Получение и свойства многослойных нанопроволок

Валерий Федосюк

директор Института физики твердого тела и полупроводников НАН Беларуси, доктор физико-математических наук

Получение и свойства многослойных нанопроволок

Окончание. Начало в № 8, 2006.

В предыдущей части мы показали возможность электроосаждения многослойных проволок Co-Ni-Cu/Cu в поры поликарбонатных мембран. Эти структуры являются идеальными для изучения ГМС при токе, перпендикулярном плоскости (ТПП).

Во время проведения магниторезистивных измерений измерительные контакты объединяются попарно, чтобы линии напряжения и тока были общими. Затем контакты опускаются на мембрану, и измеряемый ток проходит вниз сначала через одну группу проволок, потом — горизонтально вдоль золотой подложки и наконец вверх через другую группу проволок, как показано на рис. 1. Такая конфигурация эквивалентна обычному приспособлению, состоящему из двух измерительных щупов. Во всех измерениях как правило использовался ток величиной 25 мА.

Было неоднократно установлено, что наилучший контакт осуществляется вокруг края верхней поверхности образца мембраны, так как по мере вырастания нанопроволок из пор края растут быстрее центра.

Измерения серии образцов с равными толщинами Co-Ni-Cu и меди были вначале проведены с использованием стандартного контакта, который состоит из кусочка золотой проволоки, прикрепленной к верхней части образца с помощью проводящего серебряного клея. Величина МС как функция толщины слоев сопоставляется для этих двух методов измерения и приведена на рис. 2. Как видно из рисунка, величина магнитосопротивления уменьшается с ростом толщины магнитных слоев.

Рис. 1. Схема установки для магниторезистивных измерений Рис. 2. Зависимость магнитосопротивления от толщины слоев Оо-№-Ои / Оу

Рис. 3. Петли гистерезиса мультислойных Со-№-Си / Си нанопроволок в параллельном (а) и перпендикулярном (б) оси нанопроволок полях

Кривые перемагничивания нанопроволок приведены на рис. 3. В случае, когда поле параллельно оси нанопроволок, их петли гистерезиса характерны для перемагничивания вдоль оси легкого намагничивания. Если же внешнее поле перпендикулярно оси проволоки, то для поворота всех моментов в этом направлении требуются намного большие поля, и в результате получается петля, характерная для намагничивания вдоль трудной оси. Эти результаты вполне объяснимы, поскольку геометрические размеры проволоки являются источником большой анизотропии формы. Их полезно сравнить с результатами, полученными раньше на многослойных плоских образцах.

Кривые магнитосопротивления для этого же образца приведены на рис. 4. Величина МС составляет около 14%, что не очень много и вполне сопоставимо со значением около 10% для электроосаж-денных плоских многослойных структур Со-№-Си /Си с такими же толщинами медных слоев.

Неожиданным, однако, является то, что для насыщения нанопроволок требуется большое внешнее поле (~3500 Э). Для плоских многослойных структур подобные высокие поля необходимы, если

толщины прослоек меньше 10 А, а магнитные слои антиферромаг-нитно упорядочены из-за сильного обменного взаимодействия. Когда толщина прослойки становится равной или большей 40 А, сила такого обменного взаимодействия становится незначительной, что позволяет магнитным моментам слоев двигаться более свободно, и поле, требуемое для насыщения таких образцов, составляет всего несколько сотен эрстед.

-

*к

I 12 -

V 6

14 й 1

^НЮ -4ШЦ О « ИШО

не!)

Рис. 4. Кривые магнитосопротивления для мультислойных нанопроволок 50А Со-№-Си /50А Си

С целью объяснения кривой магнитосопротивления, для этого же образца была снята петля гистерезиса, показанная на рис. 5. На нем представлено большое поле для насыщения сопротивления, которое соответствует полю, необходимому для насыщения намагниченности — то есть выстраиванию всех магнитных моментов по полю. Также видно, что образец имеет очень малые остаточную намагниченность и коэрцитивную силу. Форма петли очень своеобразна и может быть объяснена двумя возможными моделями магнитного поведения. Первая — моменты антиферромагнитно упорядочены сильным межслойным обменным взаимодействием; и вторая — магнитные слои формируют суперпарамагнитную систему однодоменных ферромагнитных частиц.

Рис. 5. Петля гистерезиса для мультислойных с толщиной слоев 50А Со-№-Си /50А Си нанопроволок

Если верна первая модель, то для антиферромагнитного упорядочения моментов необходим сильный обменный механизм. Сложность состоит в том, что в данном образце обменное взаимодействие является слишком слабым для таких толщин меди. Возможный альтернативный механизм заключаеся в следующем: моменты взаимодействуют посредством полей рассеяния на краях магнитных слоев, что схематически отражено на рис. 6. Такое взаимодействие будет стремиться упорядочить слои антиферро-магнитно. В плоских мультислойных структурах и даже в многослойных колонках, полученных методом фотолитографии, данные поля рассеяния незначительны вследствие большой площади слоев. Однако в случае нанопроволок, у которых отношение длины к диаметру очень велико, они могут оказывать существенное воздействие. Этот тип обменного механизма является по своей природе биполярным и поэтому может быть значительным при толщинах и 40 А и, возможно, намного больших.

Во втором объяснении большое поле насыщения и малую остаточную намагниченность можно объяснить, предположив, что магнитные слои образуют суперпарамагнитную систему однодо-менных частиц. Из-за малых размеров первых существование доменных стенок в пределах отдельного слоя весьма маловероятно, поэтому каждый слой действует как один момент, способный только вращаться. Малая остаточная намагниченность и отсутствие гистерезиса может быть объяснено выстраиванием моментов, которые случайно упорядочены вследствие теплового движения при комнатной температуре. Большое поле, требуемое для насыщения системы, должно преодолеть это тепловое движение. Такая система описывается как суперпарамагнитная по аналогии с парамагнитным материалом. Подобное поведение реализуется в гранулированных сплавах [1, 2].

Чтобы ответить на вопрос о том, какая из предложенных моделей верна, были получены образцы с разными соотношениями диаметра нанопроволок и их длины. Их петли гистерезиса, а также магнитосопротивления приведены на рис. 7.

Поле насыщения, необходимое для поворота моментов в положение вдоль оси проволоки, составляет около 5 кЭ. Оно больше того, что требуется для упорядочения моментов в плоскости вследствие анизотропии формы отдельных магнитных слоев. Изменение ориентации моментов от положения «в плоскости» при низких полях в положение вдоль оси проволоки все еще приводит к ГМС такой же величины, что и для поля, приложенного в плоскости (рис. 7(б)).

ШЧ -ЛЮО О «00 80»

да

Нр)

Рис. 7. Петли гистерезиса (а) и кривые магнитосопротивления (б) для мультислойных 50 А Оо-№-Ои /50 А Си нанопроволок в параллельном и перпендикулярном слоям направлениях

Была получена серия многослойных нанопроволок с расчетными толщинами магнитного слоя 50 А, и слоя меди, изменяющейся от 10 до 600 А. Чтобы обеспечить выход проволок из пор для получения хорошего контакта для магниторезистивных измерений, расчетная длина каждого образца составляла 12,7 мкм. Величина МС как функция толщины медного слоя приведена на рис. 8. График можно разделить на две области: от 10 до 35 А, где МС растет с 9% до максимального значения в 22% (а); от 35 до 400 А, где МС монотонно падает от максимального значения до нуля (б).

Рис. 6. Схема взаимодействия моментов посредством полей рассеяния на краях магнитных слоев

Рис. 8. Зависимость магнитосопротивления от толщины медного слоя для нанопроволок 50 А Со-№-Си ЛСи А Си

Для толщин медного слоя менее 35 А весьма вероятно ферромагнитное упорядочение магнитных слоев через медные прослойки. Этим можно объяснить наблюдаемое уменьшение величины ГМС. Ферромагнитное взаимодействие, возможно, обусловлено несплошностью ультратонких медных слоев, которые могут содержать микроканалы или, в худшем случае, представлять собой только медные островки. Подтверждением тому служит, петля гистерезиса для образца с толщиной медного слоя 10 А (рис. 9), из чего следует, что ось легкого намагничивания располагается вдоль оси проволоки. В этом случае ферромагнитное упорядочение отдельных магнитных слоев провоцирует ситуацию, когда они ведут себя так же, как и в случае с Со-^-Си проволоками (рис. 3) с моментом, фиксированным вдоль направления проволоки вследствие анизотропии формы.

Подобная зависимость МС при тех же толщинах медной прослойки наблюдается в электроосажденных [3] планарных многослойных структурах Со-№-Си/Си. В обоих случаях пик также обусловлен ферромагнитным упорядочением через медные прослойки. В предположительно более совершенных планарных многослойных структурах, полученных как напылением, так и молекулярно-луче-вой эпитаксией, наибольшие значения МС обычно наблюдаются при значительно меньших толщинах прослойки. Это связано с обменным взаимодействием через прослойки, которое является причиной антиферромагнитного упорядочения магнитных слоев. После первого пика кривой МС ГМС либо уменьшается с увеличением толщины прослойки, либо осциллирует с каждым последующим меньшим по величине пиком, как в работах Паркина [9—10] на системе Со/Си. Такая реакция обусловлена осцилляцией обменного взаимодействия между антиферромагнитным и ферромагнитным [4].

Таким образом, можно сделать вывод, что мы наблюдаем пик на кривой зависимости МС при расчетной толщине медной прослойки 35 А вследствие несплошного осаждения меди при ультрамалых толщинах медного слоя, которое позволяет магнитным слоям ферромагнитно взаимодействовать. Подобное взаимодействие, наблюдаемое в плоских многослойных структурах при малых толщинах прослойки, превосходит любое антиферромагнитное обменное взаимодействие, ответственное за большое значение ГМС, а также за его осцилляции с толщиной слоя. Если качество слоев может быть улучшено, например, за счет уменьшения скорости роста, то можно получить антиферромагнитное обменное упорядочение и для более тонких медных слоев. Оно может либо проявляться в виде осцилляции величины ГМС при толщинах медного слоя менее 35 А, либо иметь намного больший по величине пик ГМС при толщинах меди менее 10 А. Величина этого пика может приближаться к намного большему значению, ожидаемому в ТПП-геометрии.

После максимума МС при толщине медной прослойки 35 А оно быстро уменьшается с увеличением толщины прослойки до 70 А, а затем продолжает убывать не так быстро до незначительной величины при 400 А. Данное уменьшение обусловлено, вероятно, комбинацией следующих эффектов:

• при больших толщинах медной прослойки расстояние между магнитными слоями приближается к величине диффузионной длины опрокидывания спинов электронов проводимости. Это повышает вероятность изменения ориентации спина на противоположную при переходе электронов между последовательными магнитными слоями. Следовательно, такие электроны не значительны для ГМС. В работе [5] оценивается длина спиновой диффузии в меди ~ 400 А при 300 К;

• по мере увеличения толщины медного слоя количество магнитного материала уменьшается, значит, уменьшается величина магнитного рассеяния и ГМС;

• ранее мы предположили, что магнитные слои могут ферромаг-нитно упорядочиваться посредством взаимодействия полями рассеяния у краев проволоки. Если это так, то можно ожидать, что сила этого взаимодействия будет уменьшаться с увеличени-

Рис. 9. Петли гистерезиса для 50А Co-Ni-Cu /10А Cu нанопроволок в параллельных и перпендикулярных полях

Рис. 10. Магниторезистивные кривые и соответствующие им петли гистерезиса для образцов с толщиной слоя Со-№-Си, равной 50А, и толщиной слоя Си, изменяющейся от 35А до 200А

ем разделения, выходит, будет происходить уменьшение степени

антиферромагнитного упорядочения и уменьшение ГМС.

Для анализа возможных механизмов взаимодействия между магнитными слоями необходимо сравнить кривые МС и петли гистерезиса. На рис. 10 приведен ряд данных для образцов с расчетными толщинами меди от 35 А до 200 А. Кривые МС и петли гистерезиса доказывают, что по мере увеличения толщины меди поле, необходимое для насыщения моментов магнитных слоев, уменьшается (рис. 11). Если магнитные слои независимы, то поле насыщения останется неизменным, уменьшится только магнитный момент с увеличением толщины медного слоя, так как станет меньше объем магнитного материала. Тот факт, что поле насыщения действительно уменьшается, является сильным свидетельством в пользу антиферромагнитного взаимодействия магнитных слоев. Область, в которой поле насыщения, по-видимому, уменьшается от 35 А до 400 А, исключает вероятность обменного взаимодействия через прослойки, так как этот тип взаимодействия является существен-

ным только при толщинах прослойки меньше 30 А. Как было сказано выше, наиболее вероятное объяснение заключается в том, что слои взаимодействуют посредством полей рассеяния на краях магнитных слоев. Это биполярный тип взаимодействия, он-то и будет действовать при намного больших расстояниях, в отличие от прямого обменного взаимодействия.

Величина МС чувствительна к ориентации моментов в соседних слоях, причем чем сильнее антиферромагнитное упорядочение, тем больше будет величина ГМС. Следовательно, по мере увеличения толщины меди и уменьшения силы взаимодействия моменты становятся менее антиферромагнитно упорядоченными.

тз----- 1 1-------

II Ml NM) 1&I iHi 2Я1 ИК> 1SH1 *И)

' romvöif ^ :п. А

Рис. 11. Зависимость поля насыщения, определенная на основе кривых МС, от толщины меди

И '>

Рис. 12. Петля гистерезиса для нанопроволок 50А Co-Ni-Cu / 200А Cu

Приведенная на рис. 12 петля гистерезиса для образца с толщиной меди 200 Â все еще имеет характерную форму, но с меньшим полем насыщения, примерно в 1000 Э. При таких больших толщинах меди величина взаимодействия между магнитными слоями будет малой. Наиболее вероятно, что при подобных толщинах меди такая форма кривых перемагничивания обусловлена суперпарамагнитным поведением магнитных слоев.

Были получены две серии образцов с изменяющейся толщиной магнитного сплава: одна — с толщиной слоев меди 35 А, другая — 50 А. При этом мы предполагали, что взаимодействие магнитных слоев при столь незначительной разнице в толщинах немагнитных слоев меди останется примерно постоянной. В случае же взаимодействия полями рассеяния это может быть и не так, поскольку в этой ситуации взаимодействие будет зависеть от объема магнитного вещества в каждом слое. Кроме того, есть вероятность выхода магнитных моментов из плоскости слоя по мере увеличения толщин магнитных слоев. Магнитосопротивле-ние в функции толщины магнитного слоя для каждой серии образцов приведены на рис. 13.

Рис. 13. Зависимость магнитосопротивления от толщины магнитного слоя при толщине слоя меди 35 ( ) и 50 () А

I зт. 4

I îEj----1---I-

.¡ovo -4поо il HÏW mftj

II. ü

Рис. 15. Петли гистерезиса для нанопроволок с толщинами 50ÂCo-Ni-Cu/50ÂCu в поле 300К и 20К

Кривые остаточной намагниченности (образец сначала насыщается и охлаждается с целью замораживания магнитных моментов, затем измеряется остаточная намагниченность как функция температуры при нагревании образца, рис. 16) являются полезным инструментом для исследования взаимодействия между магнитными частицами. Два типа измерений остаточной намагниченности были выполнены на нанопроволоках, а именно — изотермическая остаточная намагниченность и остаточная намагниченность при размагничивании.

Для анализа влияния температуры на мажиторезистивные свойства многослойных нанопроволок образец 50Â Co-Ni-Cu/50Â Cu был измерен при 300 и 20 К. Результирующие кривые магнитосопротивления для поля, приложенного в плоскости, даны на рис. 14, а кривые их перемагничивания — на рисунке 15. Как и ожидалось, величина ГМС с уменьшением температуры измерения возрастает с 16 до 28%.

Рис. 14. Магниторезистивные кривые для нанопроволок с толщинами 50ÂCo-Ni-Cu/50ÂCu в поле 300К и 20К

Рис. 16. Зависимость остаточной намагниченности от температуры для 50А Оо-№-Ои / 50А Си пленок

При измерении изотермической остаточной намагниченности (Ш) определяется остаточная намагниченность при постоянно возрастающем циклически намагничивающем поле предварительно размагниченного образца.

Во втором случае (ДСД) образец предварительно намагничивает-

ся до насыщения и прикладывается постоянно увеличивающееся циклически отрицательное (размагничивающее) поле.

Измерения остаточных намагниченностей Ш и ДСД были выполнены при 20 К на некоторых образцах из серии, полученной при толщине слоя Со-№-Си, равной 50А, и изменяющихся толщинах медного слоя - 50, 200, 400, 600 А. Типичные Ш и ДСД кривые для нанопроволок с толщиной слоев меди 50 А приведены на рис. 17. Величины изотермической остаточной намагниченности (Ш) 1г и остаточной намагниченности при размагничивании постоянным током (DCD) 1й нормированы по отношению к намагниченности насыщения к

Рис. 17. Кривые изотермической остаточной намагниченности

0.0 0.2 0.4 U п OS 1 .С

Ir.Ts

Рис. 18. Графики Хенкеля для образцов с различной толщиной медного слоя

взаимодействия в системе, вниз — об отрицательном. Можно видеть, что все зависимости оступают от соотношения Вольфарта в отрицательную сторону. Это указывает на антиферромагнитное (размагничивающее) взаимодействие. По мере того как толщина меди увеличивается, сила взаимодействия, как видно, падает. Следует отметить, что при толщине медного слоя 600 А взаимодействие магнитных слоев СоМСи в нанопроволоках все еще есть, тогда как ГМС уже не наблюдается. Взаимодействие, проявляющееся на таких расстояниях, по своей природе должно быть биполярным.

Для исследования взаимодействия между магнитными слоями построятся нормированные функции 1г(Н)/18 и 1й(Н)/18 в зависимости друг от друга. Они известны как график Хенкеля. Для невзаимодействующей системы 1г(Н)/18 и 1й(Н)/18 связаны соотношением Вольфарта:

М")

= f-2

¡Л") I, '

Для взаимодействующей системы соотношение Вольфарта может быть модифицировано введением дополнительного члена б!(Н), который представляет собой отклонение от идеального поведения. Последнее принимает следующий вид:

'а ' з

На рис. 18 показаны графики Хенкеля, построенные по данным для остаточной намагниченности образцов с изменяющейся толщиной медного слоя.

Для невзаимодействующей системы это должна быть прямая, полученная на основании соотношения Вольфарта. Отклонение от нее вверх будет свидетельствовать о наличии положительного

Литература

1. Федосюк В.М. Магнитные и магниторезистивные свойства гранулированных пленок в системе CuCo // Наноструктурное материаловедение, 2005, № 2-6. С. 3-11.

2. Федосюк В.М. Наноразмерные магнитные структуры и их магнитосопротив-ление // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиотехники, 2005, № 8. С. 46-57.

3. Федосюк В.М. Наноструктурные пленки и нанопроволоки. Мн., 2006.

4. Fedosyuk V.M. Nanogranular CuCo nanowires // Nanodbook of Powders of Non-Ferrous Metalls, Elsevier Publishes, 2006 (in press).

5. Fedosyuk V.M. Magnetic propepties of nickel clusters in carbon // Magnetism and Ferroelectricity // Springer Science and Business Media, 2006. P. 1750-1757.