Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 7, стр. 947-949

В последнее время актуальной проблемой остается исследование механизмов, ответственных за формирование физических свойств тонкопленочных структур в системах ферромагнитный металл/диэлектрик/полупроводник (ФММ/Д/ПП). Для получения таких структур с требуемыми свойствами довольно сложной задачей является получение качественных границ раздела (интерфейсов) между слоями. Поэтому изучение влияния границ раздела слоев на формирование структуры, ее физические свойства, в частности, на магнитные свойства, и, как следствие, на спин-зависимый транспорт, является довольно актуальной задачей [1–3]. Для исследования выбраны образцы Al₂O₃/Ge-p/Al₂O₃/Co.

Структуры Al₂O₃/Ge-p/Al₂O₃/Co были получены методом ионно-плазменного напыления при базовом давлении р = 10^–6 Тoр в атмосфере аргона. В качестве материала подложки использовался кремний (001), предварительно очищенный методом ионно-плазменного травления в рабочей камере непосредственно перед процессом напыления. В работе синтезированы серии образцов, которые можно разделить по скоростям осаждения на два типа пленок. Скорость осаждения для Al₂O₃ отличается в 10 раз, а для Ge-p и Co в 5 раз. Также получены пленки чистого кобальта на аналогичную подложку, предварительно очищенную методом ионно-плазменного травления с теми же скоростями напыления.

1 тип пленок:

1) Al₂O₃ (0.5 Å/мин/33 nm)/Ge-p (24 Å/мин/ 54 nm)/Al₂O₃(0.5 Å/мин/4.7 nm)/Co (12 Å/мин/ 104.7 nm).

2) Co (12 Å/мин/1000А).

2 тип пленок:

1) Al₂O₃ (5.5 Å/мин/220 nm)/Ge-p (144 Å/мин/ 31 nm)/Al₂O₃(5.5 Å/мин/16 nm)/Co (72 Å/мин/ 106 nm).

2) Co (72 Å/мин/1000 А).

TEM-изображение поперечного сечения структуры получены на просвечивающем электронном микроскопе Hitachi HT7700. Исследована структура поверхности пленок на атомном силовом микроскопе Veeco Multi Mode. Проведены магнитные измерения методом магнитооптического эффекта Керра (NanoMOKE-2) и на СКВИД-магнетометре (MPMS_XL фирмы “Quantum Design”).

Из TEM-изображений поперечного сечения структуры видно, что после обработки подложки ионно-плазменным травлением сформировались сплошные и гладкие межслоевые границы между подложкой и слоем Al₂O₃ для пленок обоих типов с шероховатостью около 1–2 нанометров. Но далее для пленок 1-го типа шероховатость на границах между последующими слоями изменяется слабо, а для пленок 2-го типа увеличивается более резко.

Также были получены параметры шероховатости верхнего слоя кобальта для всех образцов чистого кобальта и многослойных пленок Al₂O₃/Ge-p/Al₂O₃/Co методом атомно-силовой микроскопии. Из анализа шероховатостей определено, что для пленки чистого кобальта при уменьшении его скорости напыления шероховатость уменьшается в 2 раза. Но для многослойной пленки Al₂O₃/Ge-p/Al₂O₃/Co при снижении скорости осаждения каждого слоя шероховатость верхнего слоя кобальта уменьшается в 3–5 раз. Так, для 1 типа образцов шероховатость кобальта R_a для системы Al₂O₃/Ge-p/Al₂O₃/Co уменьшается до 3–4 Å, Таким образом, существует влияние скорости осаждения промежуточных слоев на шероховатость верхнего слоя.

Из магнитных измерений выяснено, что для системы Al₂O₃/Ge-p/Al₂O₃/Co при малых скоростях осаждения (1 тип) коэрцитивная сила при комнатной температуре равна 100 Э, при понижении температуры до 4 К, увеличивается до 160 Э. Для больших скоростей осаждения (2 тип) коэрцитивная сила при комнатной температуре порядка 160 Э, и при понижении температуры до 4 К увеличивается до 280 Э. При одной и той же скорости напыления кобальта чистого и в системе Al₂O₃/Ge-p/Al₂O₃/Co (рис. 1 – кривая 1, рис. 2) его коэрцитивная сила различается в два и более раз в зависимости от температуры. Как известно [4], при уменьшении скорости осаждения кобальта доля гексагональной фазы уменьшается, и появляются дополнительные фазы. Таким образом, различие коэрцитивных сил образцов и крутизна их температурных зависимостей может быть связана со скоростью осаждения подслоев кобальта в системе, так как рельеф поверхности зависит от скорости осаждения предыдущего слоя и соответственно влияет на структуру последующих слоев. Таким образом, изменение коэрцитивной силы в системах Al₂O₃/Ge-p/Al₂O₃/Co связано с анизотропией на интерфейсе.

Рис. 1.

Зависимость коэрцитивной силы от температуры для образцов Al₂O₃/Ge-p/Al₂O₃/Co со скоростями осаждения 1-го типа (медленные); и 2-го типа (быстрые).

Рис. 2.

Петли гистерезиса для чистого слоя кобальта при T = 300 и T = 4 К, 1-й тип образцов (“медленные”).

В результате исследований системы Al₂O₃/Ge-p/Al₂O₃/Co выявлена зависимость магнитных свойств кобальта от скорости его распыления ионно-плазменным методом и скорости напыления предшествующих слоев данному слою кобальта. Снижение скорости осаждения слоев в многослойной структуре позволяет уменьшить шероховатость границ соседних слоев, средний размер зерна; снизить и стабилизировать коэрцитивную силу. Это может иметь большое значение при создании устройств спинтроники, например, магнитных датчиков.

Более детальное описание магнитной анизотропии в системе ферромагнитный металл–полупроводник требует учета реальной электронной структуры и структуры интерфейса [5], поскольку толщина интерфейса составляет единицы нанометров и в нем формируются новые фазы.

Настоящие исследования ведутся при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 18-02-00161-а).