СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ МАГНИТНО-НЕКОЛЛИНЕАРНОГО СОСТОЯНИЯ НАНОСЛОЯ
METHOD OF INVESTIGATING MAGNETIC-NONCOLLINEAR STATE OF NANOLAYER

Настоящее изобретение относится к области определения свойств наносистем, в частности методики диагностики магнитных свойств магнитно-неколлинеарного нанослоя, что важно при изучении поведения нанослоя в магнитном поле и определении его электронно-транспортных свойств.
2
Известен способ [1] определения пространственного распределения намагниченности в магнитном нанослое, состоящий в использовании отражения поляризованных нейтронов непосредственно от нанослоя. По зависимостям двух коэффициентов отражения нейтронов от переданного волнового вектора нейтрона, соответствующих состоянию спина нейтрона вдоль направления магнитного поля и против, судят о пространственном распределении коллинеарно (параллельно) направленному вектору напряженности магнитного поля вектора намагниченности нанослоя. Известный способ [2] (прототип) определения пространственного распределения намагниченности (магнитного момента) в магнитном нанослое, состоит в том, что нанослой помещают в нейтронный волновой резонатор, измеряют полный набор коэффициентов отражения нейтронов (четыре коэффициента, соответствующие двум конечным и двум начальным состояниям спина нейтрона), а по зависимостям коэффициентов отражения нейтронов от переданного волнового вектора судят о пространственном распределении намагниченности. В данном способе кроме двух коэффициентов отражения без переворота спина нейтронов измеряет еще два коэффициента отражения, соответствующих процессу переворота спина нейтронов. Это позволяет исследовать магнитно-неколлинеарное состояние нанослоя, когда вектор намагниченности нанослоя М(y) направлен к вектору напряженности магнитного поля Н под некоторым углом α(y). Важной характеристикой магнитно-неколлинеарного состояния нанослоя является интегральный параметр N=(∫M(y)α(y)dy), являющийся квадратом произведения средней величины Mα=∫M(x)α(x)dx/L на толщину слоя L. Параметр N можно назвать магнитно-неколлинеарной мощностью нанослоя, при условии Н<<М он определяет вероятность процесса переворота спина нейтронов W~N, что используется в исследованиях нанослоя с помощью поляризованных нейтронов. Параметр N определяет также вероятность переворота спина электронов и угол отклонения направления движения электрона в веществе. Другими словами, параметр N определяет электронно-транспортные свойства вещества, что важно при использовании магнитно-неколинеарного слоя в элементах наноэлектроники.
Недостатком способа-прототипа является недостаточная чувствительность при измерении вектора намагниченности нанослоя, что ограничивает возможности исследований слабомагнитных и слабо магнитно-неколлинеарных нанослоев.
Задачей является повышение чувствительности измерений вектора намагниченности.
Согласно изобретению поставленная задача решается за счет того, что в способе исследования магнитно-неколлинеарного состояния нанослоя исследуемый нанослой помещают внутри трехслойного резонатора поляризованных нейтронов, при этом средний слой изготавливают неоднородным и регистрируют нейтроны, рассеянные на неоднородностях при углах скольжения рассеянного пучка, превышающих угол скольжения полного отражения нейтронов.
0
R
sf
nsf
R
R
R
L
L
L
SC
SC
L
На рисунке 1 приведена схема, поясняющая предлагаемый способ. Здесь резонатором является слоистая структура, состоящая из слоев 1, 2 и 3. Внутри среднего слоя 2 помещен исследуемый слой 4 толщиной L. Намагниченность слоя 4 есть М, а угол между векторами М и напряженности магнитного поля Н есть α. Нейтроны с интенсивностью I падают на резонатор вместе с исследуемым слоем под углом скольжения θ. Отражаются нейтроны с коэффициентами отражения с переворотом спина R и без переворота спина R при значении волнового вектора k=2πθ/λ, где λ есть длина волны нейтронов. При этом угол θ меньше угла скольжения полного отражения θ (волновой вектор полного отражения есть k=2πθ/λ), равного, например, в случае резонатора с граничными слоями из меди 2.7 мрад для тепловых нейтронов с длиной волны 1.8 Ангстрем. При наличии неоднородностей в среднем слое 2 нейтроны рассеиваются на них с интенсивностью I. При этом регистрируются только нейтроны, для которых угол скольжения θ превышает θ.
R
sf
R
1
1
R
R
SC
SC
SC
R
.
SC
1
1
SC
R
1
1
1
1
1/2
-2
1/2
-1
1/2
-3
1/2
-1
1/2
-1
Физическая сущность изобретения заключается в том, что в среднем слое нейтронного волнового резонатора плотность нейтронов начального спинового состояния возрастает за счет отражения нейтронов от крайних слоев. Отраженный когерентный поток нейтронов из резонатора, выходящий под углом скольжения θ, пропорционален магнитно-неколлинеарной мощности (R~N). При этом усиление отраженного потока нейтронов η частично ослабляется первым крайним слоем резонатора и находится в зависимости от степени слияния пары резонансов для испытавших переворот спина нейтронов в диапазоне от 1 до (1-R ), где R≤1 - коэффициент отражения нейтронов без переворота спина от первого крайнего слоя. При рассеянии нейтронов на неоднородностях среднего слоя для части нейтронов возрастает перпендикулярная слоям компонента волнового вектора нейтронов от значения k=2πθ/λ до значения k=2πθ/λ(θ>θ) В результате ослабление выходящего рассеянного потока нейтронов крайними слоями резонатора уменьшается и, как следствие, ослабление усиления рассеянных нейтронов будет меньшим, чем в случае когерентного выхода нейтронов. При этом усиление рассеянного потока нейтронов η при тех же значениях параметров резонатора находится в пределах от (1-R )/2 до (1-R )/2. Таким образом, усиление в канале регистрации рассеянного потока нейтронов в χ=η/η=(1-R )/2 раз больше чем усиление в канале регистрации когерентно отраженного потока нейтронов. Таким образом, регистрация рассеянных нейтронов позволяет проводить исследования магнитно-неколлинеарных слоев с меньшей в χ=(1-R )/2 раз магнитно-неколлинеарной мощностью, чем в случае регистрации когерентно отраженного потока. При обычном значении коэффициента отражения R≈0.99 значение χ=100, а при также вполне достижимом R≈0.999 выигрыш возрастает уже до χ=1000.
1
2
Z
X
Z
X
sf
sf
nsf
1
1
nsf
1
1
1
1
nsf
1
1
nsf
1
nsf
1
sf
1
1
sf
1
1
sf
nsf
z
sf
sf
SC
Sf
sc
Sf
sc
2
Sf
R
SC,Sf
SC
R
SC
R
R
1
SC
R
SC
1
R
1
SC
R
SC
R
SC
L
R
1
R
1
SC
SC
R
1
R
R
1
R
sf
Z
-5
-5
-1
-1
-1
-1
2
2
1/2
η
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 или 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 образец Be(L)Al/(L=80 нм)/Fe(M=1T, M=10T), помещенный в небольшое магнитное поле (порядка 1Э), которое направлено по оси Z. Все три слоя образца-структуры образуют нейтронный волновой резонатор. Слой железа является магнитно-неколлинеарным слоем с компонентами намагниченности M=1T и M=10T. На рисунке 2 для данной структуры приведены зависимости от перпендикулярной компоненты волнового вектора нейтрона k (переданный момент нейтронов при зеркальном когерентном отражении нейтронов равен Q=2k) коэффициента поглощения нейтронов µ(k), коэффициента отражения с переворотом спина нейтронов (спин-флип коэффициента) R(k), спин-флипной N(k) и не спин-флипной N(k) плотности нейтронов в среднем слое резонатора при двух значениях толщины первого слоя L=0 и L=30 нм. Рассмотрим зависимости N(k) при L=0 (кривая 1) и L=30 нм (кривая 5), соответствующих плотности в начальном спиновом состоянии нейтронов. Видно, что при L=0 исходная плотность принята равной единице. При L=30 нм кривая 5 при резонансных значениях волнового вектора k=0.006Ǻ и k=0.008Ǻ возрастает и превышает кривую 1. Рассмотрим теперь зависимость µ(k) (кривые 2 и 6). Поглощение нейтронов связано с сечением захвата нейтронов в среднем слое из алюминия. Коэффициент µ(k) должен быть пропорционален N(k). Действительно при k=0.006Ǻ и k=0.008Ǻпревышение µ(k) при L=30 нм (кривая 6) над µ(k) при L=0 (кривая 2) составляет тоже значение, что и превышение N(k) при L=30 нм (кривая 5) над N(k) при L=0 (кривая 1). Рассмотрим теперь зависимости R(k)(кривая 3(L=0) и кривая 7(L=30 нм)) и N(k) (кривая 4(L=0) и кривая 8(L=30 нм)). Видно, что усиление R(f) (превышение кривой 7 над кривой 3 при резонансных значениях волнового вектора) меньше, чем усиление для N(k) и µ(k). Это связано с тем, что Мне равно нулю. В результате, как видно из кривых 7 и 8, резонансы расщепляются на пары резонансов, что и понижает усиление. В тоже время, усиление для N(k) (превышение кривой 8 над кривой 4 при резонансных значениях волнового вектора) превышает усиление для R(k) в 10-30 раз (в зависимости от резонансного значения волнового вектора), что, собственно, и является основой заявленного решения. Действительно, рассеяние нейтронов на неоднородностях, характеризующихся макроскопическим сечением рассеяния Σ,  будет формировать рассеянный поток нейтронов I,(k)=νSLN(k)Σ(k)T(k)T(k), где S - сечение образца, ν - скорость нейтронов в среднем слое резонатора, Т - пропускание крайнего слоя (первого или третьего). Если в случае отражения нейтронов усиление потока нейтронов η~T(k)=(1-R), то для рассеянного потока нейтронов усиление η~T(k)T(k)=(1-R(k))(1-R(k))=η(1-R(k)/(1-R(k)). Поскольку при k>k>k имеем R(k)>>R(k)≈0, то η=/(1-R(k))=η/2(1-R (k)). Таким образом, для структуры, расчеты которой представлены на рисунке, усиление рассеянного потока нейтронов будет во столько же, а именно в данном случае в 10-30 раз превышать усиление коэффициента отражения нейтронов R(k). При уменьшении величины М, когда пары резонансов начнут сближаться, превышение усиления потока рассеянных нейтронов над потоком отраженных нейтронов будет возрастать, что будет соответственно повышать чувствительность измерения магнитно-неколлинеарной мощности нанослоя. Оценки показывают, что диаметр неоднородностей, на которых должно происходить рассеяние нейтронов, составляет 1-10 нм.
4
7
7
2
4
В настоящее время экспериментально достигнутое увеличение плотности нейтронов в резонаторе, ограничиваемое реальным разрешением спектрометра РЕМУР в Дубне, составляет значение 230. Это соответствует для отраженного потока испытавших переворот спина нейтронов усилению в пределах от 1 до 5.3×10, а для рассеянного потока таких нейтронов усилению в пределах от 230 до 1.2×10. Максимальное усиление 1.2×10 соответствует значению магнитно-неколлинеарной мощности нанослоя N=1 (нм×Гс×мрад). Данное значение N соответствует, например, нанослою толщиной 1 нм, намагниченность которого в 2×10 раз меньше намагниченности насыщения в слое железа и направлена под углом всего 1 мрад к направлению внешнего магнитного поля. Как видно, данное предложение позволяет определять экстрамалую магнитно-неколлинеарную мощность, обусловленную экстрамалой намагниченностью и экстрамалым углом магнитной неколлинеарности вектора намагниченности в слое нанометровой толщины.
Литература
1. V.V.Pasyuk, H.J.Lauter, M.T.Johnson, F.J.A. den Breeder, 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.