Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика твердого тела, 1998, том 40, № 7 Исследование микромагнетизма и перемагничивания наночастиц Ni с помощью магнитного силового микроскопа й А.А. Бухараев, Д.В. Овчинников, Н.И. Нургазизов, Е.Ф. Куковицкий, М. Кляйбер, Р. Вейзендангер Казанский физико-технический институт Российской академии наук, 420029 Казань, Россия Institute of Applied Physics, 20355 Hamburg, Germany (Поступила в Редакцию 17 ноября 1997 г.) Изолированные наночастицы Ni исследовались методами атомно- и магнитно-силовой микроскопии in-situ при наличии дополнительного внешнего поля величиной до 300 Oe. Путем сравнения соответствующих топографических и магнитных изображений, а также с помощью компьютерного моделирования магнитных изображений было установлено, что частицы размером менее 100 nm являются однодоменными и легко перемагничиваются вдоль направления приложенного внешнего магнитного поля. У более крупных частиц внешнее магнитное поле повышает однородность намагничивания; направление суммарной намагниченности таких частиц определяется анизотропией их формы. Особенности магнитных изображений и перемагничивания частиц размером более 150 nm связываются с формированием в них вихревой структуры намагниченности.

Сканирующая зондовая микроскопия, в частности полагаемым образованием в такой пленке однодоменных атомно- и магнитно-силовая, открывает новые экспери- наночастиц [12].

ментальные возможности для более глубокого изучения Целью данной работы являлось обнаружение с помомагнитного упорядочения в веществе при переходе от щью МСМ однодоменных магнитных частиц в пленке микро- к макроразмерам, поскольку позволяет иссле- Ni, наноструктурированной в результате термоотжига, довать с нанометровым пространственным разрешени- и изучение in-situ, т. е. в присутствии дополнительного ем одновременно микротопографию и микромагнетизм внешнего магнитного поля, процесса перемагничивания поверхности твердого тела [1Ц3]. Существенно, что наночастиц в зависимости от их формы и размеров.

с помощью магнитного силового микроскопа (МСМ) такое важное для магнетизма явление, как перемагни1. Образцы и методы исследования чивание элементов поверхности внешним магнитным полем, можно изучать in-situ, т. е. непосредственно во Микротопографические изображения поверхности с время воздействия магнитного поля на образец [4Ц7].

нанометровым разрешением были получены с помощью Среди большого разнообразия объектов исследования отечественного сканирующего зондового микроскопа особый интерес в настоящее время вызывают планарные P4-SPM-MДТ, который работал в режиме атомно-силомагнитные структуры, состоящие из отдельно расповой микроскопии (АСМ). Магнитные измерения проволоженных ферромагнитных однодоменных наночастиц.

дились с помощью зондового микроскопа Nanoscope III.

Такие материалы являются основой для создания так наОба прибора работали в так называемой колебательной зываемых квантованных магнитных дисков Ч новых сред моде, когда микрозонд микроскопа с острой иглой на для записи и хранения информации. За счет однородного перемагничивания отдельных наночастиц, расположен- конце колеблется вблизи своей резонансной частоты с амплитудой от 10 до 100 nm [2,3]. При построчном сканых на расстоянии в несколько десятков нанометров друг нировании поверхности образца взаимодействие иглы с от друга, в таких средах возможна запись информации с поверхностью регистрируется по изменению амплитуды плотностью до 0.25 Tbites/in2 [8].

Хотя существует большое число методов приготовле- или фазы колебаний микрозонда. Если при максимальния ферромагнитных наночастиц [9], получение изоли- ном отклонении от положения равновесия кончик иглы рованных магнитных частиц на поверхности предста- кратковременно касается поверхности (Фtapping modeФ), то регистрируется профиль поверхности. В случае же ковляет определенную трудность из-за их слипания за гда магнитная игла не достигает поверхности, основной счет магнитного взаимодействия между частицами. В вклад в изменение амплитуды или фазы ее колебаний настоящей работе отдельные магнитные наночастицы Ni были получены на поверхности с помощью сравнительно вносит магнитное взаимодействие. Последовательное редко используемого для этих целей метода, основан- двукратное сканирование каждой строки с регистрацией ного на явлении коалесценции Ч формировании нано- вначале рельефа, а затем магнитного взаимодействия частиц при отжиге тонкой островковой металлической позволяет получать микротопографическое и магнитное пленки [10,11]. Известно, например, что существенное изображения одного и того же участка поверхности.

увеличение коэрцитивной силы наноструктурированной При таком режиме измерений после измерения профиля пленки Pt/Co после ее термообработки связывают с пред- поверхности вдоль одной из строк, данные о котором 1278 А.А. Бухараев, Д.В. Овчинников, Н.И. Нургазизов, Е.Ф. Куковицкий, М. Кляйбер, Р. Вейзендангер Рис. 1. Изображения никелевой наноструктурированной пленки, полученные с помощью АСМ вблизи края пленки. a, b Ч пленка в исходном состоянии, c, d Ч после отжига при 800C; b, d Ч профили поверхностей вдоль линий, отмеченных соответственно на рис. 1, a и c. Изображения a и c представлены в режиме Фвид сверху с боковой подсветкойФ; в верхней их части видна подложка из SiO2.

сохраняются в памяти компьютера микроскопа, упра- задавались в пределах от -300 до +300 Oe. При вляемый компьютером микрозонд вновь движется вдоль таких полях не наблюдались эффекты, связанные с пеэтого же участка, повторяя его рельеф, но уже не касаясь ремагничиванием иглы МСМ. Очевидно, это связано с поверхности за счет увеличения среднего расстояния более высоким значением коэрцитивной силы (Hc) для между микрозондом и поверхностью (до 50 nm). При магнитной иглы с железным покрытием по сравнению этом фаза его колебаний меняется лишь за счет маг- с Hc никелевых магнитных структур.

нитного взаимодействия иглы микрозонда с образцом. Исходный образец представлял собой оптическую поПолучаемое при этом изображение будет состоять из лированную подложку из кварцевого стекла, на которую темных и светлых участков (так называемый магнитный был напылен полупрозрачный слой Ni. Из АСМ-изоконтраст), соответствующих областям с различным маг- бражений было видно, что такая пленка состоит из нитным взаимодействием иглы с поверхностью [5Ц7]. полностью покрывающих подложку, тесно соприкасаюПри магнитных измерениях использовались иглы щихся между собой островков металла с максимальиз Si, на которые были нанесены последовательно слои ным перепадом профиля по высоте от 30 до 70 nm.

Fe (20 nm) и Cr. Предварительное намагничивание иглы Другими словами, островки металла соединены между (вне микроскопа) проводилось вдоль ее оси, т. е. пер- собой мостиками. Одним из достоинств микроскопа пендикулярно поверхности исследуемого образца. При атомных сил по сравнению с другими микроскопами проведении экспериментов по перемагничиванию in-situ является возможность измерения высоты микрорельеблок сканирования микроскопа размещался между по- фа. Специально выполненные АСМ-измерения на краю люсами электромагнита так, что магнитное поле было пленки показали, что средняя толщина перемычек между направлено вдоль плоскости образца. Значения поля островками металла составляет около 30 nm, а средняя Физика твердого тела, 1998, том 40, № Исследование микромагнетизма и перемагничивания наночастиц Ni... соприкасаясь друг с другом. Их данных АСМ следует, что при отжиге мостики между островками разрываются, а расстояние между ними увеличивается. Это происходит в результате того, что при высокой температуре островки стремятся приобрести термодинамически равновесную форму, определяемую силами поверхностного натяжения. Наблюдаемая трансформация пленки представляет собой автокоалесценцию, т. е. стягивание островков в плоскости подложки и превращение их в изолированные частицы [10,11]. Вероятно, наряду с автокоалесценцией при таком отжиге имеет место и обычная коалесценция, т. е. слияние некоторых частиц в более крупные.

На основании АСМ-измерений можно сделать вывод о том, что при термообработке общая масса осажденного на подложку металла сохраняется за счет увеличения высоты и объема изолированных частиц.

Оценивая размеры и форму образовавшихся частиц, необходимо отметить, что с помощью АСМ достаточно точно можно охарактеризовать высоту отдельно лежащих частиц, однако видимые горизонтальные размеры частиц, радиус которых соизмерим с радиусом закругления кончика иглы, могут быть существенно больше истинных из-за известного эффекта свертки иглаЦобразец [3].

Поэтому при оценке горизонтальных размеров частиц использовалась разработанная нами ранее [13] методика восстановления формы кончика иглы и коррекции формы и размеров наночастиц с помощью компьютерной программы деконволюции и тестовых образцов, представляющих собой латексные шарики диаметром 200 nm. Это позволило нам установить, что используемые в эксперименте иглы имеют радиус закругления около 10 nm, а Рис. 2. Микротопографическое (a) и соответствующее ему круглые в плане небольшие частицы высотой до 70 nm магнитное (b) изображения отдельных никелевых частиц, поимеют почти сферическую форму, так как их диаметр ралученные с помощью МСМ.

вен 80-90 nm, т. е. реальные горизонтальные размеры небольших частиц (с видимыми размерами менее 150 nm) приблизительно на 30% меньше из-за эффекта свертки иглаЦобразец.

толщина пленки 40 nm (рис. 1, a, b). После отжига в атмосфере водорода при 800C на подложке из стекла Регистрация магнитного взаимодействия колеблющегося на резонансной частоте микрозонда производилась образуются изолированные частицы преимущественно по изменению фазы его колебаний, которое определяется двух типов: маленькие, диаметром от 60 до 150 nm и выражением -2QF /k, где Q Ч добротность, высотой до 70 nm, и более крупные, диаметром от а k Ч жесткость микрозонда, F Ч градиент силы до 400 nm и высотой до 250 nm (рис. 1, c, d). При магнитного взаимодействия иглы с поверхностью вдоль этом высота частиц заметно возрастает: для наиболее оси Z, перпендикулярной плоскости образца [1Ц3]. За крупных от 70 до 240 nm. Большинство частиц с горизонтальными размерами менее 150 nm имеет фор- счет малых размеров кончика иглы ее можно аппроксимировать точечным магнитным диполем m. Сила, дейму, близкую к круглой, однако среди более крупных ствующая на такой диполь со стороны магнитного поля частиц наряду с круглыми достаточно часто встречаются поверхности (H), задается выражением F = (m H). В частицы аксиальной формы с отношением ширины к отсутствие поверхностных токов (т. е. когда H=0) длине 1 : 2 (реже 1 : 3). На некоторых изображениях было заметно, что такие аксиальные частицы предста- это выражение можно записать как F = (m )H.

В этом случае изменение фазы колебаний магнитного вляют собой две (или три) не до конца слившиеся микрозонда определяется выражением частицы, поскольку они имели характерный двух- или трехгорбый профиль. Из измерений на границе пленки i i i Q 2Hz 2Hz 2Hz после термоотжига хорошо видно (рис. 1, c,d), что при - mx +my +mz, (1) k xz yz zсканировании участков между частицами игла микроi скопа атомных сил достигает уровня подложки. Это где Hz Ч значения z-компоненты магнитного поля от означает, что частицы располагаются изолированно, не i-го участка поверхности. Из этого уравнения следует, Физика твердого тела, 1998, том 40, № 1280 А.А. Бухараев, Д.В. Овчинников, Н.И. Нургазизов, Е.Ф. Куковицкий, М. Кляйбер, Р. Вейзендангер Рис. 3. Перемагничивание отдельной однодоменной никелевой частицы во внешнем магнитном поле. a Ч топографическое изображение частицы, b Ч компьютерная симуляция МСМ-изображения (магнитного контраста), соответствующего этой частице (направление ее спонтанной однородной намагниченности совпадает с изображенным на рис. 3, d), c, d Ч экспериментальные МСМ-изображения той же частицы в присутствии внешнего магнитного поля величиной 300 Oe (стрелками отмечено направление поля).

что основное изменение фазы дает изменение магнит- вдоль поверхности, т. е. если частица является одноного поля вдоль Z-направления, перпендикулярного по- доменной, соответствующее ей магнитное изображеверхности образца. Это выражение использовалось нами ние должно иметь характерный вид, приведенный на при компьютерном моделировании магнитных изображе- рис. 2 и 3. Магнитный контраст (темные и светлые ний, получаемых с помощью МСМ от частиц Ni. При области) связан с образованием магнитных полюсов на этом частица аппроксимировалась цилиндром, высота концах однодоменной ферромагнитной частицы, так как и диаметр которого совпадали с размерами частицы, именно место выхода магнитного потока из частицы цилиндр разбивался на 900 фрагментов, каждый фраг- характеризуется значительным изменением поля вдоль мент замещался точечным магнитным диполем, который оси Z. При этом линия, соединяющая центры темной и помещался в центре тяжести фрагмента. Магнитное поле светлой области на магнитном изображении, совпадает i-го диполя вычислялось по формуле с направлением суммарного вектора намагниченности частицы (M).

i i i 3z xMx + yMy + zMz i Mz Hzi = -, (2) r5 r2. Микромагнетизм i i i где Mx, My, Mz Ч соответствующие компоненты вектора и перемагничивание наночастиц Ni намагниченности точечного диполя, r Ч расстояние от данного диполя до иглы МСМ. В эксперименте в отсутствие дополнительного внешПри однородном намагничивании, когда магнитные него поля магнитные изображения с достаточно ярмоменты всех фрагментов ориентированы одинаково ко выраженным магнитным контрастом, характерным Физика твердого тела, 1998, том 40, № Исследование микромагнетизма и перемагничивания наночастиц Ni... для однородного намагничивания, наблюдались лишь от микрозонда с такой частицей и уменьшать магнитный сравнительно небольших круглых частиц с видимым контраст. Для наночастиц Ni, размер которых превышает диаметром менее 100 nm (рис. 2) и аксиальных частиц критический размер однодоменности, вероятность обрас шириной около 100 nm и отношением ширины к зования вихревых структур велика ввиду того, что они, длине 1 : 3. У последних намагниченность была на- как отмечалось выше, характеризуются слабой магнитправлена вдоль длинной оси частицы, т. е. вдоль легкой ной кристаллографической анизотропией [14]. О переоси намагничивания. Из сравнения рис. 2, a и b хорошо стройке намагниченности от однородной, однодоменной видно, что расположенные в нижней части рисунка три структуры к вихревой при увеличении диаметра частиц круглые частицы с видимым диаметром от 60 до 100 nm Ni от 70 до 300 nm (при толщине 30Ц70 nm) сообщалось имеют характерный для однородного намагничивания также в работе [18].

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам