Исследование магнитной анизотропии тонких наноструктурированных пленок, полученных методом ионно-лучевого синтеза в магнитном поле

В. Ю. Петухов, Г. Г. Гумаров, Д. А. Коновалов,

Л. В. Петухова, Р. А. Халиков

ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОЙ АНИЗОТРОПИИ

ТОНКИХ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ПЛЕНОК, ПОЛУЧЕННЫХ

МЕТОДОМ ИОННО-ЛУЧЕВОГО СИНТЕЗА В МАГНИТНОМ ПОЛЕ

Ключевые слова: наноструктурированные пленки, магнитная анизотропия, ионно-лучевой

синтез, магнитооптика.

Методом ионно-лучевого синтеза в магнитном поле были получены тонкие наноструктурированные ферромагнитные пленки в монокристаллическом кремнии. С использованием оригинального магнитооптического поляриметра была изучена магнитная анизотропия в плоскости пленки.

Key words: nano-patterned thin ferromagnetic films, magnetic anisotropy, ion-beam synthesis,

magneto-optics.

Nano-patterned thin ferromagnetic films were obtained in single crystal silicon by the method of ion-beam synthesis in applied magnetic field. In-plane magnetic anisotropy was studied by using proprietary magneto-optical polarimeter.

В последнее время особое внимание уделяется получению и исследованию тонких ферромагнитных пленок, в особенности наноструктурированных слоев, поскольку такие объекты широко используются в компьютерной технике, микро- и наноэлектронике. Ранее методом ионно-лучевого синтеза были получены наноструктурированные тонкие магнитные пленки в пластинах монокристаллического кремния [1]. Недавно [2] при высокодоз-ной имплантации ионов железа в кремниевую подложку в присутствии внешнего магнитного поля были синтезированы наноструктурированные ферромагнитные пленки, состоящие в основном из силицида FesSi. Предварительные исследования магнитных свойств автодинным методом показали наличие магнитной анизотропии в плоскости пленки [3].

Было предположено, что наблюдаемая анизотропия является суперпозицией магнитокристаллической и одноосной наведенной анизотропий. В данной работе приведены результаты исследований магнитных свойств наноструктурированных пленок, полученных ионно-лучевым синтезом в магнитном поле, методом меридионального эффекта Керра.

Для приготовления образцов однозарядные ионы Fe+ были имплантированы в исходные пластины монокристаллического кремния, вырезанные параллельно плоскости (111). Имплантация производилась на ионно-лучевом ускорителе ИЛУ-3 с энергией 40 кэВ и дозой 3 • 1017 см-2. Ток при ионно-лучевом синтезе составлял 4 мкА/см2, внешнее магнитное поле Hi = 680 Э во время имплантации было направлено параллельно поверхности образца. Исследования магнитных свойств в данной работе проводилось с использованием оригинального магнитооптического поляриметра на основе меридионального эффекта Керра.

Зависимость приведенной намагниченности полученных образцов, вычисленной из магнитооптических измерений, от величины приложенного магнитного поля показали

наличие магнитной анизотропии в плоскости пленки. На рис. 1 представлена экспериментальная кривая азимутальной зависимости приведенной остаточной намагниченности в плоскости образца. Стрелкой показано направление внешнего магнитного поля во время имплантации.

Мг/Мэ 90

10 120 ^——г——_ 60

1 о 240 300

270

Рис. 1 - Азимутальная зависимость приведенной остаточной намагниченности для образца в1, имплантированного ионами Рв+ с дозой 3*1017см"2 в магнитном поле Н = 680 Э

Результаты, приведенные на рисунке, свидетельствуют о том, что для данного образца магнитная анизотропия - одноосная, наведенная внешним магнитным полем во время имплантации. На рис. 2а показаны петли гистерезиса, записанные при трех углах между проекцией оптического луча на поверхность образца и направлением внешнего магнитного поля при имплантации: а = 0, 60 и 90о, соответственно (см. рис.1). Вид зависимостей при 0 и 90о характерен для осей легкого и трудного намагничивания.

Рис. 2 - Петля гистерезиса в направлении осей легкого (а) и трудного (б) намагничивания для образца в1, имплантированного ионами Рв+ с дозой 3*1017см"2 в магнитном поле Н = 680Э

Предварительные исследования структуры синтезированной пленки дают основания полагать, что она наноструктурирована и состоит из наночастиц размером в несколько десятков нанометров в плоскости пленки. В этом случае можно считать, что частицы исследуемого вещества однодоменны. Для теоретического описания полученных результатов была рассмотрена модель когерентного вращения Стонера-Вольфарта [4]. На рис. 2б приведены результаты компьютерного моделирования. Как видно из рисунка, результаты расчетов показали качественное соответствие экспериментальных и теоретических зависимостей. Различие между экспериментальными и расчетными петлями проявляется в основном в направлении ОЛН - экспериментальные петли более узкие.

Таким образом, в данной работе показано, что имплантация ионов железа в пластины монокристаллического кремния в присутствии внешнего магнитного поля приводит к формированию тонкой ферромагнитной пленки, обладающей одноосной магнитной анизотропией. Направление оси легкого намагничивания, коррелирующее с направлением приложенного магнитного поля во время имплантации, свидетельствует о наведенном характере магнитной анизотропии. Результаты компьютерного моделирования показали, что анизотропные магнитные свойства полученных наноструктурированных ферромагнитных пленок могут быть описаны на основе модели Стонера-Вольфарта.

Литература

1. Петухов, В.Ю. Магнитные свойства кремния, имплантированного ионами железа / В.Ю. Петухов, И.Б. Хайбуллин, М.М. Зарипов, Р.А. Манапов // Физика твердого тела.- 1984. - Т.26, вып.5. -С. 1392-1397.

2. Gumarov, G. G. Investigation of Silicon Implanted by Fe Ions in Applied Magnetic Field / G.G. Guma-rov, V.Yu.Petukhov, I.B.Khaibullin, E.P.Zheglov, E.N.Dulov, and N.G.Ivoilov //, Abstr. of Int. Conf. on Modem Developments of Magnetic Resonance / Kaz. Phys.-Tech. Inst.- Kazan, 2004. - P. 247-248.

3. Gumarov, G. G. Investigation of Magnetic Anisotropy of Silicide Films Ion-beam Synthesized in External Magnetic Field / G.G. Gumarov, V.Yu. Petukhov, V.A. Zhikharev, V.F. Valeev, R.I. Khaibullin // Nucl. Instr. & Meth. in Phys. Res. B. - 2009.- V. 267. - P.1600-1603.

4. Tannous, C. The Stoner-Wohlfarth model of ferromagnetism / C. Tannous and J.Gieraltowski // Eur. J. Phys. 2008. - V.29. - P. 475-487.

© В. Ю. Петухов - д-р физ.-мат. наук, зав. лаб. радиационной химии и радиобиологии КФТИ КазНЦ РАН, petukhov@kfti.knc.ru; Г. Г. Гумаров - канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр. лаб. радиационной химии и радиобиологии КФТИ КазНЦ РАН; Д. А. Коновалов - зам. зав. отделом телекоммуникаций КФТИ КазНЦ РАН; Л. В. Петухова - канд. хим. наук, доц. каф. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КГТУ; Р. А. Халиков - асп. КФТИ КазНЦ РАН.