Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 7, стр. 940-942

ВВЕДЕНИЕ

Обменное смещение относится к числу важных функциональных свойств современных материалов для магнитомикроэлектроники и спинтроники [1, 2]. Для слоистых пленочных структур оно формально состоит в сдвиге петли гистерезиса ферромагнитного (“закрепленного”) слоя по оси магнитного поля. Как правило, его причиной является обменная связь ферромагнитного слоя с антиферромагнитным (“закрепляющим”) слоем, а количественной характеристикой – поле сдвига центра петли гистерезиса (поле обменного смещения H_ex). К числу основных факторов, влияющих на H_ex, относятся эффективность обменной связи и величина магнитного момента “закрепленного” слоя. Однако использование их для целенаправленного регулирования H_ex далеко не всегда эффективно из-за недостаточной изученности механизмов межслойного обменного взаимодействия и ограничений на свойства и толщину “закрепленного” слоя. В данной статье представлены результаты изучения альтернативного способа регулирования гистерезисных свойств “закрепленного” слоя, основанного на введении в него композиционной прослойки типа Co–Al₂O₃ с повышенным уровнем удельного электросопротивления.

ЭКСПЕРИМЕНТ

Объектами исследования в данной работе являлись многослойные пленки SiO₂/Ta(5)/FeNi(5)/ FeMn(20)/FeNi(40)Ta(5). Они были получены путем магнетронного распыления сплавных мишеней соответствующих составов на установке Orion-8 в присутствии однородного технологического магнитного поля. Это поле имело напряженность 250 Э и было ориентировано параллельно плоскости подложек. Процесс распыления осуществлялся в аргоне при давлении 10^‒3 мм. рт. ст. Давление остаточных газов в вакуумной камере составляло 10^–7 мм рт. ст. Подложками служили стекла Corning. В приведенной выше структурной формуле в скобках указаны толщины слоев в нанометрах, а обозначение FeNi используется для слоев пермаллоя Fe₂₀Ni₈₀. Отметим, что слой Ta, прилегающий к подложке (SiO₂), и следующий за ним тонкий (5 нм) слой пермаллоя присутствуют в пленочной структуре как вспомогательные элементы. С их помощью в слое FeMn формировались кристаллическая ГЦК-структура, проявляющая антиферромагнитное упорядочение, и кристаллическая текстура типа (111). Тем самым обеспечивалось устойчиво воспроизводимое обменное смещение (“закрепление”) во внешнем слое пермаллоя толщиной 40 нм.

В ходе эксперимента в середину внешнего слоя FeNi вводились композитные прослойки Co_x(Al₂O₃)_100 – x с варьируемыми составом (x = 0; 11; 40%) и толщиной (0–8 нм), т.е. осуществлялось его структурирование. Формирование композиций разного состава проводилось путем сораспыления мишеней Co и Al₂O₃с регулируемым соотношением скоростей осаждения материалов. Толщины прослоек, как и основных слоев, задавались по времени распыления соответствующих материалов. Химический состав был определен в ходе вспомогательного эксперимента на однослойных пленках использованных материалов с помощью флуоресцентного спектрометра Nanohunter. Гистерезисные свойства и доменная структура “закрепленного” ферромагнитного слоя изучались с помощью Керровского магнитометра Evico Magnetics.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 представлены магнитооптические петли гистерезиса слоя пермаллоя в отсутствие прослойки. Обе они измерены в магнитном поле, параллельном оси анизотропии, выделенной технологическим магнитным полем при получении образцов, но при различной ориентации светового потока (продольная и поперечная магнитооптические моды). Это дает возможность анализировать изменение как продольной (петля 1), так и поперечной (петля 2) компонент намагниченности по отношению к магнитному полю. Сравнение петель позволяет заключить, что исследуемый слой FeNi имеет достаточно сильное обменное смещение (Н_е = 30 Э) и перемагничивается в две стадии. Одна из них состоит в слабом изменении намагниченности и распространяется на значительный интервал полей, другая дает большое и резкое изменение намагниченности. Анализ доменной структуры (рис. 1a, 1б) показывает, что указанные стадии можно соотнести с плавным и небольшим поворотом намагниченности или быстропротекающим смещением зигзагообразных доменных границ соответственно. При этом состояние, формирующееся на стадии поворота намагниченности, характеризуется мелкомасштабной дисперсией намагниченности. В силу малых отклонений намагниченности от оси анизотропии она выявляется только в поперечной магнитооптической моде, подобно тому, как это наблюдалось ранее в [3].

Биструктурирование слоя FeNi композитной прослойкой приводит к значительным изменениям его гистерезисных свойств, которые в количественном отношении зависят как от толщины L, так и от состава прослойки. Но при этом выделяются два качественно различных варианта перемагничивания [4]. Для относительно малых L целостность в перемагничивании слоя FeNi не нарушается, но имеет место снижение величины Н_ех и возрастание Н_с. При достижении некоторого критического значения толщины прослойки L_кр структурированный слой разбивается на два субслоя, перемагничивающихся по индивидуальным петлям гистерезиса. С ростом L наблюдается постепенное увеличение Н_еx и Н_с внутреннего субслоя, непосредственно прилегающего к слою FeNi и монотонное уменьшение Н_еx внешнего субслоя при резком снижении его Н_с. Величина L_кр в зависимости от состава прослойки варьируется в пределах 0.5–1.5 нм. Все эти данные получены в рамках магнитооптической методики, которая позволяла уверенно регистрировать свойства как внешнего, так и внутреннего субслоев.

Для сравнения эффективности действия прослоек различного состава на рис. 2 показаны зависимости константы обменной связи К_ex слоя пермаллоя как целого (L ≤ L_кр), т.е. на интерфейсе FeMn/FeNi или его внешней части (L > L_кр), взаимодействующей с нижележащим субслоем пермаллоя. Значения этой константы определялись по формуле:

где M_s – намагниченность насыщения пермаллоя (800 Гс); H_ex и L_FeNi – поле обменной связи и толщина основного слоя FeNi при его перемагничивании как целого или соответствующие характеристики внешнего субслоя при раздельном перемагничивании субслоев. Различие в зависимостях К_ex(L), по всей вероятности, связано с гранулированным характером микроструктуры композитов типа Co–Al₂O₃. Согласно данным [5] Со присутствует в них в основном в виде частиц (гранул) нанометрового масштаба, и увеличение содержания Со приводит, в первую очередь, к росту концентрации таких гранул. Применительно к случаю прослойки повышение концентрации гранул Со, по-видимому, способствует обеспечению прямого обменного контакта между субслоями пермаллоя, в частности, увеличивает L_кр.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленные результаты показывают, что структурирование слоев пермаллоя с помощью гранулированной прослойки Co–Al₂O₃ является эффективным способом управления его гистерезисными свойствами. Варьирование состава и толщины прослойки позволяет достаточно прецизионно подбирать величину поля обменного смещения при пониженном уровне коэрцитивной силы.

Представленные в работе результаты были получены в рамках выполнения государственного задания Минобрнауки России 3.6121.2017/8.9.