Магнитная анизотропия и магнитоупругие эффекты аморфных пленок с редкоземельными компонентами и пленочных структур на их основе

• Автор: Кулеш, Никита Александрович
• Шифр специальности: 01.04.11
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 143 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1Л Атомный магнетизм и магнитная структура аморфных плёнок, содержащих редкоземельные элементы (ЯЕ) и Со
1ЛЛ. Особенности формирования спонтанной намагниченности в кристаллических и аморфных системах ЯЕ-Со
1 Л.2. Спонтанные и индуцированные магнитные фазовые переходы
1.2. Магнитная анизотропия и магнитострикция аморфных плёнок ЯЕ-Со
1.2.1. Механизмы и феноменологическое описание магнитной анизотропии
1.2.2. Магнитоупругие свойства аморфных плёнок
1.3 Однонаправленная анизотропия и гистерезисные свойства слоистых структур на основе аморфных пленок ЯЕ-Со
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
2.1 Технология получения пленок ТЬ-Со и Ье-ТЛ/ТЬ-Со
2.2 Методики аттестации структурного состояния и магнитных свойств
2.3 Неразрушающий контроль элементного состава пленочных образцов методами ТХЯЕ и С1ХЯЕ
2.3.1 Общие принципы элементного анализа с помощью прибора №поЬигПсг
2.3.2 Система ТЬ-Со
2.3.3 Системы Ьа-Со и вб-Со
2.3.4 Пленки типа Ее2о№8о/ТЬ-Со
2.3.5 Применение прибора НапоЬиШег для изучения межслойных интерфейсов
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ГЛАВА 3. МАГНИТНЫЕ И МАГНИТОУПРУГИЕ СВОЙСТВА АМОРФНЫХ ПЛЁНОК ЯЕ-Со (ЯЕ = Га, вб, ТЬ)
3.1 Магнитные свойства аморфных плёнок системы Ьа-Со
3.2 Особенности магнитной структуры аморфных плёнок вб-Со, ТЬ-Со
3.2.1 Атомные магнитные моменты в системе вб-Со
3.2.2 Атомные магнитные моменты в системе ТЬ-Со
3.2.3 Особенности высокополевого намагничивания аморфных плёнок вдоль

3.2.4 Деформация магнитной структуры в плёнках йй-Со с перпендикулярной анизотропией
3.3 Наведённая магнитная анизотропия в аморфных плёнках ТЬ-Со
3.3.1 Общая характеристика анизотропии магнитных свойств плёнок ТЬ-Со
3.3.2 Влияние условий получения на наведённую магнитную анизотропию
Резюме
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
4 МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ПЛЁНОЧНЫХ СТРУКТУР, СОДЕРЖАЩИХ АМОРФНЫЕ СЛОИ ТЬ-Со
4.1 Общая характеристика свойств плёнок Т/ТЬ-Со (Т=Ге2о№8о, Со)
4.1.1 Особенности однонаправленной анизотропии и гистерезисных свойств плёнок ТМ/ТЬ-Со
4.1.2 Влияние упругой деформации на свойства плёнок ЕегоЬЩо/ТЬ-Со
4.2 Роль межслойных интерфейсов в формировании магнитных свойств плёнок Т/ТЬ-Со
4.2.1 Влияние температуры на магнитные свойства плёнок с однонаправленной анизотропией
4.2.2 Влияние прослоек на магнитные свойства плёнок с однонаправленной анизотропией
4.2.3 Влияние термообработки на магнитные свойства плёнок с однонаправленной анизотропией
Резюме
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ВЫВОДЫ
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА
БЛАГОДАРНОСТИ

ВВЕДЕНИЕ
Аморфные сплавы редкоземельных элементов (ЯЕ) и переходных металлов группы железа (ТМ) являются объектом активных исследований на протяжении нескольких десятилетий [1]. В отличие от кристаллических материалов с заданной стехиометрией, им свойственна неограниченная взаиморастворимость компонентов, что позволяет проводить более тонкую настройку получаемых магнитных свойств. Кроме того, аморфное состояние позволяет изучать и использовать влияние структурного беспорядка на базовые магнитные свойства. В частности, для подобных объектов характерны иные значения спиновых магнитных моментов переходного 36- металла, величины обменного взаимодействия и зонная структура, а так же магнитная анизотропия и температура Кюри.
Тонкие пленки аморфных сплавов ЯЕ-'ГМ впервые попали в поле зрения исследователей как многообещающие кандидаты для практического применения в качестве магнитооптической среды для записи информации. Для этих целей было необходимо определённое соотношение ряда параметров, таких как намагниченность, температура магнитного упорядочения, величина магнитооптического эффекта Керра, коэрцитивная сила, характеристики магнитной анизотропии [2]. Все это обусловило достаточно узкую область исследуемых составов и ограничило интересы поиском оптимальных для практических применений свойств, среди которых, в том числе, была и одноосная перпендикулярная анизотропия. По этой причине в литературе присутствует относительно большое количество данных о природе и механизмах перпендикулярной анизотропии пленок на основе вй и ТЬ [3,4], в то время как возможность создания и характеристики анизотропии в плоскости образца практически не рассматривались.
С открытием эффектов гигантского и туннельного магнитосопротивления, а так же появлением практического интереса в создании сред с однонаправленной анизотропией, пленки ТЬ-Со нашли применение в качестве источника внутреннего магнитного смещения [5,6]. Однако стоит отметить, что в последнее время, как и в ранних работах [7], исследовались и предлагались для использования главным образом плёночные среды, содержащие слои ТЬ-Со с перпендикулярной магнитной анизотропией, которая, как привило, обуславливает повышенный гистерезис в прилегающих ферромагнитных слоях. Тем не менее, можно констатировать смещение области интересов в сторону плёночных структур с более тонкими слоями ЯЕ-ТМ, которые являются источниками однонаправленной магнитной анизотропии.
Интерес к слоистым пленкам на основе ТЬ-Бе и ТЬ-Со имеет и другой источник. Он связан с разработкой исполнительных микромеханизмов и резонаторов [8], а так же искусственных функциональных сред, объединяющих в себе магнитострикционные и пьезоэлектрические эффекты [9]. Для подобных приложений важным аспектом является относительно небольшое поле магнитного насыщения при достаточно высокой магнитострикции [10]. Реализация такого сочетания свойств требует детального изучения магнитной структуры аморфных плёнок, содержащих высокоанизотропные редкоземельные ионы, и также видится вне рамок перпендикулярной магнитной анизотропии.

Интересным следствием данного представления является обращение доменной структуры слоя ТЬ-Со при перемагничивании прилегающей к пермаллою прослойки под действием магнитного поля достаточной интенсивности приложенного в плоскости образца. Проведенные авторами работы сопоставления доменной структуры до и после перемагничивания действительно подтвердили адекватность использованной модели. Другим косвенным подтверждением является тот факт, что при намагничивании образца до насыщения в поле направленном перпендикулярно плоскости пленки должно возникать соответствующее упорядочение магнитных моментов в аморфном слое (рис. 1.18, Ь). Приводит оно к исчезновению сдвига петли гистерезиса ферромагнитного слоя, что и наблюдалось на эксперименте (рис. 1.18, а). Возврат к первоначальному состоянию магнитной структуры возможен при намагничивании пленки до насыщения в направлении параллельном плоскости.
С использованием формулы предложенной Маури [58]
Не — 2 si АК /М fmLfm (123)
, где А — константа обменного взаимодействия в Tb-Со, К - константа анизотропии ТЬ-Со, A/fm и /.рм - намагниченность и толщина слоя пермаллоя, была сделана оценка величины поля обменного смещения, которая позволила получить близкое к наблюдаемому на эксперименте значение. Кроме того, указанная модель дает близкую к экспериментальной зависимость поля обменного смещения от толщины ферромагнитного слоя. В силу особенностей магнитной структуры аморфного слоя, на эксперименте наблюдается исчезновение смещения петли гистерезиса слоя FeNi при уменьшении толщины ТЬ-Со ниже критической. В том случае, если не успевает пройти полный переход от плоскостной анизотропии к перпендикулярной, происходит перемагничивание аморфного слоя в относительно небольших полях с присущей околоинтерфейсной части ТЬ-Со малой коэрцитивной силой.
В последующей работе [65] был проведен подробный количественный анализ системы FeNi/Tb-Со, при этом были рассмотрены случаи “тонкого” и “толстого” аморфного слоя, что соответствовало одновременному и послойному перемагничиванию пленки соответственно. Оказалось, что все основные качественные особенности гистерезисных свойств (асимметричная петля гистерезиса пермаллоя и величина поля обменного смещения) могут с высокой точностью быть объяснены в предположении идеального однородного интерфейса. Тем не менее, был показан и тот факт, что в случае системы FeNi/Tb-Со с сильной межслойной связью часто используемое упрощение, в котором в процессе низкополевого перемагничивания участвует лишь магнитомягкий слой, не позволяет адекватно описать петлю гистерезиса слоя FeNi. Для решения указанной проблемы необходим учет возможности пространственных вариаций распределения намагниченности в ферримагнитном слое, то есть решение микромагнитной задачи.
Несмотря на то, что была показана потенциальная возможность использования аморфного ферримагнетика Tb-Со в качестве источника внутреннего магнитного смещения, рекомендуемая толщина порядка 800 Â [65] не позволяла рассматривать этот материал для практического применения. Однако Фрейтасом и др. [67] была показана