Магнитные и магниторезистивные свойства квази-гранулированных пленок (Co/Cu)10

Вестник ДВО РАН. 2006. № 4

Шарощенко Владимир Сергеевич

Во время обучения в школе окончил физико-математические курсы при Московском инженерно-физическом институте. В 2002 г. получил диплом с отличием об окончании физико-математического факультета Уссурийского государственного педагогического института. После годичной педагогической практики поступил в очную аспирантуру в родной институт по специальности «Физика конденсированного состояния». Научную работу В.С.Щарощенко выполняет в лаборатории пленочных технологий Института физики и информационных технологий ДВГУ под руководством д.ф.-м.н, профессора Людмилы Алексеевны Че-боткевич, являющейся одновременно научным сотрудником ИАПУ ДВО РАН.

В группе, руководимой Л.А.Чеботкевич, изучается влияние различного рода дефектов тонких магнитных пленок на процессы намагничивания. Коллектив имеет более чем 30-летний опыт работы по исследованию взаимосвязи кристаллической структуры и магнитных свойств тонких ферромагнитных пленок.

Впервые выявлена природа коэрцитивной силы веществ в поликристаллическом и аморфном состояниях, определены условия формирования пленок с высокой наведенной магнитной анизотропией и низкой коэрцитивной силой. Установлено и расчетами подтверждено, что доменные границы в поликристалли-ческих пленках с размером зерен много меньше ширины доменной закрепляются полем структурных дефектов. По этой тематике защищены 2 докторские и 14 кандидатских диссертаций.

В.С.Шарощенко работает в русле нового перспективного направления «Морфология, магнитные и магниторезистивные свойства квази-гранулированных систем». Изучение гранулированных материалов, обладающих гигантским магнитосопротивлением, является одной из актуальнейших тем исследования современной физики наноматериалов. Такие материалы могут быть использованы как базовые структуры при создании приборов наноэлектроники, высокоточных сенсоров магнитных полей и сред для хранения информации. Результаты исследований по данной теме докладывались им на международных конференциях в Новосибирске, Томске, Екатеринбурге, Москве. На конференции молодых ученых в ДВГУ 10-13 декабря 2005 г. доклад В.С.Шарощенко был отмечен оргкомитетом как один из лучших. Его доклад «Особенности магнитных свойств квази-гранулированных систем» принят на международную конференцию «Новые магнитные материалы микроэлектроники», которая будет проходить в 2006 г. в Москве.

В.С.ШАРОЩЕНКО

Магнитные и магниторезистивные свойства квази-гранулированных пленок (Со/Си)10

Исследовались пленки (Со/Си) , полученные магнетронным распылением в атмосфере рабочего газа аргона, с различной толщиной слоев (концентрацией) Со. Показано, что удельное сопротивление, коэрцитивная сила и магниторезистивное отношение существенно изменяются с увеличением эффективной толщины слоев Со. Когда слои кобальта становятся структурно-сплошными, значения удельного сопротивления и коэрцитивной силы стабилизируются.

Работа поддержана грантами ДВО РАН 05-Ш-ж-02-018 и 05-02-100-014.

Magnetic and magnetoresistance properties of quasi-granular films (Co/Cu)10. V.S.SHAROSHCHENKO (Far Eastern State University Institute of Physics and Information Technologies, Vladivostok).

Films (Co/Cu) 10 with various Co layer thickness (concentration), received by magnetron sputtering of argon, working gas, in atmosphere, were investigated. It was shown that resistivity, coercivity and magnetoresistance ratio essentially change with the increase of effective thickness of Co layers. Values of resistivity and coercivity become stable when cobalt layers become structural-continuous.

структуры, представляющие интерес с точки зрения их практического применения. К про-странственно-модулированным структурам, в частности, относят и гранулированные материалы. Гранулированные пленки, обладающие гигантским магнитосопротивлением (GMR), рассматриваются как многообещающие материалы для магнитной записи, оптических приборов и магниторезистивных датчиков [1, 8].

Гигантское магнитосопротивление - одна из актуальных проблем физики магнитных явлений. Структурные исследования гранулированных материалов показали, что размеры и концентрация магнитных наночастиц имеют определяющее значение для величины GMR-эффекта [8]. Одной из наиболее интересных пространственно-модулированных структур является система Со-Си.

В данной работе исследовались магнитные и магниторезистивные характеристики системы Со-Си при изменении концентрации Со.

Гранулированные пленки (Со/Си)10 получали магнетронным распылением в атмосфере рабочего газа аргона (рабочее давление составляло РА = 5-10'3 Торр). Кобальт и медь осаждались на естественно окисленные монокристаллы Б1(111) поочередным распылением Со и Си мишеней. Все пленки были получены в одном технологическом цикле, содержали по 10 бислоев Со-Си и отличались друг от друга толщиной кобальтовых слоев: от 0,1 до 10 нм. Время осаждения каждого слоя меди во всех пленках было одинаково - 11 с, что соответствовало толщине медной прослойки 1,1 нм.

Концентрация элементов в пленках определялась рентгеноспектральным методом, маг-нитосопротивление - четырехточечным компенсационным методом, а коэрцитивная сила и магнитные петли гистерезиса исследовались индукционным методом.

Концентрация кобальта (ССо) в зависимости от времени осаждения 1Со приведена на рис. 1.

Зависимость удельного сопротивления г, измеренного в размагниченном состоянии, от концентрации Со в пленках (Со/Си)10 показана на рис. 2. Причиной увеличения удельного сопротивления пленок (Со/Си)10 при уменьшении эффективной толщины слоев Со (й ) являются размерные эффекты, связанные с ограничением средней длины свободного пробега электронов из-за диффузного рассеяния электронов поверхностями гранул, т.е. зависимостью удельного сопротивления пленок от параметра толщины к = йХ и параметра зеркальности р (0 <р < 1). Здесь й- общая толщина пленки (Со/Си)10. При к >> 1 справедлива формула Фукса [1, 3]:

где р - удельное сопротивление бесконечно толстой пленки. То есть действительно с увеличением эффективной толщины кобальтовых слоев удельное сопротивление уменьшается. Значение максимального магниторезистивного эффекта определялось из выражения

В последнее время интенсивно исследуются пространственно-модулированные

max

Р(Н ) = f ГДе Р(Я) и P(Hmax ) - удельное сопротив-

Рис. 1. Зависимость концентрации кобальта в пленке

Рис. 2. Изменение удельного сопротивления пленок (Со/Си)10 с увеличением толщины слоев кобальта

а.А

о

о

*т

6

СФ.ИМ

л к

Рис. 3. Зависимость величины магниторезистивно- Рис. 4. Коэрцитивная сила и петли магнитного гистерезиса го отношения от эффективной толщины слоев Со пленок (Co/Cu)10 в зависимости от концентрации Со

ление в текущем магнитном поле Н и в поле насыщения соответственно. В данном случае измерялся поперечный магниторезистивный эффект, когда электрический ток I перпендикулярен внешнему магнитному полю Н. I и Н лежат в плоскости пленки. На рис. 3 видно, что с увеличением эффективной толщины слоя (концентрации) Со магниторезистивное отношение возрастает и при йСо = 6 нм, что соответствует 80-90 ат.% Со, (Ар / р)тах выходит на насыщение.

При эффективной толщине й Со < 1 нм слои кобальта являются структурно-несплошными. В таких пленках атомы Со собираются в кластеры. С увеличением эффективной толщины слоев Со размеры кластеров увеличиваются, расстояние между ними уменьшается. При эффективной толщине слоев кобальта до ~ 0,4 нм образуются большие островки [2], которые сохраняются до й = 0,6 нм [4]. При дальнейшем росте гранулы кобальта сливаются, образуя структурно-сплошные слои Со.

При низкой объемной доле магнитных гранул Со магниторезистивный эффект

(Ар/ р)тах мал. Размеры гранул при этом небольшие, они расположены далеко друг от

друга, поэтому количество магнитных рассеяний невелико, и, следовательно, величина (Ар / p)max мала. С увеличением толщины слоев Со магнитные частицы Со объединяются, образуя или структурно-сплошные участки ферромагнитного слоя Со, или структурносплошной ферромагнитный слой. Поскольку в настоящих исследованиях толщина медной прослойки выбрана так, что при формировании структурно-сплошных слоев (или больших участков) Со между ними возникает антиферромагнитная косвенная обменная связь, то наблюдается возрастание магнитосопротивления. Этот рост обусловлен спин-зависимым рассеянием электронов проводимости согласно теории RKKY [5-7]. При дальнейшем увеличении эффективной толщины слоя Со (Ар / p)max растет и выходит на насыщение.

Зависимость HC = f (d ) пленок (Со/Си)10 представлена на рис. 4. При возрастании эффективной толщины слоев кобальта коэрцитивная сила уменьшается более чем в четыре раза. Это можно объяснить следующим образом. Гранулы малых размеров (при малой концентрации Со) однодоменны, и процессы намагничивания в них осуществляются за счет вращения вектора намагниченности. Это приводит к реализации в таких образцах большой величины Нс. При возрастании концентрации Со размеры гранул увеличиваются, гранулы (зерна) объединяются, образуя многодоменные «островки». Процессы намагничивания в таких «островках» обусловлены смещением доменных границ. Переход от процессов вращения вектора намагниченности к процессам смещения доменных границ сопровождается уменьшением величины коэрцитивной силы. Вид петель гистерезиса (рис. 4) для пленок (Co/Cu)10 с различной концентрацией Со подтверждает это предположение.

Таким образом, исследования пленок (Со/Си)10 показали:

увеличение размеров гранул, объединение гранул и переход к структурно-сплошным пленкам сопровождаются существенным уменьшением величины удельного сопротивления и коэрцитивной силы;

магниторезистивный эффект увеличивается более чем на 90% при возрастании эффективной толщины слоев Со до 6 нм.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ларсон Д.К. Размерные эффекты в элекропроводности тонких металлических пленок и проволок // Физика тонких пленок. М.: Мир, 1973. Т. 6. С. 97-70.

2. Casoli F. et al. Investigation of magnetic and magnetotransport properties of Co-based multilayered granular films // J. Magnetism Magn. Mater. 2003. Vol. 262. P. 69-72.

3. Fuchs K. Conductivity thin metallic films // Proc. Camb. Phil. 1938. Vol. 34. P. 100-108.

4. Jerdyka E., Wojcik M., Nadolski S., Kubinski D.J., Holloway H. Discontinuous Co layer in Co/Cu multilayers at the first antiferromagnetic maximum // J. Magnetism Magn. Mater. 1998. Vol. 177. P. 1183-1185.

5. Johnson M.T., Purcell S.T., McGee N.W.E. et al. Structural dependence of the oscillatory exchange interaction across Cu layers // Phys. Rev. Lett. 1992. Vol. 68. P. 2688-2691.

6. Levy P.M. Giant magnetoresistance in magnetic layered and granular materials // Solid State Phys. 1994. Vol. 47. P. 367-462.

7. Parkin S.S.P. Giant magnetoresistance and oscillatory interlayer coupling in polycrystalline transition metal multilayers // Ultrathin Magnetic Structures II. Berlin; Heidelberg: Springer Verlag, 1994. P. 148-194.

8. Pereira de Azevedo M.M., Kakazei G.N. GMR in co-evaporated Co-Ag granular thin films // J. Magnetism Magn. Mater. 1999. Vol. 196/197. P. 40-42.