На правах рукописи

Изотов Андрей Викторович

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОСПРИИМЧИВОСТИ И МАГНИТНЫХ

НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ТОНКИХ ПЛЕНОК МЕТОДОМ

ФЕРРОМАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА

Специальность 01.04.11 – физика магнитных явлений

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Красноярск - 2003

Работа выполнена в Институте физики им. Л.В. Киренского СО РАН.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор, заслуженный изобретатель России Б.А. Беляев

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук П.Д. Ким кандидат физико-математических наук, доцент В.В. Вершинин

Ведущая организация:

Томский Государственный Университет им. В.В. Куйбышева, г.Томск

Защита состоится « » 2004 г. в часов в конференцзале главного корпуса ИФ СО РАН на заседании диссертационного совета Д 003.055.02 в Институте физики им. Л.В. Киренского СО РАН по адресу:

660036, г. Красноярск, Академгородок.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ИФ СО РАН.

Автореферат разослан « » _ 200 г

Ученый секретарь диссертационного совета:

доктор физико-математических наук С.С. Аплеснин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Изучение магнитных свойств низкоразмерных систем является в настоящее время одним из самых важных направлений современной физики твердого тела. Это направление включает в себя исследование тонких пленок, поверхностей, различных мультислойных структур, сверхрешеток и имеет первостепенное значение для их практического использования. В частности, такие структуры широко используются в магнитной записи, в устройствах микроэлектроники, на их основе создаются разнообразные миниатюрные датчики, чувствительные к магнитным и электрическим полям, к температуре и другим физическим величинам [1-3].

Вместе с тем большой интерес к изучению низкоразмерных систем связан также с решением некоторых фундаментальных проблем физики, в том числе и физики магнитных явлений. Исследования в этой области стимулируются как открытием интересных явлений, таких, например, как гигантское магнитосопротивление [4], межслойное антиферромагнитное обменное взаимодействие [5], так и появлением принципиально новых технологий получения планарных структур, позволяющих изготавливать совершенные многослойные структуры из самых различных материалов. Это приводит к развитию принципиально новых идей и концепций, которые, в свою очередь, вызывают потребность в более глубоком и более полном теоретическом анализе моделей и, конечно, в постановке широких экспериментальных исследований. значение приобрели исследования локальных свойств Особое низкоразмерных структур. Пространственные неоднородности магнитных свойств, обусловленные как несовершенством поверхности подложек, так и несовершенством технологии получения пленок, делают невозможным наблюдение “тонких” эффектов, осложняют понимание физической природы, наблюдаемых явлений для большинства традиционных интегральных методов исследования. В связи с этим, в последнее время наблюдается бурное развитие техники и аппаратуры для локальных измерений магнитных параметров низкоразмерных структур, основанной на различных физических явлениях [6Степень магнитных неоднородностей планарных структур, а также характер распределения их по поверхности являются важными факторами, влияющими на предельно достижимые параметры и надежность работы многих устройств на их основе [11]. Поэтому большой практический интерес вызывает исследование влияния различных внешних факторов на пространственные неоднородности магнитных свойств.

Целью настоящей работы является исследование методом ферромагнитного резонанса локальных магнитных свойств, магнитных неоднородностей тонких пленок, а также изучение влияния упругих напряжений на магнитные характеристики локальных участков. Большое внимание в работе уделяется поиску и физической интерпретации эффектов, позволяющих увеличить высокочастотную магнитную проницаемость пленок.

Научная новизна. Впервые на сканирующем спектрометре ферромагнитного резонанса исследовано влияние двуосных упругих напряжений на основные магнитные характеристики тонких магнитных пленок. Впервые обнаружен и исследован ферромагнитный резонанс в магнитоодноосных пленках с метастабильным состоянием магнитного момента. Впервые исследованы особенности статической и высокочастотной магнитной восприимчивости тонких пленок, показано влияние магнитных неоднородностей на величину магнитной восприимчивости.

Практическая значимость. Результаты диссертации могут использоваться для создания пленок с большой магнитной восприимчивостью, для совершенствования технологии получения магнитных пленок, обладающих высокой однородностью магнитных характеристик по площади.

Предложенная методика определения основных магнитных параметров может быть эффективно использована для оперативной диагностики тонкопленочных материалов.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Методика определения основных магнитных характеристик тонких пленок (таких как, эффективная намагниченность насыщения, величина и направление полей одноосной и однонаправленной анизотропии) из угловых зависимостей поля однородного ферромагнитного резонанса.

2. Результаты исследования влияния двуосных упругих механических напряжений на магнитные характеристики и их распределения по поверхности тонких пленок.

магнитоодноосных пленках с метастабильным состоянием магнитного момента и результаты его исследования.

4. Обнаруженную особенность высокочастотной восприимчивости тонких магнитных пленок с одноосной анизотропией, а также результаты ее теоретического и экспериментального исследования.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на XVII, XVIII международной школе-семинаре “Новые магнитные материалы микроэлектроники” (Москва, 2000, 2002), Решетневских чтениях (Красноярск, 2000), международной конференции “Магнитные материалы”, посв. памяти С.В. Буравихина (Иркутск, 2001), International Conference. “Functional Materials”, ICFM-2001 (Crimea, Ukraine, 2001), II международной конференции “Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных конденсированных сред” ЭМФ-2001 (Барнаул, 2001).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 11 работах, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах и в одном препринте.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитированной литературы и приложения. Общий объем диссертации – 124 страниц, включая 32 рисунка. Библиографический список содержит 113 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Работа начинается с введения, в котором дано обоснование актуальности темы диссертационной работы, сформулирована цель работы, приведены основные положения, выносимые на защиту. Указаны научная новизна и практическая значимость выполненной работы.

Первая глава носит обзорный характер. В ней приводятся различные методы по измерению локальных магнитных свойств тонких пленок. Показаны принципы, на которых они основаны, приведены основные характеристики и область их применения. Приводятся достоинства и недостатки различных методов. Вторая часть главы содержит описание явления ферромагнитного резонанса (ФМР), лежащего в основе исследования магнитных характеристик тонких пленок в настоящей работе. В хронологическом порядке рассмотрены основные работы по изучению данного явления. Формируются цели работы.

Вторая глава диссертации посвящена методологическим вопросам исследования тонких магнитных пленок (ТМП) с использованием автоматизированного сканирующего спектрометра ферромагнитного резонанса. Данный спектрометр, обладающий высокой чувствительностью, позволяет снимать спектры ФМР с локальностью 0.32.5 мм, в широком диапазоне частот 0.16 ГГц. При записи спектров ФМР намагничивание пленок осуществлялось в ее плоскости, при этом, благодаря использованию режима обратной развертки магнитного поля, исследуемые образцы сохраняли однодоменность.

Объектом исследования в настоящей работе были поликристаллические пермаллоевые пленки различных составов и нанокристаллические пленки Co-Ni-P, с наведенной во время их получения планарной одноосной анизотропией. При исследовании магнитных свойств локальных участков таких пленок, нередко наблюдалась однонаправленная анизотропия, природа которой обусловлена обменным взаимодействием с магнитожесткими слоями или градиентными упругими напряжениями [5, 12].

Для определения из угловых зависимостей резонансного поля таких важных характеристики пленок как эффективная намагниченность насыщения M0, поле одноосной анизотропии Hk, направление оси легкого намагничивания (ОЛН) n, поле Bd и направление B однонаправленной анизотропии нами предложена простая и эффективная методика, суть которой заключается в следующем.

При ферромагнитном резонансе выражение, связывающее частоту накачки =0 и резонансное магнитное поле H=HR с магнитными характеристиками образца, имеет вид:

где 0 - собственная резонансная частота магнитной пленки, - гиромагнитное отношение, H – направление намагничивания, M - равновесный угол намагниченности, определяемый из условия равновесия:

полученного из условия минимума плотности свободной энергии пленки:

где M – вектор магнитного момента, n – единичный вектор, совпадающий с направлением ОЛН, N – тензор размагничивающих коэффициентов, обусловленный формой образца, который для случая магнитной пленки имеет только одну ортогональную к ее плоскости компоненту N=4.

На основе выражений (1) и (2) на рис. 1 в полярной системе координат представлены теоретические угловые зависимости резонансного поля HR(H), для случая, когда Bd=0 (сплошная линия) и случая, когда Bd0 (штриховая).

Видно, что и в первом и во втором случае угловые зависимости резонансного поля HR(H) представляют собой симметричную фигуру, а влияние HR, Э Рис. 1. Теоретические угловые зависимости резонансного поля HR(H). Сплошная линия - Bd=0, штриховая - Bd 0.

ственно из угловой зависимости HR(H) определяется направление ОЛН – n, а, определив значении резонансных полей вдоль ОЛН и ОТН - H R и HR ОТН соответственно, не сложно получить значения M0 и Hk из системы:

В работе показано, что точность определения магнитных характеристик на основе данной методики определяется точностью измерения резонансного поля. Приведенные примеры для пермаллоевых пленок и двухслойной обменно-связанной пленочной системы DyCo/NiFe показывают эффективность такого подхода.

Данная методика, специально оптимизированная под экспериментальные измерения, реализована в виде программного модуля и совместно с локальным спектрометром ФМР используется для диагностики тонких пленок.

Рис. 2. Расположение подлопроизводилось одновременно на три подложки, жек при напылении.

Рис. 3. Теоретические значения компонент тензора внешних напряжений по поверхности пленки.

Для анализа экспериментальных данных в работе был выполнен расчет компонент двуосного тензора внешних напряжений. Система координат выбиралась таким образом, чтобы плоскость Oxy совпадала с плоскостью пленки, а направление Ox с длинной осью исследуемого образца. Условия непрерывности на поверхности раздела пленки и подложки обеспечивают непрерывность компонент uxx, uxy, uyy тензора деформаций и компонент xz, yz, zz тензора напряжений данной двухслойной системы. Поскольку и подложка, и пленка очень тонкие, то компонентами xz, yz, zz можно пренебречь и положить равными 0.

Учитывая также, что отношение толщины пленки к толщине подложки составляет 1:10000, плоскостные компоненты тензора внешних напряжений будут определяться следующими выражениями:

где E, - модуль Юнга и коэффициент Пуассона пленки; u xx, u xy, u e e e компоненты тензора деформаций на поверхности подложки, определяемые из условия механического равновесия изгиба только одной подложки.

Расчет компонент тензора деформаций на поверхности подложки u xx, u xy, u e, осуществлялся методом конечных элементов, с помощью математического пакета FEMLAB 2.2. На основании полученных значений по формулам (5) были получены распределения компонент тензора внешних напряжений пленки, представленные на рис. 3. В расчетах использовались коэффициент Пуассона для стекла = 0.17, для пермаллоевой пленки = 0.3, модуль Юнга пленки E = 2*1012 дин/см2 = 200ГПа. Видно, что продольные сжимающие напряжения e линейно нарастают к центру образца и почти в раза превышают поперечные e. Напряжения e нарастают радиально и достигают наибольшего значения также в центре образца. Помимо продольных и поперечных напряжений при изгибе подложки возникают небольшие сдвиговые e, которые изменяются в пределах от -2.5 до 2.5 МПа.

Измерения основных магнитных характеристик эффективной намагниченности насыщения M0, поля одноосной магнитной анизотропии Hk, направления ОЛН n и коэрцитивной силы НC проводились на частоте накачки /2 = 2.274 ГГц с локальностью измерений 1 мм. На рисунке 4 представлены графики поверхностей, отражающие распределение магнитных характеристик по площади образцов (L), (T) и (K). При этом направление ОЛН определялось относительно длинной оси исследуемых образцов.

Анализ зависимостей показывает, что напряжения оказывают существенное влияние на коэрцитивную силу. Так для контрольного образца (K) распределение коэрцитивной силы по площади образца относительно однородно и в среднем величина НC составляет 0.9Э. В то же время для напряженных образцов НC проявляет ярко выраженную зависимость от напряжений, причем коэрцитивная сила достаточно резко изменяются лишь в области "больших" напряжений. Так для образца (L) НC вдоль длинной оси от концов к центру ТМП сначала падает от ~1.2 Э практически до 0 Э, а потом, ближе к центру, резко возрастает до ~2Э. Для образца (T) эта зависимость еще более сильная – практически не изменяясь на концах, НC резко (примерно в 4 раза) увеличивается к центру и составляет ~4.5 Э.

Рис. 4. Характеристики распределения основных магнитных параметров по площади пермаллоевых пленок для образцов (L), (T) и (K).

Влияние напряжений на эффективную намагниченность насыщения, также как и для коэрцитивной силы, ярко выражено только в центральной части пленок в области "больших" напряжений. Как для образца (L), так и для образца (T) намагниченность резко уменьшается примерно на 2%.

Наиболее интересное поведение для всех образцов показывают распределения поля одноосной магнитной анизотропии Hk и направления ОЛН n. Как и следовало ожидать, контрольный образец (K), напыленный на недеформированную подложку, показал существенно меньшие изменения этих характеристик по площади. Наблюдаемая картина распределения Hk достаточно ярко отражает форму используемой подложки, что, по всей видимости, связано наличием градиентного растяжения ТМП по всем направлениям от ее центра, обусловленного значительным различием коэффициентов температурного расширения материала подложки и пермаллоя.

Образцы (L) и (T) проявляют более сложную зависимость этих характеристик по площади. Для объяснения такого поведения Hk и n нами был выполнен теоретический расчет их эффективных значений.

Как показано в работе, энергия одноосной магнитной анизотропии может быть представлена в виде суммы, состоящей из двух частей: энергии магнитной одноосной анизотропии Ha, наведенной внешним магнитным полем во время напылении пленки, с направлением ОЛН - a, заданным относительно длинной оси исследуемого образца (ось Ox):

и энергии магнитной одноосной анизотропии H, обусловленной внешними упругими напряжениями:

где, s – константа магнитострикции, e - эффективное однородное напряжение, определяемое как:

e, e - главные значения тензора внешних напряжений, - направление главной оси тензора, соответствующее главному значению e, которое определяется из условия:

Следует отметить, что, так как эффективное однородное напряжение e < 0 и для исследуемого состава пленки Ni75-Fe25 константа магнитострикции s > 0, то ось, заданная направлением является осью трудного намагничивания, а направление ±/2 - легким.

Эффективные значения Hk и n определяются как:

На основании данных выражений были рассчитаны распределения Hk и n по площади пермаллоевой пленки для образцов (L) и (T), представленные на рис. 5. В расчетах использовались следующие постоянные (по площади пленки) значения: константа магнитострикции s = 5*10-6; эффективная Рис. 5. Теоретические характеристики распределения Hk и n по площади пермаллоевых пленок (L) и (T) намагниченность насыщения M0 = 960 Гс; поле одноосной анизотропии Ha = Э; направление ОЛН для образца (L) a = 0°, и для образца (T) a = 90°.

Сравнивая полученные распределения с экспериментальными, которые представлены на рис. 4, можно говорить о хорошем качественном и количественном совпадении теории и эксперимента. Не сложно дать и объяснение такому поведению Hk и n. В случае образца (L) оси легкого намагничивания для магнитной анизотропии Ha и магнитной анизотропии H располагаются практически ортогонально друг другу. Поэтому, по мере линейного нарастания H вдоль длинной оси пленки от краев к центру, эффективное поле анизотропии HkHa-H сначала линейно уменьшается вплоть до 0, а потом возрастает HkH-Ha. При этом эффективное направление n, совпадающее с направлением ОЛН преобладающей анизотропии, резко изменяется на 90° в точках их взаимной компенсации.

В случае образца (T) оси легкого намагничивания для магнитной анизотропии Ha и магнитной анизотропии H практически совпадают.

Поэтому, по мере линейного нарастания H вдоль длинной оси пленки от краев к центру, эффективное поле анизотропии HkHa+H также линейно возрастает.

При этом "шахматное" поведение эффективного направления ОЛН n, со средним значением 90°, связано с небольшими отклонениями угла ОЛН магнитной анизотропии H из-за наличия сдвиговых компонент напряжения (см. выражение (9)).

В четвертой главе описан обнаруженный эффект ферромагнитного резонанса в магнитоодносных пленках с метастабильным состоянием магнитного момента.

Как известно, в тонких магнитных пленках с одноосной магнитной анизотропией Hk, в плоскости пленки, существует определенная область полей, в которой возможно существование двух термодинамически устойчивых состояний намагниченности M0 [13]. Эти два состояния разделены потенциальным барьером, высота которого определяется величиной Hk, а область существования двух состояний ограничена кривой, соответствующей уравнению астроиды:

где Hx,Hy – компоненты магнитного поля в плоскости пленки.

Наличие, помимо основного равновесного положения намагниченности, отвечающего абсолютному минимуму энергии, второго - метастабильного положения приводит, в частности, к гистерезису, а также к возможности Рис. 6. Модель магнитной пленки с одноосной анизотропией.

Рис. 7. Полевые зависимости частоты состояние магнитного момента, точки которой и был поставлен эксперимент:

насыщения ТМП M0 = 980 Гс, а поле одноосной анизотропии Hk = 16.6 Э, при этом однонаправленная анизотропия не учитывалась (Bd = 0). Установлено, что для метастабильного состояния при = 0 с увеличением угла n поле ферромагнитного резонанса HR сначала уменьшается, достигая своего минимального значения HR = Hk/2 при n = 45°, а затем вновь увеличивается, совпадая с полем ФМР для основного состояния HR = Hk как при n = 0°, так и при n = 90°. Интересно, что в случае n = 0° в полях H < Hk частоты ФМР для метастабильного и основного состояния совпадают.

В реальных образцах область полей, при которых возможно существование двух равновесных состояний, как правило, значительно меньше, чем в рассматриваемой модели, из-за небольшой величины коэрцитивной силы. Поэтому при напылении пермаллоевых пленок Ni75-Fe толщиной 500 на стеклянные подложки толщиной 0.5 мм, помимо ориентирующего плоскостного поля величиной 30 Э, нами специально создавались упругие напряжения в плоскости пленки, посредством изгиба подложки. Благодаря упругим напряжениям поле анизотропии в центре пленок увеличивалось более чем в 3 раза, по сравнению с ненапряженным образцом, достигая величины Hk>15 Э, а коэрцитивная сила, измеренная при перемагничивании образцов вдоль ОЛН, возрастала почти на порядок, -0. -1. 1. 0. 0. -0. -1. Рис. 8. Производные линий поглощения для основного (сплошные линии) На исследуемом локальном участке ТМП спектры ФМР снимались при различных углах направления внешнего поля n. При этом перед каждым измерением образец намагничивался вдоль ОЛН полем H=300 Э. Затем поле уменьшалось до нуля, устанавливался требуемый угол n, после чего направление магнитного поля переключалось на противоположное, и в установленном диапазоне поля развертки производилась запись двух спектров ферромагнитного резонанса. Первый спектр записывался на прямом ходе развертки поля H (штриховые линии на рис. 8), а второй (сплошные линии), после намагничивания образца полем H=300Э без изменения угла n, на обратном ходе развертки. Очевидно, что при прямом ходе в начале развертки поля H, проекция вектора намагниченности насыщения M0 на H (см. рис. 6), направлена против поля, а значит, магнитный момент исследуемого участка пленки находится в метастабильном состоянии вплоть до поля перемагничивания исследуемого участка пленки.

Рис. 9. Угловые зависимости резометастабильном состоянии монотонно нансных полей и поля перемагничиуменьшается с увеличением угла n, Кроме того, на рис. 9 сплошными линиями представлены теоретические угловые зависимости резонансного поля для обоих состояний магнитного момента исследуемой пленки. Видно, что наблюдается хорошее согласие теории и эксперимента, как в основном, так и в метастабильном состоянии.

Однако данные формулы не описывают угловую зависимость резонансного поля пика, наблюдаемого в эксперименте при значениях n >10° (черные треугольники на рис. 9). Природу этого пика объясняет полевая зависимость компоненты xx тензора динамической магнитной восприимчивости.

Очевидно, что изменение поглощения электромагнитной энергии магнитной пленкой при развертке поля H определяется полевой зависимостью величины xx (мнимая часть компоненты xx), при этом в максимумах поглощения dxx dH = 0 и d 2 xx dH 2 < 0. Нетрудно показать, что кроме основного максимума поглощения, наблюдаемого в поле ферромагнитного резонанса, при котором частота накачки совпадает с собственной частотой прецессии намагниченности 0, обнаруживается еще один максимум, для