Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 12, стр. 1713-1717

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время активно развивается спиновая электроника (спинтроника), которая включает в себя изучение и использование спиновых степеней свободы электронов в твердотельных системах [1, 2]. Спинтроника позволяет значительно повысить энергоэффективность различных устройств, а также уменьшить их размеры [3]. Для создания спинтронных устройств хорошо подходят различные магнитные наноструктуры. Путем наноструктурирования материалов можно эффективно изменять их магнитные и оптические свойства [4]. Одним из способов управления спинтронными устройствами является оптический контроль [5, 6]. Для эффективного использования этого метода управления необходимо знать какими магнитооптическими свойствами обладает материал, из которого изготовлено данное устройство.

Вещества с сильным спин-орбитальным взаимодействием, такие как золото, вольфрам и топологические изоляторы, являются весьма перспективными для применения в спинтронных устройствах, так как они позволяют осуществлять переход от спиновых токов к зарядовым и обратно, что дает возможность эффективно интегрировать спинтронные компоненты в привычные устройства, работающие под действием зарядовых токов [7–9].

В данной работе были рассмотрены Ру-содержащие структуры, нанесенные поверх материалов с большим спин-орбитальным взаимодействием. Исследовано влияние формы и размеров наноструктур пермаллоя на магнитные и магнитооптические свойства. Продемонстрированно, что от выбора материала, на который наносится слой пермаллоя, зависит влияние форм-фактора наноструктур на их магнитные свойства.

СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТА

Исследованы магнитооптические свойства наноструктур типа W/Py и Bi₂Se₃/Py. Данные образцы представляют собой структуры W[5 нм]/Py[4 нм]/Ta[1 нм], Bi₂Se₃[25 нм]/Py[4 нм]/Ta[1 нм] и Cr:Bi₂Se₃[25 нм]/Py[4–10 нм]/Ta[1 нм] на подложке из сапфира, со сплошным слоем Py (рис. 1а) и с наноструктурированными дисками из Py диаметрами 200 и 500 нм (рис. 1б).

Измеряли величину экваториального магнитооптического эффекта Керра (ЭЭК) в проходящем свете [10–13]. Эффект проявляется в магнитной пленке, если оптические свойства сред, граничащих с ней, различны, и является нечетным по намагниченности. Величина ЭЭК равна относительному изменению интенсивности прошедшего света, и пропорциональна разности коэффициентов отражения на верхней и нижней границах ферромагнитной пленки. ЭЭК, теоретически предсказанный В.М. Маевским и Г.А. Болотиным [14] в пропускании, впервые был изучен экспериментально в ферромагнитных металлических пленках [15, 16]. Изменение интенсивности p-поляризованного света при прохождении через ферромагнитную пленку (рис. 1в) может быть представлено в виде [16]:

где $r_{{21}}^{p}$ и $r_{{23}}^{p}$ – это коэффициенты отражения p-поляризованной волны на границах раздела 1–2, 2‒3 (среда 2 – ферромагнитная пленка); $Q$ – магнитооптический параметр, пропорциональный намагниченности; ${{n}_{1}},$ ${{n}_{2}}$ –показатели преломления сред 1 и 2; ${{g}_{2}} = {{\left( {n_{2}^{2} - n_{1}^{2}{\text{si}}{{{\text{n}}}^{2}}{\varphi }} \right)}^{{{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 2}} \right. \kern-0em} 2}}}},$ ${\varphi }$ – угол падения света.

Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1г. Измерения проводили при комнатной температуре. Использовали лазерный диод с длиной волны 785 нм и мощностью 15 мВт. Плоскость поляризации задавали при помощи поляризатора и полуволновой пластинки, пучок света фокусировался на образец с помощью собирающей линзы. Образец находился в переменном магнитном поле с частотой 2570 Гц, угол падения света равен 20 градусам. Плоскость падения света перпендикулярна направлению внешнего магнитного поля. После прохождения через образец пучок света попадал на призму Волластона, где он делился на два пучка с вертикальной и горизонтальной поляризациями, разность интенсивностей $\Delta I$ которых регистрировали при помощи балансного фотодетектора. Также измеряли интенсивность света I(0), прошедшего через не намагниченный образец.

Величина измеряемого экваториального магнитооптического эффекта Керра в проходящем свете определяется формулой

где $I\left( M \right)$ – интенсивность света, прошедшего через образец c намагниченностью $M.$

РЕЗУЛЬТАТЫ

Проведено сравнение зависимости величины ЭЭК в проходящем свете от амплитуды внешнего магнитного поля для различных образцов. На рис. 2а показана зависимость ЭЭК в пропускании от внешнего магнитного поля для образцов W[5 нм]/Py[4 нм]/Ta[1 нм] со сплошным слоем Py и с нанодисками из Py диаметром 200 нм. Видно, что насыщение для данных структур наступает при одинаковых значениях внешнего магнитного поля, из чего можно сделать вывод, что при наноструктурировании не изменяется магнитная анизотропия данных образцов. Величина ЭЭК в пропускании в свою очередь выше на 20% для образца со сплошным слоем пермаллоя, при том, что степень покрытия образцов данным магнитным материалом отличается в 5 раз. Соответственно, данный эффект нельзя объяснить только изменением площади пермаллоя на поверхности образцов. Такая разница может быть связана с особенностями распределения поля наноструктурах.

Для образцов Bi₂Se₃[25 нм]/Py[4 нм]/Ta[1 нм] (рис. 2б) со сплошным слоем пермаллоя и с нанодисками насыщение наступает при различных значениях внешнего магнитного поля, что говорит о том, что в таких образцах при наноструктурировании изменяется магнитная анизотропия. Предположительно данные изменения связаны с размерным эффектом. А именно, при уменьшении размера дисков все большую роль начинают играть границы структуры. Вблизи границы магнитная система испытывает влияние размагничивающих магнитостатических полей. Таким образом, среднее поле анизотропии наноструктурированных объектов становится отличным от такового для сплошных слоев. Как видно из сравнения результатов для W/Py/Ta и Bi₂Se₃/Py/Ta структур (рис. 2а, 2б), наноструктурирование неодинаковым образом сказывается на коэрцитивной силе образцов, и немаловажную роль играет окружение магнитного слоя. Величина ЭЭК в пропускании для образца с нанодисками из пермаллоя примерно в 2.5 раза ниже, чем для образца со сплошным слоем, несмотря на различие в степени покрытия образца пермаллоем в 5 раз. Мы предполагаем, что, как и для образцов с вольфрамом, это обусловлено особенностями распределения поля для наноструктурированных образцов.

При сравнении результатов, полученных для образцов Cr:Bi₂Se₃[25 нм]/Py[10 нм]/Ta[1 нм] с различным диаметром нанодисков (200 и 500 нм) (рис. 2в), видно, что при одинаковой степени покрытия поверхности пермаллоем (около 20%) величина эффекта Керра отличается примерно в 2.5 раза, а насыщение наступает при одинаковых значениях магнитного поля. Следовательно, геометрическая структура образца значительно влияет на величину ЭЭК в пропускании при одинаковом объеме магнитного материала, не изменяя магнитную анизотропию.

Для образцов Cr:Bi₂Se₃[25 нм]/Py[4/10 нм]/Ta[1 нм] со сплошным слоем пермаллоя различной толщины (4 и 10 нм) (рис. 2г) величина ЭЭК в пропускании отличается примерно в 2 раза. Насыщение для образца с более толстым слоем пермаллоя наступает при меньшем значении внешнего магнитного поля.

Также были рассчитаны зависимости величины ЭЭК в пропускании от угла падения света методом связанных мод в обратном пространстве для структур W[5 нм]/Py[4 нм]/Ta[1 нм] (рис. 3а) и Cr:Bi₂Se₃[25 нм]/Py[4/10 нм]/Ta[1 нм] (рис. 3б). Результаты, полученные из расчетов для угла падения 20 градусов, длины волны 785 нм, коэффициентах преломления $n = 3.085$ и $g = 0.2$ пермаллоя, хорошо согласуются с экспериментальными данными (рис. 3в). Как и в эксперименте, при увеличении толщины ферромагнитной пленки величина ЭЭК в пропускании увеличивается.

ВЫВОДЫ

Были получены зависимости величины ЭЭК в проходящем свете от напряженности внешнего магнитного поля. При увеличении толщины слоя пермаллоя в образцах Cr:Bi₂Se₃[25 нм]/Py[4–10 нм]/Ta[1 нм] с 4 до 10 нм величина эффекта увеличивается в 2 раза. При наноструктурировании пермаллоя в образцах Bi₂Se₃[25 нм]/ Py[4 нм]/Ta[1 нм] магнитная анизотропия изменяется, а в образцах W[5 нм]/Py[4 нм]/Ta[1 нм] остается неизменной. Также при наноструктурировании данных образцов уменьшение ЭЭК в пропускании нелинейно зависит от изменения степени покрытия поверхности пермаллоем. Увеличение диаметров нанодисков из пермаллоя с 200 до 500 нм в образцах Cr:Bi₂Se₃[25 нм]/Py[10 нм]/Ta[1 нм] при одинаковой степени покрытия поверхности пермаллоем ведет к увеличению ЭЭК в пропускании в 2.5 раза.

Работа выполнена при поддержке РНФ (проект № 17-12-01333), и РФФИ (проект № 18-52-80038). Х. Хашим благодарит за финансовую поддержку Министерство науки и высшего образования РФ в рамках программы повышения конкурентноспособности МИСиС (проект поддержки молодых ученых).