СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАМАГНИЧЕННОСТИ НАНОСЛОЯ
METHOD OF DETERMINING SPATIAL DISTRIBUTION OF NANOLAYER MAGNETISATION

Настоящее изобретение относится к области определения магнитных свойств наносистем, в частности методики диагностики магнитных свойств нанослоя в осциллирующем магнитном поле, что важно для определения динамических свойств нанослоя, определяющих величину и скорость его магнитного отклика.
Известный способ определения пространственного распределения намагниченности (или магнитного момента) нанослоя [1] состоит в регистрации отражения поляризованных нейтронов. Более чувствительный способ измерения [2] с использованием поляризованных нейтронов состоит в том, что нанослой помещается в трехслойную структуру, которая является нейтронным волновым резонатором. Действие нейтронного резонатора в случае измерений характеристик магнитного нанослоя основано на усилении вероятности процесса переворота спина нейтронов. Поляризованные нейтроны могут быть использованы и для измерения пространственного распределения осциллирующей с некоторой частотой под действием магнитного поля намагниченности нанослоя. Действительно, известно решение [3] задачи прохождения нейтроном области пространства, в которой есть постоянное и осциллирующее магнитное поле. Из этого решения следует, что вероятность переворота спина нейтрона определяется амплитудой осциллирующего магнитного поля. Данное явление, называемое нейтронным резонансом, было использовано в [4] для измерения магнитного момента нейтрона еще в 1940 году. В работе [5], которая является прототипом, показано, что нейтронный резонатор позволяет также увеличить чувствительность измерения осциллирующей под действием магнитного поля намагниченности. Однако увеличение чувствительности оказывается небольшим и составляет от 100 до 200. Это связано с тем, что нейтронные резонансы в зависимости от волнового вектора нейтронов реализуются парами и это, при расстоянии между ними большем чем ширины резонансов, приводит к уменьшению коэффициента отражения (интенсивности отраженных нейтронов) и, как следствие, снижению чувствительности измерений. Таким образом, недостатком прототипа является недостаточная чувствительность измерений, что не позволяет проводить измерения в случае слоев нанометровой толщины.
Решение технической задачи достигается тем, что нанослой помещают в структуру, выполняющую функцию нейтронного волнового резонатора, накладывают перпендикулярные друг другу постоянное и осциллирующее магнитные поля и измеряют интенсивность отраженных от структуры с нанослоем поляризованных нейтронов при резонансных значениях волнового вектора нейтронов, при этом интенсивность нейтронов измеряют в зависимости от величины напряженности постоянного магнитного поля и частоты осциллирующего магнитного поля, а из максимальных значений интенсивности нейтронов определяют пространственное распределение амплитуды осциллирующей намагниченности нанослоя.
m
nm
Физическая сущность изобретения заключается в том, что в волновом резонаторе нейтронная волна многократно пересекает магнитный слой, увеличивая, таким образом, вероятность вызываемого переменным полем переворота спина нейтронов. Это приводит к возрастанию потока отраженных нейтронов, испытавших переход между начальным спиновым состоянием вдоль (против) направления постоянного магнитного поля в конечное состояние против (вдоль) постоянного магнитного поля. Другими словами, увеличивается чувствительность измерений амплитуды индукции осциллирующего магнитного поля, которая определяется известной напряженностью магнитного поля и определяемой намагниченностью нанослоя. При усилении вероятности процесса переворота спина нейтронов в порядка 100-200 раз, что определяется параметрами волнового резонатора, нейтронные резонансы расщепляются на пары резонансов, и это ограничивает чувствительность измерений. Для снятия этого ограничения необходимо выполнить определенные соотношения между напряженностью H и индукцией B постоянного магнитного поля, частотой переменного магнитного поля ω и протяженностью магнитного L и немагнитного L слоев, а именно:
H
n
B
n
ω
n
1
МАКС
1РЕЗ
МАКС
2РЕЗ
МАКС
NРЕЗ
1РЕЗ
2РЕЗ
NРЕЗ
1
m
5
6
где U=µH, U=µB, U=ħω/2, µ - магнитный момент нейтрона. В результате, при имеющемся в настоящее время на нейтронных рефлектометрах максимальном разрешении по волновому вектору нейтрона порядка 0.1%, суммарное усиление вероятности процесса переворота спина нейтронов достигает 10-10. Пространственное распределение амплитуды осциллирующей намагниченности M(z) определяют из максимальных значений коэффициента отражения нейтронов с переворотом спина G(k), G(k), …, G(k) (достигаемых при выполнении условия (1)) при резонансных значениях волнового вектора k, k, …, k и известных амплитуде напряженности осциллирующего магнитного поля H и толщине слоя L в соответствии со следующими соотношениями:
где p - плотность нейтронов, N - число резонансов, α - коэффициент, определяемый параметрами резонатора.
sf
Cu
Bω
B
ω
Hω
H
ω
Cu
Bω
Cu
Hω
Bω
Hω
Cu
Cu
Bω
Hω
Bω
Hω
Bω
Cu
Hω
Cu
Bω
Hω
Bω
Cu
Hω
Cu
Bω
Cu
Hω
Cu
1
-1
-2
-4
-2
-4
-2
-4
-2
-4
Технически данный способ реализуется следующим образом. Подложка толщиной 1-5 мм и размерами в плоскости больше чем 5 мм × 5 мм изготавливается из полированной пластины кремния, окисла магния или стекла. Далее на подложку наносятся последовательно слои структуры. Для качественного изготовления структуры, когда шероховатость на границах раздела невелика, нужно использовать или метод магнетронного распыления, или метод молекулярной эпитаксии. Рассмотрим для примера структуру Cu(900 Å)/Al(150 Å)/Co(1 Å)/Al(150 Å)/Cu, в которой на подложку из меди нанесены последовательно слой Al(150 Å), магнитный слой Co(1 Å), второй слой Al(150 Å) и покрывающий слой Cu(900 Å). Нейтронным резонатором является указанная структура без магнитного слоя. На рисунке для данной структуры приведены зависимости коэффициента отражения нейтронов с переворотом спина G от относительной величины волнового вектора нейтронов k=K/K (из-за малой толщины алюминиевых слоев в структуре реализуется только один резонанс) при различных значениях и знаках разностей параметров Δ=U-U и Δ=U-U, где K - волновой вектор нейтрона, K=0.0091 Å - критическое значение волнового вектора нейтрона для меди. Кривые 1 и 2 соответствуют значениям параметров Δ=3×10U, Δ=0 и Δ=0, Δ=0.9×10U и имеют одно максимальное значение, где U=172 нэВ. При этом выполняется соотношение Δ(кривая 1)/Δ(кривая 2)=330, что близко к значению 300 отношения суммарной толщины немагнитного слоев алюминия к толщине магнитного слоя кобальта. Для кривой 3 обе величины Δ и Δ не равны нулю и есть Δ=3×10U>0 и Δ=0.9×10U>0, что приводит к уменьшению максимумов и увеличению расстояния между ними. Для кривых 4 и 5 параметры Δ и Δ имеют разный знак, и это приводит к слиянию резонансов и увеличению коэффициента отражения. Для кривой 4 Δ=3×10U>0 и Δ=-0.9×10U<0, для кривой 5 - Δ=-3×10U<0 и Δ=0.9×10U>0. Таким образом, видно, что при выполнении условия (1) чувствительность к определению амплитуды намагниченности дополнительно выросла в 60 раз. Очевидно, что для определения частотной зависимости M(ω) с максимальной чувствительностью необходимо одновременно с изменением частоты ω изменять напряженность магнитного поля H в соответствии с соотношением (1).
мин
1
m
мин
-6
Расчеты показывают, что минимально измеримым является значение произведения амплитуды намагниченности на толщину нанослоя, равное η=(ML)=1 Гс×Å. Из этого следует, что, например, для слоя толщиной 1 нм минимально измеримое значение амплитуды намагниченности составляет 0.1 Гс, что более чем на пять порядков меньше намагниченности насыщения в макроскопическом слое железа. С другой стороны, если намагниченность равна намагниченности насыщения железа, то минимальная толщина слоя может составлять порядка 5×10нм, что уже сравнимо с размерами атомных ядер. Конечно, в данном случае речь идет об эффективной толщине однородного слоя, поскольку создать столь тонкий однородный слой, состоящий из одних атомных ядер, вряд ли принципиально возможно.
Литература
1. V.V.Pasyuk, H.J.Lauter, M.T.Johnson, F.J.A. den Broeder, E.Janssen, J.A.C.Bland and A.V.Petrenko. Magnetic properties of a Pd/Co/Pd ultrathin film studied by polarized neutron specular reflection. Applied Surface Science 65/66 (1993) 118-123.
2. В.Л.Аксенов, Ю.В.Никитенко, Способ определения пространственного распределения магнитного момента в нанослое, Патент на изобретение №2360234 от 27.06.2009.
3. I.I.Rabi, Phys. Rev.51 (1937) 652.
4. W.Alvarez, F.Bloch. A Quantitative Determination of the Neutron Moment in Absolute Nuclear Magnetons. Phys. Rev.57 (1940) 111-122.
5. V.K.Ignatovich, Yu.V.Nikitenko, F.Radu, Experimental opportunity to investigate layered magnetic structures with help of oscillating magnetic field, NIM A 604 (2009) 653-661.