Теория зеркального отражения рентгеновских лучей от неидеальных многослойных наноструктур и ее применение в рефлектометрии сверхрешеток Fe/Cr

• Автор: Багрец, Надежда Владимировна
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 122 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ
Введение.
Глава 1 Литературный обзор.
1.1 Рентгеновские методы исследования многослойных структур.
1.2 Описание рассеяния рентгеновских лучей от неидеальных многослойных наноструктур.
1.3 Основные методы обработки рефлектометрических спектров. 31 Глава 2 Теория зеркального отражения рентгеновских лучей от многослойных наноструктур.
2.1 Основные определения.
2.2 Метод фазовых функций.
2.3 Влияние структурных особенностей межслойных границ
на вид рефлектометрических спектров.
Глава 3 Методика определения структурных параметров многослойных наноструктур из анализа рефлектометрических спектров.
3.1 Описание модели ММС и принципы расчета рефлектометрических спектров.
3.2 Описание программы X-ray и инструкции
по ее использованию.
Глава 4 Исследование структуры межслойных границ в сверхрешетках Fe/Cr
4.1 Влияние температуры роста на структуру межслойных границ сверхрешеток Fe/Cr.
4.2 Определение параметра асимметрии из анализа рефлектометрических спектров.
Список цитируемой литературы
Приложение 1
Приложение 2
Введение.
В последние годы возник интерес к созданию различного рода устройств на основе магнитных многослойных наноструктур. Такой интерес обусловлен, прежде всего, тем, что эти структуры представляют собой новый класс магнитных материалов, в которых наблюдаются эффекты, нехарактерные для объемных магнетиков. Магнитные многослойные наноструктуры изготавливаются обычно либо в виде сэндвичей (трехслойных структур), состоящих из двух ферромагнитных слоев разделенных неферромагнитной прослойкой, либо в виде магнитных металлических сверхрешеток (ММС), образованных чередующимися слоями различных металлов, из которых хотя бы один является ферромагнитным. В сэндвичах и ММС толщина отдельных слоев меняется от нескольких атомных монослоев до нескольких сотен монослоев и точно контролируется на атомном уровне. На перспективность изучения таких структур указывалось давно, однако, реальные возможности для получения ММС возникли лишь 25 лет назад в связи с развитием новых технологий роста монокристаллических пленок [1], таких как молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ), магнетронное распыление и др.
Магнитные многослойные структуры привлекают к себе огромное внимание прежде всего в связи с обнаружением в них ряда новых физических эффектов, таких как гигантское магнетосопротивление [2, 3, 4], осциллирующее межслойное обменное взаимодействие [5], неколлинеарное магнитное упорядочение [6, 7] и др. Многие из упомянутых эффектов впервые наблюдались в сверхрешетках Fe/Cr. Эта система считается «модельной» и исследуется особенно интенсивно.
В 1986 году впервые была получена сэдвичевая структура с антиферромагнитным обменным взаимодействием слоев железа (толщиной 100 Ä) через тонкий слой хрома (толщиной 8 Ä) [8]. Позднее этот эффект был также обнаружен в сверхрешетках Fe/Cr [5]. Впоследствии было
показано, что межслойное взаимодействие в Fe/Cr сверхрешетках осциллирует при изменении толщины слоя хрома [5], причем возможны как длиннопериодические осцилляции с характерным периодом около 16 Ä [5, 9-12], так и короткопериодические осцилляции (с периодом в 2 монослоя для Fe/Cr/Fe) [13]. Теоретические исследования [14] связывают возникновение осцилляций с конкретными особенностями Ферми - поверхности хрома, причем несовершенство межслойных границ может приводить к исчезновению короткопериодических осцилляций. И действительно, в сверхрешетках, где межслойные несовершенства становится порядка двух монослоев, осцилляции короткого периода не наблюдаются [15].
Открытие в 1988 эффекта гигантского магнетосопротивления (ГМС) в сверхрешетках Fe/Cr [2] и сэндвичах Fe/Cr/Fe [3] стимулировало многочисленные экспериментальные и теоретические исследования физических свойств ММС. В отличие от обычных ферромагнитных материалов, где величина магнетосопротивления AR/R составляет лишь несколько процентов (максимум ~3% при комнатной температуре наблюдается в пермаллое), в ММС величина магнетосопротивления AR/R=(R(H)-R(0))/R(0) может иметь большое значение: так, в сверхрешетках Fe/Cr величина AR/R достигает 50 % при температуре 1,5 К [2] и 12% при комнатной температуре [16]. Основную роль в формировании ГМС играет спин-зависящее рассеяние электронов проводимости на межслойных границах (интерфейсах) ММС [17, 18, 19]. Несовершенства структуры межслойной границы служат источниками такого спин-зависящего рассеяния. В последнее время появились экспериментальные работы по изучению влияния структурных особенностей интерфейсов на ГМС в сверхрешетках Fe/Cr. В экспериментах, где свойства межслойных границ изменялись с помощью отжига при различных температурах, было обнаружено, что существует некоторая оптимальная степень несовершенства межслойных границ, при которой достигается максимальное магнитосопративление [17]. С другой стороны, исследования влияния

профиля pi через его значение на предыдущем шаге. В пределе Лг -> со такая схема дает точное решение задачи.
Метод матричных итераций также может быть использован для восстановления профиля восприимчивости только по безфазовому рефлектометрическому профилю /' 2. Для этого следует представить г в виде г =| г | е‘г и на каждом шаге j фазу <р определять с использованием профиля р1~' на предыдущем шаге и рекуррентного соотношения Паррата (1.8). Однако, поскольку начальная фаза из экспериментальных данных неизвестна, то этот метод может приводить к плохой сходимости конечного результата.
Таким образом, для получения количественной информации о структуре ММС необходимо использовать метод моделирования, который подразумевает создание программы обработки рефлектометрических спектров. В настоящее время существуют две такие общедоступные программы. Одна из них - нелинейная оптимизационная программа SUPREX разработанная группой авторов Е. Fullerton, I. Shuller and al., другая -программа Parratt 32, созданная Кристианом Брауном в берлинском центре нейтронных исследований.
Основная модель программы SUPREX приводится в работе [37]. В этой программе заложен большеугловой кинематический формализм, по которому из спектров рентгеновской дифракции в больших углах рассчитываются структурные характеристики многослойной системы, а также малоугловой динамический формализм, по которому рефлектометрическая кривая восстанавливается по характеристикам, найденным из большеугловой части спектра. Несовершенство межслойных границ в методе SUPREX учитывается при помощи среднеквадратичной шероховатости и посредством введения переходного слоя. Кроме того, минимизируемыми параметрами являются: период сверхрешетки, плотности и толщины слоев ММС, вариации толщин слоев, толщины и электронные плотности переходных слоев. Такое большое количество независимых минимизируемых параметров