Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2021, № 9, стр. 76-79

ВВЕДЕНИЕ

Многослойные магнитные наноструктуры – искусственные магнетики, которые находят применение во многих областях современной микро- и наноэлектроники, например, в системах хранения и записи информации [1–4]. В последнее время растет интерес к многослойным магнитным наноструктурам, образованным чередующимися слоями переходных 3d-металлов и тяжелых редкоземельных металлов [5–7]. Одна из причин, по которой многослойные структуры редкоземельный металл/переходный металл (РЗМ/ПМ) привлекают к себе внимание исследователей, состоит в том, что данные объекты могут обладать перпендикулярной магнитной анизотропией (ПМА). Наиболее характерные представители данного класса веществ: Gd/Fe, Tb/Co, Ho/Co и Dy/Co. Электронная оболочка тяжелых РЗМ (Dy, Tb) имеет сильно анизотропный характер. Это обусловливает существенное различие в уровне локальной магнитной анизотропии редкоземельных компонентов, что определяет особенности магнитной структуры, эффективной магнитной анизотропии, магнитного гистерезиса, доменной структуры и возможных сфер применения аморфных пленок. Для аморфных РЗМ/ПМ-соединений, содержащих тяжелые редкоземельные элементы, характерен, как правило, коллинеарный ферримагнетизм [1]. Причем (в отличие от кристаллических ферримагнетиков) аморфным сплавам присуще непрерывное изменение величин подрешеточных намагниченностей в зависимости от состава. Многослойные РЗМ/ПМ менее изучены, на данный момент имеется только несколько работ 90-х годов по исследованию многослойных структур Dy/Co [2, 3]. Одним из главных факторов, влияющих на формирование магнитных свойств подобных систем, является структурное состояние слоев, в особенности их границ и интерфейсов. Недавно мы показали, что перпендикулярная магнитная анизотропия наблюдается в структурах Dy(x нм)/ Co(y нм), где x = 12, 20 нм, y = 12.30 нм при температуре 80–90 К [4, 5]. Но для практического использования важно, чтобы ПМА наблюдалась при комнатной температуре.

В цели данной работы входило подробное исследование магнитных свойств сверхрешеток Co/Dy, определение влияния толщины слоя Co на магнитную анизотропию и профили намагниченности при комнатной температуре.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В данной статье представлены исследования, проведенные на двух сверхрешетках: [Dy(1.2 нм)/ Co(1.2 нм]₄₀ и [Dy(1.2 нм)/Co(3.0 нм]₄₀. Образцы были изготовлены методом высоковакуумного магнетронного распыления на монокристаллических подложках (001)Si. Рост проводился при комнатной температуре. Сначала на подложку наносили буферный слой Nb толщиной 7.0 нм, необходимый для “сглаживания” шероховатости подложки и предотвращения образования силицидов. На буферный слой напыляли сверхрешетку, начиная со слоя Dy. После завершения роста (для защиты от окисления) на структуру наносили слой Al толщиной 10.0 нм.

Магнитные измерения проводили на вибрационном магнитометре Lake Shore 7407 во внешнем магнитном поле до 17 кЭ, которое прикладывалось как перпендикулярно, так и в плоскости образца. Доменную структуру изучали с помощью сканирующего зондового микроскопа Solver Next в режиме магнитной силовой микроскопии (МСМ). Сканирование производили зондами MFM10 с CoCr-покрытием и радиусом 40 нм по двухпроходной полуконтактной методике. Определялось изменение фазы колебаний зонда под действием магнитных сил поверхности образца, что и регистрировалось в качестве МСМ-изображения. Измерения рефлектометрии поляризованных нейтронов проводили в стандартной геометрии θ–2θ на рефлектометре NREX на исследовательском реакторе FRM II. Измерения с полным поляризационным анализом проведены на длине волны 4.26 ± 0.06 Å, эффективность поляризатора была 99.99%, анализатора – 98%.

ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Раннее нами установлено, что сверхрешетки Co/Dy представляют собой композиционно-модулированный сплав, в котором, с одной стороны, выдерживается строгая периодичность в толщинах и композиции слоев, а с другой стороны, интердиффузия Co и Dy на межслойных границах приводит к периодическому изменению с глубиной концентрации Co и Dy [4, 5]. Исследования, проведенные с помощью рентгеновской дифракции в геометрии скользящего падения [5], показали, что в образце Dy(1.2 нм)/Co (1.2 нм) присутствует интерметаллид DyCo₃. Второй образец Dy(1.2 нм)/Co (3.0 нм) представляет собой аморфный сплав Dy–Co и сплошной слой Co.

Картины магнитного рельефа, полученные с помощью сканирующего зондового микроскопа, показаны на рис. 1. Сканирование проводилось в направлении нормали к поверхности образца. На картине с равным содержанием Dy и Co присутствует ярко выраженный контраст (рис. 1а), который можно назвать лабиринтной магнитной структурой. Данные мелкомасштабные колебания нормальной составляющей намагниченности являются микроразмерными доменами. В образце Dy(1.2 нм)/Co(1.2 нм) средний размер магнитных неоднородностей не превышает 4 мкм. Вид кривой намагничивания для образца указывает на наличие сильной одноосной магнитной анизотропии перпендикулярно плоскости пленки. ПМА при комнатной температуре объясняется наличием интерметаллида DyCo₃ [5], температура Кюри которого равна 450 K. Увеличение толщины слоев Co приводит к увеличению поля насыщения и уменьшению размерa доменной структуры (рис. 1б), наблюдается полосовая доменная структура на слое кобальта субмикронного размера. Так как Dy при Т = 300 K парамагнитен, то ожидалось, что петля гистерезиса будет прямоугольной, однако это не выполняется. Данный результат можно интерпретировать следующим образом: магнитная анизотропия не является одноосной, как в образце Dy(1.2 нм)/Co(1.2 нм), поскольку присутствует как сплав Dy–Co, так и сплошной слой Co. При проведении эксперимента методом рефлектометрии поляризованных нейтронов измерялись четыре коэффициента отражения нейтронов в зависимости от переданного импульса: две зависимости без переворота спина (R⁺⁺ и R^– –) и две с переворотом спина (R^+– и R^–+). Измерения проводились при Т = 300 К в магнитном поле Н = 1500 Э (рис. 2а, 2б). Сигнала спин-флип рассеяния не наблюдалось для обоих образцов.

Рис. 1.

Магнитный рельеф поверхностей образцов: а – Dy(1.2 нм)/Co(1.2 нм) и б – Dy(1.2 нм)/Co(3.0 нм). Зависимости намагниченности от внешнего магнитного поля, приложенного вдоль нормали к поверхности образца при температуре 300 К: в – Dy(1.2 нм)/Co(1.2 нм) и г – Dy(1.2 нм)/Co(3.0 нм).

Рис. 2.

Рефлектометрические кривые (символы) и результаты их обработки (сплошные линии), измеренные в магнитном поле 1.5 kOe при температуре T = = 300 K для сверхрешетки Dy(1.2 нм)/Co(1.2 нм) (а), для сверхрешетки Dy(1.2 нм)/Co(3.0 нм) (б).

Результаты нейтронных экспериментов хорошо согласуются с магнитометрическими результатами, описанными выше. Следует подчеркнуть, что намагниченность в слоях неоднородна из-за разного содержания атомов Co. В Dy(1.2 нм)/ Co(1.2 нм) подрешетки Dy и Co ориентированы антиферромагнитно относительно друг друга и перпендикулярно плоскости образца. Магнитные моменты первого и второго слоя равны 0.2 ± ± 0.1 µ_В/атом. В Dy(1.2 нм)/Co(3.0 нм) магнитные моменты Dy и Co упорядочены антипараллельно друг другу и перпендикулярно плоскости пленки в слое сплава Dy–Co и равны 2.2 ± 0.1 µ_В/атом. Магнитные моменты слоя Co ориентированы вдоль плоскости образца m = 1.7 ± 0.1 µ_В/атом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведены комплексные экспериментальные исследования сверхрешеток Dy(x нм)/Co(y нм), где x = 12. 20 нм, y = 12. 30 нм, синтезированных методом магнетронного распыления. Приведены результаты комбинированных магнитометрических и нейтронографических исследований сверхрешеток Dy/Co, выполненные при комнатной температуре. В сверхрешетках наблюдается перпендикулярное упорядочение магнитных моментов Dy и Co в слоях Dy/Co. Установлено, что перпендикулярная магнитная анизотропия в сверхрешетках обусловлена магнитными свойствами переходных слоев Dy/Co, в то время как магнитные моменты слоев Co ориентированы в плоскости образца.