Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 9, стр. 1314-1317

ВВЕДЕНИЕ

Интерес к пленочным структурам с тонкими магнитными слоями обусловлен возможностью изменять физические свойства структуры за счет вариации толщины слоев. На основе одних и тех же веществ, но с различными величинами размерных параметров, можно получить объекты либо с высокими значениями туннельного магнитосопротивления [1], либо со сверхмягкими характеристиками [2], либо с высокими значениями магнитооптического отклика [3]. Разнообразие свойств пленочных структур обусловлено изменением условий взаимодействия наночастиц в пленочной структуре и требует комплексных исследований с помощью различных методов.

Эффективным способом исследования магнитных свойств образцов пленочных структур, в том числе и нанометровой толщины, является метод ферромагнитного резонанса (ФМР). Чувствительность метода ФМР обеспечивает для образцов пленочных наноструктур высокую точность измерений параметров резонанса: напряженность резонансного поля, ширину и интенсивность линии поглощения [4]. Он позволяет без специальной подготовки образца установить взаимосвязи между данными наблюдения ферромагнитного резонанса и микроскопическими материальными параметрами нанопленочных систем [5].

Известна теория однородного ФМР, развитая Киттелем [6] для массивных, намагниченных до насыщения ферромагнитных тел эллипсоидальной формы. Предельными случаями образцов эллипсоидальной формы являются тонкие пластины – пленки. В рамках теории Киттелля зависимость резонансного поля от ориентации поля намагничивания по отношению к плоскости пленки непрерывна. Традиционно принято считать, что теория ФМР Киттелля применима и для тонких, в том числе нанотолщинных, пленок [7]. Цель работы состояла в изучении особенностей проявления ФМР в нанотолщинных пленках пермаллоя.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследованы однослойные пленочные структуры из Fe_xNi_{100 –x}, синтезированные в Институте физики им. Л.В. Киренского СО РАН [8]. Структуры изготавливались двумя способами: методом магнетронного распыления при постоянном токе и методом термического испарения.

Распыляемая (испаряемая) мишень была выполнена из материала Fe_xNi_{100 –х}, где x = 63–80. С целью создания наведенной одноосной магнитной анизотропии в плоскости структуры напыление осуществлялось в однородном планарном магнитном поле 200 Э. Направление в плоскости структуры, совпадающее с направлением поля намагничивания, будем далее по тексту обозначать вектором $\vec {i}.$ Подложка структуры размером 12 × 12 мм² выполнялась из ситалла с напыленным слоем SiO толщиной около 0.5 мкм. Температура подложки при напылении была равна 80°С. Базовое давление в камере перед напылением равнялось 2 ∙ 10^–6 мбар. Давление во время напыления было 2 ∙ 10^–3 мбар. Скорость подачи аргона при напылении составляла 100 см³/мин. При магнетронном распылении ток плазменного разряда был равен 0.5 А, а напряжение плазменного разряда – 445 В. При термическом испарении ток эмиссии был равен 0.1 А, а напряжение между катодом и анодом – 5.0 кВ. Время напыления контролировалось. Исходя из скорости и времени напыления, оценивалась толщина магнитного слоя. Толщины магнитных слоев в исследованных образцах были от 25 до 150 нм, что соответствовало продолжительности напыления от 60 до 420 с. Из синтезированных структур были изготовлены образцы размером 3 × 3 мм².

МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования выполнялись с помощью спектрометра “JEOL JES FA-300”. Измерения проводились при комнатной температуре на частоте 9.15 ГГц резонаторным способом с применением обычной модуляционной техники [9]. В спектрометре используется цилиндрический объемный резонатор с модой TE₀₁₁. В резонатор вставляется держатель, так что его ось вращения совпадала с ориентацией переменного магнитного поля $\vec {h}$ и была ортогональна ориентации постоянного поля намагничивания $\vec {H}.$ На держателе закреплялся исследуемый образец.

При исследовании спектров ФМР в плоских структурах, образец обычно наклеивают на держатель так, что ось вращения держателя параллельна плоскости пленки. Возможен другой способ размещения образца на держателе и, соответственно, в резонаторе. Образец наклеивается на торец держателя так, что нормаль к поверхности образца $\vec {n}$ параллельна оси вращения держателя. В работе исследованы спектры ФМР при размещении пленки этими двумя способами. В первом случае переменное магнитное поле $\vec {h}$ лежит по нормали к поверхности пленки ($\vec {h}$||$\vec {n}$), а во втором случае – в плоскости образца ($\vec {h}$⊥$\vec {n}$).

При размещении пленки первым способом измерения выполняются для различных ориентаций магнитного поля $\vec {H}$ относительно оси $\vec {i}.$ Ориентация поля $\vec {H}$ в плоскости образца характеризуется углом φ, отсчитываемым от оси $\vec {i}.$ Интервал изменений φ от 0° до 360°. Первый способ размещения образца используется редко, т. к. чувствительности спектрометра обычно не хватает для уверенной регистрации магнитных спектров.

Регистрация спектров при креплении образца вторым способом осуществляется для различных значений угла α между внешним магнитным полем $\vec {H}$ и нормалью к поверхности образца $\vec {n}.$ Угол α можно изменять от 0° до 360°. По спектрам определяли резонансное поле H_r, ширинe линии поглощения ΔH и интенсивность первой производной сигнала поглощения J.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Для всех исследованных образцов в спектре при размещении образца первым способом для любых ориентаций $\vec {H}$ наблюдается одна линия поглощения. Характерный вид зависимостей H_r(φ) продемонстрирован на рис. 1. Здесь и ниже, кроме специально оговоренных ситуаций, экспериментальные зависимости приводятся для образца, синтезированного методом магнетронного распыления с x = 80 и толщиной магнитного слоя порядка 25 нм (образец 1). Из рисунка видно, что в результате синтеза структуры в магнитном поле в плоскости образца наблюдается одноосная магнитная анизотропия. Анизотропия H_r в плоскости пленки имеет величину примерно 10–15 Э.

Рис. 1.

Угловая зависимость резонансного поля при касательном намагничивании образца.

Характерный вид зависимостей H_r(α), ΔH(α) и J(α) продемонстрирован на рис. 2. Дискретность вариации угла α была не более 6°. Из представленных диаграмм видно, что существуют такие α_i-ориентации поля намагничивания $\vec {H}$ относительно нормали к плоскости пленки $\vec {n},$ при которых линии поглощения более чем в 10 раз шире, чем при касательном намагничивании (α = 90°). Интенсивность первой производной сигнала поглощения J различается при α_i и α = 90° почти на два порядка. Для ситуации, представленной на рис. 2, величина α_i ≈ 8°, 172°, 188° и 352°. Аналогичный характер изменений ΔH(α) и J(α) наблюдается и для массивных образцов [5]. Однако динамический диапазон изменений ΔH и J от α для тонких пленок Fe_xNi_{100 –х} существенно (не менее чем на порядок) больше. Это обстоятельство и послужило причиной для более тщательного исследования спектров тонких пленок Fe_xNi_100 – х в окрестности α_i. Под более тщательным исследованием понимается запись спектров с шагом по углу α меньше, чем 6°.

Рис. 2.

Угловые зависимости H_r(α), ΔH(α) и J(α).

Уникальностью используемого измерительного комплекса “JEOL JES FA-300” является наличие автоматически перестраиваемого гониометра. Минимальный шаг изменения угла α можно установить равным 0.6°. Для образца 1 в окрестности α_i. наблюдается уширение линии ФМР с неоднородностями (рис. 3а), которые нельзя трактовать как резонансы. Для образца 2 с ориентировочной толщиной магнитного слоя 50 нм, полученного методом термического испарения мишени Ni₆₃Fe₃₇, в окрестности α_i наблюдаются два резонанса (рис. 3б). Один резонанс имеет продолжение в области близкой к нормальному намагничиванию (помечен на рис. 2 и 3б цифрой 1), а другой резонанс имеет продолжение в области близкой к касательному намагничиванию (помечен на рис. 2 и 3б цифрой 2).

Рис. 3.

Вид спектров ФМР.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Ранее считалось, что зависимость резонансного поля от ориентации поля намагничивания относительно поверхности плоской, в том числе и пленочной структуры, является непрерывной. Резонанс, наблюдаемый при касательном намагничивании, непрерывно переходит (при изменении ориентации магнитного поля) в резонанс, наблюдаемый при нормальном намагничивании.

Представленные экспериментальные результаты указывают на то, что в тонких однослойных пленочных структурах Fe_xNi_{100 –х} угловая зависимость резонансного поля имеет разрыв, т.е. теория Киттеля для однородного ФМР в пленочных структурах с магнитными слоями Fe_xNi_100 – х нанометровой толщины может не выполняться.