т!в.

В четвертому розд!л! представ-пэно результата досл!дконня мзхан1зм1в ПА нзнокристалîчних пл!вок Со, шр було проведено для додатково! пврев1рки правильЕост! модвл!, запрошновано! для нано>фистал1чних пл!вок N!. Попвредньо було проведано оц!шсу величин кожного з трьох вклад!в для пл1вок Оо. Сер!! пл!вок Со р!зних товщин були досл1даен1 за допомогою тих саке кетод!к, що ! пл!вки Ы!. Залежн1сть Н^' в!д товщини представлено на рис.1. Було отрииано наступи! величина полей ан1зотроп1 ! :

Нз s 0.9 кЕ, He s 8.8 кЕ, % 3 1 -s Ц1 результата майжэ повн!стыо зб!глися з пвредрачешши на основ! запропоновано! модел!, що щв раз доводить !! правильн1сть. Видно, що у випадау нанокристал!чних пл!вак Со ми маемо один дом1нуючш механ!зм - магн!тостатичнш, що дас б1льие н1ж 80% вэличини ПА. Два 1ншх шхан1зма мать практично таку саму величину, як !в шМвках Ш, але у зв'язку 1з р1зким зростанням величиаи Н=, 1х сумарний внесок до величини ПА складае менше н!ж 201.

В п'ятому розд!л! розглянуто особливост! феромагн!тного резонансу в пл!вках Ht з перпендикулярною намагн!чен!етю. Шпвки досл!даувалиоь за допомогою двох спектрометр!в ФМР, rkî вiдрiзнялись частотними диапазонами, Шшдна сигналу ФМР рееструвалась на частотах 9.4 та 37.5 ГГц при шмнатшй температур!.

Спектри ФМР на части 9.4 ГГц в 1ШВЦ1 Ni з перпендикулярною намагн!чен1стю показан! на рис.2. KpiM додаткового максимуму в гарггэндакулярн i й конф i гуращ ï ФМР (спектр б), про який буде сказано нижче, вони мають шр ряд

Рис.1 Сшктри ФМР в шавках 151 на частот! 9,4ГГц: а - в шргондикуляршй конф1гурацп ФМР при прямому проходаенш ? б - при зворогнсму проходаэнн!! в - в паралэльшй конф1гурац1I.

Рис.2 Пэтд! Г1ст9резису в гшвнах N1: а- ш перпендикулярному намагшчуваннЬ б - при парэлельному намагш чуваш!.

особливостей. По-шршэ, величина резонансного поля в дарпвндикулярн 1 й конф1гурац:! Н^ на 1 кЕ нижче, шж в паралелыпй н][, що вказуе на парпвндижулярну ор1ентацш намагшченост!, оск!льки та не виявили ан1зотрол1I з нзхилзннсю в1ссю в цих зразках. По-друге, спосторIгалось явищэ, яке ми назвали г Iстерэзисом сигналу ФМР. Головною його особливостю е р1зниця спектров ФМР, якщо 1'х реестращя проводиться при зб1льшвнн1 (пряма проходаення) або зменшенш (зворотне проходаення) постчйнаго магнитного поля. В шршому випздку спектр дунв спотворзний - ч^тко видно т1льки високопольовий максимум (мШмум в раз1 зм1ни фази сигналу) позеIдаоI (спектр а). При зворотному проходоэнн1 резонансу,

коли полв зканшуеться вщ Н > Н^ до нуля, позс^дна, тобто спвюгр, мае звичайний вигляд (сшктр б). Стр1лками вказан! пряма й зворотне проходаення резонансу. Зпдао з нашими придущенняш, при намагшчуванш шИвки перпендикулярно до И шющини, переход ¡з розмэгн¡чаного стану зразка в насичэний в1дбуваеться в тому ж самому д1апазон! пол ¡в, в якому знаходигься схвктр ФМР.

В паралельшй конф1гурацп цэ явищэ не стшстер1гаеться, очаавдао тому, що пола н| вщэ за пола касичення зразку н| (сшктр в). Нз рис.3 показан 1 патл1 пстерезису дослтдкуваного зразку, отриман! за допомогою в1бращйного магштонетру при камагшчуваяш перпендикулярно (рис.За) та паралэльно (рис.36) до шющни шпвкк. В останньому випадку штля слабо розкрита й мае н| ~ 3 кЕ, однакова для процэс1в намагшчування та розмагшчування (аналоги прямого й зворотного проходжеяня). В1дгюв1да1 спвктри ФМР одааков 1 при обох вар ¡антах запису. Бвтля на рис. За близька до прямокутно! та мае р1зш поля насичення при намагн1чуванн1 та розмагн1чуваняI зразку. Зберенэння насичэного стану в!д 3 до 1.4 КЕ при зворотному проходивши якраз I дозволяв слостер:гати майна не спотворений резонансний сигнал, коли Н1 - 2.5 КЕ.

г

Використання ФМР спектрометру з частотою Э ГГц залишае нэз'ясованим питания про походавння додаткового резонансу, тому були проведэш вишри на частрп 37.5 ГГц, да резонансна поле в 4 раза вишз, шж нз йоперадшй, 1 > Н^. Ц] спектри на показан* на рисунку, тому що при прямому й зворотному проходавян! мають вигляд, аналог ¡чний спектру б. Виходить, то додатковий резонансний максимум дШсно не зв'язани12 з доменном структурою, а також не е сп!н-хвшсьовим рерсаансом, осшлъки В1Е юнуе й в паралельшй ковф1гураци ФМР I кутова заложи 1 сть резонансного поля цього додаткового сигналу узгодауеться з в1домими формулами Шттеля для однор[дно'1 прецэсп- Встановлэно, що додатковий шк З'являвться, воли товщина шпвки шревищуе 30 нм, ала залежн!сть йога резонансних параметр ¡в в!д товщини не погодауьться з вщомими у явлениями про наоднор1дний ревонанс. Най1мов1рн!ше, його походавння пов-язана 1з

структурною пэребудовою при збыъшэнл! товщини пл1вки.

В четверг1й глав! представлено результата досл!джэння нахалено! ак!зотроп!1 ферокзгШтних шПвок методом ФМР. Добре в(домо, що одноосна нахиленэ ан!зотрап!я (НА), в!сь яка! утворюе кут 0 < а < 90° з нормалью до пл!вки, коже формувэтися в феромагн!тн!й пл!вц! при осаджэнн!. Ц!м фактом часто нехтують, осн1льхи або наявнЮть НА не виявляеться за допомогою ставдартних методик, або вшив НА на властивост! пл!вок душ незначниа. Протэ в багатьох випадках наявнIсть НА повинна прийматися до уваги для визначення рэальних магн!тних параметр!в шПвок та для адекватного описания кутових залежяостеа торсюнно! магн!тометрП та феромагн!тного резонансу. Зараз велика увага прид!лясться досл!даенню багатошарових шПвок з великими значениями перпендикулярно! эн!зотроп!! <голв энгзотроп!Г НА ~4яМ3, дэ Мд намзгн!чен!сть насичэння 1и!вки). В деяюн зразках спостер!гався ряд ефект1в (поява додаткових максимум!в на кутових ззлежностях резонансних пол!в ФМР, 1х горем1щзння I тзке !нше). Автори ц!х роб!т роблять припущвння, що т!льки врахування член!в четвертого порядку перпендикулярно! ан1зотроп!Т дозволяв отримати добриа зб!г м!ж теоретичними та експерtментальнкми результатами. Але, як будз показано в ц1а глав!, б!лыа1сть з вказаних результат1а може бути описано при вшоржтзнЕ i член!а т!льки другого порддку з врахуванням незначного (до 10*) в!дпиення ос! ан1зотроп!1 в!д нормал! до шПзки.

Пэрпша розд!л присвячено розрахунку кутових залэжностеа ФМР в пл!вках з езхшвною ан1зотроп!ею. В!льна енерг 1 я пл1вки з нахиленоа в1ссю в сферичн1й систем! коорд!нат записуеться у вигляд!

7 = -Ш(з1пенсозфд31пвсозф+з1п9нз1пфаз1пэз1114н-созврсоае)+ +2тсМгсозге-(- (8)

Kj (з1п28а1п2ф+з1п2асоа294соа2аа1п29з1112({}-2а1ш.соБаз1г10соз9з1пф)

дэ 6 1 ф - р1вновзжн! полярний та аз!мутальниа кути намэгн!ченост!, та фц визначэють напрямон зовн!шнього магн!тного поля, горшиа член р!вняння в!дпов!дае енерг!!

однср!дно намагн!чено! пл!бки в зовн!шньому магн!тному пол!, другая член прэдставляе ан!зотроп!ю форми шпвки а останнШ в!дпов!дае енарг! I одноосноГ аа!зотроп!Т (К - стала ан!затропП другого порядку).

Нааб!льш загальна форма запису р!вняння ФМР в сферичн!а систем! координат

т а2? а2Р е2? 1 2" 1/2

м з1ле .¡¡2 Эф2 аеаф.

да 7 - г1ромагн!тна в!дношення, и - частота НВЧ - поля. Р1вноважн! кути наиагн1чэност! 6 та ф визначаються з умов

ат/эф = о; от/еэ = о (8)

Шдставляючи Р в р1вняння (7 - 8) та сп!льно роз'язуоти систему р1внянь (7 - 8) ми отримуемо значения резонансного поля ФМР Нр для заданих ш, бд, фц та фактору спектроскоп1чного розцэплвння Очевидно, що сп!льниа розв'язок систвми р!внянь можливик лише в чисельному вигляд!. Тому було написано комп'отврцу црограму, яка дозволяла отримувати однозначн! розв'язки д1е! системи.

За допомогою ц!е1 програии були розрахован! кутов1 залэяаост! ^(Фц) та ^(Эц) для пл!вок Со з р!зними величинами К 1 а. Шдкреслимо, що зн!на частота ФМР (в межах 3-40 ГГц) та намагн!ченост! ш!вон (в межах 200 - 1500 Гс) не призведе до зм!ни характеру кутових залэшостег.

Кутова залвш!сть Н^фц) для р1зних значень для

випадау а=15°, К=5«106 ерг/см3, М=1420 Гс, g=2.oa та 1=25 ГГц представлена на рис.4. Видно, що характер кутово! залзжност! зк!еюзться з ростом вц. Коли Н лаяигь в пющин! пл!вки, в д1апазон! кут!в 0 - ЗвО°спостар!гаються два максимуш, причоку кутова залэжнЮть мае 180°-ну шр!одаш1сть. При наближенн! до кута в!дхилвння ос1 ан1зотроп! 1 а максимуми зближуються (ххри цьому пер!одичн!сть кутово! залеяност! зн1нюеться на 360°-ну). Псчинаючи з даякого кута 8ц, якш в загальному випадку не дор1внюе а, в д!апазон! кут!в ф^ 0 - 360е спостер!гаеться липе один

Рис.4 Ззлэжн1сть резонансного шля ФМР в!д кута ф^ для р!зних 6Н для шг1вки з нахшоэною ан!зотроп!ею. Рис.5 Залвнн!сть рэзонансного поля ФМР в!д кута Вц при фд = 90° для шНвкк с нахилэною ан1зотроп!ею для р ! зних величин К <в ерг/см3), M = 1420 Гс, а = 25 ° f = 25 ГГц, g = 2.0В.

максимум. Такта чином, зм1на характеру кутсво! залежност! Н^фц) е одним з притер!Тв наявност1 в пл(вц! НА. Проте цри стандарта ta мэтодиц! досл!даення кут ф^ зафЖсовано, а кут 6ц зм!еюсться з 0 до 180°. Тому для ц!х не параметра розглянемо характер кутозо! залежност! Н^бд) дяя р!зних ф^. У випадау фц=0 положения максимуму кутовоТ залэжост! в!даиляеться в!д В^О на величину, яка в ззлвжностt в!д параметр!в гопвки моя® бути як сИлыпе, так 1 менше а. !з 3Öt лыпенням фц цен зсув зненшуеться t при ф^ = 90е зовс!м зникае. Така повэд!нна кутово! залежност! також характерна для пл1вок з НА 1 е другим критер1ем наяност! НА в пл!вц!.

При досл1даэнн1 нутових залешостай Н^Вд) дая р!зних сп1вв1даошень м!я параметрами М, К, а та и було виявлено, що в дэяких випадках при незначних зм!нах К (менш н!ж на 10%) характер кутово! залежност1 зм1нюеться радикальним чином. На рис.5 видно, що при зб!лшэнн! К опечатку з'являетъея, а пот!м знов зникае додатжовиа максимум, цри цьому паралельне

1 шрпандануларнэ рэзонанск! поля м!яяються м1ж собою м'.сцями. 3 цього добрэ видно, що душ ушвЕвнного визначаяня параметр!в пл!вок шобх!дно вим!рювати кутов1 залежност1 Н^фц) I Н^бц), а не лшв значения паралельного I горпвндикулярного поля.

Для визначення параметр!в нахшиноУ ан1зотроп!1 (К I а) рэальних пл1вок використовувалась така методика. Сшчатку вим!рювались кутов1 залешосП Н^фд) для трьох кут!в 9Н (один з них 6ц=Э0", !нш! два п!дбиралиоь таким чином, щоб на них добрэ спостер1гався як! сник дарэх!д, зображений на рис.4. Шсля цього, юребираши параметра М, К, а 1 g, добивасмося найкрзщого описания одночасно вс1х трьох ексгоришнтальних залвкиоствЕ Н^фд) за допамогою системи р!внянь 7-8.

В другому роздШ розглядаеться вплив тримача на експврименгалъв! дрсл!дкення пл!вок з НА. В ц!й робот1 використовувався сгац1альний тримач, ш,о дозволяв одночасно вим1рювати кутов! валэкноет! Нг<фн> 1 Н^Эд). Через присутн1сть в його конструкцП зубчатих передающих механ!зм!в, можлив! дэяк1 перекоси столику об'еетЧв. Показано, що нав!ть при незначному перекос1 тримача (меншэ 1°), у випадау дасл1да8ння НА з а = 54 аКг 1535 в!д 2тсМ2, так! пврекоси можуть сутгево вшшнути на точн1сть результат!в. Тому вкрай важливо до початку робота паспортизувати тримач. Для цього була використана пл!вка пермалою, в!дсутн1сть в як!й як площинно!, так 1 нахилвно! ан1зотроп1й було Шдгвердаэно методом низьночастотного ФМР. Було виявлвно, що наш тримач мае перекос 0.55°. Ця величина враховувалась при обробц! вс!х експеримэнтальних результат!в.

В третьому розд!л! розглядакггься результата досл!даення р1зних тип!в одаоосно! ан1зотроп!1 в багатошарових пл!вках Со/Рй, осадаених катодним розпилэнням при пост1йному струм! пар м1шэнеа Со та М, розташованих одна над !ншою. Товщина шару Рй була ф1ксована 1 складала £ 1.85 нм, товщина шару Со в р!зних зрззках зм!нювалася з 0.35 до 1.8 нм. Магн!тн1 властивост! пл!вок досл!даувалксь за допомогою методу ФМР на частот! 9.3 ГГц. Застосування тест-методу, описаного в

першому розд!л!, дозволило розд1лиги одноосн! зн!зотрспН р!знгас тип!в, !снуич! в багатошарових пл!вках Со/Рй.Еуло встаиовлено, що плзнзрну ан!зотроп1ю <* 10 ерг/см мають маиже вс! зраззш неззлежяо в1д товщини шару Со. 0ск1льки така сзмэ за величиною планарна ан!зотроп!я спостер!гзлэся I в одношаров!® т!вц! Со, то II тгаявз обужовлэна присутн1ста пост 1 Иного мазутного поля в площин! п!дкладаи через конструкц1йну особлив!сть установки. Перпендикулярна ан1зотроп!я зб!льщувалася л1н!йнп !з зростгнням зворотньо! товщини шару Со. 1нтерполяц1я експвр!ментально! залэжност! за формулою Нарс1я дозволила отржмати значення сталях поверхново! та об'емно! зн!зотроп!й К3 а 0.14 врг/см", К^ э 1.08 * 10е ерг/см2. Було зрсблвно припущвння, що невелико значения Кд пояснюеться низькою як!ста !нтерфэйсу. Дрсл!даэння зразк!Е за допсмогою ядерного магн1тного резонансу п!дтвердшю из. В дэяких зразках Со/Рс1 зам!сть планарно! та перпендикулярно! ан!зотроп!а з'являеться ан!зотроп!я а в!ссю, нахшеною на незначниа кут по в!дноп!енню до норнал! (близько 8е). Можливою причиною нахилэно! зн1зотроп!Т е атомне самозатемнэння та пев'язан1 з цим напругя.

Основн! результата та висновки

1. Визначено основн! механ!зми формування перпендикулярно! ан!зотроп!1 в нанокристал!чних пл!вках Ы1 та Со: а) магн!тостатичний механ!зм, обумовлений формуванням стовбчасто! структури ! пов'язаною з цим модиф!кац!ею розмагн!чуючого фактору Ш1!вки/ б) магн!тострикц!йния механ!зм, обумовления р!зницэю темпвратурних коэф!ц!ент1в розншрэння пл1вки та п!дкладки (манронапруги)/ в) магн!тострккц!гний мэхан1зм, обумовлений локальними напругами в межах пристал 1т 1 в (м!крона1труги). Встановлено внесок кожного мэхан!зма. Основним механ!змом в таких пл!вках е магн!тостатични2, причому величина аого внеску зростае !з зб!лыпеннгал намагниченост! пл!вки.

2. 1з зб!лыпенням товщини нанокристал!чних пл1вок N1 знак стало! ефзнтивЕо! ан!зотроп!1 пл!вки зм!нюеться з

на "+", при цьому перпендикулярна ор!ентзц!я вектора

намагн1 чаност! пл1вки стае енергетично б!льт виг1дною.

3. При деяких умовах в феромагн i тних шпвках значения порогового поля насичення може знаходихися в границях ширини л!нП сигналу ФМР. В цьому випадку цри прямокутн!й пвтл{ г!стэрэзису спостер1гаеться г!стерезис сигналу ФМР в високих полях.

4. Додатков! низькопольов i сигнали ФМР зумовлен] областями гшвки, цо в^дцнзняються величиной ПА.. 1х походаення най!мов!рн1ше пов-язане is структурною шребудовою при Вб1ЛЫШЗНН1 товщини ш!вки.

5. Запропоновано метод визначення параметр!в нахилвно! ан1зотроп!Т за данши залвжностей поля ФМР в!д аз!мутального та полярного кут!в прикладного зовн1шнього магн1тного поля. Вироблэно як!сн! критвр!! !снування настлано! ан!зотроп!!.

6. Знаедано, щэ в шПвках з наливною ан!зотроп!сю при дзяких значениях намагн!чвност!, К, а та частота ФМР характер залежност! шля рэзонзнса в?д полярного кута В прикладеного зовнIшнього магн!тного поля суттево зм!нюеться - на н!й з'явдяеться додатковии максимум.

7. Зз допомогою тест-мэтоду вдалося розд!лити одаоосн! ан!зотроп!1 р!зних тип!в, 1снуюч! в багатошарових пл1вках Co/Pd, отриманих методом катодного розпилення. Було

к q

встановлвно, що планарну ан!зотроп1ю 10 ерг/см макггь маша вс1 зразки незалежно в!д товщин тар!в Со та Pd, а перпендикулярна ан!зотроп1я зменшуеться з ростом товщини тару Со, що вказуе на важливу роль поверхнево! ан!зотроп!! в I! формуванн!. При дэякому сп!вв!дношэнн! товщин Со та Pd замЮть гашкарно! та перпендикулярно! ан!зотроп!й з'являегься ан!зотроп!я з в!ссю, нахиленою на незначний кут по в1дношенна до норм ал!. Можливою причиною нахилапо! ан)зотроп1! е атомнэ самозатемнэння та пов'язан! з цим напруги.

Основний зм!ст робота викладэно в публ!кац!ях 1. Каказвй Г.Н., Лесник Н.А., Ыицек А.И., Пушкарь В.Н. /Перпендикулярная анизотропия и эффективный размагничивающий фактор пленок N1 //ФТТ. - 1ЭЭ2, т. 34, N2. - с.571-578.

г. КеказейГ.М., Л!сникН.А., М!цэк A.I., Пушкарь З.М. /Доел1дженкя мэхан!зм1в перпендикулярно! магн1тно! ан1зотроп!Т нанокристал!чних пл1вок Н1//УФЖ. - 1ЭЭ4. - т.39, N 11-12. - с. 1120-1122.

3. Kakazei G.N., Lesnik N.A. /The study of the perpendicular anlsotopy In trie nanocryatalllne Ni and. Go filma//J.Magn.Magri.Mat. - 1996. - v.155, N1. - p.57-59.

4. Л!сник H.A., Каказей Г.М. /ОсоблквосП ФМР в пл1вках N1 з перпендикулярною намагнtчадtстю//У<0Ж. - 1994. - т.39, N7-8. - с.885-883.

5. Golub 7.0., Kakazei G.N., leanik N.A. /PMR 3tudy of the oblique anlsotropy In 3d ferromagnetic films //Colloquium digest of 14th International Colloquium on Magnetic Films and Surfaces, Dusseldorf Germany. - 1994. - p.259-260.

6. Лесник H.A., Каказей Г.К., Голуб В.О. /Анизотропия с наклонной осью в ферромагнитных пленках //Ф!зичний курьер. -1993. - N4. - с.3-4.

Summary

Gleb N. Kakazei. Uniaxial out-of-plane anlsotropy of the polycrystalline and layered films baaed on Ni and Co

Thesis to the competition of the candidate's degree on physics and mathematics with speciality 01.04.13 - pliysics of metals. Institute of Metal Physics HAS of Ukraine, Kiev, 1996.

The complex investigation of the formation of the perpendicular anlsotropy in the 31-metals nanocryatalllne films ma performed. The main anisotropy mechanisms and their contribution values were determined. It таз found that the sigh, of the effective anisotropy constant was changed when the Ni film thickness had become 20 nm. Method of the determination of the out-of-plane anisotropy parameters was designed. The use of this method allows to determine the deflection of the anisotropy axis from the film normal up to 10° in the some normally evaporated Co/Pd multilayers.

Аннотация

Каказей Г.Н. Непланарная одноосная анизотропия

€-(, w< Щ.

поликристалличе ских и слоистых пленок на основе никеля и кобальта.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.13 физика металлов, Институт металлофизики"НДН Украины, Киев, 1996.

В работе проведены комплексные исследования формирования перпендикулярной анизотропии в

нанокриоталличэских пленках переходных металлов. Выявлены основные механизмы перпендикулярной анизотропии и установлен вклад каждого из них. Обнаружено, что при толщине пленок Ы1 порядка 20 нм происходит изменение знака константы эффективной анизотропии пленки. Разработана методика определения параметров неклонной анизотропии магнитных пленок методом ферромагнитного резонанса. Использование этой методики позволило обнаружить отклонение оси анизотропии в некоторых полученных нормальным осаждением многослойных пленках Co/FcL и однослойных пленках переходных металлов от нормали к пленке на угол порядка 10°.

Ключов1 слова: нанокриатал(чн! нагн1тн! пл[вки, багатошаров! пл!вки, непланарна магн1тна ан1зотроп!я, феромагн1тний резонанс, кобальт, н!кэль.