Влияние анизотропии на магнитные свойства эпитаксиальных CO и CO/CU/CO наноструктур

Давыденко, Александр Вячеславович

Влияние анизотропии на магнитные свойства эпитаксиальных CO и CO/CU/CO наноструктур тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Давыденко, Александр Вячеславович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Владивосток МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Влияние анизотропии на магнитные свойства эпитаксиальных CO и CO/CU/CO наноструктур»

Автореферат диссертации на тему "Влияние анизотропии на магнитные свойства эпитаксиальных CO и CO/CU/CO наноструктур"

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

005051оио

Давыденко Александр Вячеславович

ВЛИЯНИЕ АНИЗОТРОПИИ НА МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СО И СО/С11/СО НАНОСТРУКТУР

01.04.07 - физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

11 ДПР 2013

Владивосток - 2013

005051803

Работа выполнена в Дальневосточном федеральном университете.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Чеботкевич Людмила Алексеевна

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Афремов Леонид Лазаревич

доктор физико-математических наук Грузнев Дмитрий Вячеславович

Ведущая организация: Институт физики им. Л. В. Киренского сибирского отделения РАН

Защита состоится «19» апреля 2013 года в 14— часов

на заседании диссертационного совета Д 212.056.08 по присуждению ученых степеней в Дальневосточном федеральном университете по адресу: 690091, г. Владивосток, ул. Суханова, 8, ауд. 38.

С диссертацией можно ознакомиться в Институте научной информации -Фундаментальной библиотеке Дальневосточного федерального университета по адресу: 690091, г. Владивосток, ул. Алеутская, 656.

Автореферат разослан «18» марта 2013 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.056.08 кандидат физико-математических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Изучение процессов перемагничивания и доменной структуры магнитных нанополосок на сегодняшний день представляет особый интерес. В настоящее время предложены новые типы энергонезависимой магнитной памяти (памяти на беговых дорожках или Racetrack memory [1]) и логических устройств [2], основанных на движении доменных границ в нанополосках. Битами информации в памяти на беговых дорожках служат домены в нанополосках. В первоначальном варианте памяти на беговых дорожках, основанной на поликристаллических магнитных нанополосках, вектор намагниченности в доменах был ориентирован вдоль полосок за счет сильной анизотропии формы. Рядом с каждой нанополоской были установлены считывающий и записывающий элементы, способные производить чтение и запись с участка, равного по размерам длине домена и расположенного непосредственно вблизи элементов. Смещение доменных границ и, соответственно, битов информации по полоске осуществлялось под действием импульсов спин-поляризованного тока, пропускаемых вдоль нанополоски.

Процессы перемагничивания поликристаллических нанополосок, в которых, как правило, главную роль играет анизотропия формы, достаточно хорошо изучены. Гораздо интереснее случай полосок, в которых помимо анизотропии формы присутствует магнитная анизотропия другой природы с осью легкого намагничивания, направленной перпендикулярно длинной стороне полосок [3]. Сочетание магнитных анизотропий может приводить к различным доменным конфигурациям в нанополосках. Например, в нанополосках с перпендикулярной анизотропной (ось легкого намагничивания направлена вдоль нормали к плоскости полосок) может возникать полосовая доменная структура, образованная доменами, антипараллельно намагниченными перпендикулярно плоскости полоски. В нанополосках с поперечной анизогропией (ось легкого намагничивания направлена поперек длинной стороны полоски в ее плоскости) индуцируется ламинарная доменная структура. Вектор намагниченности в ламинарных доменах нанополоски направлен перпендикулярно длинной стороне и лежит в плоскости полоски. Изменяя относительную ориентацию и энергии наведенных магнитных анизотропий, можно управлять процессами перемагничивания и изменять доменную структуру нанополосок. Использование нанополосок с наведенной поперечной или перпендикулярной магнитной анизотропией в магнитной памяти на беговых дорожках позволит значительно увеличить плотность записи информации за счет уменьшения размеров доменов и доменных границ. Существуют теоретические и экспериментальные работы, в которых показано уменьшение критической плотности тока для движения доменных границ током в наноироволоках с наведенной перпендикулярной анизотропией [4]. Очевидно, что использование нанополосок с поперечной полосовой или ламинарной доменной структурой в памяти на беговых дорожках существенно улучшит характеристики данной памяти, поэтому сегодня большое внимание

уделяется исследованию процессов перемагничивания и доменной структуры нанополосок с наведенной анизотропией.

Целью диссертационной работы является исследование влияния конкуренции магнитных анизотропий, обусловленных формой и ступенями подложки, на процессы перемагничивания и доменную структуру нанополосок Со и Со/Си/Со и установление влияния ступенчатой структуры поверхности подложки 81(111) на ростовые процессы, магнитные и магниторезистивные свойства эпитаксиальных пленок Со/Си/ЯЮ11) и Со/Си/Со/Си/Я1(111). Основные задачи работы.

1. Исследовать ростовые процессы Со и Си на ступенчатой поверхности 81(111).

2. Вырастить магнитные пленки Со и Со/Си/Со на ступенчатой поверхности 8Ц111).

3. Исследовать магнитные свойства пленок Со и Со/Си/Со с одноосной магнитной анизотропией, наведенной ступенями подложки 81.

4. Измерить магниторезистивные свойства пленок Со и Со/Си/Со во внешнем магнитном поле, приложенном параллельно и перпендикулярно оси легкого намагничивания, с помощью четырехзондового метода измерения сопротивления и объяснить полученные данные, исходя из ростовых процессов и структуры пленок.

5. Приготовить из пленок Со и Со/Си/Со нанополоски различной ширины так, чтобы в нанополосках реализовывалось различное соотношение энергий магнитных анизотропий, обусловленных формой и ступенями подложки.

6. Исследовать процессы перемагничивания и доменную структуру эпитаксиальных нанополосок Со и Со/Си/Со.

Научная новизна.

1. Впервые экспериментально установлен и подтвержден микромагнитным моделированием механизм разворота вектора намагниченности в Неелевских доменных границах в нанополосках Со с наведенной вдоль короткой стороны магнитной анизотропией.

2. Установлены процессы перемагничивания и доменная структура нанополосок Со и Со/Си/Со, в которых реализованы различные соотношения энергий конкурирующих магнитных анизотропий, наведенных ступенями подложки и формой нанополосок.

3. Впервые исследованы особенности ростовых процессов Со и Си на ступенчатых подложках 81(111) и объяснена связь магнитных и магниторезистивных свойств пленок Со/Си/Со/Си/81(111) со структурой пленок и ростовыми процессами в данной системе.

4. Исследовано влияние одноосной наведенной анизотропии на магнитную структуру трехслойных нанополосок Со/Си/Со. Показано, что в трехслойных нанополосках, в которых преобладает анизотропия, наведенная ступенями, реализуется антипараллсльное выстраивание вектора намагниченности в смежных слоях Со.

Практическая значимость работы. Полученные данные о процессах перемагничивания и доменной структуре нанополосок с магнитной анизотропией, наведенной ступенями подложки, могут пригодиться в разработке и совершенствовании устройств записи информации и магнитной логики, основанных на движении доменных границ в магнитных нанополосках. На защиту выносятся следующие положения:

1. Под действием магнитного поля, перпендикулярного Неелевским доменным границам в нанополосках Со с ламинарной доменной структурой, полярность Неелевских доменных границ изменяется путем зарождения вихря на краю каждой границы и продвижения его через всю доменную стенку.

2. Изменяя соотношение между энергиями магнитных анизотропий, наведенных ступенями подложки и формой нанонолосок Со и Со/Си/Со, можно управлять магнитной структурой и процессами перемагничивания в нанополосках Со и Со/Си/Со.

3. Диполь-дипольное взаимодействие между слоями Со в трехслойных нанополосках Со/Си/Со с преобладающей магнитной анизотропией, наведенной ступенями, приводит к антипараллельной ориентации намагниченности в ламинарных доменах смежных слоев Со.

4. Антиферромагнитная связь между смежными ферромагнитными слоями Со и величина гигантского магнитосопротивления в Co/Cu/Co/Cu/Si(l 11) структурах зависят от кинетики роста Си прослойки на ступенчатой поверхности Со.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях и симпозиумах:

Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике (Владивосток, 2009, 2010, 2011, 2012), The Ninth Russia-Japan Seminar on Semiconductor Surfaces, RJSSS-9 (Владивосток, 2010), Международном симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, 2011), Moscow International Symposium on Magnetism (Москва, 2011), Десятой региональной научной конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование» (Владивосток, 2011), IEEE International Magnetics Conference, Intermag 2012 (Ванкувер, 2012), Joint European Symposium on Magnetism, JEMS-2012 (Парма, 2012).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 17 печатных работ, из них 5 статей в рецензируемых научных журналах, 1 статья в сборнике трудов конференции, 10 тезисов докладов и 1 патент РФ.

Личный вклад автора. Основные экспериментальные результаты были получены лично автором. Обсуждение и интерпретация экспериментальных результатов проводились совместно с научным руководителем, а также с соавторами публикаций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 150 страниц, включая 68 рисунков и библиографию из 132 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы актуальность темы, цель работы и задачи исследования, изложены новизна и основные защищаемые положения, описана структура диссертации.

В первой главе рассмотрены различные виды взаимодействий между ферромагнитными слоями в многослойных пленках. Описаны основные виды магнитосопрогивлений, определяющие магнитотранспортные свойства ультратонких пленок с чередующимися ферромагнитными и немагнитными слоями. Подробно проанализированы ростовые процессы, структурные и магнитные свойства эпитаксиальных магнитных пленок Со(111)/Cu(l 11) и [Со(111)/Cu(111)]N, выращенных на различных подложках. Отдельное внимание обращено на природу одноосной анизотропии, наведенную ступенями подложки в магнитных пленках. Рассмотрены механизмы перемагничивания и доменная структура эпитаксиальных нанополосок с наведенной магнитной анизотропией, ось легкого намагничивания которой лежит в плоскости полосок.

Во второй главе описаны методы получения пленок Со и Co/Cu/Cu и приготовления из полученных пленок нанополосок; кратко рассмотрены методы исследования ростовых процессов, магнитных и магниторезистивных свойств приготовленных наноструктур.

Пленки были получены методом молекулярно-лучевой эпитаксии в сверхвысоком вакууме (Р = 5 х 10 10 Topp) на ступенчатом Si(lll). Подложки были прогреты в вакууме до температуры 1250 "С прямым током для активации процесса объединения ступеней в эшелоны и очистки Si. Скорость осаждения Си и Со была откалибрована по осцилляциям зеркального рефлекса дифракции быстрых электронов (ДБЭ) и определялась с помощью кварцевого измерителя толщин. Покрытия пленок измерялись в единицах монослоев (MC). 1 MC = 1 MCco = 1 MCCu = 2,25 MCsi. 1 MCsi соответствует 7,84 x 1014 атомов Si на поверхности Si(lll). Эффективная толщина 1 MC соответствует 0,2 нм. Структура пленок была исследована ДБЭ. Ростовые процессы Со и Си на Si(l 11) были изучены сканирующей туннельной микроскопией (СТМ).

Нанополоски различной ширины были вырезаны из сплошных пленок методом сфокусированного ионного травления параллельно и перпендикулярно ступеням подложки Si(lll). Длина нанополосок (/ = 30 мкм) оставалась постоянной. Петли магнитного гистерезиса пленок и нанополосок были получены с помощью магнитооптического эффекта Керра (МОЭК) и вибромагнитометра (ВМ). Доменная структура была исследована на магнитно-силовом микроскопе (МСМ). Компьютерное моделирование процессов перемагничивания и доменной структуры нанополосок производилось в программном пакете OOMMF.

В третьей главе представлены результаты исследования структуры, ростовых процессов, магнитных и магниторезистивных свойств пленок Со и Со/Си/Со. Были исследованы пленки с одним магнитным слоем Со с

покрытиями 12 и 50 МС (далее однослойные) и с двумя магнитными слоями Со, разделенными немагнитной прослойкой Си (далее трехслойные) с покрытиями Со(6 МС)/Си(1 - 7 МС)/Со(6 МС) и Со(25 МС)/Си(25 МС)/Со(25 МС). Таким образом, рассматриваются относительно тонкие и толстые однослойные и трехслойные магнитные пленки. Все пленки были выращены на поверхности 81(111) с буферным слоем Си(10 МС), в котором параметр решетки соответствует объемной Си (рис. 1(а)). Сверху пленок был осажден защитный слой Си(14 МС) для предотвращения оксидирования пленок.

Из расшифровки картин ДБЭ установлена ориентация Си буферного слоя относительно поверхности подложки: Си(111) || 81(111) и Си[11-2] || 8ЦЮ-1]. Следующие слои Со и Си повторяют ориентацию буферного слоя Си. Осцилляции зеркального рефлекса ДБЭ доказывают послойный рост буферного слоя Си(10 МС) на поверхности 81(111) и первых 6 МС Со на поверхности Си(10 МС)/8Ц111) (рис. 1(6, в)).

(а)

0 5 10 15 Покрытие Си (МС)

0 2 4 6 а 10

Покрытие (МС)

® 8. о!-

£ 0 1 2 3 4 5 6

3 ^ Покрытие ( МС)

Рис. 1. (а) Зависимость параметра решетки Си при росте на 51(111) от покрытия Си. Осцилляции интенсивности зеркального рефлекса ДБЭ при росте (б) Си па 81(111), (в) Со па

Си(10 МС)/5Ц111).

Осцилляции зеркального рефлекса ДБЭ исчезают при осаждении покрытий Со, больших 6 МС, пленка растет в мультислойном режиме. Картины ДБЭ поверхности пленок Со существенно не изменяются даже при покрытии Со(50 МС), что говорит об относительно гладкой поверхности Со(50 МС)/Си(10 МС)/8К111) пленок.

Так как первые 6 МС Со на поверхности Си(10 МС)/81 растут послойно, то покрытия материалов в трехслойной пленке были выбраны следующим образом: Со(6 МС)/Си(с/г„ = 0-7 МС)/Со(6 МС), где с1Си - переменное покрытие Си прослойки. Исследования ДБЭ ростовых процессов структур Со/Си/Со проводили при ориентации падающего электронного луча вдоль [-211]. Полосы дифракции на отражение от Со(6 МС)/Си(10 МС)/81 (рис. 2(а)) переходят в квазигрехмерную картину дифракции на просвет при осаждении 4 МС Си прослойки (рис. 2(6)). Под квазитрехмерной картиной дифракции понимается исчезновение полос на отражение, связанное с увеличением шероховатости поверхности и ростом трехмерных островков Си прослойки. Однако чисто объемных рефлексов на просвет не наблюдается, что говорит о значительном вкладе дифракции на отражение и относительно гладкой поверхности пленки Си(4 МС)/Со(6 МС)/Си(10 МС)/8к Основываясь на данных СЬ. ЯаШ 15], можно

утверждать, что пленки Со с покрытием до 12 МС имеют преимущественно ГЦК структуру.

(а) , (б)

| 0 12

5 Обр. пространство. (нм~^)

t 12

I ~ О 1 2

3= Обр. пространство. (нм"11

Рис. 2. Инвертированные по цветовой гамме изображения ДБЭ, снятые на различных стадиях роста трехслойной Со/Си/Со пленки на поверхности Cu( 10 MC)/Si( 111) при падении электронного луча в направлении [-211]. (а) - Со(6 MC)/Cu/Si. (б) - Cu(4 MC)/Co/Cu/Si.

Рис. 3. СТМ изображения (а) - Си(10 МС)«!, (б) - Со(6 МС)/Си(10 МС)«!, (в) -Си(4 МС)/Со(6 МС)/Си( 10 МСУви (г) - Си( 12 МС)/Со(б МС)/Си( 10 МС)^ На вставках изображены профили вдоль проведенных линий.

Трехмерный рост Си прослойки подтвердился проведенными СТМ исследованиями ростовых процессов в данной системе. Поверхность Си(10 МС)/81 представляет собой заполненный слой с островками моноатомной высоты (рис. 3(а)). Поверхность Со(6 МС)/Си(10 МС)/^ демонстрирует островки одно и двухатомной высоты (рис. 3(6)). На поверхности Си(4 МС)/Со(6 МС)/Си(10 МС)/81 заметны перепады в три атомных слоя (рис. 3(в)). Рост Си переходит в островковый._

При дальнейшем осаждении Си на поверхность Си(4 МС)/Со(6 MC)/Cu(10 MC)/Si островки Си растут в высоту и в латеральных размерах (рис. 3(г)). Латеральные размеры островков в направлении, перпендикулярном ступеням, ограничены шириной террасы. Влияние ступенчатой структуры подложки приводит к существенному сглаживанию рельефа осажденных пленок Си: вместо больших островков, занимающих несколько террас, образуются маленькие островки, каждый из которых занимает одну террасу. Предположения о сглаженном росте больших покрытий Си на ступенчатой поверхности Со подтвердились при исследовании поверхности пленки Си(25 MC)/Co(25 MC)/Cu(10 MC)/Si(l 11) методом атомно-силовой микроскопии.

Ось легкого намагничивания (о.л.н.) во всех полученных пленках направлена вдоль ступеней подложки. На рис. 4(a) приведены зависимость M,/Ms(<f>) и петли магнитного гистерезиса, измеренные вдоль оси трудного намагничивания (о.т.н.) - (рис. 4(6)) и вдоль о.л.н. (рис. 4(b)) в пленке Си(14 ML)/Co(12 MC)/Cu(10 ML)/Si. М, - остаточная намагниченность в плоскости пленки, Ms - намагниченность насыщения, ф-угол между внешним магнитным полем и нормалью к ступеням.

-180 -90 0 90 180 -4000-2000 0 2000 4000 -200 0 200

(а) Ф (град) (б) Нх (Э) (в) Нх (Э)

Рис. 4. (а) - Зависимость нормированной остаточной намагниченности от угла между полем и нормалью к ступеням, петли магнитного гистерезиса, измеренные вдоль (б) -о.т.н., (в) - о.л.н. в пленке Cu(14 ML)/Co(12 MC)/Cu(10 ML)/Si.

В пленке ГЦК Со(111) существуют три средние кристаллографические оси намагничивания типа <110>, разделенные угловым интервалом в 60°. Учитывая то, что вектор намагниченности лежит в плоскости пленок, энергия магнитокристаллической анизотропии в плоскости пленок Со( 111) определяется как разность между энергиями, рассчитанными для вектора намагниченности, ориентированного вдоль <112> и <110> направлений:

Ек = £<п2> - £<ио> =Т~!Т= 1,55 -Ю5 эрг/см3, (1)

где энергия магнитокристаллической анизотропии для направлений <112> и <110> рассчитывается как

Е = К0 + K^alal + а|а| + afaf) + tf2(a?a|af) + •••, (2)

где ari, а2, Oj - направляющие косинусы вектора намагниченности, К\ = —6,2х105 эрг/см3, К2 (не учитывалась, так как |АГ2| « |ATi| [6]) - константы магнитокристаллической анизотропии, измеренные при комнатной температуре в ГЦК Со.

Рассчитанная энергия анизотропии (Кмт), обусловленной ступенями,

равна

Каст = ^ = 7 ■ 105 эрг/см3, (3)

где М, = 1400 Гс, Д, = 1000 Э (рис. 4(6)). Из расчетов видно, что энергия магнитокристаллической анизотропии более чем в четыре с половиной раза меньше, чем энергия анизотропии, наведенной ступенями (ACT). Поэтому на зависимости MJMs{<p) (рис. 4(a)) нет максимумов, соответствующих средним осям кристаллографической анизотропии.

Так как во всех исследованных пленках преобладала ACT, то зависимости М,/Мх(ф>) схожи для всех полученных пленок. В пленках Cu/Co/Cu/Si с покрытием Со 50 МС по сравнению с пленками Со(12 МС) коэрцитивная сила уменьшилась с 114 до 91 Э, а поле анизотропии с 1000 до 600 Э. Уменьшение коэрцитивной силы и поля анизотропии в более толстых пленках Со(50 МС) объясняется сглаживанием шероховатостей поверхности.

В трехслойных пленках Со(6 МС)/Си(г/г„ = 0-7 МС)/Со(6 МС), выращенных на Cu/Si максимум косвенного антиферромагнитного (АФМ) взаимодействия приходится на покрытие Си прослойки <]с„ = 3 МС и совпадает с максимумом гигантского магнитосопротивления (ГМС). Это видно на приведенных зависимостях H,(dc„) (рис. 5(a)), M/Ms(dCu) (рис. 5(6)) и Др/р(dc„) (рис. 5(b)). В нашем случае величина dCll = 3 МС, при котором наблюдается максимум ГМС, отличается от значений dCu, приведенных в работах [7-8]. Мы связываем это со специфическим ростом Си прослойки в данной системе. Первый слой Со растет двумерными островками, гарантируя отсутствие каналов даже при покрытии 6 МС. Это означает, что Си прослойка не будет заполнять каналы в Со, а сразу будет расти квазитрехмерными островками на поверхности Со(6 MC)/Cu(10 MC)/Si. Когда верхняя часть островков достигает толщины, при которой косвенное АФМ взаимодействие максимально, наблюдается пик ГМС. Последующее осаждение Си приводит к трехмерному росту островков.

240-

1 120-

0,98-

Е Е

(а)

3 6 . . МС

0,84

I • __■ г-

V i

(б)

МС

(В)

, МС

Рис. 5. Зависимости (а) коэрцитивной силы, (б) нормированной остаточной намагниченности, (в) магниторезистивного эффекта от покрытия Си прослойки </с в пленках Со(6 МС)/Си(</г„ = 0-7 МС)/Со(6 МС)/Си/81

Квазитрехмерный рост Си приводит к неоднородному распределению покрытия Си по толщине между соседними слоями Со. Значит, даже при

покрытии Си прослойки, близкому к первому максимуму АФМ связи, будут существовать области, связанные как ферромагнитно (ФМ), так и АФМ. Для подтверждения нашей гипотезы методом МСМ была исследована доменная структура однослойных пленок Со(12 МС) и трехслойных пленок Со(6 MC)/Cu(3 МС)/Со(6 МС) в размагниченном состоянии. В пленках Со(12 МС) наблюдались домены, однородно намагниченные вдоль о.л.н (рис. 6(a)). В пленках с Си прослойкой покрытием 3 МС наблюдались 2 вида областей, различающихся по фазовому контрасту: более темные соответствуют АФМ связанным областям., светлые - ФМ связанным областям (рис. 6(6)). Доля областей с темным контрастом, показывающая долю АФМ связи, составляет 17% от общей площади изображения, что подтверждает предположение о существовании большой доли ФМ связанных областей даже в максимуме косвенного АФМ взаимодействия в пленках Со(6 МС)/Си(3 МС)/Со(6 МС).

Рис. 6. Магнитные структуры пленок (а) Си(14 МС)/Со( 12 МС)/Си/8ь (б) Си( 14 МС)/Со(6 МС)/Си(3 МС)/Со(6 МС)/Си/51, полученные с помощью МСМ. Изображения получены в размагниченном состоянии пленок. Размер изображений 80 мкм х 80 мкм.

В пленках Си(14 МС)/Со(25 МС)/Си(25 МС)/Со(25 МСуСи^ по сравнению с пленками Си(14 МС)/Со(50 МС)/Си/81 коэрцитивная сила увеличилась и составила Яс = 166 Э. Увеличение коэрцитивной силы в трехслойных пленках связано с внедрением промежуточного слоя Си. Си слой вносит две дополнительные границы раздела Со/Си, на которых происходит закрепление доменных границ при перемагничивании пленки. Си прослойка растет островками, поэтому внесение Си прослойки приводит к увеличению шероховатости второго слоя Со. Поле анизотропии трехслойных пленок было равно На = 500 Э.

Четвертая глава посвящена исследованию процессов перемагничивания и доменной структуры однослойных Си/Со(50 МС)/Си/81 и трехслойных Си/Со(25 МС)/Си(25 МС)/Со(25 МСуСи^ нанополосок. Нанополоски были вырезаны из сплошных пленок с одноосной анизотропией, наведенной

ступенями. В нанополосках была реализована конкуренция анизотропий, наведенных ступенями подложки и формой полосок. Длина полосок была равна 30 мкм. Магнитные свойства нанополосок определялись ориентацией длинной стороны полосок относительно ступеней подложки и соотношением энергий конкурирующих анизотропий. Для того чтобы исследовать полоски с различным соотношением конкурирующих анизотропий, были рассмотрены нанополоски разной ширины.

В однослойных нанополосках Со(50 MC)/Cu/Si шириной от 300 до 2000 нм, вырезанных параллельно ступеням подложки, ориентация о.л.н. не зависит от ширины нанополосок и остается параллельной их длинной оси. Энергия результирующей магнитной анизотропии равна сумме энергий анизотропии формы (АФ) и энергии ACT. Перемагничивание нанополосок вдоль о.т.н. осуществляется когерентным вращением вектора намагниченности, перемагничивание вдоль о.л.н. - зарождением доменов с противоположным направлением вектора намагниченности и движением 180° Неелевских доменных границ.

Если нанополоски вырезаны длинной стороной перпендикулярно ступеням подложки, то о.л.н., наведенная ступенями подложки, будет ориентирована перпендикулярно длинной оси полосок (случай ноперечной магнитной анизотропии). Ориентация результирующей о.л.н. и процессы перемагничивания в таком случае зависят от фактора качества, определяемого соотношением энергий конкурирующих анизотропий, обусловленных ступенями и формой, Q = К„уп / АГфррмы. Энергию АФ (АГформь1) можно определить по формуле:

1 , = ~ (N„„,„,„ - Ndmu )Mls , (4)

где /VKl)p0T, N:lmm - коэффициенты размагничивания вдоль короткой и длинной сторон нанополоски в ее плоскости, рассчитанные по формуле Aharoni

[9].

Энергия ACT в нанополосках с различной шириной была взята из параметров микромагнитного моделирования при сравнении петель гистерезиса, рассчитанных в программном пакете OOMMF, с петлями, экспериментально измеренными методом МОЭК. Зависимости энергий магнитных анизотропий от ширины полосок представлены на рис. 7.

Были исследованы нанополосоки шириной 500, 900 и 1800 нм. Рассмотрим два крайних случая ширины полосок. В нанополосках шириной 1800 нм (Q = 2,5) ACT преобладает над АФ. Перемагничивание полосок с шириной 1800 нм в поле, направленном параллельно короткой стороне нанополоски (о.л.н.), осуществляется моментально, о чем свидетельствует прямоугольная петля магнитного гистерезиса (рис. 8(a)). Механизм перемагничивания не может быть зафиксирован микроскопией, так как перемагничивание происходит за малый промежуток времени. Компьютерное моделирование показало, что перемагничивание осуществляется путем зарождения на концах полоски доменов с противоположно направленным

вектором намагниченности и смещением 180° Неелевских доменных границ. Неелевская граница состоит из двух участков разной полярности. В точке полярности доменной границы находится вихревая спиновая

изменения структура.

кформы(

й ( «)

1000 2000 О) (НМ)

Рис. 7. Энергии АСТ и АФ в зависимости от ширины папополосок Со.

В магнитном поле, параллельном длинной стороне полосок, перемагничивание происходит в трудном направлении намагничивания, петля магнитного гистерезиса раскрыта (рис. 8(6)). В состоянии остаточной намагниченности нанополоска демонстрирует ламинарную доменную структуру с частичным замыканием магнитного потока. Перемагничивание нанополоски осуществляется путем вращения вектора намагниченности в ламинарных доменах.

(а) з? 1 _____

'со

II ступеням (б) ю *Г*Т1ГТсо = 1800 нм 1 1

нс = 100 э моэк

5 О

-1

Ж & 0

2 о о ¥

1-1 I

о Е __

х 1-1000 (II

Магнитное поле, Н ( Э)

-1000 0 1000 н„ о)

1000

1 | -1 О- х

* 1 -1000 (О

,Н || длине со = 1800 нм

МОЭК

Н„ = 95 Э -1000 0 1000 о н„ О)

1000

мем

Магнитное поле, Н (Э)

ООММР

Н = <

Рис. 8. Петли магнитиого гистерезиса нанополоски Со шириной 1800 нм, измеренные при перемагничивании параллельно (а) ступеням подложки, (б) длинной стороне полоски. Внизу для каждого случая приведены изображения МСМ и микромагнитного моделирования, объясняющие доменную структуру полосок в процессе их перемагничивания.

Чтобы изучить механизм разворота вектора намагниченности в Неелевских доменных стенках, было произведено детальное исследование магнитной структуры небольшого участка нанополоски размером 3 мкм х 2,5 мкм в разных магнитных полях. На рис. 9(а) показаны изображения МСМ и микромагнитного моделирования участка нанополоски в состоянии остаточной намагниченности. На МСМ изображении на противоположных концах соседних Неелевских доменных границ магнитный контраст выглядит как пересечение черной и белой полос. Это свидетельствует о замыкании магнитного потока между соседними ламинарными доменами. На рис. 9(6) мы наблюдаем три пересечения в центральной доменной стенке. Из микромагнитного моделирования можно заключить, что пересечение в верхнем конце центральной доменной границы означает отрицательно направленное замыкание магнитного потока, а пересечение в нижнем конце - положительное замыкание магнитного потока. Третье пересечение - это точка изменения полярности в доменной границе. Точка изменения полярности имеет вихревую спиновую структуру. Хиральность вихря - против часовой стрелки. С увеличением отрицательного магнитного поля вихревая спиновая структура продвигается от конца доменной границы с отрицательным замыканием магнитного потока к концу с положительным замыканием. На рис. 9(в) вихрь в центральной доменной границе сдвинулся к нижнему краю границы. Вихревые спиновые структуры зародились и пробежали через соседние доменные границы, изменив, таким образом, их полярность. Для удаления вихрей из доменных границ и завершения процесса изменения полярности доменных стенок было приложено более высокое отрицательное магнитное поле (рис. 9(г)).

Рис. 9. Изображения, полученные с помощью МСМ и микромагнитных расчетов, участка нанополоски Со на различных стадиях перемагничиваиия: (а) Я = 0 (б) Н = - 90 Э, (в)// = -110Э, (г)Я = -150Э. Вихри отмечены белыми стрелками. Изображения микромагнитного моделирования показаны в цветовой палитре сНум.

Предполагаемый диаметр ядра вихря сравним с характеристической величиной йс = у/А/Ка, где Ка = М52/2 - плотность энергии поля рассеяния [10]. Величина с1х равна 5 нм для Со и мала в сравнении с шириной доменной стенки.

В нанополосках шириной 500 нм анизотропия формы преобладает над анизотропией, наведенной ступенями подложки. Петля гистерезиса в данном направлении неремагничивания немного раскрытая (рис. 10(а)). В состоянии насыщения вектор намагниченности направлен вдоль короткой стороны полосок. При уменьшении магнитного поля вначале происходит когерентное вращение вектора намагниченности к направлению длинной стороны полосок. Затем в поле Я = 50 Э в полосках начинают зарождаться домены с противоположно направленным (отрицательным) вектором намагниченности. В поле коэрцитивной силы число положительно и отрицательно намагниченных доменов приблизительно равное (Я = -50 Э). С увеличением отрицательного магнитного поля отрицательно намагниченные домены растут, объединяются и постепенно занимают весь объем полосок. Перемагничивание полосок завершается вращением вектора намагниченности по направлению магнитного поля.

(а)

ГО ш

о о.

о.

N„ = 553

|| ступеням (б) со = 500 нм

» 1

МОЭК

1-1000 0 1000 го

Магнитное поле, Н (Э)

о х

0) ¡-1 го

Н„ = 135 Э

МОЭК

Г 1

? 0

-1

I Н || длине со = 500 нм

-1000 о

н„ (Э)

ШЩ К

I Н = 50 Э

Н = -50Э

1-1000 0 1000 мем Магнитное поле, Н ( Э)

оомот

-135 э

Рис. 10. Петли магнитного гистерезиса нанополоски Со шириной 500 нм, измеренные при перемагничивании параллельно (а) ступеням подложки, (б) длинной стороне полоски.

Петля магнитного гистерезиса близка к прямоугольной при перемагничивании нанополосок шириной 500 нм вдоль длинной стороны (рис. 10(6)). В состоянии остаточной намагниченности в них наблюдается зарождение ламинарной доменной структуры. С увеличением отрицательного магнитного поля вектор намагниченности в ламинарных доменах разворачивается в направлении короткой стороны полосок, однако этот процесс прерывается зарождением доменов с противоположно направленным вектором намагниченности на концах полосок и перемагничиванием полосок путем

движения доменных границ. Этот момент соответствует резкому скачку намагниченности на петле магнитного гистерезиса.

В нанополосках шириной со = 900 нм магнитные анизотропии, обусловленные ступенями подложки и формой полосок, конкурируют друг с другом. Их энергии сравнимы. Процессы перемагничивания таких нанополосок сочетают те, что наблюдались в полосках шириной со = 1800 нм и со = 500 нм.

В трехслойных нанополосках Со/Си/Со магнитная структура определяется влиянием формы полосок, анизотропии, наведенной ступенями подложки, и межслоевым диполь-дипольным взаимодействием. Диполь-дипольное взаимодействие между слоями Со в состоянии остаточной намагниченности будет минимально в случае узких полосок или (и) при ориентации о.л.н., наведенной ступенями, параллельно длинной стороне полосок. Магнитные полюса в данном случае будут расположены лишь на концах нанополосок, и замыкание магнитного потока между соседними слоями не даст существенного выигрыша в магнитной энергии по сравнению с магнитной энергией системы при параллельной ориентации векторов намагничивания (рис. 11 (а)). Напротив, если о.л.н. анизотропии, наведенной ступенями, направлена вдоль короткой стороны полосок, то в достаточно широких нанополосках вектор намагниченности развернется поперек полосок. В таком случае замыкание магнитного потока может быть реализовано с обеих сторон полосок по всей их длине. Антипараллельная конфигурация намагниченности в смежных слоях Со в нанополосках с преобладающей анизотропией, наведенной ступенями подложки, должна быть энергетически выгодной по сравнению с параллельной ориентацией намагниченности в смежных слоях (рис. 11(6)).

(а)

;с|

м.

Рис. I 1. Схематическое представление замыкания магнитных полюсов в трехслойной нанополоске Со/Си/Со с преобладающей (а) АФ, (б) ACT, если предположить, что вектор намагниченности в смежных ФМ слоях ориентирован антипараллельно.

Области преобладания того или иного вида анизотропии в трехслойных Со/Си/Со полосках были определены по зависимости M/MJa>). Так как максимальное проявление дииоль-дипольного взаимодействия должно быть реализовано в полосках, в которых преобладает ACT, то рассмотрим перемагничивание нанополосок Со/Си/Со шириной 1800 и 1000 нм.

В трехслойных нанополосках Со/Си/Со шириной 1800 нм ACT преобладает над АФ. Петли магнитного гистерезиса, измеренные в направлении о.л.н. вдоль короткой стороны полосок, демонстрируют близкое к единице значение M/Ms, но петли не прямоугольны (рис. 12(a)). Перемагничивание полосок не осуществляется одним скачком

намагниченности, как это происходит в однослойных полосках Со той же ширины, а происходит в довольно протяженном интервале полей от 0 до -180 Э. Мы связываем это с наличием диполь-дипольного взаимодействия между смежными слоями Со. Диполь-дипольное взаимодействие приводит к зарождению доменов с антипараллельной ориентацией вектора намагниченности в смежных слоях Со. Такие домены видны на изображениях МСМ как области с малым магнитным контрастом. Перемагничивание вдоль о.л.н. в нанополосках Со/Си/Со с шириной 1800 нм происходит путем зарождения доменов с обратным направлением вектора намагниченности и смещения 180" Неелевских границ. Зарождение домена с обратным вектором намагниченности может происходить в двух слоях Со одновременно или только в одном, а затем область в другом слое Со перемагничиваегся путем смещения 180° доменных границ.

Магнитное попе, Н (Э) х Магнитное поле, Н (Э)

Н= 500 Э НШЕ"1 н=о

н = -80э 22ййе1 н = ' э

Рис. 12. Петли магнитного гистерезиса нанополоски Со/Си/Со шириной 1800 нм. измеренные при перемагничивании параллельно (а) ступеням подложки, (б) длинной стороне полоски. Белыми стрелками на рис. 12(а) отмечены области со слабым магнитным

контрастом.

В магнитном поле, параллельном длинной стороне полосок Со/Си/Со, перемагничивание происходит в трудном направлении намагничивания (рис. 12(6)). Петля магнитного гистерезиса более раскрыта по сравнению с петлей магнитного гистерезиса, измеренной с однослойной полоски Со. В состоянии остаточной намагниченности наблюдаются три домена с ярким контрастом, а между ними видны области со слабым контрастом. Доменные стенки плохо различимы. Мы связываем слабый контраст в доменах с антипараллельной ориентацией вектора намагниченности в смежных слоях. С увеличением отрицательного поля контраст в доменах постепенно ослабевает, что свидетельствует о вращении вектора намагниченности в доменах в сторону магнитного поля. Таким образом, перемагничивание трехслойных нанополосок Со/Си/Со вдоль длинной стороны осуществляется вращением вектора

намагниченности в ламинарных доменах. Вектор намагниченности ориентируется антипараллельно в смежных слоях, для того чтобы уменьшить магнитостатическую энергию системы. Отдельные области, в которых наблюдается параллельное выстраивание вектора намагниченности в смежных слоях, вероятно, связаны с дефектной структурой Си прослойки или перемагничиванием образца магнитным зондом в процессе сканирования.

Рассмотрим магнитные свойства нанополосок Со/Си/Со с шириной 1000 нм в сравнении с полосками Со/Си/Со шириной 1800 нм. В нанополосках Со/Си/Со с шириной 1000 нм ACT остается доминирующей, но влияние АФ на процессы перемагничивания и доменную структуру становится более выраженным. Петли магнитного гистерезиса, измеренные вдоль ступеней, становятся менее прямоугольными (рис. 13(a)). Перемагничивание нанополоски в магнитном поле, направленном вдоль ступеней, происходит в интервале полей от 0 до —350 Э. Интервал полей перемагничивания увеличился практически в два раза. Зарождение доменов с обратным вектором намагниченности происходит преимущественно сначала в одном, а затем в другом слое Со (Н = -50 Э). Процесс перемагничивания завершается смещением доменных границ в слоях Со (Я = — 100 —> -250 Э).

В данном случае более сильное влияние диполь-дипольного взаимодействия между слоями Со на процессы перемагничивания связано с возросшей энергией АФ. Увеличение АФ приводит к изменению магнитостатической конфигурации системы, к «размытию» интервала перемагничивания нанополосок и увеличению числа доменов, намагниченных антипараллельно, в процессе перемагничивания полосок.

(а).

-1

моэк

Н || ступеням со = 1000 нм

Н = 100 Э

(б)

-1

длине 1000 нм

Н =75 Э

1000 0 1000 Магнитное поле, Н (Э)

-1000 0 1000 Магнитное поле, Н (Э)

* Н = -50 Э •к » < *

■*Mk- *L Я Л t

т | Н = -100Э щ» * •

я „ * * » щт * \ Н = -150 Э NV ^

Н = 0

Н = -50 Э

Н = -100Э

Рис. 13. Петли магнитного гистерезиса нанополоски Со/Си/Со шириной 1000 нм, измеренные при перемагничивании параллельно (а) ступеням подложки, (б) длинной стороне

полоски.

Процессы перемагничивания нанополосок Со/Си/Со шириной 1000 нм вдоль длинной стороны не отличаются от рассмотренных выше для случая полосок Со/Си/Со шириной 1800 нм (рис. 13(6)). Перемагничивание нанонолосок осуществляется путем образования ламинарной доменной структуры. На большей части изображения МСМ в состоянии остаточного намагничивания домены демонстрируют слабый магнитный контраст, свидетельствующий об антипараллельной ориентации вектора намагниченности в смежных слоях Со (Н = 0). Перемагничивание осуществляется вращением вектора намагниченности в ламинарных доменах (Я = 0 -50 Э -100 Э —> —200 Э). Увеличение роли анизотропии формы хорошо видно по сильному магнитному контрасту на конце нанополоски, наблюдаемому в состоянии остаточной намагниченности

Процессы перемагничивания и доменная структура трехслойных нанополосок Со/Си/Со шириной 500 нм не отличаются от рассмотренных в однослойных полосках Со с такой же шириной 500 нм. Это подтверждает сделанные предположения о малом влиянии диполь-дипольного взаимодействия между слоями Со на процессы перемагничивания трехслойных нанополосок Со/Си/Со с преобладающей анизотропией формы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Установлено, что Си на поверхности Co/Cu/Si(111) растет трехмерными островками. Трехмерный рост островков Си прослойки в многослойных пленках Cu/Co/Cu/Co/Cu/Si( 1 И) приводит к существованию ферромагнитно связанных областей при покрытии Си прослойки от 0 до 7 монослоев. Максимум косвенного антиферромагнитного взаимодействия наблюдался при покрытии Си прослойки 3 монослоя. Доля антиферромагнитно связанных областей в максимуме косвенного антиферромагнитного взаимодействия составила 17 %.

2. Исследованы нанополоски Со и Со/Си/Со с поперечной магнитной анизотропией, наведенной ступенями подложки. Показано, что изменяя соотношение между энергиями магнитных анизотропий, наведенными ступенями подложки и формой нанополосок, можно управлять магнитными свойствами, доменной структурой и процессами перемагничивания в нанополосках Со и Со/Си/Со.

3. Установлено, что под действием магнитного поля, перпендикулярного Неелсвским доменным границам в нанополосках Со с ламинарной доменной структурой, полярность доменных границ изменяется путем зарождения вихря на краю каждой границы и продвижения его через всю доменную стснку. Вихри в соседних доменных стенках имеют противоположную хиральность, зарождаются на противоположных концах и двигаются в противоположных направлениях.

4. Показано, что в трехслойных нанополосках с поперечной магнитной анизотропией диполь-дипольное взаимодействие между ферромагнитными слоями приводит к антипараллельной ориентации вектора намагниченности в смежных слоях Со, когда энергия магнитной анизотропии, наведенная ступенями подложки, сравнима или больше энергии анизотропии формы.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1. Davydenko A.V., Pustovalov E.V., Ognev A.V., Chebotkevich L.A. Mechanism of reversing the Neel domain walls in the Co(lll) nanostripes with transverse magnetic anisotropy // Appl. Phys. Lett. 2012. Vol. 101. P. 252412.

2. Davydenko A.V., Pustovalov E.V., Ognev A.V., Chebotkevich L.A. Magnetization reversal in the single epitaxial Co(lll) nanowires with step-induced anisotropy // IEEE Trans. Magn. 2012. Vol. 48. P. 3128.

3. Davydenko A.V., Ivanov Yu. P., Chebotkevich L. A. Magnetic and magnetoresistive properties of epitaxial Co/Cu/Co trilayers on Si(lH) // J. Magn. Magn. Mater. 2012. Vol. 324. P. 1248.

4. Ivanov Yu.P., Ilin A.I., Davydenko A.V., Zotov A.V. Optimal Cu buffer layer thickness for growing epitaxial Co overlayers on Si(l 11)7x7 // J. of Appl. Phys. 2011. Vol. 110. P. 083505.

5. Чеботкевич Jl.А., Ермаков K.C., Балашев В.В., Давыденко А.В., Иванов Ю.П., Огнев А.В. Структура и магнитные свойства пленок кобальта на Si(l 11) и Si(001) // ФММ. 2010. Т. 109. С. 644.

6. Давыденко А.В., Иванов Ю.П., Ермаков К.С., Огнев А.В., Чеботкевич JI.A. Магнитные свойства эпитаксиальных пленок Со, осажденных на Si(lll) // Сборник тезисов Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике, Владивосток, 2009. С 39.

7. Давыденко А.В., Иванов Ю.П., Ермаков К.С., Огнев А.В., Чеботкевич JI.A. Магнитные свойства эпитаксиальных пленок Co/Cu/Si // Сборник тезисов Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике, г. Владивосток, 2009. С. 56.

8. Давыденко А.В., Иванов Ю.П., Ермаков К.С., Чеботкевич J1.A. Магнитные свойства многослойных эпитаксиальных пленок Co/Cu/Co/Cu/Si // Сборник тезисов Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике, Владивосток, 2010. С. 67.

9. Davydenko A.V., lvanov Yu. P., Ermakov K.S., Chebotkevich L. A. Magnetic and magnetoresistive properties of the trilayer epitaxial films Co/Cu/Co/Cu/Si(l 11)// Book of abstracts of The Ninth Russia-Japan Seminar on Semiconductor Surfaces, RJSSS-9. Vladivostok. 2010, P. 224.

10. Ivanov Yu.P., Ermakov K.S., Davydenko A.V., Chebotkevich L.A. Epitaxial Co films on Si С111) and Si(001) // Book of abstracts: IV Euro-Asian symposium "Trends in MAGnetism": Nanospintronics. Ekaterinburg, 2010. P. 214.

11. Давыденко A.B., Иванов Ю.П., Чеботкевич JI.A. Магнитные и магниторезистивные свойства эпитаксиальных пленок Со/Си/Со на Si(lll) // Нанофизика и наноэлектроника: труды XV Международного симпозиума. Нижний Новгород: ИФМ РАН, 2011. Т. 1. С. 176.

12. Давыденко А.В., Иванов Ю.П., Чеботкевич JT.A. Магнитные и магниторезистивные свойства эпитаксиальных пленок Со/Си/Со на Si(l 11)// Материалы Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых учёных по физике. Тезисы докладов. - Владивосток: Издательство Дальневосточного федерального университета, 2011. С. 40.

13. Davydenko A.V., Ivanov Yu.P., Ermakov K.E., Chebotkevich L.A. Epitaxial heterostructures Co/Cu on Si(l 11) // Book of abstracts: Moscow International Symposium on Magnetism (MISM). Moscow, 2011. P. 107.

14. Давыденко A.B., Иванов Ю.П., Огнев A.B., Пустовалов Е.В., Чеботкевич JI.A. Процессы перемагничивания эпитаксиальных наноироволок Со на вицинальном Si(lll) // Труды Десятой региональной научной конференции «Физика: Фундаментальные и прикладные исследования, образование». Владивосток, 2011. С. 32.

15. Давыденко A.B., Пустовалов Е.В., Огнев A.B., Чеботкевнч JI.A. Влияние магнитной анизотропии на процессы перемагничивания эпитаксиальных нанопроволок Со // Материалы Международного научного форума студентов, аспирантов и молодых ученых стран Азиатско-Тихоокеанского региона - 2012, Владивосток, 14-17 мая 2012 г. / под общей редакцией Н.В. Воеводиной. Владивосток: Издательский дом Дальневосточного федерального университета, 2012. С. 110.

16. Davydenko A.V., Ivanov Yu. P., Chebotkevich L. A. Mechanisms of reversing stripe domain structure in Co(lll) nanowires // Book of abstracts: Joint European Magnetic Symposia (JEMS). Parma, 2012. P. 406.

17. Пат. 2465670 РФ, МПК H01F10/16, H01F41/30, B82B3/00. Способ формирования эпитаксиальных пленок Со на поверхности полупроводниковых подложек / Иванов Ю.П., Чеботкевич JI.A., Зотов A.B., Давыденко A.B., Ильин Л.И. - Опубл. 27.10.2012. - Бюл. № 30 - 9 С.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Allwood D. A., Xiong G., Faulkner С. С., Atkinson D., Petit D., and Cowburn R.P. Magnetic domain-wall logic II Science. 2005. Vol. 309. P. 1688.

2. Parkin S. S. P., Hayashi M., Thomas L. Magnetic domain-wall racetrack memory // Science. 2008. Vol. 320. P. 190-194.

3. Hassel С., Römer F. M., Meckenstock R., Dumpich G., and Lindner J. Magnetization reversal in epitaxial Fe nanowires on GaAs(l 10) // Phys. Rev. Б. 2008. Vol. 77. P. 224439.

4. Noh S. J., Tan R. P., Chun B. S., Kim Y. K. Current induced domain wall motion in nanostripes with perpendicular magnetic anisotropy // J. Magn. Magn. Matt. 2010. Vol. 322. P. 3601.

5. Rath Ch., Prieto J. E., Muller S., Miranda R. and Heinz K. Hcp-to-fcc stacking switch in thin cobalt films induced by Cu capping // Phys.Rev. B. 1997. Vol. 55. P. 10791.

6. Suzuki Т., Weller D., Chang C.A., Savoy R„ Huang T. Magnetic and magnetooptic properties of thick facecenteredcubic Co singlecrystal films // Appl. Phys. Lett. 1994. Vol. 64. P. 2736.

7. Johnson M. Т., Coehoorn R., de Vries J. J., McGee N. W. E., de Stegge J. and Bloemen P. J. H. Orientational dependence of the oscillatory exchange interaction in Co/Cu/Co // Phys. Rev.Lett. 1992. Vol. 69. P. 969.

8. Camarero J., Graf Т., de Miguel J. J., Miranda R., Kuch W, et al. Surfactant-Mediated Modification of the Magnetic Properties of Co /Cu(l 11) Thin Films and Superlattices // Phys. Rev. Lett. 1996. Vol. 76. P. 4428.

9. Aharoni A. Demagnetizing factors for rectangular ferromagnetic prisms // J. of Appl. Phys. 1998. Vol. 83. P. 3432.

10. Hubert A., and Schäfer R„ Magnetic domains. New York. Springer, 1998. P. 250.

Подписано в печать 11.03.2013. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,4 Тираж 100 экз.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Давыденко, Александр Вячеславович, Владивосток

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Давыденко Александр Вячеславович

Влияние анизотропии на магнитные свойства эпитаксиальных Со и

Со/Си/Со наноструктур

01.04.07 - «Физика конденсированного состояния»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Л.А. Чеботкевич

Владивосток - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Список сокращений..........................................................................................5

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................6

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................14

1.1. Типы взаимодействий между магнитными слоями в тонкопленочных структурах..........................................................................14

1.2. Виды магнитосопротивлений в многослойных ферромагнитных наносистемах..................................................................................................17

1.2.1. Гигантское магнитосопротивление.............................................17

1.2.2. Анизотропное магнитосопротивление........................................22

1.3. Мультислойные пленки Со/Си(111)..................................................24

1.3.1. Косвенное обменное взаимодействие и ГМС в зависимости от ростовых процессов....................................................................................24

1.3.2. Причины гигантского магнитосопротивления............................27

1.3.3. Структура Со пленок на Си(111).................................................29

1.4. Анизотропия, наведенная ступенями подложки...............................31

1.5. Магнитные свойства нанополосок с поперечной наведенной анизотропией..................................................................................................34

1.5.1. Доменная структура нанополосок Со (случай сильной поперечной магнитной анизотропии).......................................................37

1.5.2. Доменная структура полосок Бе (случай слабой поперечной анизотропии)...............................................................................................40

1.5.3. Доменная структура поликристаллических нанополосок Со с магнитной анизотропией, наведенной под углом к длинной оси полос . 43

1.6 Выводы...........................................................1.........................................46

Глава 2. Методика эксперимента......................................................................47

2.1 Молекулярно-лучевая эпитаксия.............................................................47

2.2. Объединение ступеней под действием прямого тока........................49

2.3. Метод приготовления наноструктур сфокусированным ионным пучком ва.....................................................................................................................51

2.4. Особенности получения и строения нанополосок.................................53

2.5. Методы исследования пленок in situ......................................................54

2.5.1. Дифракция быстрых электронов......................................................54

2.5.2. Сканирующая туннельная микроскопия.........................................57

2.6. Методы исследования магнитных свойств пленок и наноструктур.....59

2.6.1. Индукционный метод.......................................................................59

2.6.2. Продольный магнитооптический эффект Керра.............................60

2.6.3. Атомно- и магнитно-силовые микроскопии...................................62

2.6.4. Микромагнитное моделирование в среде Object Oriented Micromagnetic Framework..........................................................................65

2.6.5. Магнитотранспортные измерения...................................................68

ГЛАВА 3 СВЯЗЬ СТРУКТУРЫ И РОСТОВЫХ ПРОЦЕССОВ С МАГНИТНЫМИ И МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫМИ СВОЙСТВАМИ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНОК Со и Со/Си/Со НА СТУПЕНЧАТОМ Si(lll).................................................................................................................72

3.1 . Структурный анализ и исследование ростовых процессов пленок Со на Si(l 11 ) с буферным слоем Си...................................................................73

3.1.1. Рост Со(6 МС) на Си(10 MC)/Si.......................................................73

3.1.2. Рост Со(50 МС) на Си(10 MC)/Si.................................................75

3.2 . Структурный анализ и исследование ростовых процессов пленок Со/Си/Со на Si(l 11) с буферным слоем Си...................................................76

3.2.1. Рост Со(6 МС)/Си(с?си = 0-7 МС)/Со(6 МС) на Си(10 MC)/Si.......76

3.2.2. Рост Со(25 МС)/Си(25 МС)/Со(25 МС) на Си(10 MC)/Si...............81

3.3. Магнитные и магнитотранспортные свойства пленок Co/Cu/Si(l 11) .. 82

3.3.1. Пленки Cu(14 МС)/Со(12 MC)/Cu(10 MC)/Si.................................82

3.3.2. Пленки Cu(14 МС)/Со(50 MC)/Cu(10 MC)/Si.................................87

3.4. Магнитные и магнитотранспортные свойства пленок Co/Cu/Co/Cu/Si(lll).......................................................................................89

3.4.1. Пленки Cu(14 МС)/Со(6 МС)/Си(</Си = 0-7 МС)/Со(6 МС)/Си(10 MC)/Si.........................................................................................................89

3.4.2. Пленки Cu(14 МС)/Со(25 MC)/Cu(25 МС)/Со(25 MC)/Cu(10 MC)/Si .....................................................................................................................94

3.5. Выводы.....................................................................................................96

ГЛАВА 4. ПРОЦЕССЫ И МЕХАНИЗМЫ ПЕРЕМАГНИЧИВАНИЯ НАНОПОЛОСОК Со и Со/Си/Со С МАГНИТНОЙ АНИЗОТРОПИЕЙ, НАВЕДЕННОЙ СТУПЕНЯМИ ПОДЛОЖКИ.................................................98

4.1. Нанополоски Cu(14 MC)/Co(50 MC)/Cu(10 MC)/Si, вырезанные параллельно ступеням подложки..................................................................98

4.2. Нанополоски Cu(14 MC)/Co(50 MC)/Cu(10 MC)/Si, вырезанные перпендикулярно ступеням подложки........................................................102

4.2.1. Процессы перемагничивания нанополосок шириной 1800 нм (Q = 2,5).............................................................................................................106

4.2.2. Механизм разворота вектора намагниченности в Неелевских доменных стенках в нанополосках шириной 1800 нм (Q = 2,5)............109

4.2.3. Процессы перемагничивания нанополосок шириной 500 нм (Q = 0,5).............................................................................................................114

4.2.4. Механизм разворота вектора намагниченности в Неелевских доменных стенках в нанополосках шириной 500 нм (Q = 0,5).............117

4.2.5. Процессы перемагничивания нанополосок шириной 900 нм (Q = 1,1).............................................................................................................118

4.3. Нанополоски Cu(14 MC)/Co(25 MC)/Cu(25 MC)/Co(25 MC)/Cu(10 MC)/Si, вырезанные перпендикулярно ступеням подложки .................120

4.3.1. Процессы перемагничивания нанополосок Со/Си/Со шириной 1800 нм......................................................................................................122

4.3.2. Процессы перемагничивания нанополосок Со/Си/Со шириной 1000 нм......................................................................................................127

4.3.3. Процессы перемагничивания нанополосок Со/Си/Со шириной 500 нм.......................................................................................................129

4.4. Выводы..............................................................................................131

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................133

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................................136

Список сокращений

AMC - анизотропное магнитосопротивление

АСМ - атомно-силовая микроскопия

ACT - анизотропия, наведенная ступенями подложки

АФ - анизотропия формы

АФМ - антиферромагнитный

ГМС - гигантское магнитосопротивление

ГПУ - гексагональный плотноупакованный

ГЦК - гранецентрированный кубический

ДБЭ - дифракция быстрых электронов

МЛЭ — молекулярно-лучевая эпитаксия

МОЭК - магнитооптический эффект Керра

MC - монослой

МСМ - магнитно-силовая микросокопия

О.л.н. - ось легкого намагничивания

О.т.н. - ось трудного намагничивания

ОЦК - объемноцентрированный кубический

РККИ (RKKY) - Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida

СВВ - сверхвысокий вакуум

СТМ - сканирующая туннельная микроскопия

СЭМ - сканирующая электронная микроскопия

ФМ - ферромагнитный

ЭДС - электродвижущая сила

OOMMF - Object oriented micro magnetic framework

ВВЕДЕНИЕ

Изучение процессов перемагничивания и доменной структуры магнитных нанополосок на сегодняшний день представляет особый интерес. В настоящее время предложены новые типы энергонезависимой магнитной памяти (памяти на беговых дорожках или Racetrack memory [1]) и логических устройств [2-4], основанных на движении доменных границ в нанополосках. Битами информации в памяти на беговых дорожках служат домены в нанополосках. В первоначальном варианте памяти на беговых дорожках, основанной на поликристаллических магнитных нанополосках, вектор намагниченности в доменах была ориентирован вдоль полосок за счет сильной анизотропии формы [5]. Рядом с каждой нанополоской были установлены считывающий [6] и записывающий [7] элементы, способные производить чтение и запись с участка, равного по размерам длине домена и расположенного непосредственно вблизи элементов. Смещение доменных границ и соответственно битов информации по полоске осуществлялось под действием импульсов спин-поляризованного тока, пропускаемых вдоль нанополоски [8, 9].

Процессы перемагничивания поликристаллических нанополосок, в

которых, как правило, главную роль играет анизотропия формы, достаточно

хорошо изучены [10]. Гораздо интереснее случай полосок, в которых помимо

анизотропии формы присутствует магнитная анизотропия другой природы с

осью легкого намагничивания (о.л.н.), направленной перпендикулярно

длинной стороне полосок [11-13]. Сочетание магнитных анизотропий может .

приводить к различным доменным конфигурациям в нанополосках.

Например, в нанополосках с перпендикулярной анизотропией (о.л.н.

направлена вдоль нормали к плоскости полосок) может возникать полосовая

доменная структура, образованная доменами, антипараллельно

намагниченными перпендикулярно плоскости полоски [14, 15]. В

нанополосках с поперечной анизотропией (о.л.н. направлена поперек

длинной стороны полоски в ее плоскости) индуцируется ламинарная доменная структура [16]. Вектор намагниченности в ламинарных доменах нанополоски направлен перпендикулярно длинной стороне и лежит в плоскости полоски. Изменяя относительную ориентацию и энергии наведенных магнитных анизотропий, можно управлять процессами перемагничивания и изменять доменную структуру нанополосок [17]. Использование нанополосок с наведенной поперечной или перпендикулярной магнитной анизотропией в магнитной памяти на беговых дорожках позволит значительно увеличить плотность записи информации за счет уменьшения размеров доменов и доменных границ. Существуют теоретические и экспериментальные работы, в которых показано уменьшение критической плотности тока для движения доменных границ током в нанопроволоках с наведенной перпендикулярной анизотропией [18]. Очевидно, что использование нанополосок с поперечной полосовой или ламинарной доменной структурой в памяти на беговых дорожках существенно улучит характеристики данной памяти, поэтому сегодня большое внимание уделяется исследованию процессов перемагничивания и доменной структуры нанополосок с наведенной анизотропией.

Целью диссертационной работы является исследование влияния конкуренции магнитных анизотропий, обусловленных формой и ступенями подложки, на процессы перемагничивания и доменную структуру нанополосок Со и Со/Си/Со и установление влияния ступенчатой структуры поверхности- подложки81(111) на ..ростовые, процессы, .магнитные и магниторезистивные свойства эпитаксиальных пленок Со/Си/81(111) и Со/Си/Со/Си/БКШ).

Задачи работы:

1. Исследовать ростовые процессы Со и Си на ступенчатой поверхности 81(111).

2. Вырастить магнитные пленки Со и Со/Си/Со на ступенчатой поверхности 81(111).

4. Измерить магниторезистивные свойства пленок во внешнем магнитном поле, приложенном параллельно и перпендикулярно оси легкого намагничивания с помощью четырехзондового метода измерения сопротивления и объяснить полученные данные, исходя из ростовых процессов и структуры пленок.

5. Приготовить из пленок Со и Со/Си/Со нанополоски различной ширины, так чтобы в нанополосках реапизовывалось различное соотношение энергий магнитных анизотропий, обусловленных формой и ступенями подложки.

6. Исследовать процессы перемагничивания и доменную структуру эпитаксиальных нанополосок Со и Со/Си/Со.

Научная новизна работы.

3. Впервые исследованы особенности ростовых процессов Со и Си на

ступенчатых подложках 81(111) и объяснена связь магнитных и

магниторезистивных свойств пленок Со/Си/Со/Си/81(111) со структурой пленок и ростовыми процессами в данной системе. 4. Исследовано влияние одноосной наведенной анизотропии на магнитную структуру трехслойных нанополосок Со/Си/Со. Показано, что в трехслойных нанополосках, в которых преобладает анизотропия, наведенная ступенями, реализуется антипараллельное выстраивание вектора намагниченности в смежных слоях Со.

На защиту выносятся следующие результаты:

2. Изменяя соотношение между энергиями магнитных анизотропий, -наведенных ступенями подложки и формой нанополосок Со и

Со/Си/Со, можно управлять магнитной структурой и процессами перемагничивания в нанополосках Со и Со/Си/Со.

3. Диполь-дипольное взаимодействие между слоями Со в трехслойных

нанополосках Со/Си/Со с преобладающей магнитной анизотропией,

наведенной ступенями, приводит к антипараллельной ориентации

вектора намагниченности в ламинарных доменах смежных слоев Со.

4. Антиферромагнитная связь между смежными ферромагнитными слоями Со и величина гигантского магнитосопротивления в С о/С и/С о/С и/S i(l 11) структурах зависят от кинетики роста Си прослойки на ступенчатой поверхности Со.

Личное участие автора в получении результатов состоит в следующем:

- получение эпитаксиальных магнитных пленок Со и Со/Си/Со методом молекулярно-лучевой эпитаксии

- измерение структурных свойств пленок и изучение ростовых процессов Со и Си на Si(lll) методами дифракции быстрых электронов и сканирующей туннельной микроскопии

- исследование магнитных свойств полученных пленок методами магнитооптического эффекта Керра и вибрационной магнитометрии

- исследование магниторезистивных свойств пленок. Для обеспечения стабильного электрического контакта к поверхности пленок автором была сконструирована четырехзондовая измерительная головка, объединенная с держателем образца.

- измерение петель магнитного гистерезиса нанополосок, вырезанных из сплошных пленок, методом магнитооптического эффекта Керра

- исследование магнитной структуры нанополосок методом магнитно-силовой микроскопии

- моделирование процессов перемагничивания и доменной структуры нанополосок в программном пакете Object Oriented Micromagnetic Framework

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на

Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по

физике (Владивосток, 2009, 2010, 2011, 2012), The Ninth Russia-Japan Seminar

on Semiconductor Surfaces, RJSSS-9 (Владивосток, 2010), Международном

симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, 2011),

Moscow International Symposium on Magnetism (Москва, 2011), Десятой

региональной научной конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование» (Владивосток, 2011), IEEE International Magnetics Conference, Intermag 2012 (Ванкувер, 2012), Joint European Symposium on Magnetism, JEMS-2012 (Парма, 2012).

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы из 132 наименований. Общий объем диссертации 150 страниц, включая 68 рисунков.

Во введении обоснована актуальность темы, сформирована цель

работы и поставлены задачи исследования, изложены защищаемые положения, кратко описана структура диссертации.

В первой главе приведен литературный обзор. Литературный обзор разбит на пять параграфов. В первом параграфе описаны виды взаимодействий между ферромагнитными слоями в многослойных пленках. Во втором параграфе рассмотрены два основных вида магнитосопротивлений, определяющих магнитотранспортные свойства ультратонких пленок с чередующимися ферромагнитными и немагнитными слоями: гигантское и анизотропное магнитосопротивления. В третьем параграфе рассмотрены результаты исследований структурных и магнитных свойств пленок Со(111)/Cu(l 11) и суперрешеток [Со(111)/Cu(l 11)]N, осажденных на подложки из различного материала. В четвертом параграфе отдельное внимание уделяется рассмотрению причин возникновения одноосной магнитной анизотропии в магнитных пленках, осажденных на ступенчатые подложки. В пятом параграфе описаны типы доменных -структур, реализующихся_в нанополосках с сочетанием анизотропии формы. и наведенной магнит�