Книги по разным темам Физика твердого тела, 1997, том 39, № 12 Многоуровневое межслойное взаимодействие в слоистых пленочных структурах й В.О. Васьковский, П.А. Савин, В.Н. Лепаловский, А.А. Рязанцев Уральский государственный университет, 620083 Екатеринбург, Россия (Поступила в Редакцию 29 апреля 1997 г.) Выполнен анализ возможных механизмов межслойного магнитного взаимодействия в пленочных сэндвичах. В основу исследования положено предположение о существенном влиянии межслойной связи на гистерезисные свойства пленок. Оно в свою очередь базируется на экспериментальных данных по коэрцитивной силе, параметрам доменной структуры и микроструктуры пленок Fe19Ni81 / Cr/ Fe19Ni81.

Fe15Co20Ni65 / Cr/ Fe15Co20Ni65. С использованием теоретических оценок показано, что с ростом толщины прослойки Cr обменное взаимодействие между ферромагнитными слоями может сменяться магнитостатическим, эффективность которого определяется наличием неровностей поверхностей и Фряби намагниченностиФ слоев.

Многослойные магнитные пленки обладают рядом ния, покрытые нитридом титана. Подслой TiN, по нашим специфических особенностей магнитных, магнитоопти- данным [2], способствует образованию более однородческих, магниторезистивных и других свойств, кото- ной микроструктуры в магнитных слоях. В качестве рые вызывают активный исследовательский интерес. В материала прослойки использовался хром, который не том числе известно, что в системе магнитных слоев, несет результирующей намагниченности и отличается разделенных немагнитными прослойками, наблюдается относительно слабым влиянием на гистерезисные свойсущественно меньшая коэрцитивная сила Hc, чем в од- ства прилегающих магнитных слоев [3]. Выбор составов нослойных пленках. Это связывается с нарушением меж- самих магнитных слоев был также обусловлен стремлеслойного обменного взаимодействия и определенным нием снизить вклад в коэрцитивную силу от возможных конфигурированием доменных границ. Неелевские до- неоднородных упругих напряжений.

менные границы, находящиеся в разных слоях, образуют Толщина каждого из магнитных слоев была фикструктуры с частично замкнутым магнитным потоком.

сирована и составляла 150. Температура подложек В результате происходит снижение плотности энергии в процессе осаждения пленок поддерживалась равной таких границ и как следствие уменьшение Hc [1]. Однако 200C. Присутствие при напылении однородного магнаряду с этим в формировании гистерезисных свойств нитного поля задавало в плоскости образцов одноосную пленок могут играть роль и другие механизмы меж- магнитную анизотропию. Значения коэрцитивной силы слойного взаимодействия, изучению которых посвящена данная работа.

Отправной точкой данного исследования явились зависимости коэрцитивной силы двухслойных магнитных пленок от толщины L немагнитных прослоек. Оказалось, что с увеличением L упоминавшееся выше резкое снижение Hc, которое происходит при L 10, довольно неожиданно сменяется быстрым возрастанием коэрцитивной силы. Это хорошо видно из рис. 1, на котором показаны зависимости Hc(L) для слабомагнитострикционных пленок Fe19Ni81 и Fe15Co20Ni65 с прослойкой хрома. По мере увеличения толщины прослойки (L > 40 ) рост коэрцитивной силы замедляется, и значения Hc, свойственные однослойным пленкам (1 и 2.4 Oe для Fe19Ni81 и Fe15Co20Ni65 соответственно), реализуются только при L > 1000.

Эксперимент, результаты которого представлены на рис. 1, был выполнен на образцах, полученных методом высокочастотного ионного распыления. При его постановке принимались меры по снижению общего уровня коэрцитивной силы пленок и созданию условий для Рис. 1. Зависимости коэрцитивной силы пленок выявления деталей ее изменения. Подложками служили Fe19Ni81 / Cr/ Fe19Ni81 (a) и Fe15Co20Ni65 / Cr/ Fe15Co20Ni65 (b) термоокисленные монокристаллические пластины крем- от толщины прослойки хрома.

2192 В.О. Васьковский, П.А. Савин, В.Н. Лепаловский, А.А. Рязанцев если между слоями существует положительная связь по всей поверхности. Она может иметь магнитную природу и быть более дальнодействующей, чем обменная связь, которая, по-видимому, теряет доминирующий характер при L > 10. С ростом толщины прослойки магнитное взаимодействие постепенно ослабевает, что приводит к появлению несдвоенных доменных границ, возрастанию усредненной граничной энергии и увеличению Hc.

Изложенная концепция косвенно подтверждается при анализе картин доменной структуры, полученных с помощью электронного микроскопа. Для пленок, содержащих магнитные слои Fe15Co20Ni65, они показаны на рис. 3.

Соответствующие образцы были приготовлены по описанной выше технологии на кристаллах NaCl. Перед наблюдениями они отделялись от подложки и размагничивались переменным магнитным полем, приложенным перпендикулярно ОЛН.

На представленных фотографиях доменные границы выглядят как черные или белые линии. Исходя из особенностей формирования изображения в электронном микроскопе, можно заключить, что закономерное чередование черного и белого цветов и большая яркость доменных границ на рис. 3, a указывают на сквозной Рис. 2. Нормированные зависимости энергии сдвоенных характер доменов в образцах с малой L. При толщинах доменных границ (1), энергии взаимодействия слоев по мехапрослойки несколько более 20 регулярность смены низму Фапельсиновой кожурыФ (2) и через Фрябь намагниченцвета соседних границ нарушается, а яркость некоторых ностиФ (3) от толщины немагнитной прослойки.

из них уменьшается (рис. 3, b). Это свидетельствует о появлении нескольких доменов и не связанных в пары доменных границ именно в той области L, в которой определялись из магнитооптических петель гистерезиса, начинается возрастание Hc.

измеренных вдоль оси легкого намагничивания (ОЛН).

В образцах с еще более толстой прослойкой наблюдаОдной из причин возрастания коэрцитивной силы при ются слабоконтрастные границы-ФпризракиФ (на рис. 3, c L > 20 может быть увеличение плотности энергии такие границы отмечены стрелками). Это отражает сиd и уменьшение ширины связанных доменных границ туацию, в которой прослойка и доменные границы, за счет магнитостатической составляющей. Соответствунаходящиеся одна над другой в разных слоях, разделяющие оценки были выполнены нами с использованием ют домены с антипараллельной намагниченностью. При формулы, предложенной в [4], такой магнитной конфигурации граница в одном слое имеет черный, а в другом слое Ч белый цвет. Наложение A2 K Ms D d = + + (D + 3L/2), (1) их изображений делает сдвоенную границу в целом ма 2 ( + 2D)лозаметной. Присутствие границ-ФпризраковФ указывает где A Ч параметр обменного взаимодействия, K Чкон- на существование несквозных доменов на достаточно большой площади.

станта магнитной анизотропии, Ms Ч намагниченность Таким образом, предположение о корреляции между насыщения, D Ч толщина магнитного слоя.

гистерезисными свойствами и межслойной связью предНа рис. 2 (кривая 1) показана в приведенных единицах ставляется вполне оправданным. Это позволяет рассмазависимость d(L) в двухслойных пленках Fe15Co20Niтривать коэрцитивную силу как своего рода индикатор с A = 10-6 erg/m, K = 104 erg/m3, Ms = 103 G, величины взаимодействия слоев и использовать ее для D = 150. Нормирование осуществлено на плотность энергии неелевской доменной границы, которая вычи- оценки эффективности соответствующих механизмов. К таковым, в частности, относится так называемый мехаслена по [5] для однослойной пленки толщиной 300.

низм Фапельсиновой кожурыФ. Он вводит связь между Видно, что в области толщин прослойки 10Ц50 d слоями через магнитные поля рассеяния, создаваемые изменяется очень слабо. В то же время коэрцитивная неровностями поверхностей. В работе [6] в предположесила повышается в 2Ц3 раза, т. е. несравненно сильнее, ниях гармонического характера и синхфазности поверхчем это могло бы быть обусловлено ходом d(L).

Альтернативное объяснение рассматриваемой особен- ностных неровностей получено аналитическое выражености гистерезисных свойств может состоять в следую- ние для энергии взаимодействия слоев щем. Пары доменных границ с пониженной магнитостаp Eor = - h1h2M1M2 cos(1 - 2) exp(-pL 2). (2) тической энергией образуются с большей вероятностью, 2 Физика твердого тела, 1997, том 39, № Многоуровневое межслойное взаимодействие в слоистых пленочных структурах Рис. 3. Электронно-микроскопические картины доменной структуры сэндвичей Fe15Co20Ni65 / Cr/ Fe15Co20Ni65 с разной толщиной прослойки хрома. L (): a Ч8, b Ч 25, c Ч 40.

Здесь M1 и M2 Ч намагниченности слоев, (1 - 2) Ч как слабоконтрастное изменение интенсивности элекугол между векторами намагниченности, h1 и h2 Ч тронного пучка внутри доменов. Мы предположили, что амплитуды волн неровностей, p = 2/or (or Чдлина тонкая структура является источником магнитных полей волн неровностей). Данная формула и более строгий рассеяния, поскольку в поликристаллических пленках численный расчет [7] дают близкие результаты, если ориентация намагниченности от кристаллита к кристалтолщины магнитных слоев превышают амплитуды неров- литу может изменяться дискретно из-за ослабленного ностей более чем в 5 раз. С учетом оценочного характера обменного взаимодействия на межкристаллитных гранитого и иного подхода использование аналитического цах.

выражения представляется более рациональным. Вычисление энергии связи слоев по предлагаемому На рис. 2 (кривая 2) показана в приведенных единицах механизму (Er) было выполнено нами численно. При зависимость Eor(L), вычисленная по (2) для двухслой- этом тонкая магнитная структура каждого слоя предстаных пленок Fe15Co20Ni65 со следующими параметрами: влялась как система полос одинаковой намагниченности, M1 = M2 = 103 G, 1 - 2 = 0, or = 100, расположенных перпендикулярно ОЛН. Ширина полос h1 = h2 = 10. Длина волны неровностей была отождествлялась со средним размером кристаллитов d.

принята равной удвоенному среднему размеру кристал- Угол, характеризующий отклонение намагниченности литов d, который определялся с помощью электронного от ОЛН, на границе полос изменялся дискретно. Однако микроскопа, а амплитуда неровностей Ч равной десятой в целом колебания намагниченности вдоль ОЛН считачасти от or. В последнем случае мы ориентировались лись гармоническими с длиной волны r.

на данные экспериментального исследования рельефа Расчет проводился на основе выражения, описываюповерхности пленок пермаллоя, выполненного в [8]. щего взаимодействие двух точечных магнитных диполей.

Результаты расчета указывают на сильное изменение Для этого полосы равной намагниченности разбивались энергии взаимодействия слоев в области малых толщин на элементы в форме параллелепипедов с основанием прослоек. В частности, в интервале 20 < L < 40 d d и высотой, совпадающей с толщиной слоя D.

эффективность межслойной связи по механизму Фапель- Каждому элементу приписывался магнитный момент, синовой кожурыФ снижается в несколько раз. Возвра- равный произведению его объема на намагниченность щаясь к рис. 1, отметим, что в указанном диапазоне и расположенный в центре элемента. По парам элеL имеет место и сравнительно резкое увеличение Hc. ментов из разных слоев осуществлялось суммирование.

Установленная таким образом корреляция позволяет рас- Максимальное расстояние между элементами огранисматривать неровности поверхностей пленок как один из чивалось величиной D3. Энергия взаимодействия отнаиболее вероятных источников межслойного магнито- носилась к единице поверхности образца. Для уменьстатического взаимодействия. шения погрешности, обусловленной грубостью модели Изменения коэрцитивной силы двухслойных пленок не точечных диполей, за конечный результат принималась исчерпываются областью малых толщин прослоек. Мо- разность значений, вычисленных для двух состояний.

нотонный рост Hc продолжается при L > 50. Однако При одинаковых геометрических параметрах одно из для его объяснения требуется привлечение нового меха- них характеризовалось наличием, а другое отсутствием низма межслойной связи, поскольку изменения d и Eor ( = 0) Фряби намагниченностиФ.

в области 50 < L < 500 незначительны. Основой та- Зависимость нормированной энергии Er от толщины кого механизма может быть тонкая магнитная структура прослойки для пленок, содержащих слои Fe15Co20Ni65, (Фрябь намагниченностиФ) пленок. Она представляет со- показана на рис. 2 (кривая 3). Она получена при бой малые периодические отклонения намагниченности условиях равенства параметров и синхфазности Фряби от своего среднего положения. На микрофотографиях, намагниченностиФ в слоях пленки, d = 50 иr =1 m.

показанных на рис. 3 Фрябь намагниченностиФ выглядит Оценка длины волны ряби r была сделана по микро6 Физика твердого тела, 1997, том 39, № 2194 В.О. Васьковский, П.А. Савин, В.Н. Лепаловский, А.А. Рязанцев фотографиям доменной структуры (рис. 3). Кривая Er(L), как и зависимость Eor(L), носит экспоненциальный характер. Однако изменение Er с ростом L происходит значительно медленнее, чем Eor. Соответствующие характеристические длины составляют 600 и 13. Таким образом, рассматриваемый механизм отличается сравнительно большим дальнодействием и может определять зависимость Hc(L) в области больших L. Следует также отметить, что нарушение синхфазности Фряби намагниченностиФ дает только небольшое (до 15%) уменьшение абсолютной величны энергии. В то же время нескоррелированность неровностей поверхности может привести к смене знака взаимодействия.

В целом изложенные результаты позволяют предложить следующую обобщающую модель. В многослойных магнитных пленках существует несколько механизмов межслойной связи: обменное взаимодействие, магнитостатическое взаимодействие по механизму Фапельсиновой кожурыФ, магнитостатическое взаимодействие через Фрябь намагниченностиФ. Именно в такой последовательности изменяется их эффективность при увеличении расстояния между магнитными слоями. В совокупности с магнитостатическим взаимодействием доменных границ эти механизмы в значительной степени определяют гистерезисные свойства слоистых пленочных структур.

Авторы выражают благодарность И.Н. Кондратьеву и Н.Н. Щ еголевой за содействие в работе.

Список литературы [1] H. Clow. Nature 194, 1035 (1962).

[2] V.N. Lepalovskij, V.O. VasТkovskij. J. Magn. Magn. Mater. 160, 343 (1996).

[3] V.O. VasТkovskij, V.N. Lepalovskiy, V.G. Muchametov, Yu.M. Yarmoshenko. J. Magn. Magn. Mater. 148, 1Ц2, (1995).

[4] F.J. Friedlaender, L.F. Silva. IEEE Trans. Magn. 2, 2, 135 (1966).

[5] L. Neel. Comp. Rend. 241, 533 (1955).

[6] L. Neel. Comp. Rend. 255, 1676 (1962).

[7] E.W. Hill, S.L. Tomlinson, J.P. Li. J. Appl. Phys. 73, 10, (1993).

[8] E.W. Hill, J.P. Li, B.K. Birtwistle. J. Appl. Phys. 73, 10, (1993).

   Книги по разным темам