Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 7, стр. 943-946

ВВЕДЕНИЕ

Магнитные пленки с упорядоченной дефектной структурой в виде наноразмерных отверстий (наноперфорированные пленки) являются объектом интенсивных исследований [1–8]. Общей целью последних выступает контролируемое изменение магнитных свойств пленок за счет варьирования геометрических параметров дефектной структуры, например, диаметра круглых отверстий, расстояния между ними и других параметров. Чаще всего для исследований выбирались тонкие пленки с плоскостным типом магнитной анизотропии [1–6]. Значительно меньше внимания уделено наноперфорированным пленкам с перпендикулярной магнитной анизотропией.

В большинстве работ рассмотрено влияние наноразмерных отверстий на магнитные свойства многослойных пленок Co/Pt [7] и пленок PdCo и FePdСо структурой L1₀ [8]. В первом случае как сплошные, так и перфорированные пленочные структуры имели низкую остаточную намагниченность и сравнительно невысокую коэрцитивную силу, во втором случае появление пор привело к существенной деградации перпендикулярной анизотропии. Даже в случае многослойных пленок GdFe с относительно низкой намагниченностью насыщения [9] наблюдался переход от прямоугольной петли гистерезиса для сплошных пленок к наклонным петлям для перфорированных пленок. Стоит отметить, что в большинстве работ отсутствует анализ качества поверхности использованных подложек и осажденных на них пленок, что, на наш взгляд, может оказывать существенное влияние на магнитную анизотропию и гистерезисные свойства.

В данной работе были исследованы наноперфорированные пленки Tb₂₉Co₇₁, обладающие перпендикулярной магнитной анизотропией [10–12]. Дефектная структура пленок в виде гексагонально упорядоченных отверстий или выпуклостей была задана путем осаждения магнитного материала на поверхность пористых подложек анодированного алюминия. Основной целью проведенного исследования был анализ влияния различного рода дефектов на магнитную анизотропию и процессы перемагничивания в пленках сплавов редкоземельных и 3d-металлов, обладающих сильной перпендикулярной анизотропией.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Подложки для пленок были изготовлены с использованием фольги алюминия (99.995%), прошедшей двухэтапное анодирование [13, 14] в электрохимической ячейке с 0.3 М раствором щавелевой кислоты и платиновым катодом при 20°С. После данной процедуры поверхность анодированного оксида алюминия (АОА) имела самоорганизованное гексагональное упорядочение круглых отверстий диаметром 35 нм, отстоящих друг от друга на расстояние d = 105 нм. Далее путем травления в 5% фосфорной кислоте в течение 80 минут диаметр отверстий был увеличен до 75 нм. Обратная сторона оксидного слоя представляла собой массив выпуклостей диаметром около 105 нм. Для использования последней в качестве подложки было применено селективное травление слоя металлического алюминия. Указанные размеры были подтверждены данными сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопии. Для дальнейшего сравнительного анализа ряд подложек подвергался механической полировке.

Были получены следующие типы тонких пленок Tb₂₉Co₇₁: рельефные наноперфорированные пленки (РНП) на исходных подложках АОА; гладкие наноперфорированные пленки (ГНП) на полированных подложках АОА; гладкие сплошные пленки (ГСП) на стеклянных подложках Corning (референтный образец); рельефные сплошные пленки (РСП), осажденные на обратную сторону барьерного слоя АОА (рис. 1). Все пленки имели толщину 30 нм и были получены в едином цикле методом магнетронного распыления на установке ATC Orion 8 UHV в присутствии однородного магнитного поля напряженностью 250 Э, приложенного вдоль плоскости подложек. Давление остаточных газов в вакуумной камере составляло 10^–7 мм. рт. ст., давление рабочего газа Ar при получении пленок – 10^–3 мм. рт. ст. Слои тантала, имевшие номинальную толщину 5 нм, служат защитой магнитных слоев от окисления.

Рис. 1.

Схематичные изображения поверхности гладких наноперфорированных пленок (ГНП), рельефных наноперфорированных пленок (РНП) и рельефных сплошных пленок (РСП) Tb₂₉Co₇₁, полученных в данной работе.

Для аттестации магнитных свойств использовались магнитооптический керр-микроскоп Evico Magnetics и магнитоизмерительный комплекс на основе СКВИД MPMS XL 7 EC.

РЕЗУЛЬТАТЫ

На рис. 2а представлены магнитооптические петли гистерезиса пленок Tb₂₉Co₇₁ на сплошной и наноструктурированных подложках при приложении поля перпендикулярно плоскости пленки. Полярная компонента намагниченности при данной ориентации поля, которая соответствует оси легкого намагничивания (ОЛН), демонстрирует прямоугольные петли гистерезиса. Наблюдение доменной структуры на керр-микроскопе позволило установить, что перемагничивание осуществляется преимущественно за счет движения доменных стенок. Сравнение петель гистерезиса РСП и ГСП позволяет заключить, что пленки, осажденные на барьерный оксидный слой, имеют коэрцитивную силу H_c при приложении поля перпендикулярно плоскости пленки практически идентичную референтному образцу. ГНП и РНП имели повышенную коэрцитивную силу H_c (4.5 и 5.3 кЭ соответственно против 1.5 кЭ у сплошной пленки). Это может быть следствием наличия наноразмерных центров пиннинга доменных границ в пористых пленках. Наклон ветвей петель гистерезиса появляется для пленок, имеющих наноразмерные выпуклости (ГНП и РНП). Эффекты, обусловленные наличием отверстий и кривизны поверхности, в случае образца на неполированной подложке (РНП) оказались аддитивными. Можно предположить, что кривизна поверхности, возникающая благодаря наличию наноразмерных выпуклостей или из-за особенностей роста пленки на перемычках [15], вносит существенный вклад в наклон петель гистерезиса как в настоящей работе, так и в упомянутых выше исследованиях других авторов.

Рис. 2.

Петли магнитного гистерезиса, измеренные перпендикулярно (а) и параллельно (в) плоскости пленок Tb₂₉Co₇₁ с разным типом наноструктурир; б – доменная структура пленок в магнитном поле, близком к коэрцитивной силе.

СКВИД магнитометр, в свою очередь, позволил определить абсолютное значение магнитного момента μ пленки, а, зная ее объем, мы можем найти намагниченность насыщения M_S = 150 Гс (значение получено для сплошной пленки).

Доменная структура в области коэрцитивной силы при приложении поля перпендикулярно плоскости пленок Ta/Tb₂₉Co₇₁/Ta, осажденных на сплошные и наноструктурированные подложки, была исследована на керр-микроскопе. Наблюдаемые для сплошной пленки дендритные домены (рис. 2б) типичны для тонких магнитных пленок с сильной перпендикулярной магнитной анизотропией [16]. Домены изначально появляются на дефектах, перемагничивание происходит за счет зародышеобразования обратной магнитной фазы и распространения доменной стенки. Доменная структура в ГНП и РНП имеет схожий вид, но во втором случае агломерации доменов становятся мельче и разрозненнее. И для сплошной, и для наноструктурированных пленок Tb₂₉Co₇₁ доменная структура (а также полностью намагниченное состояние) сохранялись после уменьшения внешнего поля от коэрцитивной силы до нуля.

На рис. 2в представлены петли гистерезиса ГСП и РНП Tb₂₉Co₇₁ при приложении поля в плоскости пленки, полученные на магнитоизмерительном комплексе на основе СКВИД магнитометра. Рассмотрим перемагничивание сплошной пленки Tb₂₉Co₇₁ при приложении поля вдоль и перпендикулярно направлению технологического поля. Различная форма полученных петель гистерезиса свидетельствует о наличии наведенной анизотропии. Для РНП Tb₂₉Co₇₁ при приложении поля в плоскости пленки вдоль и перпендикулярно направлению технического поля петли идентичны. Это говорит о том, что наведенная плоскостная составляющая анизотропии пропадает (предположительно из-за особенностей формируемой микроструктуры, для более основательного заключения требуется проведение дополнительных исследований). Вид петель свидетельствует о том, что превалируют процессы вращения намагниченности.

Из петель гистерезиса, полученных при приложении поля в плоскости образца вдоль оси приложения технологического поля, и намагниченности насыщения M_s можно оценить величину константы анизотропии K_u. Тогда по формуле:

можно найти фактор качества Q, который и для ГСП, и для РНП равен 2.6.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Показано наличие сильной перпендикулярной магнитной анизотропии как для сплошных, так и для наноструктурированных пленок Tb₂₉Co₇₁. Дефектная структура практически не повлияла на значение фактора качества Q, которое для ГСП и РНП составило около 2.6. Проанализированы процессы перемагничивания и характер доменной структуры для пленок на разных подложках. Для пленок, осажденных на пористые подложки, наблюдалось более чем трехкратное увеличение коэрцитивной силы по сравнению со сплошной пленкой, которое сопровождалось уменьшением среднего размера доменов в области коэрцитивной силы. Пленки Tb₂₉Co₇₁, осажденные на барьерный слой, имели коэрцитивную силу приблизительно равную таковой для сплошной пленки. Наличие наноразмерных выпуклостей привело к появлению наклона ветвей петель гистерезиса как для сплошной пленки, так и для перфорированной. Сильное влияние кривизны поверхности на процессы перемагничивания может быть одной из главных причин ухудшения перпендикулярной анизотропии в пленках, осажденных на пористую поверхность. Указанное влияние структурирующих подложек является следствием специфической микромагнитной структуры и возникающих локальных полей рассеяния, а также наличия наноразмерных центров пиннинга доменных границ в случае перфорированных структур.

Cинтез образцов выполнен при поддержке гранта Президента Российской Федерации для молодых ученых № МК-1891.2018, аттестация магнитных свойств выполнена в рамках государственного задания МИНОБРНАУКИ России (темы “Сплавы” и “Магнит” № АААА-А18-118020290129-5).