1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Серия физическая
  4. T. 83, № 7, 2019

Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 7, стр. 953-955

Влияние буферного слоя пермаллоя на структурное состояние и гистерезисные свойства многослойных пленок FeNi/NiMn/FeNi

М. Е. Москалев 1, *, В. Н. Лепаловский 1, Л. И. Наумова 1, 2, В. О. Васьковский 1, 2

1 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования “Уральский федеральный университет имени Первого Президента России Б.Н. Ельцина”
Екатеринбург, Россия

2 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук
Екатеринбург, Россия

* E-mail: mikhail.moskalev@urfu.ru

Поступила в редакцию 07.09.2018
После доработки 31.01.2019
Принята к публикации 27.03.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

В работе исследованы кристаллическая структура и гистерезисные свойства многослойных пленок типа FeNi/NiMn/FeNi, в которых варьировались состав слоя NiMn (9; 27; 49 ат. % Ni) и толщина буферного слоя FeNi (50–400 Å), предшествовавшего слою NiMn. В пленках со слоем NiMn, содержащим 9 ат. % Ni, обменное смещение наблюдается лишь для нижнего слоя, в то время как в пленке с 27 ат. % Ni – в обоих слоях пермаллоя. При этом величина поля обменного смещения зависит от толщины буферного слоя и позиции слоя пермаллоя в пленочной структуре.

ВВЕДЕНИЕ

Многослойные пленки на основе антиферромагнитных слоев NiMn имеют высокий потенциал практического применения в сфере спинтроники [1, 2]. Это обусловлено эффектом обменного смещения, наблюдаемым в системах с обменно-связанными антиферромагнитным и ферромагнитным слоями [3]. Указанный эффект заключается в сдвиге петли гистерезиса ферромагнетика по оси полей на величину Hex, называемую полем обменного смещения, и, как правило, сопровождается увеличением коэрцитивной силы Hc. Наличие обменного смещения связано со структурным состоянием слоя NiMn, которое, в свою очередь, зависит от состава и условий его осаждения [4, 5]. Активную роль в формировании структуры NiMn и, в частности, в образовании антиферромагнитных фаз играет кристаллохимическое состояние буферных слоев, предшествующих слою NiMn. В данной работе исследуется роль буферного слоя FeNi как фактора, влияющего на структуру и гистерезисные свойства пленок FeNi/NiMn/FeNi.

ЭКСПЕРИМЕНТ

В работе исследовались пленки, полученные методом магнетронного распыления на установке Orion-8, со следующей слоистой структурой: стекло/Ta(50)/Fe20Ni80(L)/NixMn100 – x(200)/ Fe20Ni80(400)/Ta(50). В этой структуре слой пермаллоя варьируемой толщины L рассматривался как буферный по отношению к слою NiMn. Остальные слои имели фиксированные значения толщины, приведенные в скобках в Å. Величина L изменялась в пределах 50–400 Å для каждой из трех серий образцов с разным составом слоев NixMn100 – x (x = 9; 27; 49 ат. %). Соответствующая концентрация компонентов задавалась путем подбора скоростей осаждения Ni и Mn в режиме сораспыления однокомпонентных мишеней. Связь между соотношением этих скоростей и составом слоев была определена в ходе предварительного эксперимента с помощью рентгеновского флуоресцентного спектрометра Rigaku NanoHunter. Для исследования структурного состояния образцов применялась рентгеновская дифрактометрия, проводившаяся на установке Дрон-3М в излучении Co Kα. Гистерезисные свойства определялись по магнитооптическим петлям гистерезиса. Они измерялись на Керр-микроскопе Evico Magnetics вдоль оси анизотропии, сформированной технологическим магнитным полем при получении пленок.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Эксперимент показал, что в исследованных пленках с x = 9 и 27 имеет место эффект обменного смещения. Причем в случае x = 9, он наблюдается только для нижнего (буферного) слоя FeNi (рис. 1а), который также характеризуется повышенной коэрцитивной силой (~5 Э). Отсутствие обменного смещения и низкий гистерезис (Hc ~ ~ 1 Э) в верхнем слое FeNi, по-видимому, являются следствием магнитной и, соответственно, структурной неоднородности слоя NiMn по толщине. В образце с x = 27, обменное смещение присутствует в обоих слоях (рис. 1б), что говорит о формировании антиферромагнитной фазы по всей толщине слоя NiMn. В том и другом случаях величина поля обменного смещения Hex буферного слоя FeNi весьма чувствительна к изменению его толщины. Однако ход зависимостей Hex(L) несколько различен. Для образца с x = 9 выражен начальный рост Hex с увеличением L, который, по-видимому, связан с нарастанием стабилизирующего влияния буферного слоя на структуру и магнитное состояние слоя NiMn. Последующее снижение Hex имеет иную природу и, как и в образце с x = 27, обусловлено ростом магнитного момента буферного слоя [3].

Рис. 1.

Зависимости коэрцитивной силы Hc (1, 2) и поля смещения Hex (3, 4) нижнего (1, 3) и верхнего (2, 4) слоев FeNi от толщины нижнего (буферного) слоя FeNi L в случае x = 9 ат. % (а) и x = 27 ат. % (б).

Отмеченные различия в магнитных свойствах пленок двух типов, вероятно, отражают специфику влияния буферного слоя на структурное состояние слоя NiMn разного состава и, в частности, на формирование антиферромагнитной фазы γ-NiMn, ответственной за эффект обменного смещения [6]. Согласно фазовой диаграмме системы Ni–Mn для состава с x = 9 фаза γ-NiMn характеризуется г.ц.к. структурой со значительными тетрагональными искажениями, которые, вблизи буферного слоя пермаллоя, по-видимому, подавляются эпитаксиальным действием его г.ц.к. структуры. Но при удалении от буферного слоя тетрагональные искажения инициируют рассогласование структур FeNi и NiMn. В результате нарушается однофазность и кристаллическая текстура в слое NiMn, что, в конечном счете, приводит к отсутствию смещения в верхнем слое пермаллоя [7]. При составе x = 27 равновесной для фазы γ-NiMn является неискаженная г. ц. к. структура, которая сохраняет возможность стабилизироваться по всей толщине слоя NiMn [7] и обеспечивает обменное смещение верхнего слоя пермаллоя. Эти представления подтверждаются данными рентгеноструктурного анализа, показанными на рис. 2б. Они, в частности, говорят о наличии фазы γ-NiMn во всех пленках, но в меньшей относительной концентрации в образцах с x = 9.

Рис. 2.

Зависимости коэрцитивной силы Hc нижнего (1) и верхнего (2) слоев FeNi от толщины нижнего (буферного) слоя FeNi L в случае x = 49 ат. % (а) и рентгенограммы образцов с x = 9; 27; 49 ат. % (1, 2 и 3, соответственно) при L = 400 Å (б). Важно отметить, что для образца с x = 49 ат. % обменное смещение не наблюдается.

Интересно, что фаза γ-NiMn идентифицируется и в образце с x = 49 (кривая 3 на рис. 2б), в котором обменное смещение отсутствует в обоих слоях. Эта пленка отличается и специфическим поведением зависимостей Hc(L) (рис. 2а). С увеличением L коэрцитивная сила обоих слоев уменьшается в несколько раз, достигая значений много меньших тех, которые типичны для однослойных пленок пермаллоя соответствующих толщин. В совокупности эти данные позволяют заключить, что состав фазы γ-NiMn в данном образце таков, что температура Нееля лежит ниже комнатной температуры [7]. Иначе говоря, в условиях поставленного эксперимента слой NiMn находится в парамагнитном состоянии. Он разделяет ферромагнитные слои так, что создаются условия для формирования в этих слоях сдвоенных доменных границ Нееля, смещению которых свойственен аномально низкий гистерезис [8].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенного исследования установлены качественные и количественные закономерности влияния буферного слоя пермаллоя на свойства пленок типа FeNi/NiMn/FeNi с различным содержанием Ni (x = 9–49 ат. %) в слое NiMn. Установлено, что во всех пленках наличие буферного слоя FeNi приводит к образованию фазы γ-NiMn. В пленке с x = 49 при комнатной температуре она находится в парамагнитном, а в пленках с x = 27 и x = 9 в антиферромагнитных состояниях. Причем в последнем случае (x = 9) ее концентрация существенно неоднородна по толщине слоя NiMn. Указанные структурные особенности определяют специфику эффекта обменного смещения и магнитного гистерезиса в исследованных пленочных структурах.

Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ в рамках научного проекта № 18-72-10044.

Список литературы

  1. Wang Y.Y., Song C., Zhang J.Y., Pan F. // Prog. Nat. Sci. Mater. Int. 2017. V. 27. P. 208.

  2. Jogschies L., Klaas D., Kruppe R. et al. // Sensors. 2015. V. 15. P. 28665.

  3. Radu F., Zabel H. // Magnetic heterostructures. Berlin, Heidelberg: Springer, 2008. P. 97.

  4. Wienecke A., Kruppe R. and Rissing L. // J. Appl. Phys. 2015. V. 117. Art. № 17C108.

  5. Portier X., Petford-Long A.K., Anthony T. C. // IEEE Trans. Magn. 1997. V. 33. P. 3679.

  6. Tsunoda M., Tsuchiya Y., Konoto M., Takahashi M. // J. Magn. Magn. Mater. 1997. V. 171. P. 29.

  7. Honda N., Tanji Y., Nakagawa Y. // J. Phys. Soc. Jap. 1976. V. 41. P. 1931.

  8. Vas’kovskiy V.O., Savin P.A., Lepalovskiy V.N. // Phys. Sol. St. 1997. V. 39. P. 2191.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Серия физическая

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал