НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ НИЗЬКИХ ТЕМПЕРАТУР

ім. Б.І.ВЄРКІНА

На правах рукопису

МЕРЕНКОВ Дмитро Миколайович

УДК 537.622.5; 537.622.6

537.624.8; 537.638.22

СПОНТАННІ І ІНДУКОВАНІ МАГНІТНИМ ПОЛЕМ

СПІНОВІ КОНФІГУРАЦІЇ В БАГАТОШАРОВИХ ПЛІВКАХ

Fe/Si, Gd/Co, Gd/Fe”

01.04.11- магнетизм

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Харків-2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Фізико-технічному інституті низьких температур ім. Б.І.Вєркіна НАН України

Науковий керівник: член-кореспондент НАН України,

доктор фізико-математичних наук, професор

Гнатченко Сергій Леонідович,

Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І.Вєркіна НАН України,

заступник директора з наукової роботи

Офіційні опоненти: доктор фіз.-мат. наук, доцент

Равлик Анатолій Георгійович

Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”,

професор кафедри фізики металів і напівпровідників

доктор фіз.-мат. наук, старший науковий співробітник

Пашкевич Юрій Георгійович

Донецький фізико-технічний інститут НАН України

ім. О.О.Галкіна, завідуючий відділом

Провідна установа: Харківський національний університет ім. В.Н.Каразіна, фізичний факультет, кафедра загальної фізики

Захист відбудеться “14” січня 2003 р. о 15 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д 64.175.02 у Фізико-технічному інституті низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України: 61103, м.Харків, проспект Леніна, 47.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Фізико-технічного інститута низьких температур ім. Б.І.Вєркіна НАН України: 61103, м.Харків, проспект Леніна, 47.

Автореферат розісланий “5” грудня 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

доктор фізико-математичних наук, професор Ковальов О.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасний розвиток мікроелектроніки має потребу в нових магнітних матеріалах з певним поєднанням заздалегідь заданих характеристик. У дисертаційній роботі досліджуються магнітні матеріали, які відносяться до одних з найбільш перспективних - багатошарові плівки, що складаються з тонких (товщиною кілька десятків ангстрем) шарів різних речовин. Унаслідок того, що багатошарові плівки є штучними об'єктами, їх макроскопічними характеристиками можна відносно легко керувати як шляхом заміни складових речовин, так і шляхом зміни товщини шарів і періоду шаруватої структури.

Металевим багатошаровим плівкам притаманні незвичайні фізичні властивості, які не спостерігаються в традиційних магнітних матеріалах - гігантський магнітоопір, осциляції міжшарової обмінної взаємодії, сильна біквадратна обмінна взаємодія, утворення неколінеарних поверхневих магнітних фаз. Тому не дивно, що інтерес до цих періодичних структур проявляється не тільки через перспективи їх технічного застосування, але і внаслідок можливості використання багатошарових плівок як модельних об'єктів для дослідження фундаментальних фізичних явищ.

Предметом дослідження дисертаційної роботи були магнітні стани багатошарових плівок Fe/Si, які належать до типу “перехідний метал - немагнітний прошарок” (ПМ/НП), а також плівок Gd/Fe, Gd/Co, Gd/Si/Co, одержаних на основі рідкісноземельного і перехідного металів (РЗМ/ПМ).

Незважаючи на інтенсивне експериментальне і теоретичне вивчення магнітних властивостей багатошарових плівок, ряд принципових питань відносно цих об’єктів залишається нез'ясованим. Так, для великої кількості багатошарових плівок типу ПМ/НП, у тому числі Fe/Si, не з'ясовано природу біквадратного обміну. Численні теоретичні моделі, що запропоновані для опису міжшарової обмінної взаємодії, майже завжди демонструють лише якісне узгодження з експериментальними результатами. Дані про температурні залежності обмінних констант носять суперечливий характер. Недостатньо вивчені магнітні стани багатошарових плівок, особливо для ПМ/НП систем. Майже не вивчався вплив немагнітних прошарків, розташованих між шарами магнітних компонентів, на властивості РЗМ/ПМ систем. Значні протиріччя спостерігаються в даних з коерцитивних властивостей плівок РЗМ/ПМ.

Таким чином, важливими напрямками в дослідженні багатошарових плівок є вивчення їх магнітних станів в широкому інтервалі температур і зовнішніх магнітних полів та побудова магнітних фазових діаграм, визначення параметрів обмінної взаємодії та їх температурних залежностей, виявлення і вивчення поверхневих фаз, коерцитивних властивостей плівок. Саме такі дослідження плівок Fe/Si, Gd/Fe, Gd/Co, Gd/Si/Co були виконані в дисертаційній роботі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана у Фізико-технічному інституті низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України в рамках держбюджетних тем: “Статичні і динамічні властивості магнітоконцентрованих систем” (номер державного реєстру 0196U002953, термін виконання 1996-2000 р.) і “Низькотемпературні магнітні, оптичні і резонансні властивості сполук з сильною взаємодією магнітної, електронної і іонної підсистем” (номер державного реєстру 0100U006266, термін виконання 2001-2003 р.)

Мета і задачі дослідження. Мета дисертаційної роботи полягала в експериментальному визначенні спінових конфігурацій і магнітних властивостей тонких металевих багатошарових плівок за допомогою магнітних і магнітооптичних методів. У процесі досягнення поставленої мети вирішувалися наступні задачі:

1.

2.

Для досліджень магнітних властивостей тонких багатошарових плівок, що мають невелику кількість речовини, застосовувалися високочутливі методи: сквід-магнітометрія і магнітооптичний ефект Кера. Використання сквід-магнітометру дозволяє одержувати інформацію про магнітний стан всього об’єму зразка, а використання магнітооптичного ефекту Кера дає можливість досліджувати переорієнтацію спінів у поверхневих шарах плівки. Обидва ці методи доповнюють один одного, а порівняння результатів, отриманих за їхньою допомогою, дозволяє виділити вплив поверхні на магнітний стан і процес намагнічування

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Вперше побудована в широкій області температур експериментальна фазова Н-Т діаграма багатошарової плівки Fe/Si з білінійною і біквадратною обмінною міжшаровою взаємодією і кубічною магнітною анізотропією. Виявлено спонтанний фазовий перехід другого роду з колінеарного стану у неколінеарний. Спостережено та ідентифіковано дві стабільні неколінеарні фази, що утворюються в плівці у відсутності зовнішнього поля, і виявлено спонтанний фазовий перехід першого роду між ними. Ідентифіковано неколінеарні стабільні спінові конфігурації, що утворюються в зовнішньому магнітному полі. Виявлено можливість існування неколінеарної метастабільної фази. В рамках феноменологічної теорії проведено розрахунок фазової Н-Т діаграми досліджуваної плівки Fe/Si, результати якого добре узгоджуються з експериментальною діаграмою.

2. Експериментально виявлено і описано в межах феноменологічної моделі формування неколінеарної неоднорідної спінової структури нового типу в поверхневому гадолінієвому шарі багатошарових плівок Gd/Fe. Експериментально визначено і теоретично розраховано поле фазового переходу у неколінеарний неоднорідний стан для плівок з різними товщинами поверхневого шару гадолінію.

3. Вперше побудована експериментальна фазова Н-Т діаграма багатошарової плівки з немагнітним прошарком між РЗМ і ПМ шарами – плівки Gd/Si/Co. Проведено розрахунок фазової Н-Т діаграми досліджуваної плівки в рамках феноменологічної теорії і одержано добре її узгодження з експериментом. Визначено константу обмінної взаємодії між шарами Gd і Co через прошарок Si товщиною 5A.

4. На прикладі плівок Gd/Si/Co і Gd/Co вперше експериментально встановлено, що поле коерцитивності тонких багатошарових плівок РЗМ/ПМ зростає при наближенні до температури компенсації.

Практичне значення одержаних результатів. У процесі роботи над дисертацією були встановлені умови формування різних спінових конфігурацій і визначені макроскопічні магнітні характеристики (поле переходу в неколінеарний стан, поле коерцитивності, температура компенсації, намагніченість) конкретних багатошарових плівок у залежності від товщини шарів і періоду структури, а також температури і зовнішнього магнітного поля. Проведені дослідження сприяють рішенню актуальної прикладної задачі - пошуку нових магнітних матеріалів із заданими параметрами. Відомо, що металеві багатошарові плівки можуть бути використані як високочутливі магніторезистивні датчики та середовища для магнітооптичного запису і збереження інформації. Таким чином, результати дисертаційної роботи мають перспективи застосування при розробці і виготовленні плівкових мікроелектронних пристроїв.

Особистий внесок здобувача. Усі наукові результати, що ввійшли в дисертацію, були отримані за особистою участю здобувача на всіх етапах роботи, за винятком виготовлення і попереднього тестування досліджуваних плівок. Дисертант брав активну участь у плануванні і проведенні магнітооптичних досліджень і чисельних розрахунків, в обговоренні результатів і підготовці публікацій.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювались на наступних міжнародних наукових конференціях і симпозіумах: European Conference “Physics of Magnetism” (Poznan, Poland, 1996, 1999), 15-th International Colloquium on Magnetic Films & Surfaces (Queensland, Australia, 1997), Conference of NATO Advanced Study Institute on Frontiers in Magnetism of Reduced Dimension Systems (Crimea, Ukraine, 1997), 16-th General Conference of the Condensed Matter Division (Leuven, Belgium, 1997), Международная конференция “Актуальные проблемы оптики” (Ташкент, Узбекистан, 1997), XVI Международная школа – семинар “Новые магнитные материалы микроэлектроники” (Москва, Россия, 1998), 7-th and 8-th European Magnetic Materials & Applications Conference (Zaragoza, Spain, 1998; Kiev, Ukraine, 2000), 14-th and 15-th Soft Magnetic Materials Conference (Balatonfured, Hungary, 1999; Bilbao, Spain, 2001). Результати роботи також обговорювались на семінарах відділу магнетизму Фізико-технічного інституту низьких температур ім. Б.І.Вєркіна НАН України.

Публікації. Результати роботи опубліковані в 7 статтях у реферованих наукових журналах, 1 статті в матеріалах конференції і 10 тезах доповідей.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних джерел (131 найменування). Зміст роботи викладено на 145 сторінках, дисертація включає 53 малюнки.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність обраної теми, сформульовано мету і основні задачі дослідження, визначено наукову новизну і практичне значення одержаних результатів, вказано особистий внесок здобувача, представлено дані по апробації результатів досліджень і друкованим публікаціям.

Перший розділ являє собою літературний огляд, в якому приведені результати експериментальних і теоретичних досліджень магнітних станів тонких багатошарових металевих плівок. Викладено універсальний ітераційний спосіб визначення основного стану шаруватих систем. Описано індуковані зовнішнім полем фазові переходи, що відбуваються в плівках РЗМ/ПМ з феримагнітним упорядкуванням магнітних моментів прилеглих шарів. Приведено метод розрахунку поля переходу нескінченної РЗМ/ПМ структури в неколінеарний стан [1]. Характерною рисою плівок РЗМ/ПМ є формування поверхневої неколінеарної фази в залежності від типу верхнього шару. Приведено дані про спостереження поверхневих неколінеарних станів: фази Кемлі [2], яка проникає усередину плівки на глибину декількох періодів шаруватої структури [3], а також неколінеарної фази в поверхневому шарі гадолінію епітаксійної плівки Gd/Fe [4], яка спостерігалася навіть у відсутності зовнішнього поля. Розглянуто вплив металевих немагнітних прошарків, які розміщені між магнітними шарами плівки Gd/Fe, на її властивості [5]. Зроблено огляд даних з осциляції білінійної обмінної взаємодії між шарами перехідного металу, які розділені металевим немагнітним прошарком. Унікальною властивістю плівок ПМ/НП є сильна біквадратна обмінна взаємодія, результатом якої є тенденція до 90-градусного упорядкування магнітних моментів сусідніх шарів перехідного металу. Коротко описані основні теоретичні моделі, що пояснюють виникнення біквадратного обміну. Показано, що сильний біквадратний обмін у системі Fe/Si виявляється при товщині кремнієвого прошарку близько 15A. Експериментальні дані свідчать про те, що при охолодженні плівки константа біквадратного обміну в цій системі зростає набагато більше, ніж константа білінійного обміну. Вказано на зв'язок між кристалічною будовою прошарку та обмінною взаємодією між шарами заліза. Приведено розрахунок фазової діаграми системи ПМ/НП з антиферомагнітною білінійною і біквадратною обмінною взаємодією і кубічною магнітною анізотропією [6]. Огляд завершує коротке резюме, у якому обґрунтовано необхідність подальшого вивчення магнітних властивостей багатошарових плівок. До кола питань, які будуть розглянуті у дисертаційній роботі, відносяться дослідження впливу немагнітного прошарку кремнію на магнітний стан плівок РЗМ/ПМ, вивчення коерцитивних властивостей та процесу формування поверхневих станів у цих плівках, а також дослідження спінових конфігурацій і фазових переходів у плівках Fe/Si.

У другому розділі описано експериментальну методику.

Представлено короткий опис магнітооптичного меридіонального ефекту Кера. Показано, що кут повороту Ф площини поляризації відбитого від металевої плівки світла (керівське обертання) прямо пропорційний зміні намагніченості в поверхневих шарах плівки. Керівське обертання також залежить від оптичних властивостей зразка і кута падіння лінійно-поляризованого світла на зразок. В магнітооптичних експериментах в геометрії меридіонального ефекту Кера вимірювався кут повороту площині поляризації світла, відбитого від поверхні зразка. Зовнішнє магнітне поле було спрямовано в площині плівки. Описано загальний принцип дії і роботу основних вузлів магнітооптичної установки. Джерелом світла був Не-Ne лазер з довжиною хвилі 633 нм. У світловому пучку, що пройшов систему “поляризатор-зразок-модулятор-аналізатор” присутні дві гармоніки, причому інтенсивність гармоніки на частоті модуляції пропорційна керівському обертанню Ф. Після проходження через аналізатор світло потрапляло на фотоелектронний помножувач, електричний сигнал з якого надходив на вхід синхропідсилювача. Постійна напруга на виході підсилювача була пропорційною величині сигналу гармоніки з частотою модуляції , а отже, і керівському обертанню Ф.

Представлено кріогенну частину установки, а також схему монтажу зразка у надпровідному соленоїді, за допомогою якого створювалося постійне магнітне поле напруженістю до 50 кЕ. Експерименти проводилися в температурному інтервалі від 10 до 300 K. Абсолютна похибка виміру температури у всьому діапазоні не перевищувала 1 K.

В останній частині розділу приведено короткий опис технології виготовлення досліджуваних багатошарових плівок, а також результатів їх попереднього тестування.

У третьому розділі викладено результати досліджень спінових структур і фазових переходів, які відбуваються в плівці [Fe 30A/ Si 15Е]11 у широкому інтервалі полів і температур. Попередньо проведені дослідження феромагнітного резонансу показали наявність у шарах заліза кубічної магнітної анізотропії з осями легкого намагнічування [100] і [010], що лежать у площині плівки.

На рис.1 представлена температурна залежність керівського обертання, яка була виміряна при орієнтації площини падіння світла уздовж осі трудного намагнічування []. Ця залежність ілюструє зміну магнітного стану плівки при охолодженні у відсутності магнітного поля. При високих температурах (195 – 300 K) біквадратна обмінна взаємодія виявляється недостатньо сильною, щоб порушити антипаралельну конфігурацію А (рис.2), яка є стабільною на даному температурному інтервалі. Керівське обертання є нульовим. При Т2 ? 195 K відбувається спонтанний фазовий перехід 2-го роду в неколінеарну конфігурацію С, викликаний збільшенням біквадратного обміну при охолодженні. Монотонне зростання керівського обертання при подальшому зниженні температури викликано збільшенням проекції сумарного магнітного моменту на вісь []. Різкий стрибок керівського обертання при Т1 ? 170 K відповідає спонтанному фазовому переходу 1-го роду між неколінеарними конфігураціями С і В, що пов'язаний з подоланням одним з магнітних моментів трудної осі кубічної анізотропії [110]. Конфігурація В є стабільною в нульовому полі при температурах 25-170 K.

Проведено дослідження польових залежностей керівського обертання, результати яких дозволили побудувати магнітну фазову діаграму плівки Fe/Si (рис.3). При будь-якій температурі вище 195 K введення зовнішнього поля Н призводить спочатку до утворення фази С, а потім до фазового переходу 1-го роду в стан В. Відзначимо, що при виведенні магнітного поля зворотній перехід не відбувається, і стан В існує в плівці як метастабільний навіть у нульовому полі. Подальше збільшення Н приводить до фазового переходу 2-го роду в насичений колінеарний стан D (рис.2). Такий перехід у насичений стан в сильних полях спостерігався у всьому досліджуваному інтервалі температур 25-300 K.

В області температур 170-195 K при Н = 0 має місце фазовий перехід 1-го роду між двома станами типу C (C1 C2), який супроводжується гістерезисом при перемагнічуванні зразка. Як і при більш високих температурах, в цьому температурному інтервалі також спостерігається індукований полем перехід у стан В. При температурах менше 170 K супроводжуване гістерезисом перемагнічування плівки відбувалося шляхом фазового переходу 1-го роду між двома станами типу В (B1 В2). Поле переходу між неколінеарними конфігураціями С і В, який спостерігається при температурах більш 170 K, знижується при охолодженні, а поле переходу в насичений колінеарний стан D зростає на всьому досліджуваному інтервалі температур.

Проведено розрахунок фазової Н-Т діаграми в рамках моделі, що враховує антиферомагнітну білінійну і біквадратну обмінну взаємодію між шарами заліза, а також кубічну магнітну анізотропію заліза. Задовільне узгодження експериментальних і розрахункових даних отримано в рамках розгляду, що враховує залежність від температури тільки константи біквадратної обмінної взаємодії. Таким чином, саме зміна біквадратного обміну є відповідальною за трансформацію спінової конфігурації багатошарової плівки Fe/Si та її кривих перемагнічування при зміні температури. Були також визначені чисельні значення констант білінійної і біквадратної обмінної взаємодії і показано, що константа біквадратного обміну лінійно зростає при охолодженні.

Четвертий розділ присвячено дослідженню процесів індукованої полем переорієнтації спінів у плівках Gd/Si/Co і Gd/Co. У першій частині розділу приведено результати досліджень плівки [Gd 75A/Si 5Е/Co 30Е/Si 5Е]20, в якій шари РЗМ і ПМ розділені немагнітним прошарком кремнію. Наявність цього прошарку не порушує антипаралельного упорядкування магнітних моментів шарів Gd і Co, однак призводить до зменшення константи міжшарової обмінної взаємодії більш ніж на порядок. Цей факт проявляється, наприклад, у зниженні температури компенсації плівки Тcomp з 250 до 118 K. Зовнішнє поле індукує у плівці Gd/Si/Co спін-орієнтаційний перехід у неколінеарний стан. Поле переходу Нt визначалося по характерному зламу на польових залежностях намагніченості і керівського обертання. Дані магнітних і магнітооптичних вимірів добре узгоджуються між собою. Це означає, що фазовий перехід на поверхні і усередині плівки відбувається в однакових полях. Побудовано фазову Н-Т діаграму плівки (рис.4). Розрахунок залежності Нt(Т), проведений у рамках теорії молекулярного поля за методом Мотокава [1], добре відповідає експерименту при Т ? Тcomp. Невідповідність експериментальних і розрахункових даних при більш високих температурах пов’язується з неоднофазністю гадолінію в тонких шарах досліджуваної плівки.

В другій частині розділу досліджуються коерцитивні властивості плівок [Gd 30A/Co 30Е]20 (1), [Gd 30Е/Co 38Е]10 (2) і [Gd 75A/Si 5Е/Co 30Е/Si 5Е]20 (3). Температурні залежності поля коерцитивності Нс цих плівок значно різняться між собою. На всьому досліджуваному інтервалі температур Нс плівки 1 зростає при нагріванні, а плівки 2 – зменшується. Залежність Нс(Т) плівки 3

має чітко виражений максимум при температурі близько 118 K, яка відповідає точці компенсації цієї плівки. Однак для всіх трьох плівок поле коерцитивності добре описується формулою

Hс(Т) = б/Ms(Т) -N Ms(Т)

де Ms – спонтанна намагніченість плівки, N – розмагнічуючий фактор, ? – параметр, що має розмірність енергії і не залежить від температури. Таким чином, було встановлено, що в досліджуваному інтервалі температур зміна поля коерцитивності плівок РЗМ/ПМ обумовлена зміною їх спонтанної намагніченості, і поле коерцитивності плівок зростає при наближенні до точки магнітної компенсації.

У п'ятому розділі показано, що в багатошарових плівках Gd/Fe з поверхневим шаром га-долінію і значною перевагою магнітного моменту шарів Fe над магнітним моментом шарів Gd може відбуватися форму-вання поверхневого неколінеа-рного неоднорідного стану, який принципово відрізняється від спостережених раніше в роботах [3,4]. Об'єктами досліджень були плівки [Gd 20A/Fe 20Е]40 (1), [Gd 40Е/Fe 40Е]20 (2), [Gd 60Е/Fe 60Е]15 (3) і [Gd 100A/Fe 100Е]15 (4) з однаковим співвідношенням кількості заліза і гадолінію, але різною товщиною шарів. Температурні залежності на-магніченості свідчать, що плівки не мають точки компенсації. Дослідження польових залежностей намагніченості показало, що у магнітних полях до 20 кЕ в жод-ній з плівок не відбувається переходу в неколінеарну фазу. Перемагнічування плівок супроводжується гістерезисом в полях, які не перевищують кілька сот ерстед.

На польових залежностях керівського обертання плівок 1 і 2, вимірюваних при p-поля-ризації падаючого світла при Т = 25 K (рис.5.1-2а), спостерігається особливість: після досягнення насичення відбувається поступове зниження керівського обертання при подальшому зростанні по-ля. На зворот-ному ході кривої, при зменшенні поля, зростання керівського обертання не спостері-гається і на залежностях Ф(Н) ви-никає ще один гістерезис. Зменшення кута обертання після досяг-нення насичення на кривій Ф(Н) плівки 1 починається в більшому полі, ніж на кривій Ф(Н) плівки 2. У випадку ж s-поляризації (рис.5.1-2б) збільшення Н призводить до зменшення величини керівського обертання і потім до зміни його знаку. Насичення сигналу не досягається навіть у полі Н = 2 кЕ, у той час як на залежностях М(Н) воно відбувається вже в полях не більше 400 Е. Польові залежності керівського обертання на рис.5.1-2б також демонструють додатковий гістерезис у полях, що перевищують поля насичення намагніченості. Залежність Ф(Н) плівки 3 (рис.5.3б) якісно відрізняється від аналогічних залежностей для плівок 1 і 2. Рознесені по полю на рис.5.1-2б гістерезиси, які супроводжують два різних процеси, тут зливаються і утворюють одну широку петлю. Вид кривих Ф(Н) плівки 4 (рис.5.4а,б) збігається з видом польової залежності намагніченості.

Спостереження істотних розходжень між польовими залежностями намагніченості плівок, з одного боку, і керівського обертання, з іншого, свідчить про поверхневу переорієнтацію магнітних моментів. Для інтерпретації експериментальних даних була запропонована теоретична модель, що описує формування неколінеарного неоднорідного стану поверхневого шару гадолінію в полях, при яких основний об’єм плівки займає колінеарна антипаралельна фаза. Можливість виникнення такого стану пояснюється тим, що атоми верхнього шару плівки слабкіше зв'язані міжшаровою обмінною взаємодією в порівнянні з атомами внутрішніх шарів. Даний неколінеарний стан реалізується в результаті конкуренції зовнішнього поля з внутрішньошаровим Gd-Gd обміном і, на відміну від поверхневої фази Кемлі [2,3], може спостерігатися в невеликих полях удалині від точки компенсації. Розрахунок показав, що поле переходу в поверхневий неколінеарний стан Ht повинно знижуватися при збільшенні товщини поверхневого шару Gd і підвищенні температури плівки.

Кожна з експериментальних кривих Ф(Н), приведених на рис.5, є результатом накладання двох процесів – зародження доменів і руху доменних стінок, з одного боку, і формування неколінеарної спінової конфігурації в поверхневому шарі гадолінію, з іншого. Перший процес відбувається в зовнішніх полях, що не перевищують поля насичення Нs. Другий процес продовжується при досягненні поля переходу Нt і протікає в більш високих полях. Розходження між залежностями Ф(Н) для різних плівок, отриманими для s-поляризації при досить великому куті падіння світла 75о (коли основний внесок у керівське обертання вносить поверхневий шар гадолінію), пов'язано зі зміною співвідношення між Нt і Нs через збільшення товщини поверхневого шару. Нt знижується, і рознесені по полю (для плівок 1 і 2, рис.5.1-2б) гістерезиси, які супроводжують два різних процеси, спочатку утворюють одну широку петлю (плівка 3, рис.5.3б), а потім стають нерозрізненними (плівка 4, рис.5.4б). В останньому випадку в процесі утворення доменів вигідного стану при перемагнічуванні поверхневий шар Gd вже знаходиться в неколінеарній фазі. При р-поляризації падаючого світла внесок поверхневого шару Gd у керівське обертання незначний в порівнянні з внеском від інших шарів (насамперед від сусіднього шару Fe), у яких не відбувається формування неколінеарної фази. Тому він виявляється лише в невеликому зниженні Ф плівок 1 і 2 у полях Н > Нs (рис.5.1-2а) при переході поверхневого шару в неколінеарний стан.

Приведена інтерпретація експериментальних даних у рамках моделі, що описує утворення неоднорідної неколінеарної магнітної структури в поверхневому шарі Gd, підтверджувалася зниженням поля переходу Нt при збільшенні температури, а також наближенням виду кривих Ф(Н), отриманих для s-поляризації, до виду кривих Ф(Н), отриманих для p-поляризації, при зменшенні кута падіння світла.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

Проведені дослідження магнітних станів тонких металевих багатошарових плівок дозволяють сформулювати наступні основні результати і висновки дисертаційної роботи:

1. Встановлено, що в багатошаровій плівці [Fe30 A/Si 15Е]11 з антиферомагнітною і біквадратною обмінною взаємодією між шарами заліза і кубічною магнітною анізотропією в температурному інтервалі 25 - 300 K термодинамічно стабільними у відсутності магнітного поля є колінеарна антиферомагнітна і дві неколінеарних спінові конфігурації, що послідовно змінюють одна одну при охолодженні плівки. Зростання біквадратної обмінної взаємодії при зниженні температури приводить до спонтанного фазового переходу другого роду з колінеарного антиферомагнітного стану до неколінеарного, а потім до спонтанного фазового переходу першого роду між неколінеарними станами.

2. Виявлено, що магнітне поле індукує у плівці [Fe30 Е/Si 15Е]11 фазовий перехід першого роду між неколінеарними станами в температурній області Т > 170 K, а також перехід другого роду в насичений стан з рівнобіжною орієнтацією магнітних моментів шарів заліза. Побудовано магнітну фазову Н-Т діаграму плівки для орієнтації поля уздовж осі трудного намагнічування. Визначено константи білінійної і біквадратної обмінної взаємодії між шарами заліза через немагнітний прошарок кремнію. Проведено розрахунок магнітної фазової Н-Т діаграми плівки [Fe30 A/Si 15Е]11 і отримано задовільне узгодження з експериментом.

3. У багатошаровій плівці [Gd 75A/Si 5Е/Co 30Е /Si 5Е]20 з феримагнітним упорядкуванням магнітних моментів шарів кобальту і гадолінію виявлено індукований магнітним полем спін-орієнтаційний перехід у неколінеарний стан. Побудовано магнітну фазову H-T діаграму дослідженого багатошарового феримагнетика. Визначено константу обмінної взаємодії між шарами кобальту і гадолінію через прошарок кремнію.

4. Встановлено, що поля коерцитивності багатошарових плівок [Gd 30Е/Co 30Е]20, [Gd 30Е/Co 38Е]10 і [Gd 75A/Si 5Е/Co 30Е/Si 5Е]20 зростають при наближенні до температури магнітної компенсації. Показано, що збільшення Нс пов'язано зі зниженням спонтанної намагніченості.

5. У багатошарових плівках Gd/Fe виявлено індукований магнітним полем неколінеарний неоднорідний магнітний стан у поверхневому гадолінієвому шарі. Розвинута теоретична модель, яка пояснює утворення неколінеарної неоднорідної магнітної структури в поверхневому гадолінієвому шарі конкуренцією зовнішнього поля з обмінною взаємодією усередині шару. Проведено чисельне моделювання неколінеарної неоднорідної структури в поверхневих шарах гадолінію різної товщини і розраховані поля фазового переходу з колінеарного стану до неколінеарного.

6. Показано, що неколінеарна неоднорідна магнітна структура в поверхневому гадолінієвому шарі плівок Gd/Fe, у яких відсутня точка магнітної компенсації, може формуватися під дією магнітного поля в широкій температурній області. Поле фазового переходу в неколінеарний стан зменшується з ростом товщини поверхневого шару гадолінію і підвищенням температури плівки.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

18.

СПИСОК ЦИТОВАНИХ РОБІТ

1.

2.

3.

magnetic phase diagram of Gd/Fe multilayers” // Phys. Rev. B.- 1995.- v.52.- №22.- p.16041-16048.

4.

5.

6.

АНОТАЦІЇ

Меренков Д.М. Спонтанні і індуковані магнітним полем спінові конфігурації в багатошарових плівках Fe/Si, Gd/Co, Gd/Fe. -Рукопис. Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата фізико-математичних наук за фахом 01.04.11 – магнетизм. Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І.Вєркіна НАН України, Харків, 2002.

Дисертація присвячена визначенню спінових конфігурацій та вивченню магнітних властивостей тонких металевих багатошарових плівок. Встановлено вид спінових конфігурацій, стабільних у багатошаровій плівці Fe/Si. Виявлено спонтанні і індуковані зовнішнім полем спін-орієнтаційні фазові переходи. Показано, що зміна магнітних станів плівки при охолодженні пов'язана зі зростанням біквадратної обмінної взаємодії. Уперше побудовано експериментальну фазову Н-Т діаграму багатошарової плівки Fe/Si.

Показано, що впровадження між шарами плівки Gd/Co прошарку кремнію товщиною 5A призводить до зниження константи міжшарової обмінної взаємодії більш ніж на порядок. Побудовано експериментальну фазову Н-Т діаграму плівки Gd/Si/Co. Встановлено, що поле коерцитивності тонких багатошарових плівок РЗМ/ПМ зростає при наближенні до температури компенсації.

У плівках Gd/Fe виявлено індукований магнітним полем неоднорідний неколінеарний стан у поверхневому шарі гадолінію. Розвинуто теоретичну модель, що пояснює утворення поверхневої неколінеарної структури конкуренцією зовнішнього поля з обміном усередині гадолінієвого шару. Поле фазового переходу в неколінеарний стан зменшується з ростом товщини поверхневого шару гадолінію і підвищенням температури плівки.

Ключові слова: багатошарова плівка, спінова конфігурація, обмінна взаємодія, фазова Н-Т діаграма, спін-орієнтаційний перехід, поле коерцитивності, поверхнева неколінеарна структура.

Меренков Д.Н. Спонтанные и индуцированные магнитным полем спиновые конфигурации в многослойных пленках Fe/Si, Gd/Co, Gd/Fe. -Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.11 – магнетизм. Физико-технический институт низких температур им. Б.И.Веркина НАН Украины, Харьков, 2002.

Диссертация посвящена изучению спиновых конфигураций и магнитных свойств тонких металлических многослойных пленок Fe/Si, принадлежащих типу “переходный металл – немагнитная прослойка”, и пленок Gd/Co, Gd/Fe типа “редкоземельный металл - переходный металл”. Исследования проводились методом СКВИД-магнитометрии, дающим информацию о магнитном состоянии всего объема образца, а также с помощью магнитооптического меридионального эффекта Керра, дающим возможность изучать процессы спиновой переориентации в поверхностных слоях пленок.

Установлен вид спиновых конфигураций, стабильных в температурной области 25 - 300 K в многослойной пленке [Fe30 A/Si 15Е]11 с кубической магнитной анизотропией и антиферромагнитным билинейным и биквадратным обменным взаимодействием между слоями железа. Обнаружено два спонтанных фазовых перехода: второго рода из антиферромагнитной фазы в неколлинеарную при Т 195 K и первого рода между двумя неколлинеарными фазами при Т 170 K. Показано, что изменение магнитных состояний пленки при охлаждении связано с ростом биквадратного обменного взаимодействия. Внешнее поле, приложенное в плоскости пленки вдоль оси трудного намагничивания, индуцирует фазовый переход первого рода между неколлинеарными состояниями при температурах выше 170 K, а также переход второго рода в насыщенное состояние с параллельной ориентацией магнитных моментов слоев железа во всем исследовавшемся интервале температур 25 – 300 K. Выявлена возможность существования в пленке неколлинеарной метастабильной магнитной фазы в отсутствие поля при Т > 195 K. Впервые построена экспериментальная магнитная фазовая Н-Т диаграмма многослойной пленки Fe/Si. Проведен расчет фазовой диаграммы в рамках модели, учитывающей билинейный и биквадратный межслойный обмен и кубическую магнитную анизотропию. Получено хорошее согласие с экспериментом. Определены значения констант билинейного и биквадратного обменного взаимодействия слоев железа через прослойку кремния. Показано, что температурная зависимость константы биквадратного обмена может быть аппроксимирована линейной функцией.

Показано, что внедрение между слоями пленки Gd/Co прослойки кремния толщиной 5 A не нарушает ферримагнитного упорядочения магнитных моментов слоев кобальта и гадолиния, однако приводит к понижению константы межслойного обменного взаимодействия более чем на порядок. Внешнее поле индуцирует в пленке [Gd 75Е/Si 5Е/Co 30Е /Si 5Е]20 спин-ориентационный переход в неколлинеарное состояние. Построена экспериментальная фазовая Н-Т диаграмма пленки и проведен ее расчет в рамках теории молекулярного поля. Расчет дает хорошее согласие с экспериментом при Т = Tcomp. Несоответствие экспериментальных и расчетных данных при более высоких температурах объясняется неоднофазностью гадолиния в тонких слоях исследуемой пленки.

На примере пленок Gd/Si/Co и Gd/Co впервые экспериментально установлено, что поле коэрцитивности тонких многослойных пленок РЗМ/ПМ возрастает при приближении к температуре компенсации. Показано, что увеличение поля коэрцитивности пленок обусловлено уменьшением величины их спонтанной намагниченности.

В многослойных пленках Gd/Fe, не имеющих точки компенсации, обнаружено индуцируемое магнитным полем неоднородное неколлинеарное состояние в поверхностном слое гадолиния. Вывод о существовании такого состояния сделан на основании сравнения полевых зависимостей намагниченности и керровского вращения. Возможность возникновения неколлинеарного поверхностного состояния объясняется тем, что атомы верхнего слоя пленки слабее связаны межслойным обменным взаимодействием Gd-Fe по сравнению с атомами внутренних слоев. Развита теоретическая модель, объясняющая образование неколлинеарной неоднородной магнитной структуры конкуренцией внешнего поля с обменом внутри поверхностного слоя гадолиния. Согласно предложенной модели, спины атомов гадолиния у границы раздела с железом остаются антипараллельными внешнему полю. В то же время спины остальных атомов поверхностного слоя гадолиния оказываются развернутыми по направлению внешнего поля, причем угол между направлением этих спинов и внешним полем уменьшается при движении от границы раздела слоев. Рассчитаны поля поверхностного фазового перехода в неколлинеарное состояние для пленок с различной толщиной слоев. Установлено, что обнаруженная неколлинеарная структура формируется в пленках Gd/Fe в широкой области температур. Показано, что повышение температуры и увеличение толщины поверхностного слоя гадолиния приводят к уменьшению поля, при котором возникает поверхностное неколлинеарное состояние.

Ключевые слова: многослойная пленка, спиновая конфигурация, константы билинейного и биквадратного обменного взаимодействия, фазовая Н-Т диаграмма, спин-ориентационный переход, поле коэрцитивности, поверхностное неколлинеарное состояние.

Merenkov D.N. Spontaneous and magnetic field induced spin configurations in Fe/Si, Gd/Co, Gd/Fe multilayers. -Manuscript. Thesis for a candidate degree in physics and mathematics by specialty 01.04.11 - magnetism. B.Verkin Institute for Low Temperature Physics & Engineering of NAS of Ukraine, Kharkiv, 2002.

The thesis is devoted to study of spin configurations and magnetic properties of thin metal multilayered films. The kinds of the stable spin configurations were established for Fe/Si multilayer. The spontaneous and field-induced spin-reorientation phase transitions were revealed. At cooling, the biquadratic exchange interaction increase results in Fe/Si film magnetic state changes. For the first time the experimental phase Н-Т diagram of Fe/Si multilayer is constructed.

It was shown, that the intercalation of a silicon spacer of 5Е thickness between layers of a Gd/Co film decreases an interlayer exchange interaction constant of more than in аn order оf magnitude. The experimental phase Н-Т diagram of Gd/Si/Co multilayered film was constructed. For the first time it was experimentally