Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2021, № 6, стр. 3-9

ВВЕДЕНИЕ

Изучены магнитные и структурные свойства тонких пленок Dy и Ho тяжелых редкоземельных металлов (РЗМ) со сложной магнитной структурой. Объемные Dy и Ho кристаллизуются в гексагонально плотно упакованную (ГПУ) структуру c параметрами кристаллической решетки a = = 0.35903 нм, c = 0.6475 нм для Dy и a = 0.35773 нм, c = 0.56158 нм для Ho [1, 2]. Одной из наиболее интересных особенностей этих металлов является формирование длиннопериодической геликоидальной магнитной структуры в диапазоне температур от T_C = 85 К до T_N = 178 К для объемного Dy и при температурах, меньших T_N = 131.4 K, для объемного Ho. Геликоидально упорядоченные магнитные моменты РЗМ лежат в базисной плоскости ГПУ решетки, поворачиваясь на некоторый фиксированный угол α с каждой трансляцией вдоль оси c элементарной ячейки. Период геликоиды (т.е. расстояние вдоль оси c, после которого магнитный момент совершит полный оборот), как правило, несоизмерим с параметром решетки РЗМ. При приложении внешнего магнитного поля в базисной плоскости, геликоидальное магнитное упорядочение может трансформироваться в геликоидально-веерное, веерное или ферромагнитное. Магнитные моменты Ho при температурах ниже 19 К частично выходят из базисной плоскости, образуя соизмеримую конусообразную магнитную структуру [3–7].

В свою очередь, в тонких пленках и многослойных наноструктурах Dy и Ho могут проявляться интересные особенности, не наблюдаемые в объемных материалах. Например, наблюдаются такие эффекты, как уменьшение температуры Нееля в тонких пленках Но при уменьшении толщины слоя [8], управляемый сдвиг температуры Кюри в пленках Dy под действием эпитаксиальных напряжений [9] и подавление магнитных фазовых переходов из геликоидальной в ферромагнитную фазу в сверхрешетках Dy/Y [10] и Dy/Gd [11]. Необходимо упомянуть также феномен образования когерентной геликоидальной структуры в сверхрешетках Ho/Y [12] и осциллирующее межслойное магнитное упорядочение в сверхрешетках Gd/Y [13]. Изучение природы формирования и особенностей появления подобных эффектов в РЗМ-пленках представляет как фундаментальный, так и прикладной интерес.

Одним из наиболее удобных, но редко используемых методов исследования тонких пленок и сверхрешеток на основе РЗМ, является рефлектометрия поляризованных нейтронов (РПН).

Целью настоящей работы является применение РПН для исследования магнитной структуры тонких пленок Dy и Ho, в частности, определение температур магнитных фазовых переходов в этих пленках и изучение температурных и полевых зависимостей периода геликоидального магнитного упорядочения в них.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Редкоземельные пленки Dy и Ho были выращены на монокристаллических подложках $\left[ {1\bar {1}02} \right]$ Al₂O₃ методом высоковакуумного магнетронного распыления при типичных скоростях роста около 1 монослоя в секунду, что способствует кинетической моде роста наноструктур. Рост образцов проводился на установке высоковакуумного магнетронного распыления ULVAC-MPS-4000-C6. На подложку при температуре 435°С был нанесен буферный слой Nb толщиной 40 нм, далее температура подложки была снижена до 150°С, и на буферном слое был выращен слой либо Dy, либо Ho толщиной 200 нм. Для защиты от окисления (после охлаждения структуры в ростовой камере до комнатной температуры) был нанесен защитный слой V толщиной 15 нм.

Структурная характеризация образцов проводилась на лабораторном дифрактометре Eempyrean в геометрии θ–2θ, с использованием CoK_α-излучения с энергией 6.929 кэВ в центре коллективного пользования ИФМ УрО РАН. При этом исследовалась кристаллическая структура пленок вдоль нормали к поверхности пленки.

Измерения величины намагниченности от температуры выполнены на сквид-магнетометре Quantum Design (центр коллективного пользования ИФМ УрО РАН) в температурном диапазоне от 220 до 10 K и в магнитном поле 80 кА/м, приложенном в базисной плоскости.

Нейтронные измерения были выполнены на времяпролетном рефлектометре РЕМУР, функционирующем на базе импульсного быстрого реактора ИБР-2 в лаборатории нейтронной физики ОИЯИ. Спектры снимались на двух образцах с приложенным в базисной плоскости внешним полем напряженностью 80 кА/м при различных температурах в диапазоне от 220 до 1.5 К. Регистрация спектров осуществлялась при двух поляризациях пучка нейтронов, далее называемых “положительной” и “отрицательной” по ориентации спинов падающего на образец пучка нейтронов, с равным временем экспозиции.

Экспериментальные данные с рефлектометра РЕМУР были нормированы на интенсивность прямого пучка, после чего преобразованы из инструментальной системы координат в систему координат обратного пространства с помощью ПО Överlåtaren [14] и нормированы на время.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1а, 1б приведены измеренные в зеркальной геометрии θ–2θ рентгеновские дифрактограммы для пленки Dy и Ho, на которых отмечены наблюдаемые рефлексы. Структурная характеризация показала наличие в обеих пленках РЗМ доминирующей текстуры (0002) вдоль нормали к поверхности, что является результатом, отличающимся от полученных ранее для пленок Dy и Ho, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии [15]. Аналогичная текстура была обнаружена нами ранее при росте пленок толщиной 20 нм на подложках $\left[ {1\bar {1}02} \right]$ Al₂O₃ [16], но тогда она была менее выраженной, также присутствовали рефлексы, соответствующие иным кристаллографическим направлениям.

Рис. 1.

Рентгеновские дифрактограммы для пленок Dy (а) и Ho (б).

Наличие текстуры (0002) в пленках РЗМ вдоль нормали к поверхности образца является необходимым условием формирования геликоидального магнитного упорядочения с волновым вектором геликоиды, также направленным по нормали к поверхности. Наличие такого геликоидального магнитного упорядочения приводит к появлению на нейтронных дифракционных спектрах сателлитных рефлексов магнитного происхождения вблизи разрешенных структурных брегговских рефлексов (000L). Такие сателлитные рефлексы возникают также вблизи положения (0000), а рефлекс (0000)⁺ может быть эффективно детектирован с помощью рефлектометрии поляризованных нейтронов. Положение сателлитного рефлекса на рефлектометрической кривой определяется периодом геликоиды, а его интенсивность может служить параметром порядка, характеризующим геликоидальное упорядочение и его изменение с температурой и магнитных полем. Таким образом, нейтронные рефлектометрические измерения обеспечивают необходимую информацию для построения магнитной фазовой диаграммы тонких пленок Dy и Ho.

На рис. 2а, 2б приведены спектры нейтронной рефлектометрии в порядке возрастания температуры образца. Заметная на всех спектрах вертикальная линия при нулевой горизонтальной проекции вектора рассеяния соответствует зеркально отраженному пучку. Горизонтально расположенный рефлекс различающейся интенсивности, присутствующий на некоторых спектрах как на рис. 2а, так и на рис. 2б – сателлитный рефлекс от геликоидов.

Рис. 2.

Спектры нейтронной рефлектометрии для пленок Dy (а) и Ho (б).

Численно определить положение и интенсивность магнитного сателлитного рефлекса возможно, построив сечения спектров нейтронной рефлектометрии в области зеркального отражения (рис. 3а, 3б). Анализ рис. 3а позволяет установить важные особенности магнитной структуры тонкой пленки Dy. Отсутствие магнитного сателлитного рефлекса при температуре 200 К и его появление при 150 К позволяет установить, что температура Нееля исследуемого образца находится в этом температурном диапазоне, что согласуется с данными по объемному диспрозию (T_Neel = 181 K) [1]. При этом в температурном диапазоне 1.5–100 K наблюдается резкое уменьшение интенсивности магнитного сателлитного рефлекса с понижением температуры, что свидетельствует о частичном переходе диспрозия в ферромагнитное состояние с понижением температуры. В объемном диспрозии магнитный фазовый переход АФМ → ФМ наблюдается при Т = 81 К и приводит к полному исчезновению геликоидального магнитного упорядочения [1].

Рис. 3.

Сечения спектров нейтронной рефлектометрии пленок Dy (а) и Ho (б) в области зеркального отражения.

На рис. 4а приведены температурные зависимости интенсивности магнитного сателлитного рефлекса и периода геликоиды в пленке Dy, а также воспроизведена температурная зависимость периода геликоиды в объемном Dy для сравнения. Увеличение периода геликоиды с понижением температуры в диапазоне (50–150 К) согласуется с поведением геликоида в объемном материале, однако свидетельствует о несколько меньшей температуре Кюри в переходящих в ферромагнитное состояние частях образца. Уменьшение периода геликоиды с понижением температуры в диапазоне 1.5–50 K аналогов в объемном Dy не имеет.

Рис. 4.

Температурные зависимости интенсивности магнитного сателлитного рефлекса и периода геликоиды в пленке Dy в сравнении с периодом геликоиды в объемном Dy (а), в пленке Ho в сравнении с периодом геликоиды в объемном Ho (б).

Для подтверждения предположения о неполном переходе в ферромагнитное состояние пленки Dy и установления температур Кюри и Нееля были проведены измерения температурной зависимости намагниченности при приложении магнитного поля в плоскости образца. Кривые намагниченности для объемного Dy и тонкой пленки представлены на рис. 5а. Температура Нееля в пленке составляет 181 K, температура Кюри – 62 K. Уменьшение намагниченности в пленке Dy практически вдвое связывается с ее структурным несовершенством и геликоидальным упорядочением, сохраняющимся в части вещества даже при низких температурах.

Рис. 5.

Кривая намагниченности для объемного Dy и тонкой пленки Dy (а), для объемного Ho и тонкой пленки Ho (б). В объемных материалах магнитное поле прикидывалось вдоль осей легкого намагничивания (a для Dy и b для Ho).

Анализ и обработка результатов измерений пленки Ho производились аналогичным образом. На рис. 3б приведены сечения спектров нейтронной рефлектометрии в области зеркального отражения. Магнитный сателлитный рефлекс отсутствует вплоть до температуры 100 К, таким образом, температура Нееля пленки лежит между 100 и 120 K, что несколько ниже температуры Нееля в объемном гольмии (131.4 K). При этом в температурном диапазоне 25–100 K интенсивность магнитного сателлитного рефлекса монотонно возрастает, а при температурах ниже 25 К интенсивность рефлекса и его положение практически не меняются.

Изменения периода геликоиды и интенсивности от температуры, а также температурная зависимость периода геликоида в объемном гольмии отражены на рис. 4б. В отличие от пленки Ho в объемном Ho при Т = 21 K происходит резкое изменение периода геликоиды: он становится пропорциональным параметру решетки гольмия Λ_ho = c × 6. Этот переход к соизмеримому геликоидальному упорядочению в тонкой пленке Ho, по всей видимости, подавлен.

Для подтверждения предположения о подавленном спин–слип переходе в пленке Ho и установления температуры Нееля были проведены измерения температурной зависимости намагниченности в плоскости образца. Кривые намагниченности для объемного гольмия [17] и тонкой пленки представлены на рис. 5б. Температура Нееля в пленке составляет 125 К, что расходится с данными рефлектометрии поляризованных нейтронов, где при 120 K геликоидального магнитного упорядочения не обнаружено. Возможным объяснением является существование некоторого локального магнитного упорядочения, для которого нехарактерно образование длиннопериодических магнитных геликоид.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Показано, что основной текстурой в тонких пленках Dy и Ho, выращенных методом магнетронного распыления на буферном слое (110) Nb и подложке $\left[ {1\bar {1}02} \right]$Al₂O₃, является (0002). Таким образом, волновой вектор магнитного геликоида оказывается ориентирован нормально к базисной плоскости образца, и магнитная структура может быть определена методом нейтронной рефлектометрии. При помощи рефлектометрии поляризованных нейтронов были получены температурные зависимости периода геликоиды и интенсивности магнитного сателлитного рефлекса, служащего параметром порядка для описания геликоидальной магнитной структуры. Было установлено, что (как минимум) в части пленки Dy в диапазоне температур от 1.5 до 100 K магнитный фазовый переход AFM → FM оказывается подавлен, и геликоид продолжает существовать даже в низких температурах. В пленке Ho было обнаружено подавление магнитного фазового перехода в области низких температур, связанного с образованием о объемных кристаллах соизмеримой геликоидальной магнитной структуры из несоизмеримой.