Письма в ЖЭТФ, том 109, вып. 5, с. 325 - 330

Влияние полупроводниковой прослойки на эффект положительного

обменного смещения в трехслойной структуре CoNi/Si/FeNi

Г. С. Патрин^+∗1), И. А. Турпанов⁺, В. И. Юшков^+∗, А. В. Кобяков^+∗, К. Г. Патрин⁺, Г. Ю. Юркин⁺,

Я.А.Живая⁺

⁺Сибирский федеральный университет, 660041 Красноярск, Россия

^∗Институт физики им. Л. В. Киренского Федеральный исследовательский центр

Красноярский научный центр Сибирского отделения РАН, 660036 Красноярск, Россия

Поступила в редакцию 21 сентября 2018 г.

После переработки 14 декабря 2018 г.

Принята к публикации 25 декабря 2018 г.

Представлены результаты экспериментальных исследований пленок в системе магнитожесткий фер-

ромагнетик (CoNi) - магнитомягкий ферромагнетик (FeNi), взаимодействующих через немагнитную

полупроводниковую прослойку кремния (Si). Проведены температурные и полевые исследования маг-

нитных свойств пленочных структур с различными толщинами кремния. Обнаружено, что многослойная

структура наряду со свойствами, присущими магнитным пружинам, проявляет эффект положительного

обменного смещения, зависящим от толщины кремния.

DOI: 10.1134/S0370274X19050084

Наномагнитные материалы в силу специфики

чивания слоисто-неоднородных структур в зависи-

своего строения обладают набором необычных

мости от толщины магнитомягкого и магнитожест-

свойств [1], что вызывает к ним интерес, как в

кого слоев, межслоевого взаимодействия и анизотро-

плане фундаментальных исследований, так и в

пии слоев [4-6] применительно к проблемам спинтро-

плане возможных практических применений. Сло-

ники. В дальнейшем в целях улучшения свойств пле-

истые структуры с разными магнитными слоями

ночных постоянных магнитов для увеличения плот-

наноразмерного масштаба в различных сочетани-

ности энергии (BM)_max были созданы трехслойные

ях являются наиболее удобными объектами для

структуры путем введения магнитомягкого слоя в

устройств спинтроники, в частности, это пленоч-

качестве промежуточного слоя между двумя маг-

ные системы, состоящие из чередующихся слоев

нитожесткими слоями Nd₂Fe₁₄B/Fe/Nd₂Fe₁₄B [7] и

магнитомягкого и магнитожесткого материалов.

SmCo₅/Fe/SmCo₅ [8].

Межслоевое взаимодействие в таких системах яв-

Также структуры типа “магнитная пружина” изу-

ляется ответственным за формирование магнитного

чались в качестве среды для перпендикулярной

состояния. В случае, когда имеет место сопряжение

магнитной записи как теоретически в двухслойных

ферромагнитного и антиферромагнитного слоев, как

ферромагнитных структурах [9], так и эксперимен-

правило, реализуется эффект обменного смещения

тально в трехслойных ферримагнитных структурах

[2] и весь наблюдаемый процесс намагничивания

FePt/Fe₃Pt/FePt [10] и DyCo₅/Ta/Fe₇₆Gd₂₄ [11]. Эф-

связан с поведением ферромагнитного слоя. Когда

фекты влияния магнитного поля на проводимость

сопрягаются ферромагнитные магнитомягкий и

исследовались в структурах SmCo/FeNi [12], где на-

магнитожесткий слои может возникать новое со-

блюдалось магнитосопротивление (∼ 1.5 %). Здесь

стояние, типа “магнитной пружины”. В этом случае

основной вклад в эффект дает анизотропное магни-

процесс намагничивания проходит через определен-

тосопротивление в магнитомягком слое. В сверхре-

ные стадии, и петля гистерезиса имеет характерную

шетках [DyFe₂/YFe₂]_n обнаружен эффект гигантско-

ступенчатую форму [1].

го магнитосопротивления ∼ 32 % [13], что представ-

Изначально такие системы изучались в связи с

ляется уже весьма перспективным для практики.

исследованием многокомпонентных постоянных маг-

В ряде пленочных структур наблюдались новые

нитов [3]. Затем были изучены особенности намагни-

проявления. В структурах с ферримагнитными сло-

ями FeGd_ferri/FeSn_ferro или FeGd_ferri/FeTb_ferri [14] на-

¹⁾e-mail: patrin@iph.krasn.ru

ряду с эффектом магнитной пружины проявляют-

Письма в ЖЭТФ том 109 вып. 5 - 6

2019

325

326

Г. С. Патрин, И. А. Турпанов, В. И. Юшков и др.

ся эффекты положительного или отрицательного

ко растет. Толщина немагнитного полупроводнико-

обменного смещения, соответственно. В структуре

вого слоя была переменной и менялась в диапазоне

Co/NiO реализуется состояние антиферромагнитной

tSi = 0-15 нм. Толщины слоев определялись мето-

магнитной пружины [15]. А в многослойных структу-

дами рентгеновской спектроскопии. Измерения на-

рах [(CoP)_soft/NiP/(CoP)_hard/NiP]_n (NiP - немагнит-

магниченности проводились на установке MPMS-XL

ный) обнаружено изменение формы петли намагни-

в диапазоне температур от гелиевой до комнатной.

чивания и осцилляция поля насыщения в зависимо-

Электронно-микроскопические исследования попе-

сти от числа структурных блоков (n) [16].

речного среза были выполнены на электронном мик-

Для управления межслоевым взаимодействием,

роскопе JEOL JEM-2100 (при подготовке образца на

как определяющего параметра при создании струк-

установке Gatan PIPS) и показали наличие отчетли-

тур типа магнитной пружины с заданными харак-

вой границы раздела между слоем кремния и обоими

теристиками, предпринимаются попытки внедрения

магнитными слоями (рис. 1). Наличие следов фаз си-

между магнитными слоями дополнительных просло-

ек. В этом направлении число работ весьма ограни-

чено. Установлено, что в структуре CoNi/Gd/CoNi

[17] взаимодействие между слоями CoNi сильно

зависит от толщины гадолиния. В многослойной

структуре FM_hard/NM/α-Fe/NM/FM_hard (FM_hard =

= RE₁₆Fe₇₁B₁₃, RE = Nd, Pr; NM = Mo, Cu, Cr) [18]

проявляется дальнодействующий характер взаимо-

действия, что определяется по существенной зависи-

мости обменной длины (L_ex [19]) от толщины немаг-

нитной металлической прослойки.

Именно изучению возможностей управления

свойствами структур типа магнитная пружина пу-

тем изменения межслоевого взаимодействия между

магнитожесткими и магнитомягкими слоями, влия-

ния анизотропии и внешних воздействий посвящено

данное сообщение.

Методика эксперимента. Методом ионно-

Рис. 1. (Цветной онлайн) Поперечный срез для пленки

плазменного распыления впервые синтезированы

CoNi/Si/FeNi

пленки композиции CoNi/Si/FeNi (базовый ваку-

ум составлял

10^-7-10^-8 мм.рт.ст.). Содержания

лицидов не обнаружено. Также было получено, что

никеля в слое CoNi составляло 19.5 ат. %, а в слое

пленка CoNi была поликристаллической и находи-

FeNi было 83 ат. %. Толщина слоя CoNi составляла

лась в гексагональной фазе. Для наведения оси маг-

t_h

= 53 нм и выбиралась из соображений, чтобы

нитной анизотропии напыление и последующее охла-

он проявлял свойства магнитожесткого слоя при

ждение происходило в магнитном поле (≈ 200 Э). В

измерениях в доступных магнитных полях. Толщина

дальнейшем все измерения проводились для направ-

магнитомягкого слоя FeNi была t_s = 72 нм, и в нем

ления внешнего магнитного поля вдоль этой наве-

могло реализоваться закручивание намагниченности

денной легкой оси. Процедура измерения была стан-

этого слоя. При напылении слоя CoNi для лучшей

дартной. После охлаждения в “отрицательном” маг-

адгезии с подложкой и наведения одноосной ани-

нитном поле (-H_S) проводилось измерение по цик-

зотропии температура подложки была 450 K, затем

лу: -H_S → +H_S → -H_S. Поле обменного смещения

подложка охлаждалась до 373 К. Слой кремния и

обычно определяется как H_E = (H_C2 + H_C1)/2, (см.

слой пермаллоя напылялись при этой температуре

рис. 2c) где H_C1 и H_C2 коэрцитивные поля перемаг-

подложки, чтобы исключить (минимизировать)

ничиваемого контрольного слоя (в случае структуры

образование силицидов. Скорость осаждения слоев

ферромагнетик/антиферромагнетик(ФМ/АФМ) это

была v ≈ 0.15 нм/с.

будет ферромагнитный слой).

Отношение величин магнитных анизотропий маг-

Результаты и обсуждение. В качестве перво-

нитожесткого и магнитомягкого материалов при

го шага были выполнены измерения намагниченно-

комнатной температуре составляет около 2 поряд-

сти (M(H)) исходных реперных пленок CoNi и FeNi.

ков [20], которое при понижении температуры толь-

На рисунке 2 приведены петли гистерезиса магнито-

Письма в ЖЭТФ том 109 вып. 5 - 6

2019

Влияние полупроводниковой прослойки на эффект положительного обменного смещения. . .

327

слоев кривая намагниченности симметричная и соот-

ветствует ферромагнитному поведению. Здесь вид-

но, что имеет место взаимное влияние слоев, при

этом коэрцитивная сила двухслойной пленки мень-

ше, чем у одиночного магнитожесткого слоя. Та-

кое поведение характерно для сильной ферромагнит-

ной межслоевой связи [4] и, в случае намагничива-

ния путем вращения намагниченности магнитомяг-

кого слоя, соответствует поведению магнитной пру-

жины [5].

Когда магнитожесткий и магнитомягкий слои со-

прягаются через немагнитную прослойку полупро-

водникового кремния (t_Si), то появляется зависи-

мость формы петли намагничивания от толщины

слоя Si (см. рис. 3). Во всех исследованных пленках

наблюдается двух ступенчатая петля гистерезиса.

На рисунке 3 приведены зависимости намагни-

ченности от магнитного поля при разных темпера-

турах при намагничивании вдоль легкой оси. Как

видно из этого рисунка, при увеличении толщины

прослойки до значения t_Si = 5 нм коэрцитивная сила

обменно-связанной трехслойной структуры, опреде-

ляемая как H_C = (H_C2 - H_C1)/2), уменьшается, а

затем вновь наблюдается ее увеличение. Для пленок

с немагнитной прослойкой кривые M(H) по форме

соответствуют поведению намагниченности, харак-

терной для магнитной пружины с умеренной меж-

слоевой связью. Прослеживается одна особенность.

Получено, что для пленок с толщинами t_Si = 2.75,

3.5 и 5.75 нм при низких температурах наблюдает-

ся “положительное смещение” петель, тогда как для

толщины t_Si = 1.2 нм петля является симметричной

относительно отражения начала координат в систе-

ме M-H, т.е. обменное смещение отсутствует. При

повышении температуры эффект смещения петель

уменьшается, при T

≥ 100 K он исчезает совсем

(рис. 4).

Для систем ферромагнетик/антиферромагнетик,

Рис. 2. Полевые зависимости магнитного момента еди-

как правило, наблюдается эффект “отрицательного”

ницы поверхности пленок: (a) - FeNi; (b) - CoNi; (c) -

обменного смещения (H_E < 0). Однако, для структу-

CoNi/FeNi. 1 - T = 20; 2 - T = 250 K

ры Tb_x(Fe₈₀Co₂₀)_100-x(200 нм)/Tb_16.2(Fe₈₀Co₂₀)_83.8

(100 нм) (пиннингующий слой)

[22], которая от-

носится к случаю (FM/FM), в зависимости от

мягкого (рис. 2а) и магнитожесткого (рис. 2b) слоев,

содержания редкой земли (x) может реализоваться

указанных выше толщин, при разных температурах.

либо отрицательное, либо положительное обменное

Видно, что коэрцитивные силы пленок сильно разли-

смещение. При антиферромагнитном взаимодей-

чается, что говорит о заметном отличии их магнит-

ствии подсистем эффект здесь определяется тем,

ных анизотропий (H_c = 2 · K/(M_S · γ(θ)) [21], γ(θ) -

какая подсистема

3d- или

4f-элементов в слое

параметр, зависящий от угла θ между легкой осью и

является определяющей. Также эффект обменного

направлением магнитного поля; все остальные обо-

смещения наблюдался в системе двух ферримаг-

значения традиционные. В образованной бислойной

нитных шпинельных диэлектрических слоев [23].

структуре CoNi/FeNi (рис.2с) при данных толщинах

Здесь важным является то, что имеет место сильное

Письма в ЖЭТФ том 109 вып. 5 - 6

2019

328

Г. С. Патрин, И. А. Турпанов, В. И. Юшков и др.

Рис. 3. Полевые зависимости магнитного момента единицы поверхности пленок CoNi/Si/FeNi. (a) - tSi = 1.25 нм; (b) -

tSi = 2.75 нм; (c) - tSi = 3.5 нм; (d) - tSi = 5.75 нм. 1 - T = 40 К; 2 - T = 250 K

Как правило [24], эффект положительного обмен-

ного смещения (H_E > 0) реализуется в системах,

когда охлаждение происходит в отрицательном маг-

нитном поле (h_f < 0) и положительном межслоевом

взаимодействии (J > 0) при условии (J · S_AF) < 0

(с учетом направления спина в AF), либо в случае,

когда h_f > |J · S_AF|, но межслоевой обмен отрица-

тельный (J < 0).

В нашем случае, когда оба слоя являются ферро-

магнитными, мы наблюдаем зависимость величины

положительного обменного смещения, определяемое

как смещение части петли (которую можно отнести

к магнитомягкому слою) от толщины немагнитно-

го полупроводникового слоя. А это значит, что на-

Рис. 4. Температурные зависимости поля обменного

ряду с влиянием полупроводникового слоя на вели-

смещения пленок CoNi/Si/FeNi. 1 - tSi = 2.75 нм; 2 -

чину межслоевого взаимодействия наблюдается за-

tSi = 3.5 нм; 3 - tSi = 5.75 нм

висимость знака этого взаимодействия от толщи-

ны кремниевой прослойки. На рисунке 4 видно, что

величина обменного смещения показывает немоно-

межслоевое взаимодействие, сравнимое с внутрисло-

тонный характер в зависимости от толщины полу-

евым взаимодействием. Это указывает на наличие

проводниковой прослойки. При этом двухступенча-

сильного интерфейсного взаимодействия.

тое поведение, характерное для магнитной пружи-

Письма в ЖЭТФ том 109 вып. 5 - 6

2019

Влияние полупроводниковой прослойки на эффект положительного обменного смещения. . .

329

ны с умеренным межслоевым взаимодействием со-

◦ Обнаружен эффект положительного обменного

храняется для всех толщин прослоек. Следует также

смещения.

отметить, что величина положительного обменного

Настоящие исследования ведутся при финансо-

смещения коррелирует с шириной магнитожесткой

вой поддержке Российского фонда фундаменталь-

ступеньки. Такое поведение дает основание считать,

ных исследований (грант # 18-02-00161-а).

что межслоевое взаимодействие носит знакоперемен-

ный характер и там, где оно отрицательное, имеет

S. D. Bader, Rev. Mod. Phys. 78, 1 (2006).

место положительное смещение петли намагничива-

J. Nogues, J. Sort, V. Langlais, V. Skumryev,

ния. Подобное поведение наблюдалось в структуре

S. Surinach, J. S. Munoz, and M. D. Baro, Phys. Rep.

(Pt/Co)₃/NiO/(Co/Pt)₃ [25], там период осцилляций

422, 65 (2005).

составляет два мононослоя NiO. Это возможно, если

J. P. Liu, Exchange-Coupled Nanocomposite Magnets, in:

магнитный слой взаимодействует ферромагнитно с

Nanoscale Magnetic Materials and Applications, ed. by

интерфейсным слоем антиферромагнитной прослой-

J. P. Liu, E. Fullerton, O. Gutfleish, and D. J. Sellmer,

ки NiO. Для многослойных пленок с немагнитными

Springer, N.Y. (2009), p. 309.

полупроводниковыми прослойками, в частности, для

T. Leineweber and H. Kronmuller, Phys. Stat. Sol. (b)

структуры с кремниевой прослойкой Fe/Si/Fe [26],

201, 291 (1997).

имеет место антиферромагнитное межслоевое взаи-

E. F. Kneller and R. Hawig, IEEE Trans. Magn. 27,

модействие с кривой апериодического типа в зависи-

3588 (1991).

мости от толщины прослойки.

D. Suess, JMMM 308, 183 (2007).

Получено (рис.4), что температурная зависи-

C. J. Yang and S. W. Kim, J. Appl. Phys. 87, 6134

мость H_E имеет максимум в области

≈ 20 К. Это

(2000).

указывает либо на конкурирующий характер меха-

S. Zawatzki, R. Heller, Ch. Mickel, M. Seifert,

низмов, определяющих эффект обменного смещения,

L. Schultz, and V. Neu, J. Appl. Phys. 109, 123922

либо на активационный механизм, ответственный

(2011).

за формирование магнитного состояния. Посколь-

R. H. Victora and X. Shen, IEEE Transactions on

ку дополнительных операций по подготовке эффек-

Magnetics 41, 537 (2005).

та обменного смещения мы не проводили, а ани-

10.

D. Suess, T. Schrefl, R. Dittrich, M. Kirschner,

зотропия наводилась только во время напыления

F. Dorfbauer, G. Hrkac, and J. Fidler, JMMM 290-

291, 551 (2005).

пленок, то, по-видимому, формируется несиммет-

ричный двух минимумный потенциал, относитель-

11.

F. Radu, R. Abrudan, I. Radu, D. Schmitz, and

H. Zabel, Nature Commun. 3, 1728 (2012).

но поворота вектора намагниченности. Ситуация в

12.

K. Mibu, T. Nagahama, T. Shinio, and T. Ono, Phys.

какой-то мере подобна суперпарамагнетизму ансам-

Rev. B 58, 6442 (1998).

бля одноосных частиц с магнитной энергией типа

13.

S. N. Gordeev, J.-M. I. Beaujour, G. J. Bowden,

E = -K · cos2 θ - M · H · cosθ (поле вдоль лег-

P. A. J. de Groot, B. D. Rainford, R. C. C. Ward,

кой оси анизотропии). Здесь основным настраивае-

M. R. Wells, and A. G. M. Jansen, Phys. Rev. Lett. 87,

мым по температуре параметром является константа

186808 (2001).

анизотропии. В нашем случае добавляется и играет

14.

F. Canet, S. Mangin, C. Bellourd, M. Piecuch, and

важную роль межслоевое обменное взаимодействие

A. Schul, J. Appl. Phys. 89, 6916 (2001).

-λ · M_hard · M_soft · cos(θ_hard-θ_soft) через прослойку

15.

A. Scholl, M. Liberati, E. Arenholz, H. Ohldag, and

кремния, где обе намагниченности являются функ-

J. Stohr, Phys. Rev. Lett. 92, 247201 (2004).

циями внешнего магнитного поля. Знак константы λ

16.

G. S. Patrin, Ya. Shiyan, K. G. Patrin, and

будет определять направление смещения кривой на-

G. Yu. Yurkin, J. Low Temp. Phys. 182, 73 (2016).

магничивания.

17.

В. Altuncevahar and A. R. Koymen, J. Appl. Phys. 89

В заключение отметим основные результаты на-

6822 (2001).

стоящего исследования.

18.

W. B. Cui, W. Liu, W. J. Gong, X. H. Liu, S. Guo,

F. Yang, Z. H. Wang, and Z. D. Zhang, J. Appl. Phys.

◦ В системе магнитожесткий-магнитомягкий ма-

111, 07B503 (2012).

териал с полупроводниковой прослойкой создана

19.

R. Schafer, The Magnetic Microstructure of

структура с управляемым межслоевым взаимодей-

Nanostructured Materials, in: Nanoscale Magnetic

ствием.

Materials and Applications, ed. by J. P. Liu,

◦ Межслоевое взаимодействие зависит от толщи-

E. Fullerton, O. Gutfleish, and D. J. Sellmer, Springer,

ны полупроводниковой прослойки.

N.Y. (2009), p. 275.

Письма в ЖЭТФ том 109 вып. 5 - 6

2019