Межслойное обменное взаимодействие в многослойных магнитных системах Fe/Cr/Fe (Обзор)

Бурный всплеск интереса к исследованию многослойных магнитных структур начался в середине 80-х годов ХХ века и был связан с существенным прогрессом в технологии получения сверхтонких металлических пленок. В течение нескольких лет в этих структурах были обнаружены крайне интересные как с фундамента...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2012
Hauptverfasser:	Крейнес, Н.М., Холин, Д.И., Демокритов, С.О.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України 2012
Schriftenreihe:	Физика низких температур
Schlagworte:	К 80-летию Виктора Валентиновича Еременко
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/117612
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Межслойное обменное взаимодействие в многослойных магнитных системах Fe/Cr/Fe (Обзор) / Н.М. Крейнес, Д.И. Холин, С.О. Демокритов // Физика низких температур. — 2012. — Т. 38, № 9. — С. 1041-1052. — Бібліогр.: 49 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-117612
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1176122025-02-09T23:25:16Z Межслойное обменное взаимодействие в многослойных магнитных системах Fe/Cr/Fe (Обзор) Interlayer exchange interaction in multilayer magnetic systems Fe/Cr/Fe (Review Article) Крейнес, Н.М. Холин, Д.И. Демокритов, С.О. К 80-летию Виктора Валентиновича Еременко Бурный всплеск интереса к исследованию многослойных магнитных структур начался в середине 80-х годов ХХ века и был связан с существенным прогрессом в технологии получения сверхтонких металлических пленок. В течение нескольких лет в этих структурах были обнаружены крайне интересные как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения явления: антипараллельное упорядочение ферромагнитных слоев, гигантское магнитосопротивление, знакопеременные осцилляции межслойного обмена, неколлинеарное межслойное упорядочение магнитных моментов. Все это, а также близость используемых для получения образцов технологий к традиционно применяемым в микроэлектронике, сулило огромные перспективы для развития компактных датчиков магнитного поля, энергонезависимой памяти для электронных устройств и т.п. На сегодняшний день некоторые из этих возможностей уже реализованы в массовых коммерческих изделиях (например, считывающие головки жестких дисков), а другие еще дут своего часа. Признанием важности сделанных в данной области открытий можно считать Нобелев скую премию 2007 года, которая была присуждена А. Ферту и П. Грюнбергу с формулировкой «за открытие эффекта гигантского магнитосопротивления». Особое место в этих работах занимала система Fe/Cr/Fe. Именно в ней впервые наблюдались практически все наиболее интересные явления, вызвавшие настоящий бум в физике магнитных пленок. Тем не менее природа обменного взаимодействия в этой системе до недавних пор вызывала большие споры. В первую очередь, это было связано со сложной фазовой диаграммой хромовой прослойки и сильным влиянием на свойства образца технологического совершенства изучаемой структуры. Дан краткий обзор основных экспериментальных и теоретических работ, посвященных изучению многослойных систем Fe/Cr/Fe, а также изложены результаты собственных исследований авторов (проведенных с группой соавторов), которые в значительной степени проясняют вопрос о механизме межслойного взаимодействия в указанной системе. Бурхливий сплеск інтересу до дослідження багатошарових магнітних структур почався у середині 80-х років ХХ століття і був пов'язаний з істотним прогресом в технології отримання надтонких металевих плівок. Впродовж декількох років в цих структурах було виявлено украй цікаві як з фундаментальної, так і з прикладної точки зору явища: антипаралельне впорядкування феромагнітних шарів, гігантський магнітоопір, знакозмінні осциляції міжшарового обміну, неколінеарне міжшарове впорядкування магнітних моментів. Усе це, а також близькість технологій, які використовуються для отримання зразків, до традиційно вживаємих в мікроелектроніці, обіцяло величезні перспективи для розвитку компактних датчиків магнітного поля, енергонезалежній пам'яті для електронних пристроїв і тому подібне. На сьогодні деякі з цих можливостей вже реалізовано в масових комерційних виробах (наприклад, прочитуючі голівки жорстких дисків), а інші ще чекають свого часу. Визнанням важливості зроблених в цій області відкриттів можна вважати Нобелівську премію 2007 року, яку було присуджено А. Ферту і П. Грюнбергу з формулюванням «за відкриття ефекту гігантського магнітоопору». Особливе місце в цих роботах займала система Fe/Cr/Fe. Саме в ній уперше спостерігалися практично усі найцікавіші явища, що викликали справжній бум у фізиці магнітних плівок. Проте природа обмінної взаємодії в цій системі до недавніх пір викликала великі спори. В першу чергу, це було пов’язано із складною фазовою діаграмою хромового прошарку та сильним впливом на властивості зразка технологічної досконалостіструктури, що вивчалася. Надано короткий огляд основних експериментальних та теоретичних робіт, які присвячено вивченню багатошарових систем Fe/Cr/Fe, а також викладено результати власних досліджень авторів (що проведено з групою співавторів), які значною мірою прояснюють питання про механізм міжшарової взаємодії у вказаній системі. Great interest to of multilayer magnetic structures since the middle 80s of the 20th century has been originated by a pronounced progress in production of superthin metallic films. For some years their fascinating (from fundamental and applied standpoints) properties, such as antiparallel ordering of ferromagnetic layers, giant magnetoresistance, sign-changing oscillations of interlayer exchange, non-collinear interlayer ordering of magnetic moments, have been observed. Along with the attractive similarity of their technology to the one commonly used in microelectronics, these materials are very promising for future development of miniature sensors of magnetic field, nonvolatile memory of electronic devices and so on. As of now, some of them has been realized in large-scale commercial products, such as read-heads of hard disks, while others are waiting their time. The discovery in this field was acknowledged by the Nobel Prize (2007), conferred to A. Fert and P. Grünberg “for discovery of giantmagnetoresistivity effect”. The system Fe/Cr/Fe occupied a special place in those studies. It is this system that exibited for the first time the most interesting phenomena, which have generated an explosion in physics of magnetic films. Nevertheless the nature of exchange interactions in this system remained under debate. This was primarily relevant to the complex phase diagram of a chromium spacer and the crucial dependence of sample properties on technologyrelated perfection of its structure. The paper briefly reports the main experimental and theoretical studies of the multilayer Fe/Cr/Fe systems and present the results by the authors which elucidate the mechanism responsible for interlayer coupling in this system. Авторы выражают благодарность А.Б. Дровосекову, М. Рикарту и Х. Нембаху, которые принимали важное участие в этой работе на разных ее этапах. В заключение сердечно поздравляем Виктора Валентиновича с юбилеем, желаем ему крепкого здоровья и творческого долголетия. 2012 Article Межслойное обменное взаимодействие в многослойных магнитных системах Fe/Cr/Fe (Обзор) / Н.М. Крейнес, Д.И. Холин, С.О. Демокритов // Физика низких температур. — 2012. — Т. 38, № 9. — С. 1041-1052. — Бібліогр.: 49 назв. — рос. 0132-6414 PACS: 75.60.Ej, 75.70.Cn, 76.50.+g https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/117612 ru Физика низких температур application/pdf Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	К 80-летию Виктора Валентиновича Еременко К 80-летию Виктора Валентиновича Еременко
spellingShingle	К 80-летию Виктора Валентиновича Еременко К 80-летию Виктора Валентиновича Еременко Крейнес, Н.М. Холин, Д.И. Демокритов, С.О. Межслойное обменное взаимодействие в многослойных магнитных системах Fe/Cr/Fe (Обзор) Физика низких температур
description	Бурный всплеск интереса к исследованию многослойных магнитных структур начался в середине 80-х годов ХХ века и был связан с существенным прогрессом в технологии получения сверхтонких металлических пленок. В течение нескольких лет в этих структурах были обнаружены крайне интересные как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения явления: антипараллельное упорядочение ферромагнитных слоев, гигантское магнитосопротивление, знакопеременные осцилляции межслойного обмена, неколлинеарное межслойное упорядочение магнитных моментов. Все это, а также близость используемых для получения образцов технологий к традиционно применяемым в микроэлектронике, сулило огромные перспективы для развития компактных датчиков магнитного поля, энергонезависимой памяти для электронных устройств и т.п. На сегодняшний день некоторые из этих возможностей уже реализованы в массовых коммерческих изделиях (например, считывающие головки жестких дисков), а другие еще дут своего часа. Признанием важности сделанных в данной области открытий можно считать Нобелев скую премию 2007 года, которая была присуждена А. Ферту и П. Грюнбергу с формулировкой «за открытие эффекта гигантского магнитосопротивления». Особое место в этих работах занимала система Fe/Cr/Fe. Именно в ней впервые наблюдались практически все наиболее интересные явления, вызвавшие настоящий бум в физике магнитных пленок. Тем не менее природа обменного взаимодействия в этой системе до недавних пор вызывала большие споры. В первую очередь, это было связано со сложной фазовой диаграммой хромовой прослойки и сильным влиянием на свойства образца технологического совершенства изучаемой структуры. Дан краткий обзор основных экспериментальных и теоретических работ, посвященных изучению многослойных систем Fe/Cr/Fe, а также изложены результаты собственных исследований авторов (проведенных с группой соавторов), которые в значительной степени проясняют вопрос о механизме межслойного взаимодействия в указанной системе.
format	Article
author	Крейнес, Н.М. Холин, Д.И. Демокритов, С.О.
author_facet	Крейнес, Н.М. Холин, Д.И. Демокритов, С.О.
author_sort	Крейнес, Н.М.
title	Межслойное обменное взаимодействие в многослойных магнитных системах Fe/Cr/Fe (Обзор)
title_short	Межслойное обменное взаимодействие в многослойных магнитных системах Fe/Cr/Fe (Обзор)
title_full	Межслойное обменное взаимодействие в многослойных магнитных системах Fe/Cr/Fe (Обзор)
title_fullStr	Межслойное обменное взаимодействие в многослойных магнитных системах Fe/Cr/Fe (Обзор)
title_full_unstemmed	Межслойное обменное взаимодействие в многослойных магнитных системах Fe/Cr/Fe (Обзор)
title_sort	межслойное обменное взаимодействие в многослойных магнитных системах fe/cr/fe (обзор)
publisher	Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
publishDate	2012
topic_facet	К 80-летию Виктора Валентиновича Еременко
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/117612
citation_txt	Межслойное обменное взаимодействие в многослойных магнитных системах Fe/Cr/Fe (Обзор) / Н.М. Крейнес, Д.И. Холин, С.О. Демокритов // Физика низких температур. — 2012. — Т. 38, № 9. — С. 1041-1052. — Бібліогр.: 49 назв. — рос.
series	Физика низких температур
work_keys_str_mv	AT kreinesnm mežsloinoeobmennoevzaimodeistvievmnogosloinyhmagnitnyhsistemahfecrfeobzor AT holindi mežsloinoeobmennoevzaimodeistvievmnogosloinyhmagnitnyhsistemahfecrfeobzor AT demokritovso mežsloinoeobmennoevzaimodeistvievmnogosloinyhmagnitnyhsistemahfecrfeobzor AT kreinesnm interlayerexchangeinteractioninmultilayermagneticsystemsfecrfereviewarticle AT holindi interlayerexchangeinteractioninmultilayermagneticsystemsfecrfereviewarticle AT demokritovso interlayerexchangeinteractioninmultilayermagneticsystemsfecrfereviewarticle
first_indexed	2025-12-01T16:37:22Z
last_indexed	2025-12-01T16:37:22Z
_version_	1850324600634736640
fulltext	© Н.М. Крейнес, Д.И. Холин, С.О. Демокритов, 2012 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2012, т. 38, № 9, c. 1041–1052 Межслойное обменное взаимодействие в многослойных магнитных системах Fe/Cr/Fe (Обзор) Н.М. Крейнес, Д.И. Холин Институт физических проблем им. П.Л. Капицы РАН, ул. Косыгина, 2, г. Москва, 119334, Россия E-mail: kreines@kapitza.ras.ru С.О. Демокритов Westfälische Wilhelms-Universität Münster, 2 Corrensstraße, Münster 48149, Germany Статья поступила в редакцию 15 марта 2012 г. Бурный всплеск интереса к исследованию многослойных магнитных структур начался в середине 80-х годов ХХ века и был связан с существенным прогрессом в технологии получения сверхтонких металли- ческих пленок. В течение нескольких лет в этих структурах были обнаружены крайне интересные как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения явления: антипараллельное упорядочение ферромаг- нитных слоев, гигантское магнитосопротивление, знакопеременные осцилляции межслойного обмена, неколлинеарное межслойное упорядочение магнитных моментов. Все это, а также близость используе- мых для получения образцов технологий к традиционно применяемым в микроэлектронике, сулило ог- ромные перспективы для развития компактных датчиков магнитного поля, энергонезависимой памяти для электронных устройств и т.п. На сегодняшний день некоторые из этих возможностей уже реализова- ны в массовых коммерческих изделиях (например, считывающие головки жестких дисков), а другие еще ждут своего часа. Признанием важности сделанных в данной области открытий можно считать Нобелев- скую премию 2007 года, которая была присуждена А. Ферту и П. Грюнбергу с формулировкой «за от- крытие эффекта гигантского магнитосопротивления». Особое место в этих работах занимала система Fe/Cr/Fe. Именно в ней впервые наблюдались практически все наиболее интересные явления, вызвавшие настоящий бум в физике магнитных пленок. Тем не менее природа обменного взаимодействия в этой системе до недавних пор вызывала большие споры. В первую очередь, это было связано со сложной фа- зовой диаграммой хромовой прослойки и сильным влиянием на свойства образца технологического со- вершенства изучаемой структуры. Дан краткий обзор основных экспериментальных и теоретических ра- бот, посвященных изучению многослойных систем Fe/Cr/Fe, а также изложены результаты собственных исследований авторов (проведенных с группой соавторов), которые в значительной степени проясняют вопрос о механизме межслойного взаимодействия в указанной системе. Бурхливий сплеск інтересу до дослідження багатошарових магнітних структур почався у середині 80-х років ХХ століття і був пов'язаний з істотним прогресом в технології отримання надтонких металевих плівок. Впродовж декількох років в цих структурах було виявлено украй цікаві як з фундаментальної, так і з прикладної точки зору явища: антипаралельне впорядкування феромагнітних шарів, гігантський магнітоопір, знакозмінні осциляції міжшарового обміну, неколінеарне міжшарове впорядкування магнітних моментів. Усе це, а також близькість технологій, які використовуються для отримання зразків, до традиційно вживаємих в мікроелектроніці, обіцяло величезні перспективи для розвитку компактних датчиків магнітного поля, енергонезалежній пам'яті для електронних пристроїв і тому подібне. На сьогодні деякі з цих можливостей вже реалізовано в масових комерційних виробах (наприклад, прочитуючі голівки жорстких дисків), а інші ще чекають свого часу. Визнанням важливості зроблених в цій області відкриттів можна вважати Нобелівську премію 2007 року, яку було присуджено А. Ферту і П. Грюнбергу з формулюванням «за відкриття ефекту гігантського магнітоопору». Особливе місце в цих роботах займала система Fe/Cr/Fe. Саме в ній уперше спостерігалися практично усі найцікавіші явища, що викликали справжній бум у фізиці магнітних плівок. Проте природа обмінної взаємодії в цій системі до недавніх пір викликала великі спори. В першу чергу, це було пов’язано із складною фазовою діаграмою хромового прошарку та сильним впливом на властивості зразка технологічної досконалості Н.М. Крейнес, Д.И. Холин, С.О. Демокритов 1042 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2012, т. 38, № 9 структури, що вивчалася. Надано короткий огляд основних експериментальних та теоретичних робіт, які присвячено вивченню багатошарових систем Fe/Cr/Fe, а також викладено результати власних досліджень авторів (що проведено з групою співавторів), які значною мірою прояснюють питання про механізм міжшарової взаємодії у вказаній системі. PACS: 75.60.Ej Кривые намагничивания, гистерезис, эффект Баркхаузена и связанные эффекты; 75.70.Cn Магнитные свойства вблизи гpаницы pаздела (многослойные стpуктуpы, свеpхpешетки, гетеpoстpуктуpы); 76.50.+g Ферромагнитный, антиферромагнитный и ферримагнитный резонансы; спин- волновой резонанс. Ключевые слова: многослойные магнитные структуры, обменное взаимодействие, кривые намагничивания. Содержание 1. История вопроса ............................................................................................................................... 1042 2. Методические замечания ................................................................................................................. 1047 2.1. Приготовление образцов и анализ их качества ..................................................................... 1047 2.2. Методика измерений ................................................................................................................ 1047 3. Результаты, полученные при комнатной температуре.................................................................. 1048 4. Зависимость межслойного обмена от температуры ...................................................................... 1050 5. Выводы.............................................................................................................................................. 1051 Литература ............................................................................................................................................ 1051 1. История вопроса Основной подъем интереса к проблеме межслойно- го обмена в металлических многослойных структурах типа ферромагнетик/неферромагнетик/ферромагнетик пришелся на последние полтора десятилетия двадцато- го века. Интерес этот носил как фундаментальный, так и прикладной характер в связи с богатыми перспекти- вами использования данного класса систем в области высоких технологий. Количество опубликованных за это время работ поистине огромно, весьма велик также и список изученных многослойных систем. На настоя- щий момент существует несколько обзоров проблемы межслойного обмена в многослойных магнитных сис- темах (см. работы [1–5]), но ни один из них нельзя, пожалуй, назвать исчерпывающим. В настоящем разделе дана канва основных резуль- татов, определивших развитие указанной тематики. При этом, по возможности, мы ограничимся данными, относящимися именно к интересующей нас системе Fe/Cr/Fe. Основополагающей работой, пробудившей массо- вый интерес к проблеме межслойного взаимодействия в системе Fe/Cr/Fe, можно, по-видимому, считать опубликованную в 1986 г. статью П. Грюнберга и со- авторов [6]. В ней было показано, что два ферромаг- нитных слоя железа, разделенные прослойкой хрома, в некотором диапазоне толщин прослойки (от 4 до 8 Å) упорядочиваются между собой антиферромагнитным образом. Исследования проводились на образцах типа «сэндвич» методом мандельштам-бриллюэновского рассеяния света. Наличие антиферромагнитного упо- рядочения определялось по смещению оптической ветви спиновых волн относительно ее положения в случае отсутствия обменной связи. Сделанное в работе наблюдение подтверждалось также результатами маг- нитостатических измерений. В 1987 г. существование антиферромагнитного упорядочения в системе Fe/Cr/Fe было подтверждено методом дифракции низкоэнергетичных спин-поляри- зованных электронов в работе [7]. Асимметрия рассея- ния электронов с разным направлением спина изуча- лась in-situ (т.е. без извлечения образца из вакуумной установки) в процессе напыления образца. Еще одним годом позже в работе А. Ферта с соавто- рами [8] в сверхрешетках Fe/Cr/Fe с антипараллельным упорядочением соседних слоев железа было обнаруже- но так называемое гигантское магнитосопротивление. При подавлении антиферромагнитного упорядочения сверхрешетки внешним магнитным полем сопротивле- ние структуры при температуре 4,2 К падало вдвое. Авторы связали этот эффект с зависящим от направле- ния спина коэффициентом прохождения электронов через прослойку хрома. С увеличением толщины про- слойки межслойный обмен монотонно спадал. В той же работе было показано, что при изменении темпера- туры измерений от 4,2 К до комнатной величина поля насыщения структуры уменьшается примерно на 30%, а эффект магнитосопротивления падает приблизитель- но в 2 раза. Вскоре аналогичный, но меньший по вели- чине эффект, был независимо получен группой П. Грюнберга [9]. Обнаружение гигантского магнитосопротивления в магнитных сверхрешетках сулило колоссальные пер- спективы для приложений, поэтому поток работ по многослойным магнитным структурам возрос, начиная с этого момента, многократно. Межслойное обменное взаимодействие в многослойных магнитных системах Fe/Cr/Fe Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2012, т. 38, № 9 1043 В 1990 г. в работе [10] исследовали сверхрешетки с прослойками Ru и Cr. В структурах обоих типов было обнаружено, что межслойный обмен не спадает с тол- щиной прослойки монотонно, как полагали ранее, а ос- циллирует. Период осцилляций был определен как 12 Å для рутения и от 18 до 21 Å для хрома. Новые результа- ты были связаны с прогрессом в технологии выращива- ния образцов, который позволил получать структуры с более гладкими границами раздела и, соответственно, меньшими флуктуациями толщины прослойки. Следующим важным открытием было обнаружение в системе Fe/Cr/Fe коротковолновых осцилляций меж- слойного обмена. В работе [11] путем наблюдения магнитных доменов методом сканирующей электрон- ной микроскопии с анализом поляризации (SEMPA) исследовали образцы, выращенные на вискере железа. Прослойки хрома, отделяющие вискер от верхнего тонкого слоя железа, были выполнены в виде клина с толщиной от 0 до 200 Å. Благодаря этому авторы смогли подробно исследовать зависимость межслойно- го обмена от толщины прослойки при изменении ее в широком диапазоне. В работе было обнаружено, что, помимо известного ранее периода осцилляций в 18 Å, величина обмена через хромовую прослойку осцил- лирует с периодом, близким к 2 моноатомным слоям хрома, т.е. около 2,88 Å. Было также показано, что при увеличении скорости напыления образца и при понижении температуры подложки в ходе напыления обнаруженные коротковолновые осцилляции обмена пропадают, а остаются лишь известные ранее длинно- волновые. Эти результаты однозначно показали, что отсутствие коротковолновых осцилляций в более ран- них работах связано с их усреднением за счет флук- туаций толщины прослойки. Первая попытка построить теорию межслойного обмена в многослойных металлических магнитных структурах была предпринята в работе [12]. Авторы развивали идеологию косвенного взаимодействия фер- ромагнитных слоев через электроны проводимости прослойки в духе модели RKKY [13]. По аналогии с эффектом де Гааза–ван Альфена им удалось объяснить знакопеременные осцилляции межслойного обмена и значительное дальнодействие этого взаимодействия. В работах [14,15] модель RKKY получила дальней- шее развитие с учетом особенностей поверхности Фер- ми в материале прослойки. Период осцилляций меж- слойного обмена связывался с особенностями Кона, т.е. точками на ферми-поверхности с антипараллельно на- правленными векторами скорости. Такой подход позво- лил объяснить многопериодический характер осцилля- ций межслойного обмена, а также оценить из первых принципов величину самого обмена. Для случая про- слоек Cu, Ag, Au и ряда других элементов полученные результаты демонстрировали прекрасное совпадение с имевшимися на тот момент экспериментальными дан- ными. Что касается систем с хромовой прослойкой, то успех оказался менее очевиден. Авторам удалось соот- нести периоды осцилляций обмена с расстоянием меж- ду конкретными точками поверхности Ферми хрома, для которых наблюдается так называемое явление «не- стинга», т.е. близкое совпадение формы различных уча- стков ферми-поверхности. Тем не менее вычисленная величина обмена оказалась существенно меньше, чем наблюдаемая в эксперименте [15]. Также остался нераз- решенным вопрос о том, не связан ли межслойный об- мен в системе Fe/Cr/Fe с антиферромагнитным упоря- дочением хромовой прослойки. Дальнейший рост интереса к многослойным маг- нитным структурам был связан с обнаружением в системе Fe/Cr/Fe 90-градусного магнитного упорядо- чения [16]. Авторы использовали магнитооптические методики для исследования межслойного обмена в образцах с клинообразной прослойкой хрома. В тех областях образца, где величина осциллирующего зна- копеременного межслойного обмена была близка к нолю, наблюдались домены с 90-градусным магнит- ным упорядочением ферромагнитных слоев по отно- шению друг к другу. Для объяснения этого эффекта авторы предложили записывать энергию взаимодейст- вия ферромагнитных слоев в виде [ ] ( )212 1 2 12 1 21 2 1cE A B ⎡ ⎤= − ⋅ + − ⋅⎢ ⎥⎣ ⎦ m m m m , (1) где 1m и 2m — вектора намагниченности в пленках железа, 12A и 12B — феноменологические константы. Первое слагаемое осциллирует и, в зависимости от зна- ка 12A , приводит либо к параллельному, либо к анти- параллельному упорядочению слоев железа. Второе слагаемое при положительной величине 12B делает предпочтительным 90-градусное упорядочение магнит- ных моментов 1m и 2m . Для тех значений толщины прослойки, для которых величина меняет знак и, стало быть, мала, второе слагаемое может доминиро- вать и приводить к наблюдаемому 90-градусному упо- рядочению магнитных слоев. Аналогичные результаты были получены независи- мо в работе [17] для трехслойной системы Co/Cu/Co. Полученные для нее кривые намагничивания удалось описать, записывая энергию межслойного взаимодей- ствия в форме, аналогичной (1). Предложенная в этих двух работах модель получила название модели биквадратичного обмена. В дальней- шем энергию межслойного взаимодействия в расчете на единицу площади стали записывать в виде ( ) ( )21 2 ex 1 2 1 22 4 . s s J J E M M = +m m m m (2) Здесь 1J и 2J — так называемые константы билиней- ного и биквадратичного обмена, MS — модуль намагни- 12A Н.М. Крейнес, Д.И. Холин, С.О. Демокритов 1044 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2012, т. 38, № 9 ченности в ферромагнитных слоях. Эта модель до сих пор наиболее часто используется при анализе экспери- ментальных данных в работах, посвященных межслой- ному обмену в многослойных магнитных структурах. Как легко видеть, конкуренция первого и второго слагаемого в выражении (2) может приводить не толь- ко к параллельному, антипараллельному или 90-гра- дусному упорядочению магнитных моментов, но также и к произвольному углу между магнитными момента- ми в диапазоне от 0 до 180°. В отсутствие внешнего магнитного поля и магнитной анизотропии угол θ ме- жду магнитными моментами легко получить миними- зацией выражения (2): 1 2 arccos . 2 J J ⎛ ⎞ θ = −⎜ ⎟ ⎝ ⎠ (3) Впервые упорядочение магнитных моментов под про- межуточным углом, которое приобрело в литературе название «скошенного» (в англоязычной литературе — «canted»), экспериментально наблюдалось в сверхре- шетках [Fe/Cr]N методом рассеяния поляризованных нейтронов и керровской магнитометрии лишь 4 года спустя в работе [18]. Авторами был зафиксирован угол упорядочения 50°. Позднее в работе [19] была представлена серия сверхрешеток Fe/Cr/Fe с углами упорядочения 50, 70, 80, 126 и 143°. В дальнейшем скошенное магнитное упорядочение наблюдалось не- однократно, в том числе и в трехслойных образцах (см., например, [4]). Теоретическое объяснение неколлинеарного упоря- дочения многослойных магнитных систем вызвало большие трудности. Теории, учитывавшие нелинейные поправки к модели RKKY (см. [20–22] и обзор [3]), давали величину константы 2J много меньшую, чем 1,J так что объяснить на их основе неколлинеарное упорядочение не представлялось возможным. В связи с этим возник ряд работ, в которых появление биквадра- тичного слагаемого связывалось с тем или иным несо- вершенством образца. В работе [23] Слончевским был предложен меха- низм, основанный на учете моноатомных флуктуаций толщины неферромагнитного слоя. Из-за коротковол- новых знакопеременных осцилляций величины 1J с толщиной прослойки межслойный обмен в шерохова- том образце оказывается фрустрирован, что приводит к небольшим искажениям магнитной структуры ферро- магнетика и к появлению биквадратичного слагаемого в выражении (2). Величина 2J задается в рамках этой теории выражением ( ) ( ) 2 2eff 3 4 cth , L J J D L A Δ = π π (4) где JΔ — амплитуда скачка билинейного обмена при изменении толщины прослойки на один атомный слой, L — характерный размер атомно-гладких участков про- слойки, D — толщина ферромагнитных слоев, A — об- менная жесткость ферромагнетика. Неожиданным пред- сказанием данной теории является то, что при улучшении качества образца биквадратичный вклад в энергию межслойного обмена должен не ослабевать, а увеличиваться. Повышение гладкости границ раздела соответствует увеличению характерного размера атом- но-гладких участков L, что, согласно формуле (4), должно приводить к росту величины 2effJ и обраще- нию ее в бесконечность для идеально гладкого образца. Кажущееся противоречие объясняется тем, что формула (4) становится неприменима, когда расстояние между ступенями на границах раздела приближается к толщи- не доменной стенки в ферромагнитных слоях. В этом случае пленка распадается на независимые области, упорядочение в каждой из которых определяется ло- кальным значением 1.J Фактически это ограничивает область применимости модели случаем 2eff ,J JΔ что, на первый взгляд, исключает возможность скошен- ного магнитного упорядочения. Следует, однако, при- нимать во внимание, что благодаря усреднению корот- коволновых осцилляций на шероховатостях прослойки наблюдаемое в эксперименте значение 1J может быть много меньшим, чем «исходная» величина .JΔ Так, в работе [24] данная модель была успешно использована для описания межслойного обмена в трехслойных сис- темах Fe/Cu/Fe, где величины 1J и 2J оказываются вполне соизмеримыми. В работе [25] была предложена так называемая мо- дель свободных спинов (loose spin model), которая приписывает возникновение биквадратичного слагае- мого в выражении для межслойного обмена наличию в прослойке вблизи границы с ферромагнетиком маг- нитных примесей. Данный механизм может, вообще говоря, давать весьма значительный по величине вклад в межслойный обмен. Он приводит также к очень сильной зависимости биквадратичного обмена от тем- пературы, что наблюдалось в системах, искусственно насыщенных примесями (см. обзор [3]). Однако свой- ства интересующей нас, в первую очередь, системы Fe/Cr/Fe этим механизмом описать не удается. Следует упомянуть также дипольный механизм би- квадратичного взаимодействия, предложенный в рабо- те [26]. Его суть состоит в том, что при наличии шеро- ховатостей на границе раздела ферромагнитного слоя и немагнитной прослойки оборванные цепочки спинов работают как диполи. Создаваемое ими в прослойке магнитное поле достигает противоположной ферро- магнитной обкладки и приводит к дополнительному взаимодействию, которое может быть записано в фор- ме (2). Этот механизм, фактически, является универ- сальным и не зависит от типа прослойки. Оценки пока- Межслойное обменное взаимодействие в многослойных магнитных системах Fe/Cr/Fe Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2012, т. 38, № 9 1045 зывают, однако, что величина даваемого им эффекта оказывается слишком малой для объяснения экспери- ментальных данных, полученных в магнитных систе- мах с металлическими прослойками. Перечисленные выше модели межслойного взаимо- действия не предполагают наличия у прослойки собст- венного магнитного упорядочения. В то же время из- вестно [27], что объемный хром является зонным антиферромагнетиком с температурой Нееля 311 К. Магнитное упорядочение в нем носит характер волны спиновой плотности, период которой несоизмерим с постоянной решетки. В работе Э. Фуллертона с соавто- рами [28], тем не менее, было обнаружено, что в тонких слоях хрома, входящих в состав сверхрешеток Fe/Cr, температура перехода существенно понижается по сравнению с объемным значением, а при толщинах ме- нее 42 Å и вовсе обращается в ноль. Одновременно ав- торы отмечали, что межслойное обменное взаимодейст- вие наблюдалось ими лишь при температурах выше температуры Нееля в прослойке. Таким образом, воз- никли экспериментальные указания на связь межслой- ного обмена в сверхрешетках Fe/Cr с магнитным упоря- дочением хромовой прослойки, но суть этой связи оставалась неясной. Для учета возможного участия магнитного упоря- дочения прослойки в механизме формирования меж- слойной обменной связи Слончевским в работе [2] был предложен принципиально иной механизм меж- слойного обмена, получивший название «модель маг- нитной близости» (proximity magnetism model). Идея этого механизма состоит в том, что близость слоев железа может навязывать слоям хрома сильное соиз- меримое антиферромагнитное упорядочение даже при температурах, превышающих объемную температуру Нееля. При наличии у прослойки собственной магнит- ной жесткости она будет работать как пружина, соеди- няющая магнитные моменты ферромагнитных обкла- док образца. В зависимости от того, из четного или нечетного количества атомных слоев состоит прослой- ка, энергия взаимодействия будет пропорциональна либо 2 ,θ либо 2( ) ,π− θ где θ — угол между направ- лениями намагниченности в ферромагнитных слоях. При наличии на границах раздела слоев шероховато- стей, толщина прослойки будет флуктуировать. В ре- зультате усредненная энергия взаимодействия сможет быть записана следующим образом: 2 2( ) .E C C+ −= θ + π− θ (5) Константы C+ и C− зависят от соотношения участков с четным и нечетным количеством атомных слоев в про- слойке. Модель успешно применялась для описания магнитной структуры систем с антиферромагнитной прослойкой марганца [29,30], но вопрос о применимо- сти этой модели к системе Fe/Cr/Fe оставался неясен. Экспериментальному исследованию магнитной фа- зовой диаграммы тонких слоев хрома и ее влиянию на эффект межслойного обмена в сверхрешетках Fe/Cr был посвящен цикл работ группы Х. Цабеля (см. [18,31 и обзор [32]). Методом рефлектометрии поляризован- ных нейтронов на сверхрешетках [Fe/Cr]N в этих рабо- тах было показано, что магнитоупорядоченное состоя- ние хрома сохраняется в таких структурах до температур, существенно превышающих температуру Нееля в объемном хроме. При этом на фазовой диа- грамме появляется область соизмеримой фазы (CSDW), отсутствующая в объемных образцах (см. рис. 1). Ме- тодом керровской магнитометрии для толщины про- слойки 10, 17, 42 и 45 Å авторы также показали, что межслойный обмен существует лишь в области темпе- ратур, соответствующих соизмеримой волне спиновой плотности в хроме. Более того, измеренные ими кри- вые намагничивания демонстрировали асимптотиче- ский выход на насыщение, характерный для модели (2). Все это позволило авторам сделать вывод, что мо- дель магнитной близости полностью объясняет явле- ние межслойного обмена в структурах Fe/Cr. Следует отметить, что в качестве доказательства применимости к исследованным образцам модели маг- нитной близости (5) авторы указанных работ демонст- рировали асимптотический выход измеренных ими кривых намагничивания на насыщение. Действитель- но, этот критерий позволяет отличить модель (5) от модели биквадратичного обмена (2), которая предска- зывает в точке выхода намагниченности на насыщение скачок производной [16]. Однако отсутствие такого скачка в сверхрешетках, состоящих из большого коли- чества слоев, может объясняться и другими факторами, Рис. 1. Магнитная фазовая диаграмма тонких слоев хрома, полученная методом рефлектометрии поляризованных ней- тронов [31]. TCU — кривая раздела соизмеримой (CSDW) и несоизмеримой (ISDW) антиферромагнитных фаз, выходящая при больших толщинах прослойки на объемное значение тем- пературы Нееля, TUС — кривая раздела соизмеримой антифер- ромагнитной и парамагнитной фазы, отсутствующая в объем- ных образцах. 700 600 500 400 300 200 100 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 tCr, Å PM CSDW ISDW TUC TCU T , К ISDW Н.М. Крейнес, Д.И. Холин, С.О. Демокритов 1046 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2012, т. 38, № 9 такими как небольшой разброс параметров по толщине образца. Более демонстративным в данном случае ока- зываются полевые зависимости спектра ферромагнит- ного резонанса и мандельштам-бриллюэновского рас- сеяния света (МБРС) в таких пленках. Оптическая ветвь спектра для модели биквадратичного обмена (2) демон- стрирует ярко выраженный острый минимум в поле, соответствующем полю насыщения кривой намагничи- вания (см., например, работы [33–35]). Модель магнит- ной близости (5), напротив, предсказывает монотонный рост частоты оптической моды с полем без каких-либо особенностей [29]. Исследования спектров магнитных возбуждений в структурах Fe/Cr/Fe, в том числе и весь- ма совершенных [34], всегда показывали наличие на оптической моде колебаний выраженного нисходящего участка с минимумом в поле насыщения (заметные от- клонения от модели биквадратичного обмена были за- фиксированы в работах [36–38], о которых пойдет речь ниже). Таким образом, хотя магнитное состояние про- слойки хрома существенно влияет на межслойный об- мен в указанной системе, описать этот обмен в рамках теории (5) не представлялось возможным. Указанное несоответствие стимулировало дальней- шие поиски объяснений неколлинеарного магнитного упорядочения в системе Fe/Cr, связанных с антиферро- магнитным упорядоченнием хромовой прослойки. Раз- витием подхода Слончевского можно считать цикл ра- бот А. Морозова с соавторами (см. [39] и обзор [40]), где были подробно рассмотрены случаи границ раздела с различной шероховатостью, изучены предельные слу- чаи достаточно гладких и очень шероховатых границ, учтена энергия доменных стенок, возникающих из-за наличия шероховатостей на границах слоев. В частно- сти, для случая достаточно гладких границ раздела и слабого взаимодействия на границе железо–хром по сравнению с обменом в объеме обоих материалов было получено выражение, получившее название «модели половинного угла» [39,41]: cos sin 2 2 E J J+ − θ θ = + . (6) Как и для модели (5), константы J+ и J− зависят от соотношения участков с четным и нечетным количест- вом атомных слоев в прослойке. Оказывается, однако, что, несмотря на различие в форме записи для выраже- ний (6) и (5), количественно функции ( ),E θ даваемые моделями магнитной близости и половинного угла, оказываются очень близкими. В силу этого аппрокси- мация этими моделями кривых намагничивания и спектров возбуждений в обменно-связанных пленках на практике дает почти неразличимые результаты [36]. В работе [42] Дровосековым с соавторами для слу- чая антиферромагнитной прослойки был развит флук- туационный подход, аналогичный использованному в работе [23]. Был рассмотрен случай, когда магнитная жесткость ферромагнитных слоев превышает жест- кость прослойки, а связь на границах раздела мала по сравнению с обменом внутри каждого слоя. Наличие шероховатостей на границах раздела должно в этом случае приводить не к флуктуациям направления на- магниченности в ферромагнитных берегах, как в моде- ли [23], а к искажению антиферромагнитного порядка в прослойке. Если эти искажения не слишком велики, то усредненную по поверхности энергию межслойного обмена можно записать в форме (2), а выражение для константы биквадратичного обмена будет иметь вид 2 2 2 16 AFM J LJ tA Δ = . (7) Здесь ,JΔ как и в выражении (4), — величина скачка межслойного обмена на одной моноатомной ступень- ке, L — характерный размер атомно-гладких участков на границах раздела слоев, t — толщина антиферро- магнитного слоя, AFMA — его магнитная жесткость. Как и для выражения (4), область применимости дан- ной модели ограничивается случаем 2 .J JΔ Для объяснения с ее помощью явления скошенного маг- нитного упорядочения необходимо предполагать, что величина JΔ из-за усреднения на шероховатостях су- щественно превышает наблюдаемую величину 1.J Но поскольку величина JΔ в этом случае связана не с относительно слабым механизмом RKKY, а с антифер- ромагнитным упорядоченнием прослойки, то объяс- нить большую (до 1 эрг/см2) величину биквадратично- го обмена в структурах Fe/Cr/Fe оказывается проще. Позднее появилась серия теоретических работ В. Меньшова и В. Тугушева, более детально рассмат- ривающая эффекты межслойного обмена именно в структурах Fe/Cr/Fe [41,43–45]. Предложенная в этих работах теория учитывает эффект перетекания заряда из ферромагнитных обкладок в хромовую прослойку, что приводит к возникновению в хроме ближнего маг- нитного порядка при температурах выше объемной температуры Нееля. В работах получены формулы для межслойного обмена в системе Fe/Cr/Fe в различных предельных случаях. Эти формулы, в частности, по- зволяют объяснить и неколлинеарное упорядочение в системе Fe/Cr/Fe в широком диапазоне параметров. Таким образом, к концу 90-х годов 20-го века об- щепризнанной точки зрения, какой именно механизм отвечает за сильное неколлинеарное взаимодействие в системе Fe/Cr/Fe, фактически не существовало. В боль- шинстве работ, посвященных исследованию системы Fe/Cr/Fe, экспериментальные данные интерпретирова- лись авторами в рамках модели биквадратичного обме- на. Имелись также экспериментальные указания на то, что межслойное обменное взаимодействие в этой сис- теме тесно связано с магнитным состоянием хромовой Межслойное обменное взаимодействие в многослойных магнитных системах Fe/Cr/Fe Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2012, т. 38, № 9 1047 прослойки. В то же время модели, основанные на маг- нетизме прослойки, не находили убедительного экспе- риментального подтверждения. Иными словами, вопрос о происхождении межслойного взаимодействия в самой популярной и, казалось бы, наиболее изученной системе Fe/Cr/Fe так и оставался нерешенным. Чтобы ответить на этот вопрос, авторами данного обзора в соавторстве с рядом российских и немецких ученых были проведены систематические эксперимен- тальные исследования межслойного обмена в системе Fe/Cr/Fe с использованием магнитооптических мето- дов (см. работы [36–38,42,46–48]). Ниже представлены основные результаты этих исследований и их анализ на основе существующих теоретических моделей. 2. Методические замечания 2.1. Приготовление образцов и анализ их качества В работе была изучена серия трехслойных образцов Fe/Cr/Fe с клинообразной прослойкой хрома и различ- ной степенью шероховатости границ раздела слоев. Все образцы были изготовлены с использованием ме- тода молекулярно-лучевой эпитаксии в Техническом Университете г. Кайзерслаутерна (Германия). Шеро- ховатость границ раздела использованных образцов варьировалась путем изменения технологических па- раметров напыления пленок. Морфология межслойных границ изучалась методом туннельной микроскопии в процессе приготовления образца. Образец 1 с наиболее гладкими границами раздела слоев был выращен по оптимальной технологии. В качестве подложки использовали монокристаллы MgO, вырезанные в ориентации (100). После некоторых подготовительных процедур на подложку напыляли зародышевый слой железа толщиной 10 Å, который необходим для однозначного задания ориентации по- следующих слоев. На него при температуре подложки 140 °С напыляли буферный слой серебра толщиной по- рядка 1000 Å со скоростью около 1 Å/с. Затем подложку разогревали до 400 °С, и слой серебра подвергали отжи- гу в течение приблизительно 5 мин для достижения максимально гладкой поверхности. Основную трех- слойную пленку Fe/Cr/Fe, которая, собственно, и со- ставляла исследуемый образец, напыляли со скоростью около 0,06 Å/с при температуре подложки 200 °С. Такой режим напыления позволил получить достаточно глад- кие границы раздела слоев и при этом избежать сущест- венного перемешивания атомов на границе. Увеличение шероховатости межслойных границ для образцов 2 и 3 достигалось путем понижения темпера- туры подложки при напылении отдельных слоев об- разца. А именно, для образца 2 с промежуточной ше- роховатостью серебряный буфер отжигали при темпе- ратуре 200, а не 400 °С, как для образца 1. В наиболее шероховатом образце 3 первый слой железа был напы- лен при температуре подложки 160, а не 200 °С. Таких минимальных, на первый взгляд, различий в техноло- гии выращивания оказалось достаточно, чтобы заметно изменить шероховатость слоев в полученных пленках и существенно повлиять на параметры межслойной обменной связи. Кристаллографическое качество образца контроли- ровали с помощью рассеяния низкоэнергетичных элек- тронов (LEED). Отсутствие в образце посторонних примесей проверяли методом спектроскопии конвер- сионных электронов (Оже-спектроскопия). Шерохова- тость выращенных слоев железа и хрома исследовали с помощью сканирующего туннельного микроскопа. 2.2. Методика измерений Для исследования межслойного обмена в получен- ных образцах нами использованы магнитооптические методы: керровская магнитометрия для измерения статических кривых намагничивания и измерение спектра спиновых волн с помощью мандельштам-брил- люэновского рассеяния света. Оба метода позволяют проводить измерения свойств образца локально в пят- не диаметром порядка 0,1 мм и менее. Благодаря этому мы могли использовать в наших исследованиях образ- цы с хромовой прослойкой, выполненной в форме клина. В наших образцах толщина хрома менялась от 0 до ~ 40 Å на длине 20 мм. Это позволило провести ис- следования обменных параметров при различной тол- щине прослойки на одном и том же образце и избежать случайного технологического разброса, который труд- но исключить при изготовлении больших серий много- слойных пленок. Измерения кривых намагничивания проводили с помощью меридионального (при комнатной темпера- туре) и экваториального (в диапазоне температур 77– 473 К) магнитооптического эффекта Керра. Эти эф- фекты линейны по намагниченности образца, что дела- ет их крайне удобными для магнитометрических изме- рений. Источником света в измерительном приборе служил гелий-неоновый лазер, излучение которого фокусировалось на поверхности образца в пятно диа- метром около 0,1 мм. В случае меридионального эф- фекта Керра на выходе прибора регистрировали пово- рот плоскости поляризации света в зависимости от величины приложенного магнитного поля, а в случае экваториального — изменение интенсивности p-поля- ризованного отраженного пучка. Спектры мандельштам-бриллюэновского рассеяния света (МБРС) измеряли с помощью трехпроходного Д.И. Холин выражает благодарность Б. Хиллибрандсу за возможность провести данные исследования в Техническом Университете Кайзерслаутерна (Германия). Н.М. Крейнес, Д.И. Холин, С.О. Демокритов 1048 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2012, т. 38, № 9 тандем-интерферометра Фабри–Перо конструкции Сандеркока. Источником света служил аргоновый ла- зер с длиной волны 514,5 нм. Излучение направляли на образец под углом 45° к плоскости и фокусировали на его поверхности в пятно диаметром около 0,1 мм. В интерферометр направлялся свет, претерпевший об- ратное рассеяние. Такая геометрия опыта соответство- вала волновому вектору изучаемых спиновых волн 5 11,57 10 см .q −= ⋅ Магнитное поле прикладывали в плоскости образца перпендикулярно плоскости паде- ния света (конфигурация Деймона–Эшбаха). Спектры спиновых волн измеряли при комнатной температуре. 3. Результаты, полученные при комнатной температуре На рис. 2(a) и 2(б) показаны примеры кривых намаг- ничивания и полевых зависимостей частоты спиновых волн для самого «шероховатого» образца 3 и самого «гладкого» образца 1, а также результаты аппроксима- ции этих данных с помощью моделей биквадратичного обмена (2) и магнитной близости (5). Для шероховатых образцов 2 и 3 с помощью модели биквадратичного обмена удавалось адекватно описать как кривые намагничивания, так и спектры МБРС (сплошные линии на рис. 2(а). Кривые намагничивания демонстрировали некоторую величину остаточной на- магниченности, соответствующую скошенному упоря- дочению магнитных слоев в отсутствие внешнего поля, и плавный выход на насыщение. Сплошные линии, представляющие результат компьютерной симуляции на основе модели биквадратичного обмена, хорошо описывают как кривую намагничивания, так и спектр спиновых волн, причем статические и динамические данные удавалось одновременно описать одним и тем же набором обменных параметров 1J и 2.J Спектры спиновых волн состояли из монотонно возрастающей акустической ветви колебаний и опти- ческой ветви, демонстрирующей характерный для мо- дели биквадратичного обмена острый минимум в поле насыщения кривой намагничивания. Следует подчерк- нуть, что если кривые намагничивания удавалось дос- таточно успешно описать также и моделью магнитной близости (5) (штриховые линии на рисунке), то при описании спектров спиновых волн модель биквадра- тичного обмена давала гораздо лучший результат (вставка на рис. 2(a)). Оценки показывают, что при толщине железных сло- ев 100 Å и величине межслойного обмена более 1 эрг/см2 предположение об абсолютной жесткости структуры железа приводит к существенной ошибке [47], поэтому расчет кривых намагничивания и спектров спиновых волн проводился с учетом деформации струк- туры ферромагнитных слоев в магнитном поле [49]. Для этого каждый слой железа разделялся на более тонкие подслои, внутри которых намагниченность считалась однородной. Равновесная конфигурация магнитных мо- ментов в заданном магнитном поле находится путем численной минимизации энергии образца. Для вычис- ления спектра спиновых волн использовали линеаризо- ванные вблизи найденного положения равновесия урав- нения Ландау–Лифшица, написанные для вектора намагниченности каждого подслоя железа. Результаты, полученные для «гладкого» образца 1, оказались существенно иными (рис. 2(б)). Кривые на- магничивания снова поддаются приемлемому описа- нию как с помощью модели (2), так и с помощью мо- Рис. 2. Примеры аппроксимации кривых намагничивания и спектров МБРС с помощью двух теоретических моделей. Точ- ки — эксперимент, сплошные линии — расчет в рамках моде- ли биквадратичного обмена (2), штриховая линия — расчет в рамках модели магнитной близости (5). Внешнее магнитное поле прикладывалось в плоскости пленки вдоль трудной оси анизотропии 4-го порядка в железе; (a) — «шероховатый» образец 3 при tCr = 11,2 Å, (б) — «гладкий» образец 1 при tCr = 11,5 Å (б) . 0 2 4 0,5 1,0 2 4 0 20 40 H, кЭ M M/ s (a) f, ГГц H, кЭ 0 2 4 6 8 0,5 1,0 2 4 6 0 20 40 (б) H, кЭ H, кЭ f, ГГц M M/ s Межслойное обменное взаимодействие в многослойных магнитных системах Fe/Cr/Fe Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2012, т. 38, № 9 1049 дели (5). Однако для этого образца спектры спиновых волн на участках с большой величиной межслойного обмена демонстрируют качественное отличие от пред- сказаний модели биквадратичного обмена. Характер- ный для этой модели острый минимум на зависимости частоты оптической моды от внешнего поля на экспе- риментальных зависимостях отсутствует. Тем не менее попытки описать эти спектры с помощью модели маг- нитной близости (5) также не привели к успеху (штри- ховые линии на графиках). Поскольку существенные отклонения от модели би- квадратичного обмена наблюдались лишь на наиболее совершенном из изученных нами образцов, мы предпо- лагаем, что в данной работе наблюдался выход за гра- ницы области применимости модели биквадратичного обмена, предсказанный многими авторами для случая достаточно гладких межслойных границ [39,43,44]. Анализ морфологии межслойных границ исследо- ванных образцов, проведенный с помощью туннельной микроскопии, подтверждает, что отклонения от модели биквадратичного обмена возникают именно при тех параметрах шероховатости, которые предсказываются теорией для случая антиферромагнитно упорядочен- ной хромовой прослойки. На рис. 3 показан рельеф поверхности нижнего слоя железа и хромовой про- слойки перед напылением на них следующих слоев для самого гладкого и самого шероховатого образцов. Шкала соответствия между яркостью заливки и высо- той поверхности показана на рисунке. Корреляцион- ный анализ этих картинок показывает, что для шеро- ховатого образца характерное расстояние L между атомными ступенями на границе раздела железо–хром составляет 15–20 Å, а для гладкого образца — 40–60 Å. Согласно теории (см., например, [42,45]), область дей- ствия модели биквадратичного обмена ограничивается условием ,L ς , где ς — толщина доменной стенки в хромовой прослойке: Cr Cr16 . A t J ς = Δ (8) Здесь tCr — толщина прослойки, ACr — ее обменная жесткость, JΔ — амплитуда коротковолновых осцил- ляций обмена. Наши оценки этой величины показыва- ют, что при tCr = 10 Å она составляет около 30 Å. Таким Рис. 3. Карты высот поверхностей первого слоя железа и прослойки хрома для гладкого образца 1 и шероховатого образца 3. Образец 1, Fe Образец 1, Cr 0 4 8 0 6 12 1000 Å 1000 Å 0 2 4 Å Å Å 0 2 4 Å Образец 3, Fe Образец 3, Cr 1000 Å 1000 Å Н.М. Крейнес, Д.И. Холин, С.О. Демокритов 1050 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2012, т. 38, № 9 образом, наблюдаемые нами отклонения от модели би- квадратичного обмена действительно возникают тогда, когда горизонтальный масштаб шероховатости превы- шает толщину доменной стенки в прослойке. Зависимости обменных констант 1J и 2J от тол- щины прослойки, полученные в результате аппрокси- мации кривых намагничивания, показаны на рис. 4 для трех образцов с различной шероховатостью. Самый гладкий образец 1 демонстрирует коротковолновые осцилляции билинейного обмена большой амплитуды, в образце 2 с промежуточной шероховатостью эти ос- цилляции существенно подавлены, а в самом шерохо- ватом образце 3 — полностью отсутствуют. Такой ре- зультат неоднократно наблюдался другими авторами и не является неожиданным. Биквадратичный обмен при толщине более 8 Å, напротив, меняется с толщиной прослойки плавно и никаких осцилляций не демонст- рирует (наблюдающиеся небольшие колебания J2 для образца 1 указывают, скорее, на то, что сама исполь- зуемая модель описывает свойства гладкого образца не вполне корректно). Такое поведение величины биквад- ратичного обмена также согласуется с данными других авторов и предсказаниями теории. 4. Зависимость межслойного обмена от температуры Для определения температурной зависимости па- раметров межслойного обмена использовались кривые намагничивания, полученные с помощью экваториаль- ного эффекта Керра. Обменные константы извлекались из кривых намагничивания путем аппроксимации их данными численного расчета. Наиболее интересные результаты были получены на самом гладком образце. На рис. 5 показаны зависимости обменных констант 1J и 2J от толщины прослойки при трех температу- рах. Для анализа температурных результатов исполь- зована именно модель биквадратичного обмена, хотя она, как было показано ранее, и не вполне адекватно описывает данный образец. Такая процедура представ- ляется, тем не менее, достаточно корректной, посколь- ку отклонения от модели биквадратичного обмена яв- ляются не очень сильными, а получающиеся значения обменных констант и их зависимости от толщины про- слойки не противоречат здравому смыслу. Предполагая, что именно коротковолновые осцилля- ции межслойного обмена связаны с антиферромагнит- ным упорядочением хромовой прослойки, мы аппрок- симировали температурную зависимость амплитуды осцилляций 1J при различных значениях толщины про- слойки Crt следующей формулой: 1 Cr 0 Cr Cr( ) ( ) 1 ( ).NJ t J t T T t= − (9) Амплитуда коротковолновых осцилляций 1J опреде- лялась как разница между минимальным и максималь- ным значением 1J для данного периода осцилляций. Зависящие от толщины прослойки параметры 0J и NT имеют смысл амплитуды осцилляций обмена при ну- левой температуре и температуры исчезновения меж- слойного обмена соответственно. Зависимость этих параметров от толщины прослойки показана на рис. 6. Сравнение зависимости Cr( ),NT t показанной на рис. 6, с температурой разрушения антиферромагнитного по- рядка хромовой прослойки, измеренной методом ней- тронной рефлектометрии в работах [31,32] (кривая TUC на рис. 1), демонстрирует как качественное (резкое Рис. 4. Зависимость обменных констант J1 и J2 от толщины прослойки хрома для трех образцов. 0 10 20 30 40 –3,0 –2,0 –1,0 0 1,0 0 0,5 1,0 J 1 , э рг /с м 2 обр. 1 (гладкий) обр. 2 (средний) обр. 3 (шероховатый) J 2 , э рг /с м 2 tCr, Å Рис. 5. Зависимости обменных констант J1 и J2 от толщины прослойки для гладкого образца при трех значения темпе- ратуры. 0 1 2 0 10 20 30 40 –2 0 2 J 1 , э рг /с м 2 tCr, Å 77 К 300 К 473 К J 2 , э рг /с м 2 Межслойное обменное взаимодействие в многослойных магнитных системах Fe/Cr/Fe Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2012, т. 38, № 9 1051 возрастание NT при толщине хрома менее 20 Å), так и количественное согласие. Это совпадение подтвержда- ет связь коротковолновых осцилляций билинейного обмена с магнитным упорядочением хромовой про- слойки. Более подробный анализ зависимостей Cr( )NT t и 0 Cr( )J t показывает хорошее соответствие полученных данных с представлениями о зарядово- индуцированной волне спиновой плотности в хромо- вой прослойке [44]. Выводы Исследования кривых намагничивания и спектров МБРС трехслойных образцов Fe/Cr/Fe, проведенные в работах [36–38,47,48] авторами данного обзора с группой соавторов, позволили впервые эксперимен- тально продемонстрировать, что модель биквадра- тичного обмена, широко используемая для описания системы Fe/Cr/Fe, утрачивает свою применимость при достаточной гладкости межслойных границ. Несмот- ря на то, что такой результат предсказывался многи- ми теориями [23,42,44], экспериментально это было показано впервые. Проведенные в работах [36–38,42,46–48] исследо- вания температурной зависимости межслойного обме- на в системе Fe/Cr/Fe в диапазоне толщин хромовой прослойки от 0 до 40 Å подтверждают представления о том, что коротковолновая составляющая межслойного обмена в системе Fe/Cr/Fe связана с магнетизмом хро- мовой прослойки. Данный результат был получен благодаря большому прогрессу в технологии выращивания многослойных магнитных пленок и одновременному применению двух измерительных методик: керровской магнито- метрии и мандельштам-бриллюэновского рассеяния света. Особенно следует подчеркнуть, что именно ис- следование спектров спиновых волн позволяет надежно определить область применимости той или иной модели межслойного обмена. Авторы выражают благодарность А.Б. Дровосекову, М. Рикарту и Х. Нембаху, которые принимали важное участие в этой работе на разных ее этапах. В заключение сердечно поздравляем Виктора Ва- лентиновича с юбилеем, желаем ему крепкого здоро- вья и творческого долголетия. 1. B. Heinrich and J.F. Cochran, Adv. Phys. 42, 523 (1993). 2. J.С. Slonczewski, J. Magn. Magn. Mater. 150, 13 (1995). 3. S.O. Demokritov, J. Phys. D 31, 925 (1998). 4. D.T. Pierce, J. Unguris, R.J. Celotta, and M.D. Stiles, J. Magn. Magn. Mater. 200, 290 (1999). 5. Н.М. Крейнес, ФНТ 28, 807 (2002) [Low Temp. Phys. 28, 581 (2002)]. 6. P. Grünberg, R. Schreiber, and Y. Pang, Phys. Rev. Lett. 57, 2442 (1986). 7. C. Carbone and S.F. Alvarado, Phys. Rev. B 36, 2433 (1987). 8. M.N. Baibich, J.M. Broto, A. Fert, F. Nguyen Van Dau, and F. Petroff, Phys. Rev. Lett. 61 2472 (1988). 9. G. Binasch, P. Grünberg, F. Saurenbach, and W. Zinn, Phys. Rev. B 39, 4828 (1989). 10. S.S.P. Parkin, N. More, and K.P. Roche, Phys. Rev. Lett. 64, 2304 (1990). 11. J. Unguris, R.J. Celotta, and D.T. Piers, Phys. Rev. Lett. 67, 140 (1991). 12. D.M. Edwards, J. Mathon, R.B. Muniz, and M.S. Phan, Phys. Rev. Lett. 67, 493 (1991). 13. M.A. Ruderman, and C. Kittel, Phys. Rev. 96, 99 (1954). 14. P. Bruno and C. Chappert, Phys. Rev. B 46, 261 (1992). 15. M.D. Stiles, Phys. Rev. B 48, 7238 (1993). 16. M. Ruhrig, R. Schäfer, A. Hubert, R. Mosler, J.A. Wolf, S.O. Demokritov, and P. Grünberg, Phys. Status Solidi A 125, 635 (1991). 17. B. Heinrich, J.F. Cochran, M. Kowalewski, J. Kirschner, Z. Celinski, A.S. Arrott, and K. Myrtle, Phys. Rev. B 44, 9348 (1991). 18. A. Schreyer, J.F. Anker, Th. Zeidler, H. Zabel, M. Schäfer, J.A. Wolf, P. Grünberg, and C.F. Majkrzak, Phys. Rev. B 52, 16066 (1995). 19. V.V. Ustinov, N.G. Bebenin, L.N. Romashev, V.I. Minin, M.A. Milyaev, A.R. Del, and A.V. Semerikov, Phys. Rev. B 54, 15958 (1996). 20. R.P. Erickson, K.B. Hathaway, and J.R. Cullen, Phys. Rev. B 47, 2626 (1993). 21. D.M. Edwards, J.M. Ward, and J. Mathon, J. Magn. Magn. Mater. 126, 380 (1993). 22. P. Bruno, Phys. Rev. B 52, 411 (1995). 23. J.C. Slonczewski, Phys. Rev. Lett. 67, 3172 (1991). 24. B. Heinrich, Z. Celinski, J.F. Cochran, A.S. Arrott, K. Myrtle, and S.T. Purcell, Phys. Rev. B 47, 5077 (1993). Рис. 6. Результаты аппроксимации амплитуды осцилляций билинейного обмена для гладкого образца выражением (9). 10 20 30 40 0 0,5 1,0 400 600 800 1000 TN, К J 0 , э рг /с м 2 tCr, Å Н.М. Крейнес, Д.И. Холин, С.О. Демокритов 1052 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2012, т. 38, № 9 25. J.C. Slonczewski, J. Appl. Phys. 73, 5957 (1993). 26. S.O. Demokritov, E. Tsymbal, P. Grünberg, W. Zinn, and I.K. Schuller, Phys. Rev. B 49, 720 (1994). 27. E. Fawcett, Rev. Mod. Phys. 60, 209 (1988). 28. Eric E. Fullerton, K.T. Riggs, C.H. Sowers, S.D. Bader, and A. Berger, Phys. Rev. Lett. 75, 330 (1995). 29. M. Chirita, G. Robins, R.L. Stamps, and R. Sooryakumar, M.E. Filipkowski, C.J. Gutierrez, and G.A. Prinz, Phys. Rev. B 58, 869 (1998). 30. D.T. Pierce, A.D. Davies, J.A. Stroscio, D.A. Tulchinsky, J. Unguris, and R.J. Celotta, J. Magn. Magn. Mater. 222, 13 (2000). 31. T. Schmitte, A. Schreyer, V. Leiner, R. Siebrecht, K. Theis- Bröhl, and H. Zabel, Europhys. Lett. 48, 692 (1999). 32. H. Zabel, J. Phys.: Condens. Matter 11, 9303 (1999). 33. A. Azevedo, C. Chesman, M. Lucena, F.M. de Aguiar, S.M. Rezende, and S.S.P. Parkin, J. Magn. Magn. Mater. 177– 181, 1177 (1998). 34. B. Heinrich, J.F. Cochran, T. Monchesky, and R. Urban, Phys. Rev. B 59, 14520 (1999). 35. А.Б. Дровосеков, О.В. Жотикова, Н.М. Крейнес, Д.И. Холин, В.Ф. Мещеряков, М.А. Миляев, Л.Н. Ромашев, В.В. Устинов, ЖЭТФ 116, 1817 (1999). 36. Н.М. Крейнес, Д.И. Холин, С.О. Демокритов, М. Рикарт, Письма в ЖЭТФ 78, 1121 (2003). 37. S.O. Demokritov, A.B. Drovosekov, D.I. Kholin, and N.M. Kreines, J. Magn. Magn. Mater. 258-259, 391 (2003). 38. S.O. Demokritov, A.B. Drovosekov, D.I. Kholin, N.M. Kreines, H. Nembach, and M. Rickart, J. Magn. Magn. Mater. 272-276, E963 (2004). 39. А.И. Морозов, А.С. Сигов, ФТТ 41, 1240 (1999). 40. А.И. Морозов, А. С. Сигов, ФТТ 54, 209 (2012). 41. В.Н. Меньшов, В.В. Тугушев, ЖЭТФ 127, 643 (2005). 42. С.О. Демокритов, А.Б. Дровосеков, Н.М. Крейнес, Х. Нембах, М. Рикарт, Д.И. Холин, ЖЭТФ 122, 1233 (2002). 43. В.Н. Меньшов, В.В. Тугушев, ЖЭТФ 120, 899 (2001). 44. В.Н. Меньшов, В.В. Тугушев, ЖЭТФ 122, 1044 (2002). 45. В.Н. Меньшов, В.В. Тугушев, ЖЭТФ 125, 136 (2004). 46. A.B. Drovosekov, D.I. Kholin, N.M. Kreines, O.V. Zhoti- kova, and S.O. Demokritov, J. Magn. Magn. Mater 226–230, 1779 (2001). 47. Д.И. Холин, Н.М. Крейнес, Новые магнитные материалы микроэлектроники, Сб. тр. XIX международной школы- семинара, Москва (2004), с. 431. 48. Д.И. Холин, Н.М. Крейнес, Известия РАН. Сер. Физ. 71, 1585 (2007). 49. M. Buchmeier, B.K. Kuanr, R.R. Gareev, D.E. Bürgler, and P. Grünberg, Phys. Rev. B 67, 184404 (2003). Interlayer exchange interaction in multilayer magnetic systems Fe/Cr/Fe (Review Article) N.M. Kreines, D.I. Kholin, and S.O. Demokritov Great interest to of multilayer magnetic structures since the middle 80s of the 20th century has been ori- ginated by a pronounced progress in production of su- perthin metallic films. For some years their fascinating (from fundamental and applied standpoints) proper- ties, such as antiparallel ordering of ferromagnetic layers, giant magnetoresistance, sign-changing oscilla- tions of interlayer exchange, non-collinear interlayer ordering of magnetic moments, have been observed. Along with the attractive similarity of their technology to the one commonly used in microelectronics, these materials are very promising for future development of miniature sensors of magnetic field, nonvolatile memo- ry of electronic devices and so on. As of now, some of them has been realized in large-scale commercial prod- ucts, such as read-heads of hard disks, while others are waiting their time. The discovery in this field was ac- knowledged by the Nobel Prize (2007), conferred to A. Fert and P. Grünberg “for discovery of giant- magnetoresistivity effect”. The system Fe/Cr/Fe occu- pied a special place in those studies. It is this system that exibited for the first time the most interesting phenomena, which have generated an explosion in physics of magnetic films. Nevertheless the nature of exchange interactions in this system remained under debate. This was primarily relevant to the complex phase diagram of a chromium spacer and the crucial dependence of sample properties on technology- related perfection of its structure. The paper briefly re- ports the main experimental and theoretical studies of the multilayer Fe/Cr/Fe systems and present the results by the authors which elucidate the mechanism respon- sible for interlayer coupling in this system. PACS: 75.60.Ej Magnetization curves, hysteresis, Barkhausen and related effects; 75.70.Cn Magnetic properties of interfaces (multilayers, superlattices, heterostructures); 76.50.+g Ferromagnetic, antiferromagnetic, and ferrimagnetic resonances; spin-wave re- sonance. Keywords: multilayer magnetic structures, exchange interactions, magnetization curves.

Межслойное обменное взаимодействие в многослойных магнитных системах Fe/Cr/Fe (Обзор)

Institution

Ähnliche Einträge