Проявление перпендикулярной анизотропии в наногранулярных ферромагнитных плёнках

Исследованы магнитные и магниторезонансные свойства наногранулярных плёнок Cox(Al2O3)1−x в зависимости от концентрации кобальта в композите x. Плёнки Cox(Al2O3)1−x толщиной 5 мкм выращены на ситалловой подложке по технологии ионно-лучевого распыления. По результатам магнитостатических исследований у...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Дата:	2011
Автори:	Рябченко, С.М., Тимофеев, А.А., Калита, В.М., Лозенко, А.Ф., Троценко, П.А., Стогней, О.В., Ситников, А.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Російська
Опубліковано:	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2011
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/73399
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Проявление перпендикулярной анизотропии в наногранулярных ферромагнитных плёнках / С.М. Рябченко, А.А. Тимофеев, В.М. Калита, А.Ф. Лозенко, П.А. Троценко, О.В. Стогней, А.В. Ситников // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2011. — Т. 9, № 1. — С. 93-106. — Бібліогр.: 22 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859948544187695104
author	Рябченко, С.М. Тимофеев, А.А. Калита, В.М. Лозенко, А.Ф. Троценко, П.А. Стогней, О.В. Ситников, А.В.
author_facet	Рябченко, С.М. Тимофеев, А.А. Калита, В.М. Лозенко, А.Ф. Троценко, П.А. Стогней, О.В. Ситников, А.В.
citation_txt	Проявление перпендикулярной анизотропии в наногранулярных ферромагнитных плёнках / С.М. Рябченко, А.А. Тимофеев, В.М. Калита, А.Ф. Лозенко, П.А. Троценко, О.В. Стогней, А.В. Ситников // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2011. — Т. 9, № 1. — С. 93-106. — Бібліогр.: 22 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
description	Исследованы магнитные и магниторезонансные свойства наногранулярных плёнок Cox(Al2O3)1−x в зависимости от концентрации кобальта в композите x. Плёнки Cox(Al2O3)1−x толщиной 5 мкм выращены на ситалловой подложке по технологии ионно-лучевого распыления. По результатам магнитостатических исследований установлено, что у плёнок с объёмной фракцией кобальта, меньшей порога перколяции, наблюдается одноосная анизотропия с лёгкой осью, ориентированной перпендикулярно плоскости плёнки. Температурные исследования магнитостатических свойств вышеупомянутых плёнок показали, что перпендикулярная анизотропия связана именно с анизотропией гранул. Исследования ферромагнитного резонанса также подтверждают наличие перпендикулярной анизотропии. Выявлены особенности ферромагнитного резонанса при перпендикулярном намагничивании в плёнках с перпендикулярной анизотропией гранул. Досліджено магнетні і магнеторезонансні властивості наноґранульованих плівок Cox(Al2O3)1−x в залежності від концентрації кобальту в композиті x. Плівки Cox(Al2O3)1−x завтовшки 5 мкм вирощено на ситаловім підложжі за технологією йонно-променевого розпорошення. За результатами магнетостатичних досліджень встановлено, що у плівок з об’ємною фракцією кобальту, меншою за поріг перколяції, спостерігається одновісна анізотропія з легкою віссю, яка орієнтована перпендикулярно площині плівки. Температурні дослідження магнетостатичних властивостей вищезгаданих плівок показали, що перпендикулярна анізотропія пов’язана саме з анізотропією ґрануль. Дослідження феромагнетного резонансу також підтверджують наявність перпендикулярної анізотропії. Виявлено особливості феромагнетного резонансу при перпендикулярному магнетуванні в плівках з перпендикулярною анізотропією ґрануль. Magnetic and magnetoresonance properties of the nanogranular ferromagnetic Cox(Al2O3)1−x films are investigated in a wide range of the cobalt concentration (x) within the nanocomposite. The films with the nominal thickness of 5 μm were deposited on the glass ceramics substrates by the ion beamassisted deposition technique. The results of the magnetostatic investigation manifest a presence of the perpendicular uniaxial anisotropy with the easy axis directed along the normal of the films. The last one is conserved for all the samples with a volume fraction of the cobalt below the percolation threshold. The temperature-variation investigations of the magnetostatic properties of the above-mentioned films show that the perpendicular anisotropy is conditioned by the oriented anisotropy of the granules. Ferromagnetic resonance measurements prove a presence of the perpendicular anisotropy. Features of ferromagnetic resonance in perpendicular magnetic field are revealed in the films with perpendicular anisotropy of granules.
first_indexed	2025-12-07T16:15:40Z
format	Article
fulltext	93 PACS numbers: 75.30.Gw, 75.50.Tt, 75.70.-i, 75.75.-c, 76.50.+g, 85.75.Bb Проявление перпендикулярной анизотропии в наногранулярных ферромагнитных плёнках С. М. Рябченко, А. А. Тимофеев, В. М. Калита, А. Ф. Лозенко, П. А. Троценко, О. В. Стогней, А. В. Ситников Институт физики НАН Украины, просп. Науки, 46, 03028 Киев, Украина *Воронежский государственный технический университет, Московский просп., 14, 394026 Воронеж, Россия Исследованы магнитные и магниторезонансные свойства наногрануляр- ных плёнок Cox(Al2O3)1−x в зависимости от концентрации кобальта в компо- зите x. Плёнки Cox(Al2O3)1−x толщиной 5 мкм выращены на ситалловой под- ложке по технологии ионно-лучевого распыления. По результатам магни- тостатических исследований установлено, что у плёнок с объёмной фрак- цией кобальта, меньшей порога перколяции, наблюдается одноосная ани- зотропия с лёгкой осью, ориентированной перпендикулярно плоскости плёнки. Температурные исследования магнитостатических свойств выше- упомянутых плёнок показали, что перпендикулярная анизотропия связана именно с анизотропией гранул. Исследования ферромагнитного резонанса также подтверждают наличие перпендикулярной анизотропии. Выявлены особенности ферромагнитного резонанса при перпендикулярном намагни- чивании в плёнках с перпендикулярной анизотропией гранул. Досліджено магнетні і магнеторезонансні властивості наноґранульованих плівок Cox(Al2O3)1−x в залежності від концентрації кобальту в композиті x. Плівки Cox(Al2O3)1−x завтовшки 5 мкм вирощено на ситаловім підложжі за технологією йонно-променевого розпорошення. За результатами магнетос- татичних досліджень встановлено, що у плівок з об’ємною фракцією коба- льту, меншою за поріг перколяції, спостерігається одновісна анізотропія з легкою віссю, яка орієнтована перпендикулярно площині плівки. Темпе- ратурні дослідження магнетостатичних властивостей вищезгаданих плівок показали, що перпендикулярна анізотропія пов’язана саме з анізотропією ґрануль. Дослідження феромагнетного резонансу також підтверджують наявність перпендикулярної анізотропії. Виявлено особливості феромагне- тного резонансу при перпендикулярному магнетуванні в плівках з перпен- дикулярною анізотропією ґрануль. Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies 2011, т. 9, № 1, сс. 93—106 © 2011 ІМФ (Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України) Надруковано в Україні. Фотокопіювання дозволено тільки відповідно до ліцензії 94 С. М. РЯБЧЕНКО, А. А. ТИМОФЕЕВ, В. М. КАЛИТА и др. Magnetic and magnetoresonance properties of the nanogranular ferromag- netic Cox(Al2O3)1−x films are investigated in a wide range of the cobalt concen- tration (x) within the nanocomposite. The films with the nominal thickness of 5 μm were deposited on the glass ceramics substrates by the ion beam- assisted deposition technique. The results of the magnetostatic investigation manifest a presence of the perpendicular uniaxial anisotropy with the easy axis directed along the normal of the films. The last one is conserved for all the samples with a volume fraction of the cobalt below the percolation threshold. The temperature-variation investigations of the magnetostatic properties of the above-mentioned films show that the perpendicular anisot- ropy is conditioned by the oriented anisotropy of the granules. Ferromagnet- ic resonance measurements prove a presence of the perpendicular anisotropy. Features of ferromagnetic resonance in perpendicular magnetic field are re- vealed in the films with perpendicular anisotropy of granules. Ключевые слова: гранулярные ферромагнитные плёнки, суперпарамаг- нетизм, перпендикулярная анизотропия, магнитный резонанс, магни- тостатические измерения. (Получено 19 октября 2010 г.) 1. ВВЕДЕНИЕ Изучение физических свойств магнитных наноструктур является одной из актуальных задач нанофизики. Магнитные нанострукту- ры демонстрируют целый ряд новых явлений и эффектов, среди ко- торых: гигантское (туннельное) магнитосопротивление в много- слойных ферромагнитных гетероструктурах с немагнитными (изо- лирующими) прослойками [1—3], передача спинового углового мо- мента, которая приводит к параллельной ориентации направлений намагниченности двух слоёв, разделённых немагнитной прослой- кой и через которые пропускается электрический ток определённой величины [4—8], суперпарамагнетизм и т.д. Мотивация исследова- ния таких объектов носит не только фундаментальный характер, но и прикладной. Некоторые разработки в этой области сегодня уже коммерциализированы и широко применяются в повседневной жизни. Наиболее ярким примером является открытие явления ги- гантского магнитосопротивления в трёхслойных гетероструктурах Fe/Cr/Fe [2, 3], результатом которого стало применение подобных наноструктур в качестве головок считывания информации в жёст- ких дисках. Кроме того, ансамбли магнитных наночастиц перспек- тивны в качестве носителей информации со сверхвысокой плотно- стью записи. Особое место занимает их применения в биомедицин- ской отрасли (доставка лекарств, гипертермия и др.) [9—12]. Известно, что для частиц с линейными размерами меньше опре- делённого критического (в зависимости от соотношения обменной ПЕРПЕНДИКУЛЯРНАЯ АНИЗОТРОПИЯ В НАНОГРАНУЛЯРНЫХ ПЛЁНКАХ 95 энергии и энергии анизотропии [13]) становится энергетически вы- годным магнитнооднородное состояние (однодоменность). Однодо- менным частицам присуще явление суперпарамагнетизма, суть ко- торого заключается в квазипарамагнитном характере намагничи- вания. Флуктуации направления намагниченности однодоменных наночастиц эффективно усредняются за время регистрации (время измерения которое задаётся условиями эксперимента и типом экс- периментальной методики). Благодаря этому, несмотря на то, что в каждый момент времени намагниченность частицы равна намагни- ченности насыщения, усреднённое за время измерения значение намагниченности в нулевом магнитном поле равно нулю. Если ча- стицы не имеют заметной магнитной анизотропии, то намагничи- вание будет происходить равновесно и описываться функцией Ланжевена (см., например, [13]). Наличие магнитной анизотропии (кристаллографической, по- верхностной, либо анизотропии формы) в однодоменных наноча- стицах кардинально меняет характер намагничивания. Ниже опре- делённой температуры, – температуры блокировки Tb, – в намаг- ничивании ансамбля возникает заметная неравновесность. Появля- ется гистерезис намагниченности, связанный с замедлением време- ни релаксации намагниченности ансамбля. Энергетический барьер, обусловленный магнитной анизотропией, разделяет энергетически выгодные ориентации магнитного момента частицы, и, если энер- гия анизотропии значительно выше энергии термических флуктуа- ций, магнитный момент частицы блокируется на достаточно дли- тельное время. Вероятность перехода через барьер в большинстве случаев описывается при этом законом Аррениуса (см., например, [13, 14]). Значение Tb зависит от величины анизотропии, объёма ча- стицы и времени измерения. Экспериментальные исследования мо- дификации кривых перемагничивания с температурой в большин- стве случаев позволяют установить тип анизотропии частиц, про- странственную ориентацию лёгких осей намагничивания частиц в ансамбле, их объем и дисперсию по этим параметрам. Типичными представителями магнитных наноструктур, которые демонстрируют большинство описанных выше эффектов, являются наногранулярные ферромагнитные плёнки [15]. Такие плёнки – это композитные материалы, состоящие из ферромагнитных гранул нанометрового масштаба, помещённых в немагнитную матрицу. В качестве матриц используются как металлы, так и диэлектрики. Широкий интерес к изучению таких объектов во многом связан с относительной простотой технологии их получения. В основу технологии положены совместное осаждение (распыление) магнитного и немагнитного компонентов на подложку. При этом ком- поненты не должны размешиваться и растворяться друг в друге. Именно это и приводит к разделению фаз в процессе роста и формиро- 96 С. М. РЯБЧЕНКО, А. А. ТИМОФЕЕВ, В. М. КАЛИТА и др. ванию гранулированной структуры типа «ферромагнитные гранулы— немагнитная матрица». Дополнительный отжиг (термообработка) по- сле осаждения позволяет значительно улучшить такие параметры гранулированной системы, как дисперсия по размерам и геометрии наночастиц, толщина переходного слоя «гранула—матрица» и др. Очень часто для получения подобных структур применяется магне- тронное распыление. Объёмная фракция ферромагнитного компонен- та задаётся геометрией расположения ионных источников относи- тельно подложки и относительной мощностью распыления компонен- тов. В данной работе исследованы магнитостатические и магниторезо- нансные свойства гранулярных ферромагнитных плёнок Cox(Al2O3)1−x. Основным результатом работы является обнаружение перпендику- лярной ростовой анизотропии гранул с полем анизотропии, дости- гающим μ0Ha = 250 мТ (μ0 – магнитная проницаемость вакуума). Данные объекты могут представлять интерес в качестве носителей информации со сверхвысокой плотностью записи. 2. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛЁНОК Наногранулярные ферромагнитные плёнки толщиной 5 мкм были получены методом магнетронного распыления сложных мишеней в атмосфере аргона. В процессе напыления в вакуумную камеру до- бавлялся кислород с парциальным давлением 3,2⋅10 −5 Торр, что бы- ло необходимо для обеспечения формирования оксида алюминия с составом близким к стехиометрическому. Несмотря на это, состав диэлектрической матрицы у полученных образцов демонстрировал небольшой дефицит кислорода. Размеры мишени (270×80 мм), а также её конструкция (выплавленная кобальтовая основа, на по- верхности которой несимметрично закреплялись навески из кера- мических пластинок Al2O3) позволили в одном процессе распыле- ния получить наногранулярные плёнки в широком концентраци- онном диапазоне ферромагнитного компонента. После распыления плёнки подложка разрезалась на 75 полосок по 3 мм шириной каж- дая. При этом состав композита варьировался в пределах одной по- лоски не более чем на 0,5 ат.%. Из полученных 75 полосок выбира- лось пять, и методом рентгеновского электронно-зондового микро- анализа определялся их состав. Результаты измерений, которые были представлены в виде функции «состав—номер образца», ап- проксимировались многочленом, коэффициенты которого позволя- ли определить состав любого образца для данных условий распыле- ния. Точность аппроксимации проверялась дополнительными ме- тодиками и, как было установлено, была не хуже 0,1 ат.%. Средний размер гранул варьировался от 2 до 6 нм в зависимости от величины объёмной фракции кобальта в образце. Концентрационные зависи- ПЕРПЕНДИКУЛЯРНАЯ АНИЗОТРОПИЯ В НАНОГРАНУЛЯРНЫХ ПЛЁНКАХ 97 мости удельного сопротивления образцов демонстрируют резкое падение удельного сопротивления для x > 0,62 (рис. 1, а). Магнито- транспортные исследования гранулированных систем Cox(Al2O3)1−x, показали, что все образцы с x < 0,67 демонстрируют проявление эффекта туннельного магнитосопротивления (ТМС) (рис. 1, б), ко- торый в диапазоне концентраций (0,55 < x < 0,67) близких к порогу перколяции сопровождается проявлением изотропного положи- тельного магнитосопротивления (ИПМС) [16]. На основе этих дан- ных, а также магнитостатических исследований в широком диапа- зоне температур был определён порог перколяции в этой системе xp = 0,65—0,68. 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ Магнитостатические исследования выполнены на вибрационном магнетометре LDJ9500 с применением приставки для контроля и ста- билизации температуры УТРЕКС К-43. В качестве хладагента ис- пользовался жидкий азот, который с помощью нагревателя, вклю- чённого в систему стабилизации температуры, испарялся, нагревался до нужной температуры и подавался в рабочий объем с образцом. Рис. 1. Концентрационные зависимости удельного сопротивления (а) и туннельного магнитосопротивления (б) в наногранулярных плёнках Cox(Al2O3)1−x. 98 С. М. РЯБЧЕНКО, А. А. ТИМОФЕЕВ, В. М. КАЛИТА и др. Магниторезонансные исследования выполнены на радиоспектромет- ре электронного парамагнитного резонанса RADIOPAN SE/X-2544 с частотой клистрона 9,3 ГГц и максимальной развёрткой магнитного поля до 1,05 T. 3.1. Магнитостатические и магниторезонансные исследования Анализ результатов магнитостатических исследований гранулиро- ванных плёнок Cox(Al2O3)1−x, выполненных при комнатной темпера- туре для намагничивания параллельно плоскости плёнок показал, что по концентрации кобальта в плёнках все образцы можно раз- бить на три группы. 1. Значительно ниже порога перколяции (x < 0,40) кривые пере- магничивания демонстрируют типичный суперпарамагнитный ре- жим намагничивания, где форма кривых и наклон кривой вблизи нулевого магнитного поля модифицируются в зависимости от кон- центрации кобальта и температуры, при которой выполнялись из- мерения. 2. В диапазоне концентраций 0,44 < x < 0,61 кривые перемагни- чивания (рис. 2, a) имеют характерный наклон кривой зависимости намагниченности M, нормированной на намагниченность насыще- ния Ms, от поля в малых полях, практически независимый от кон- центрации Co и температуры. Особого внимания заслуживает тот факт, что зависимость намагниченности от поля в достаточно ши- роком интервале полей имеет линейный характер, а диапазон по- лей, в которых она сохраняет свою линейность, растёт по мере роста концентрации Co, достигая своего максимального значения для об- разцов с концентрацией кобальта 0,61 (рис. 2, рис. 3). Такое пове- дение может быть связано с присутствием одноосной анизотропии а б Рис. 2. Кривые перемагничивания для намагничивания в плоскости плён- ки при Т = 300 К для образцов с различной молярной концентрацией Co x. ПЕРПЕНДИКУЛЯРНАЯ АНИЗОТРОПИЯ В НАНОГРАНУЛЯРНЫХ ПЛЁНКАХ 99 гранул, или кристаллографической или связанной с анизотропией формы частиц в плёнке, имеющих преимущественное направление ориентаций их осей лёгкого намагничивания в направлении пер- пендикулярном плоскости плёнки. Дополнительное эксперимен- тальное изучение этих образцов показало, что форма кривых не из- меняется при намагничивании в плоскости плёнок при разном направлении магнитного поля в плоскости плёнки. Таким образом, нужно считать, что у этих образцов в процессе роста формируется одноосная анизотропия с лёгкой осью намагничивания, ориентиро- ванной перпендикулярно плоскости плёнки. Следует также заме- тить, что поле перпендикулярной анизотропии для образца с кон- центрацией Co 0,61, определённое из экстраполяции линейного участка намагниченности, превышает величину μ0Ha⊥ = 200 мТ. 3. Для более высоких концентраций (x > 0,61) кривые перемагни- чивания (рис. 2, б) для намагничивания параллельно плоскости плёнки сохраняют линейность и все характерные признаки «трудно- го» намагничивания, но эффективное поле перпендикулярной ани- зотропии Ha⊥ с ростом концентрации уменьшается (рис. 3). Учиты- вая, что в этом концентрационном диапазоне происходит переход гранулярной системы через порог перколяции, изменение величины перпендикулярной анизотропии можно связать с нарастающим межгранульным взаимодействием, которое формирует коллектив- ное состояние, магнитные свойства которого начинают доминиро- вать над свойствами отдельных гранул. Нужно заметить, что возникновение перпендикулярной анизо- тропии в гранулированных плёнках с толщиной, гораздо большей размеров гранул, – достаточно редкое явление, наблюдавшееся Рис. 3. Зависимость эффективного поля перпендикулярной анизотропии μ0Ha⊥ от молярной концентрации кобальта для намагничивания в плоско- сти плёнки. 100 С. М. РЯБЧЕНКО, А. А. ТИМОФЕЕВ, В. М. КАЛИТА и др. лишь в нескольких работах других авторов [17—21]. Самоорганиза- ция гранулярной среды в процессе роста плёнки достаточно слож- ный процесс, который зависит от многих технологических парамет- ров. Поэтому однозначная интерпретация природы этой перпенди- кулярной анизотропии требует не только магнитной характериза- ции, но и рентгеноструктурного анализа, данных электронной мик- роскопии, магнитосиловой микроскопии и т.д. Тем не менее, наибо- лее вероятными причинами природы анизотропии могут быть две. Первая – образование вытянутой, «столбчатой» формы гранул в процессе роста. Тогда анизотропия формы гранул, лёгкая ось намаг- ничивания которой будет ориентирована перпендикулярно плоско- сти плёнки, будет определять величину магнитной анизотропии. В этом случае, изменение анизотропии с концентрацией, описанное выше, можно объяснить следующим образом. В процессе роста, для концентраций ниже порога перколяции, в плёнках формируется гранулированная структура из аморфных гранул или гранул с куби- ческой кристаллической структурой, кристаллографическая анизо- тропия которой для Co невелика. Эти гранулы имеют форму одноос- ных эллипсоидов, ориентированных вытянутыми осями перпенди- кулярно плоскости плёнки. С ростом концентрации их форма прак- тически не изменяется, а концентрация (и, возможно, объём) увели- чиваются. Выше порога перколяции гранулы начинают сливаться («протекать» одна в другую), что уменьшает анизотропию их резуль- тирующей формы, а, соответственно, и магнитной анизотропии. Не- понятным в этом случае остаётся вопрос слабой зависимости анизо- тропии формы гранул от концентрации ниже порога перколяции: почему рост гранул происходит при постоянной форме, обеспечива- ющей высокую степень монодисперсности? В то же время, достаточ- но высокое значение порога перколяции в этих системах говорит в пользу именно ориентированной анизотропии формы гранул. Вторая возможная причина – кристаллографическая анизотро- пия самих гранул. Если предположить, что Co находится в гексаго- нальной фазе, имеющей высокую кристаллографическую анизотро- пию, то тогда гранулы могут иметь значительный разброс по форме и размеру, но кристаллографическая анизотропия будет для всех оди- наковой. А ориентированной она будет, только если все гранулы рас- тут в гексагональной фазе с одинаково направленными осями лёгко- го намагничивания. В нашем случае – перпендикулярными плоско- сти плёнки. Это маловероятно, хотя возможной причиной может быть возникновение выделенного направления для деформации плёнки. Например, в процессе роста температура подложки может быть до- статочно высокой, и гранулы формируются в аморфной фазе. Охла- ждение до комнатной температуры сопровождается возникновением некоторой деформации, перпендикулярной плоскости плёнки, в свя- ПЕРПЕНДИКУЛЯРНАЯ АНИЗОТРОПИЯ В НАНОГРАНУЛЯРНЫХ ПЛЁНКАХ 101 зи с несогласованностью коэффициентов термического расширения плёнки и подложки. Это могло бы быть причиной структурного пере- хода гранул из аморфной фазы в гексагональную с выделенным направлением ориентации её оси вдоль направления деформации. Правда, при допущении о кристаллографической природе анизотро- пии гранул не совсем понятным становится довольно низкое значение наблюдаемой перпендикулярной анизотропии. По литературным данным [13] поле анизотропии гексагонального кобальта составляет примерно μ0Ha = 950 мТ. Максимальное значение наблюдаемой пер- пендикулярной анизотропии в плёнках втрое меньше. Можно было бы предположить, что гексагональные оси гранул лишь частично вы- строены вдоль нормали к плёнке. Но тогда, кроме проявлений пер- пендикулярной анизотропии должны были бы наблюдаться в кривых намагничивания характерные признаки случайно ориентированной анизотропии гранул, сравнимой с «ориентированной» перпендику- лярной или превышающей её. Таких признаков не наблюдается. Электронограмма, снятая для одной из исследованных плёнок, пока- зывает, что гранулы кристаллические, но никакой ориентированно- сти их кристаллографических осей нет. Кроме того, при таком пред- положении относительно происхождения анизотропии нормальной к плоскости плёнки, трудно также объяснить её уменьшение при кон- центрации магнитного компонента выше порога перколяции. По со- вокупности этих рассуждений надо полагать такую причину возник- новения перпендикулярной анизотропии маловероятной. Дополнительные исследования для образца с максимальным значением перпендикулярной анизотропии позволяют однозначно утверждать, что перпендикулярная анизотропия связана именно с анизотропией отдельных гранул, а не плёнки в целом. Кривые пе- ремагничивания для намагничивания параллельно и перпендику- лярно плоскости плёнки показывают характерное поведение мно- годоменной (каждая гранула, домен) системы с намагниченностью в доменах, перпендикулярной плоскости. В размагниченном состо- янии минимуму энергии лёгкоплоскостного ансамбля с одноосны- ми однодоменными гранулами, с их лёгкой осью перпендикуляр- ной плоскости, будет соответствовать такое магнитное состояние, в котором половина магнитных моментов гранул-доменов ориенти- рована параллельно нормали к плёнке, а вторая половина – анти- параллельно ей. То есть модуль намагниченности плёнки не будет сохраняться при выведении магнитного поля. При намагничива- нии образца внешним полем, перпендикулярным плёнке, рост намагниченности происходит за счёт переориентации моментов от- дельных гранул и формирования коллективной намагниченности, модуль которой линейно растёт с полем. В этом случае намагниченность выйдет на своё насыщающее значе- ние в поле, равном 4πMs + Hc, где Ms – намагниченность насыщения 102 С. М. РЯБЧЕНКО, А. А. ТИМОФЕЕВ, В. М. КАЛИТА и др. плёнки, Hc – коэрцитивное поле. При размагничивании уменьшение намагниченности от величины насыщения будет начинаться с поля, равного 4πMs − Hc. Как видно из рис. 4, а, для намагничивания в пер- пендикулярной ориентации кривые сохраняют линейность в интер- вале от −4πMs − Hc < H < 4πMs + Hc. Кроме того, кривые намагничива- ния, полученные при разной температуре, демонстрируют рост коэр- цитивности при её понижении, связанный с блокированием магнит- ных моментов отдельных гранул (рис. 4, б). Коэрцитивное поле дости- гает величины μ0Hc = 55 мТ при T = 80 К. Монотонный рост коэрци- тивности для намагничивания в перпендикулярной ориентации со- провождается ростом коэрцитивности и в параллельной конфигура- ции эксперимента (рис. 4, б). Хотя, коэрцитивное поле в этом случае значительно меньше, а остаточная намагниченность очень мала. По- лученные данные позволяют предположить наличие в ансамбле или незначительной разориентации направлений лёгких осей гранул или присутствие небольшой части гранул с другим типом анизотропии и/или пространственным распределением их лёгких осей намагничи- вания. Ещё одним фактом, который демонстрирует наличие перпендику- лярной анизотропии в образцах, является сопоставление концентра- ционных зависимости намагниченности 4πM, определённой с помо- щью магнитостатических измерений, и величины 4πMs eff, найден- ной из измерений ферромагнитного резонанса (ФМР) (рис. 5). Кроме анизотропии гранул, плёнки имеют лёгкоплоскостную анизотро- пию, связанную с фактором размагничивания образца как целого. Как уже упоминалось, это приводит к тому, что поле выхода намаг- ниченности на насыщающее значение в магнитостатических изме- рениях при намагничивании перпендикулярно плоскости плёнки а б Рис. 4. Кривые перемагничивания параллельно и перпендикулярно плос- кости для образца с x = 0,61 при Т = 80 К (а); температурная зависимость коэрцитивного поля для намагничивания параллельно и перпендикуляр- но плоскости плёнки для образца с x = 0,61 (б). ПЕРПЕНДИКУЛЯРНАЯ АНИЗОТРОПИЯ В НАНОГРАНУЛЯРНЫХ ПЛЁНКАХ 103 соответствует значению 4πM ± Hc. При этом вклада перпендикуляр- ной анизотропии гранул в магнитостатические свойства образцов при намагничивании перпендикулярно плоскости плёнки не будет. Исследования ФМР для намагничивания перпендикулярно плос- кости плёнки позволяют получить значение 4πMs eff = 4πMs − Ha⊥ для образцов через формулу Киттеля [22] (для случая ФМР при лёгко- плоскостной анизотропии), связывающей частоту резонатора, ω, ре- зонансное поле Hres и эффективную намагниченность: ω/γ = Hres − − 4πMs eff. Это соотношение будет выполняться, если резонансные линии ФМР для перпендикулярного намагничивания оказываются в области насыщения намагниченности плёнки (моменты всех гранул ориентированы одинаково). Как видно из рис. 5, полная намагни- ченность плёнки, как целого, определённая из магнитостатических измерений, заметно выше, чем значение 4πMs eff, получаемое из ФМР измерений. Следовательно, эффективная намагниченность, опреде- лённая с помощью ФМР, ниже на величину поля перпендикулярной анизотропии. И это поле может быть определено из разности кривых 4πMs и 4πMs eff, показанных на рисунке. Заметим, что приведённые концентрационные зависимости демонстрируют несколько разный угол наклона, и выделенная из них концентрационная зависимость Ha⊥ отличается от приведённой на рис. 3 в области концентраций гранул ниже порога перколяции. Последнее может быть связано с тем, что линия ФМР низкоконцентрированных образцов находится по полю в области, где ещё нет полного насыщения намагниченности системы. Исследования ФМР плёнок с перпендикулярной анизотропией гранул в области ненасыщенного состояния показывают целый ряд Рис. 5. Зависимость величины 4πMs eff образцов от концентрации кобальта, определённой с помощью магниторезонансных (1) и величины 4πMs, найденной из магнитостатических измерений (2). 104 С. М. РЯБЧЕНКО, А. А. ТИМОФЕЕВ, В. М. КАЛИТА и др. характерных особенностей. Во-первых, линия ФМР, зарегистриро- ванная на спектрометре с высокочастотной (ВЧ) модуляцией (100 кГц), имеет асимметричный вид, с широким низкополевым кры- лом. Пример такой асимметрии формы линии ФМР продемонстри- рован на рис. 6. Кроме того, образцы с высокой концентрацией магнитного компо- нента демонстрируют «гистерезис» ФМР при изменении направле- ния развёртки магнитного поля, т.е. различие спектров, при разных направлениях развёртки. И, наконец, производные по магнитному полю линий ФМР, зарегистрированных непосредственно по току де- тектора спектрометра, не соответствуют линиям, зарегистрирован- ным с использованием ВЧ-модуляции. Отмеченные особенности находят своё объяснение при учёте двух обстоятельств. Во-первых, при регистрации ФМР при перпендикулярном намагничивании в отсутствие насыщения магнитной системы, в образце присутствуют две подсистемы гранул, с намагниченностью, направленной по полю и против него. Наличие коэрцитивного поля ведёт к различию как частот ФМР, так и вкладов в сигнал ФМР от этих двух подсистем при разном направлении развёртки поля. Это объясняет наличие гисте- резиса ФМР. Во-вторых, если регистрация ФМР проходит при тем- пературе ниже температуры блокировки, то степень блокировки оказывается различной по отношению к медленной развёртке маг- нитного поля и по отношению к быстрой ВЧ-модуляции. Характер- ные «времена измерения» относительно этих процессов отличаются на 5—6 порядков при частоте модуляции 100 кГц. Данное обстоятель- ство оказывается ответственным за различие производной по полю Рис. 6. Спектры ферромагнитного резонанса для образцов с различной концентрацией кобальта, полученные при намагничивании образцов пер- пендикулярно плоскости плёнок. ПЕРПЕНДИКУЛЯРНАЯ АНИЗОТРОПИЯ В НАНОГРАНУЛЯРНЫХ ПЛЁНКАХ 105 сигнала ФМР, записанного по току детектора, и сигнала, зареги- стрированного по ВЧ-модуляции. Выполненное моделирование этих режимов регистрации ФМР показывает удовлетворительное соответ- ствие эксперименту. Данное соответствие ещё раз показывает, что наблюдаемая перпендикулярная анизотропия исследуемых плёнок обусловлена перпендикулярной анизотропией гранул, а не плёнки, как целого. Подробное описание этого моделирования и особенно- стей ФМР в плёнках с перпендикулярной анизотропией будут вы- полнены отдельно. 4. ВЫВОДЫ Таким образом, выполненные экспериментальные исследования наногранулярных ферромагнитных плёнок с гранулами Co в диэлек- трической матрице оксида алюминия позволили выявить наличие в этих плёнках ниже порога перколяции ростовой перпендикулярной анизотропии, связанной с анизотропией отдельных гранул. Выпол- ненный анализ концентрационных зависимостей резонансного поля ФМР также подтверждает присутствие этой перпендикулярной ани- зотропии. Показано, что коэрцитивность для намагничивания пер- пендикулярно плоскости плёнки значительно больше коэрцитивно- сти при намагничивании в плоскости плёнки. Снижение температу- ры приводит к росту коэрцитивности за счёт эффекта блокировки магнитных моментов отдельных гранул, при этом кривые перемаг- ничивания в поле, лежащем в плоскости плёнки, сохраняют свою линейность во всем интервале температур, при которых выполня- лись исследования. На основании анализа температурной модифи- кации кривых перемагничивания и анализа особенностей ФМР установлено, что перпендикулярная анизотропия связана именно с анизотропией отдельных гранул. Выявлены и интерпретированы особенности ФМР при перпендикулярном намагничивании в плён- ках с перпендикулярной анизотропией гранул. Работа выполнена при частичной финансовой поддержке сов- местного гранта Украинского государственного фонда фундамен- тальных исследований Ф28/251 и РФФИ № 09-02-90460 Укр_ф_а, а также проекта 1-10Н/19 целевой программы НАН Украины «Фундаментальные проблемы наноструктурных систем, наномате- риалов, нанотехнологий». ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. P. Grünberg, R. Schreiber, Y. Pang, M. B. Brodsky, and H. Sowers, Phys. Rev. Lett., 57: 2442 (1986). 2. M. N. Baibich, J. M. Broto, A. Fert, F. Nguyen Van Dau, F. Petroff, P. 106 С. М. РЯБЧЕНКО, А. А. ТИМОФЕЕВ, В. М. КАЛИТА и др. Eitenne, G. Creuzet, A. Friederich, and J. Chazelas, Phys. Rev. Lett., 61: 2472 (1988). 3. G. Binasch, P. Grünberg, F. Saurenbach, and W. Zinn, Phys. Rev. B, 39: 4828 (1989). 4. J. C. Slonczewski, JMMM, 159: L1 (1996). 5. D. C. Ralph and M. D. Stiles, JMMM, 320: 1190 (2008). 6. K. Xia, P. J. Kelly, G. E. W. Bauer, A. Brataas, and I. Turek, Phys. Rev. B, 65: 220401 (2002). 7. G. E. W. Bauer, K. M. Schep, K. Xia, and P. J. Kelly, J. Phys. D, 35: 2410 (2002). 8. M. Zwierzycki, Y. Tserkovnyak, P. J. Kelly, A. Brataas, and G. E. W. Bau- er, Phys. Rev. B, 71: 064420 (2005). 9. F. Benyettou, Y. Lalatonne, O. Sainte-Catherine, M. Monteil, and L. Motte, International Journal of Pharmaceutics, 379: 324 (2009). 10. K. Buyukhatipoglu, T. A. Miller, and A. Morss Clyne, Journal of Nanosci- ence and Nanotechnology, 9: 6834 (2009). 11. V. Mailänder and K. Landfester, Biomacromolecules, 10: 2379 (2009). 12. C. Xu and S. Sun, Dalton Transactions, Iss. 29: 5583 (2009). 13. S. V. Vonsovsky, Magnetism (New York: John Wiley: 1974). 14. L. Néel, Ann. Géophys., 5: 99 (1949). 15. C. L. Chien, Annual Review of Materials Science, 25: 129 (1995). 16. A. A. Timofeev, S. M. Ryabchenko, A. F. Lozenko, P. A. Trotsenko, O. V. Stognei, A. V. Sitnikov, and S. F. Avdeev, Low Temp. Phys., 33: 974 (2007). 17. Y. J. Chen, T. Suzuki, and H. Kanazawa, Journal of Applied Physics, 87: 4837 (2000). 18. T. Shimatsu, Y. Inaba, S. Watanabe, O. Kitakami, S. Okamoto, H. Aoi, H. Mu- raoka, and Y. Nakamura, IEEE Transactions on Magnetics, 43: 2103 (2007). 19. Y. Sun, W. Li, P. Dhagat, and C. R. Sullivan, Journal of Applied Physics 97: 1 (2005). 20. N. A. Tuan, N. H. Luong, N. Chau, V. V. Hiep, and N. M. Ha, Physica B: Condensed Matter, 327: 400 (2003). 21. J. Q. Xiao, C. L. Chien, and A. Gavrin, Journal of Applied Physics, 79: 5309 (1996). 22. А. Г. Гуревич, Г. А. Мелков, Магнитные колебания и волны (Москва: Наука: 1994).
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-73399
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	1816-5230
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T16:15:40Z
publishDate	2011
publisher	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
record_format	dspace
spelling	Рябченко, С.М. Тимофеев, А.А. Калита, В.М. Лозенко, А.Ф. Троценко, П.А. Стогней, О.В. Ситников, А.В. 2015-01-09T17:45:23Z 2015-01-09T17:45:23Z 2011 Проявление перпендикулярной анизотропии в наногранулярных ферромагнитных плёнках / С.М. Рябченко, А.А. Тимофеев, В.М. Калита, А.Ф. Лозенко, П.А. Троценко, О.В. Стогней, А.В. Ситников // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2011. — Т. 9, № 1. — С. 93-106. — Бібліогр.: 22 назв. — рос. 1816-5230 PACS numbers: 75.30.Gw, 75.50.Tt, 75.70.-i, 75.75.-c, 76.50.+g, 85.75.Bb https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/73399 Исследованы магнитные и магниторезонансные свойства наногранулярных плёнок Cox(Al2O3)1−x в зависимости от концентрации кобальта в композите x. Плёнки Cox(Al2O3)1−x толщиной 5 мкм выращены на ситалловой подложке по технологии ионно-лучевого распыления. По результатам магнитостатических исследований установлено, что у плёнок с объёмной фракцией кобальта, меньшей порога перколяции, наблюдается одноосная анизотропия с лёгкой осью, ориентированной перпендикулярно плоскости плёнки. Температурные исследования магнитостатических свойств вышеупомянутых плёнок показали, что перпендикулярная анизотропия связана именно с анизотропией гранул. Исследования ферромагнитного резонанса также подтверждают наличие перпендикулярной анизотропии. Выявлены особенности ферромагнитного резонанса при перпендикулярном намагничивании в плёнках с перпендикулярной анизотропией гранул. Досліджено магнетні і магнеторезонансні властивості наноґранульованих плівок Cox(Al2O3)1−x в залежності від концентрації кобальту в композиті x. Плівки Cox(Al2O3)1−x завтовшки 5 мкм вирощено на ситаловім підложжі за технологією йонно-променевого розпорошення. За результатами магнетостатичних досліджень встановлено, що у плівок з об’ємною фракцією кобальту, меншою за поріг перколяції, спостерігається одновісна анізотропія з легкою віссю, яка орієнтована перпендикулярно площині плівки. Температурні дослідження магнетостатичних властивостей вищезгаданих плівок показали, що перпендикулярна анізотропія пов’язана саме з анізотропією ґрануль. Дослідження феромагнетного резонансу також підтверджують наявність перпендикулярної анізотропії. Виявлено особливості феромагнетного резонансу при перпендикулярному магнетуванні в плівках з перпендикулярною анізотропією ґрануль. Magnetic and magnetoresonance properties of the nanogranular ferromagnetic Cox(Al2O3)1−x films are investigated in a wide range of the cobalt concentration (x) within the nanocomposite. The films with the nominal thickness of 5 μm were deposited on the glass ceramics substrates by the ion beamassisted deposition technique. The results of the magnetostatic investigation manifest a presence of the perpendicular uniaxial anisotropy with the easy axis directed along the normal of the films. The last one is conserved for all the samples with a volume fraction of the cobalt below the percolation threshold. The temperature-variation investigations of the magnetostatic properties of the above-mentioned films show that the perpendicular anisotropy is conditioned by the oriented anisotropy of the granules. Ferromagnetic resonance measurements prove a presence of the perpendicular anisotropy. Features of ferromagnetic resonance in perpendicular magnetic field are revealed in the films with perpendicular anisotropy of granules. Работа выполнена при частичной финансовой поддержке совместного гранта Украинского государственного фонда фундаментальных исследований Ф28/251 и РФФИ № 09-02-90460 Укр_ф_а, а также проекта 1-10Н/19 целевой программы НАН Украины «Фундаментальные проблемы наноструктурных систем, наноматериалов, нанотехнологий». ru Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Проявление перпендикулярной анизотропии в наногранулярных ферромагнитных плёнках Manifestation of Perpendicular Anisotropy in Nanogranular Ferromagnetic Films Article published earlier
spellingShingle	Проявление перпендикулярной анизотропии в наногранулярных ферромагнитных плёнках Рябченко, С.М. Тимофеев, А.А. Калита, В.М. Лозенко, А.Ф. Троценко, П.А. Стогней, О.В. Ситников, А.В.
title	Проявление перпендикулярной анизотропии в наногранулярных ферромагнитных плёнках
title_alt	Manifestation of Perpendicular Anisotropy in Nanogranular Ferromagnetic Films
title_full	Проявление перпендикулярной анизотропии в наногранулярных ферромагнитных плёнках
title_fullStr	Проявление перпендикулярной анизотропии в наногранулярных ферромагнитных плёнках
title_full_unstemmed	Проявление перпендикулярной анизотропии в наногранулярных ферромагнитных плёнках
title_short	Проявление перпендикулярной анизотропии в наногранулярных ферромагнитных плёнках
title_sort	проявление перпендикулярной анизотропии в наногранулярных ферромагнитных плёнках
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/73399
work_keys_str_mv	AT râbčenkosm proâvlenieperpendikulârnoianizotropiivnanogranulârnyhferromagnitnyhplenkah AT timofeevaa proâvlenieperpendikulârnoianizotropiivnanogranulârnyhferromagnitnyhplenkah AT kalitavm proâvlenieperpendikulârnoianizotropiivnanogranulârnyhferromagnitnyhplenkah AT lozenkoaf proâvlenieperpendikulârnoianizotropiivnanogranulârnyhferromagnitnyhplenkah AT trocenkopa proâvlenieperpendikulârnoianizotropiivnanogranulârnyhferromagnitnyhplenkah AT stogneiov proâvlenieperpendikulârnoianizotropiivnanogranulârnyhferromagnitnyhplenkah AT sitnikovav proâvlenieperpendikulârnoianizotropiivnanogranulârnyhferromagnitnyhplenkah AT râbčenkosm manifestationofperpendicularanisotropyinnanogranularferromagneticfilms AT timofeevaa manifestationofperpendicularanisotropyinnanogranularferromagneticfilms AT kalitavm manifestationofperpendicularanisotropyinnanogranularferromagneticfilms AT lozenkoaf manifestationofperpendicularanisotropyinnanogranularferromagneticfilms AT trocenkopa manifestationofperpendicularanisotropyinnanogranularferromagneticfilms AT stogneiov manifestationofperpendicularanisotropyinnanogranularferromagneticfilms AT sitnikovav manifestationofperpendicularanisotropyinnanogranularferromagneticfilms

Проявление перпендикулярной анизотропии в наногранулярных ферромагнитных плёнках

Репозитарії

Схожі ресурси