книги / Физика тонких пленок. Современное состояние исследований и технические применения. Т. 6

пленки EuS и NiFe становились независимыми, когда толщина слоя EuS превышала 250 А. Иначе говоря, один слой мог быть перемагничен независимо от другого. Используя идеи, на кото­ рых основана формула ( 1), эти исследователи приписали такое поведение системы низкому значению постоянной А для EuS. Но Ан и Алмази [18, 21] показали, что низкое значение tc обусловле­

но отрицательным взаимодействием. Таким образом, пленки ста­ новятся независимыми при таких толщинах, когда энергия маг­ нитного поля верхней пленки (фиг. 2) превышает энергию связи:

где Е0— энергия связи на единицу поверхности границы раз­

дела.

В двухпленочной структуре, толстой или тонкой, разумно го­ ворить об энергии связи на единицу площади пленки, как это только что было сделано, однако трудно получить значение ука­ занной величины, которая по существу представляет собой от­ несенную к единице площади пограничную обменную энергию. Для тонкой структуры с одновременным перемагничиванием пленок это фактически и невозможно. Для толстой структуры искомую величину определить можно, но для получения кор­ ректного значения необходимо проследить изменение направле­ ния вектора намагниченности при перемещении от слоя к сло}о

гораздо детальнее и строже, чем это было сделано в рассмотрен­ ных моделях. Этот вопрос обсуждается в разд. 11,2.

Вторая структура с прямым обменным взаимодействием изображена на фиг. 3: две ферромагнитные пленки связаны че­

рез промежуточную слабоферромагнитную пленку. Такая струк­ тура была впервые получена Брюэром, Массне и сотр. [22] как

побочный результат исследования «косвенной» связи. Изучен­ ные образцы состояли из напыленных слоев сплава 81Ni— 19Fe

— 2

— 3

Фиг. 3. Структура, в которой две пленки связаны через слабоферромагнитнын слой.

J, з —снльноферромагннтные слои; 2— слабоферромагннтный слой

Было обнаружено, что нижняя и верхняя ферромагнитные пленки взаимодействуют, когда толщина промежуточной пал­ ладиевой пленки ниже некоторого значения (около 300 А для пленок, приготовленных при комнатной температуре), и что энергия связи увеличивается почти линейно с уменьшением этой толщины. Оказалось также, что энергия связи менялась с тем­ пературой опыта, уменьшаясь с ростом температуры, как пока­ зано на фиг. 4.

Продолжению этой работы посвящены публикации [23—27], в которых продемонстрировано, что связь возникает вследствие диффузии ферромагнитного материала в палладий и образова­ ния ферромагнитного сплава. Существование диффузии было строго подтверждено зависимостью силы связи от температуры напыления, а также увеличением связи в результате последую­ щего отжига [23]. Далее, температурная зависимость связи (фиг. 4) в точности совпадает с температурной зависимостью намагниченности. Отсюда следует, что в результате диффузии Ni, Fe или Со в слой Pd образуется слабоферромагнитный сплав, или, точнее, сплав с меняющимся по толщине составом. Тогда верхняя и нижняя пленки оказываются связанными вплоть до температуры, близкой к ферромагнитной темпера­ туре Кюри слабомагнитного сплава. Сплавы с температурами Кюри, лежащими в интервале от 0 до 200 °С, можно получить при относительно низких концентрациях Ni, Fe или Со в Pd [28, 29], однако в [23] указывается, что кобальт мог диффунди­ ровать и в очень большом количестве.

Для доказательства существования диффузии Массне [26, 27] исследовал намагниченность рассматриваемых структур как функцию температуры и сравнил ее с намагниченностью струк­ тур без промежуточного слоя палладия. Было обнаружено, что магнитный момент действительно зависит от присутствия пал­ ладиевого сплава. Магнитный момент быстро увеличивается

Фиг. 4. Зависимость энергии связи от температуры для структуры (Ni—Fe)—Pd—Со (для одной из толщин промежуточного слоя палладия) [22].

при понижении температуры в соответствии с предсказанием диффузионной модели.

Сыотер [30] продолжил исследования диффузии, изучив влияние отжига. Он измерил влияние отжига на анизотропию и коэрцитивную силу обеих пленок, а также на их связь. Была обнаружена весьма сложная зависимость энергии связи от тем­ пературы и времени, из которой следует невозможность описа­ ния процесса отжига с помощью лишь энергии активации. По­ этому Сыотер предположил, что ферромагнитный сплав обра­ зуется путем объемной диффузии и диффузии по границам зе­ рен, так что результирующая пленка обладает весьма неодно­ родным профилем состава.

Следует отметить, что энергия связи между верхним и ниж­ ним слоями пропорциональна косинусу угла (cos0) между их

намагниченностями [24, 25]. Намагниченность одного слоя дей­ ствует подобно эффективному полю на намагниченность дру­ гого слоя. Мы увидим, что тот же закон действует и в ряде

других ситуаций, в частности, как и следовало ожидать, в случае магнитостатической связи. Неизвестно, должна ли эта зависи­ мость проявляться только для объемной диффузии, поэтому мы не можем решить, вытекает ли этот результат из диффузионной модели.

От рассмотренных структур всего один шаг к структурам с однородными промежуточными слоями с низкими темпера­ турами Кюри, например, из элементов типа Gd или какого-ни­ будь сплава. Этот слой может создавать эффективную связь между верхней и нижней пленками. Естественно, что напыление следует проводить при достаточно низких температурах для предотвращения диффузии. В работах [26, 27] это достигалось напылением промежуточных слоев из Pd—Со. Температурная зависимость была аналогична наблюденной в предыдущем при­ мере. Оказалось, что в пределах точности эксперимента для промежуточных пленок тоньше 100 А связь разрушается при температурах Кюри промежуточного слоя. Ли и Томпсон [31] предложили использовать для этой цели сплавы Ni—Fe—Си, Ni—Fe—Мо и особенно Ni—Fe—Cr. Эти авторы изучали одно­ слойные пленки последнего сплава и нашли, что из-за метал­ лургической нестабильности с ними трудно работать. Насколько известно автору, до сих пор никто не изучил угловую зависи­ мость энергии связи в системе с более или менее однородным изотропным промежуточным слоем. Теоретически в таких систе­ мах должен существовать однородный поворот спинов от од­ ного направления к другому. Следовательно, в слое

где <р — угол вектора намагниченности внутри промежуточного слоя (как функция х), А — постоянная обменного взаимодей­ ствия в пленке, t — ее толщина, угол 0 определен выше.

Было бы интересно экспериментально исследовать эту угло­ вую зависимость и сравнить ее как с теорией, так и с результа­ тами для диффузионных пленок.

Недавно Хагедорн [32] предложил новую структуру, близ­ кую к описанной. Она похожа на структуру, изображенную на фиг. 3, но вместо двух ферромагнитных пленок, связанных сла­ бомагнитной, состоит из пленки с низкой анизотропией, распо­ ложенной между двумя пленками с высокой анизотропией. Вследствие анизотропии закон взаимодействия модифицируется и соотношение (3) уже более неприменимо [32]. Хагедорн [32] проанализировал свойства такой структуры и предположил, что с ее помощью можно получить исключительно высокие магнит­ ные проницаемости. Мы обсудим эту систему при рассмотрении вопросов перемагничивания в разд. III, 2.

2. ФЕРРО-АНТИФЕРРОМАГНИТНАЯ СВЯЗЬ (ОБМЕННАЯ АНИЗОТРОПИЯ)

Обратимся теперь к структуре лишь слегка более сложной, чем изображенная на фиг. 1, но обнаруживающей удивительное

многообразие интересных эффектов. Эта структура состоит из связанных ферро- и антиферромагнитной пленок (фиг. 5). Если ферроили ферримагнитная пленка намагничена до насыще­ ния при температуре выше температуры Нееля (TN) антиферро­

магнитной пленки, то картина источников обменной анизотро­ пии схематически может быть представлена на фиг. 6, а. Спины

Ф и г. 5. Структура с ферро-антиферромагнитнон связью.

/ —ферромагнитный слой; 2 —антиферромагыитный слой.

антиферромагнетика разупорядочены. Если теперь структуры охладить ниже TN и если плоскость границы раздела не яв­

ляется плоскостью компенсации намагниченности антиферро­ магнетика, то создается ситуация, показанная на фиг. 6, 6. Ори­

ентация спинов в антиферромагнетике определяется направле­ нием намагниченности насыщения в ферромагнетике. Такое же положение может возникнуть, если антиферромагнитная пленка образуется в результате окисления ферромагнитной пленки при температуре ниже TN. В каждом из этих случаев изменение

ориентации спинов при пересечении границы раздела опреде­ ляется обменным взаимодействием между ферро- и антиферро­ магнитной пленками. Поэтому в этом состоянии спины анти­ ферромагнетика стремятся удержать спины ферромагнитного слоя в их первоначальном положении (фиг. 6, в). В этом случае

с помощью ряда методик можно наблюдать однонаправленную обменную анизотропию. Положение, величина и точное напра­ вление анизотропии будут зависеть (по крайней мере отчасти) от кристаллографических свойств обеих пленок. Анизотропия максимальна в состоянии, приведенном на фиг. 6, б, умень­

шается для других взаимных кристаллографических ориента­ ций и исчезает, когда плоскость раздела является плоскостью компенсации антиферромагнетика (фиг. 6, г).

Впервые обменную анизотропию и ряд родственных эффек­ тов наблюдали Майклджон и Вин в 1956 г. [33], после чего эти явления были широко изучены. Эти авторы наблюдали рас­ сматриваемые явления в частично окисленном мелкодисперсном

(Ni—Fe)—Сг (весьма вероятно, однако, что этот случай отно­ сится по существу к предыдущей системе).

К неоднородным однофазным системам с ферромагнитноантиферромагнитной или ферримагнитно-антиферромагнитной связью относятся сплавы Си—Мп и Ag—Мп [44], (Ni, Ре)зМп [45], Fe65(Nii-*Mn*)35 [46], различные смешанные манганаты [47]

и смешанные ферриты [48]. Системы этого типа иногда обнару­ живают слабый ферромагнетизм Дзялошинского — Мориа [49]. Тогда они могут иметь очень высокие коэрцитивные силы и, сле­ довательно, обладать однонаправленным вращательным момен­ том даже в довольно больших полях. Однако можно отличить эти явления от эффектов связи по другим их проявлениям, например по обсуждаемым ниже формам петли гистере­ зиса.

Обычно при изучении пленочных структур рассматривались двухкомпонентные системы, а не гетерогенные материалы, кото­

кроме случаев, когда они могут пролить свет на проблемы пле­ ночных структур. Майклджон [4] привел один эксперименталь­ ный пример ферро-ферримагнитной связи между Fe и Fe30 4. Казалось бы, он представляет значительный интерес, однако с тех пор дальнейших исследований не было проведено. Читате­ лям, интересующимся данным вопросом, следует обратиться к более раннему обзору [4].

Наиболее удачными структурами для изучения обменной анизотропии в тонких пленках сначала оказались системы ме­ талл— окисел типа Со—СоО или Ni—NiO, а позже — системы NiFe—NiFeMn. Первую структуру обычно получали нанесением пленки металла с последующим ее окислением. Вероятно, в большинстве подобных структур окисел имеет эпитаксиальную ориентацию, отвечающую грани кристаллита, на которой он образуется. Эти системы имеют один серьезный недостаток. Пленка окисла обычно очень тонкая, как правило порядка не­ скольких десятков ангстрем, и ее свойства трудно очень точно измерять. Но этот недостаток компенсируется тем, что по сра­ внению со многими другими системами здесь очень хорошо контролируются условия на границе раздела. Свойства изучае­ мых окислов можно четко определить, и обычно они известны. Кроме того, ряд свойств можно исследовать в функции от вре­ мени окисления, т. е. при увеличении толщины окисла, хотя абсолютную величину толщины обычно на опыте не удается хорошо измерить. СоО является классическим примером анти­ ферромагнетика с очень сильной анизотропией, a NiO — подоб­ ным же примером вещества со слабой анизотропией; отсюда следует, что любое свойство, общее обеим системам, вероятно,

ема ферромагнетика, второй член — энергия анизотропии на единицу объема антиферромагнетика и третий член — энергия анизотропного обмена на единицу объема ферромагнетика. При написании выражения (4) было сделано несколько предположе­ ний. Во-первых, считается, что направление спинов в обоих ма­ териалах не зависит от расстояния от границы раздела и, вовторых, что все плоскости пленки действуют одинаково. Далее пренебрегают анизотропией ферромагнитной пленки, а также вкладом приложенного поля в антиферромагнетике по сравне­ нию с обменной анизотропией. Первые два предположения чрез­ вычайносомнительны, третье и четвертое в большинстве случаев, вероятно, разумны. Углы а и р определяются из требования минимума энергии (4) и условия их непрерывного изменения, пока значение Е отвечает относительному минимуму. Коувел

[50] применил эту модель к случаю гетерогенного сплава. Повидимому, такая трактовка весьма плодотворна для этой за­ дачи, но, как будет видно, она гораздо менее подходит для рас­ сматриваемой здесь проблемы тонких пленок.

Условия минимума энергии дЕ/да = dEfdр = 0 для выра­

жения (4) дают

Уравнения (5) решаются численно и упомянутая выше одно­ направленная анизотропия проявляется двумя путями. Вопервых, кривые механического момента будут содержать

ленно вытекает требование построения более строгой модели, объясняющей поведение пленок с обменной анизотропией.

Указанные выше свойства обычно, но не всегда наблюдаются в системах ферромагнетик — антиферромагнетик. Если анизо­ тропия антиферромагнетика достаточно низка, то вращательный момент, обусловленный обменной анизотропией, может разру­ шаться перемагничиванием. Так иногда происходит, например, в случае системы Ni—NiO. По-видимому, универсальным свой­ ством таких структур является сохранение вращательного ги­ стерезиса до очень сильных полей. Вращательный гистерезис служит мерой энергетических потерь при вращении приложен­ ного поля на угол 360°

На фиг. 9 эти потери изображены в зависимости от прило­ женного поля для двух систем: для нормального ферромагне­ тика или взаимодействующих пленок выше температуры TV, когда потери на гистерезис исчезают при полях, превышающих поле анизотропии, и для структуры ферромагнетик— антифер­ ромагнетик. В последнем случае потери становятся почти по­ стоянными выше некоторого поля. Совершенно очевидно, что такое поведение не может быть связано только с ферромагнети­ ком, но должна существовать некоторая переориентация спинов антиферромагнетика, которая из-за высокой анизотропии не