СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МАГНИТНОГО МОМЕНТА В НАНОСЛОЕ
METHOD OF DETERMINING SPATIAL DISTRIBUTION OF MAGNETIC MOMENT IN NANOLAYER

Настоящее изобретение относится к области определения свойств наносистем, в частности методике диагностики магнитных свойств нанослоя, что важно при определении характеристик поведения нанослоя в магнитном поле.
Известный способ [1] (прототип) определения пространственного распределения намагниченности в магнитном нанослое состоит в использовании отражения поляризованных нейтронов непосредственно от нанослоя. По зависимостям двух коэффициентов отражения нейтронов от переданного волнового вектора нейтрона, соответствующих проекциям спина нейтрона вдоль и против направления магнитного поля, судят о распределении намагниченности.
Недостатком способа является небольшая чувствительность, позволяющая, например, регистрировать ферромагнитный нанослой железа толщиной в один ангстрем.
Технической задачей является повышение чувствительности измерений пространственного распределения вектора магнитного момента в нанослое. Согласно изобретению поставленная цель достигается тем, что исследуемый нанослой помещают внутри немагнитного нанослоя с низким значением потенциала взаимодействия нейтронов, немагнитный нанослой с низким потенциалом взаимодействия нейтронов размещают между двумя немагнитными нанослоями с высоким потенциалом взаимодействия нейтронов, вся структура из нанослоев наносится на подложку, выполняют четыре измерения коэффициентов отражения нейтронов от наноструктуры, соответствующих спиновым переходам нейтрона из двух начальных состояний в два конечные, а по зависимостям коэффициентов отражения нейтронов от переданного волнового вектора судят о пространственном распределении магнитного момента.
-4
-3
-4
-3
Физическая сущность изобретения заключается в том, что благодаря многократному отражению нейтронов от двух нанослоев с высоким потенциалом взаимодействия в исследуемом слое возникает усиленная стоячая нейтронная волна, характеризуемая увеличенной по сравнению с начальной плотностью нейтронов. Это приводит к возрастанию потока отраженных нейтронов, испытавших переход между начальным спиновым состоянием вдоль (против) направления магнитного поля в конечное состояние против (вдоль) магнитного поля. Другими словами, увеличивается чувствительность измерений к определению как величины магнитного момента, так и угла между вектором магнитного момента и направлением внешнего магнитного поля. В настоящее время экспериментально достигнутое увеличение плотности нейтронов составляет 230. При этом конечное разрешение существующих в настоящее время спектрометров нейтронов по переданному волновому вектору ограничивает увеличение плотности нейтронов до величины 1000-3000. Оценки показывают, что таким способом можно регистрировать ферромагнитный нанослой, составляющий толщину всего 10-10 нм. Если же нанослой имеет большую толщину, например 100 нм, то в нем концентрация атомов железа будет определена на уровне 10-10%.
Технически данный способ реализуется следующим образом. Подложка толщиной 1-5 мм и размерами в плоскости больше чем 5×5 мм изготавливается из полированной пластины кремния или окисла магния или из полученного разливом на поверхности жидкого олова 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. Если магнитный нанослой достаточно толстый, то он прямо помещается между нанослоями с высоким значением потенциала. Например, для приготовления структуры Cu (30 нм)/Fe (40 нм)/Cu (100 нм)/Si на кремний последовательно наносятся слой меди толщиной 100 нм, слой железа толщиной 40 нм и слой меди толщиной 30 нм. В случае если исследуемый слой железа имеет небольшую толщину, например 1 нм, приготавливается структура Cu (30 нм)/Ti (15 нм)/Fe (1 нм)/Ti (15 нм)/Cu (100 нм)/Si, в которой магнитный слой железа помещен внутри немагнитного слоя титана. Далее пучок поляризованных нейтронов направляют на структуру и измеряют коэффициенты отражения нейтронов от структуры. По зависимостям четырех коэффициентов отражения нейтронов от переданного волнового вектора, соответствующих переходам нейтронов с двух начальных состояний с проекцией спина нейтрона вдоль и против направления магнитного поля в два конечные состояния с такими же проекциями спина, судят о пространственном распределении магнитного момента.
++
+-
-+
На чертеже приведены экспериментальные данные зависимостей от длины волны (длина волны нейтрона обратно пропорциональна переданному моменту) коэффициентов отражения нейтронов R, R и R от структуры Cu (10 нм)/Ti (50 нм)/Fe (12 нм)/Ti (150 нм)/Cu (100 нм)/стекло (5 мм) при значении напряженности магнитного поля 4.5 кЭ и угле между направлением вектора напряженности магнитного поля и плоскостью структуры 0 градусов (указано черным квадратиком на чертеже), 10 градусов (указано черным ромбиком), 25 градусов (указано светлым квадратиком) и 80 градусов (указано черным кружком). При этом предполагается, что намагниченность слоя железа лежит в плоскости структуры. Здесь первый значок
++
+-
-+
"+ (-)" указывает тип начального спинового состояния, второй значок "+ (-)" - тип конечного спинового состояния. Плюс соответствует проекции спина нейтрона вдоль направления вектора напряженности магнитного поля, минус - против. Потенциал взаимодействия нейтронов для слоев меди равен 172 нэВ, а для слоя титана - 50 нэВ. Видно, что с увеличением угла увеличиваются провалы в зависимости R и одновременно возрастают максимумы в зависимостях R и R. Положение максимумов и провалов на оси длин волн нейтронов в зависимостях указывает на пространственное положение магнитного слоя железа Fe (12 нм) относительно отражающего слоя Cu (100 нм).
В данной структуре плотность нейтронов возрастает в 50 раз, и это уже позволяет за короткое время измерений (порядка 1 час) наблюдать большой эффект (несколько десятых долей) изменения коэффициентов отражения нейтронов.
Источники информации
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.