СОДЕРЖАНИЕ
Введение.....................................................................5
Глава 1. Применение методов МСМ для исследования магнитных состояний
ферромагнитных наноструктур (литературный обзор)...................12
1.1. Магнитно-силовая микроскопия........................................12
1.1.1. Зонды магнитно-силового микроскопа..............................17
1.1.2. Влияние ноля МСМ зонда на распределение намагниченности
исследуемого объекта............................................19
1.1.3. Компьютерное микромагнитнос моделирование в магнитно-силовой микроскопии............................................................21
1.2. Исследования магнитных состояний субмикронных ферромагнитных частиц...................................................................24
1.2.1. Антивихревое распределение намагниченности......................26
1.2.2. Доменные стенки в нанопроволоках................................30
1.2.3. Геометрически фрустрированные магнитные системы.................34
1.3. Выводы..............................................................38
Глава 2. Эффекты магнитостатического взаимодействия зонда МСМ
с образцом.........................................................40
2.1. Поле рассеяния зонда магнитно-силового микроскопа...................43
2.2. Влияние взаимодействия полей образца и зонда магнитно-силового микроскопа на формирование МСМ изображений.........................45
2.2.1. Эффекты, связанные с изменением траектории движения зонда в магнитном поле образца.................................................46
2.2.2 Возмущение распределения намагниченности образца
полем зонда МСМ...................................................48
2.3 Воздействие поля зонда магнитно-силового микроскопа
на магнитный вихрь....................................................56
2.3.1.Энергия взаимодействия магнитного вихря с полем зонда МСМ 56
2.3.2.Воз действие поля зонда МСМ на намагниченность кора вихря........57
2.3.3.Воздействие поля зонда МСМ на намагниченность оболочки вихря 59
2.3.4.Компьютерное моделирование смещения магнитного вихря в поле зонда МСМ..............................................................61
2.4. Индуцируемое зондом МСМ перемагничивание частиц с перпендикулярной
анизотропией..........................................................65
2.4.1. Экспериментальные исследования индуцированного зондом перемагничивания частиц СоР1...........................................66
2.4.2. Микромагнитное моделирование индуцированного зондом МСМ перемагничивания частиц................................................69
2.5. Оценка предельной плотности записи на массивах магнитных наночасгиц с помощью зонда МСМ........................................................74
2.5.1. Анализ зависимости амплитуды фазового контраста от формы и размера зонда..........................................................74
2.5.1.1. Сферический зонд...........................................76
2.5.1.2. Зонд в форме цилиндра......................................78
2.5.1.3. Зонд в форме параболоида...................................79
2.5.1.4. Зонд в форме параболоида с магнитным покрытием.............81
2.5.2. Оптимизация параметров системы для записи информации на основе массива ферромагнитных частиц и магнитно-силового микроскопа 82
2.6. Выводы...............................................................88
Глава 3. Магнитные состояния ферромагнитных наночастиц сложной формы 90
3.1. Магнитные состояния частиц крестообразной формы......................91
3.1.1. Экспериментальные исследования магнитных состояний в крестообразных частицах..............................................92
3.1.2. Перемагничивание крестообразных частиц несимметричной формы в однородном магнитном поле....................................96
3.1.3. Индуцированное полем зонда магнитно-силового микроскопа перемагничивание симметричных крестообразных частиц..................99
3.2. Магнитные состояния в гофрированной пленке Со.......................109
3.3. Выводы..............................................................115
Глава 4. Магнитные состояния ферромагнитных наносистем с сильным
магнитостатическим взаимодействием................................117
4.1 Эффекты пиннинга доменной стенки в гибридной системе нанопроволока-наночастицы..............................................................1
3
4.1.1. Теоретический анализ энергии доменной стенки в ферромагнитной нанопроволоке и микромагнитнос моделирование движения и пиннинга доменной стенки........................................119
4.1.2. Экспериментальные МСМ исследования эффекта пиннинга доменной стенки.................................................131
4.1.3.Магнитная логическая ячейка..............................137
4.2. Коллективные эффекты во фрустрированных массивах ферромагнитных наночастиц на гексагональной решетке................................139
4.2.1. Микромагнитное моделирование процессов перемагничивания
массивов наночастиц........................................141
4.2.2 Экспериментальные исследования эффектов перемагничивания
массивов наночастиц........................................144
4.2.2.1. Массив из шести частиц в однородном магнитном поле..145
4.2.2.2. Массив из шести частиц в поле зонда магнитно-силового микроскопа...................................................147
4.2.2.3. Перемагничивание большого плотноупакованного массива наночастиц в однородном магнитном поле.......................150
4.2.3. Ферромагнитный резонанс в массиве из шести частиц.......152
4.3 Выводы..........................................................154
ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................157
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.....................................................159
СПИСОК РАБОТ АВТОРА...................................................171
4
Введение
Исследование свойств ферромагнитных наноструктур представляет интерес, обусловленный широкими возможностями их применения в современных приборах микроэлектроники. Такие струкгуры используются в качестве среды для записи информации, источников неоднородного магнитного поля, датчиков магнитного поля, а так же для разработки элементов магнитных логических устройств. Одним из наиболее информативных и широко распространенных методов исследования распределения намагниченности субмикроиных объектов является магнитно-силовая микроскопия. Данная диссертационная работа посвящена развитию методов магнитно-силовой микроскопии и их применению в исследованиях неоднородных состояний в искусственно созданных ферромагнитных наноструктурах.
В работе рассмотрены основные особенности метода магнитно-силовой микроскопии и решен ряд методологических проблем:
- изучено влияние зонда магнитно-силового микроскопа (МСМ) на структуру намагниченности образцов;
- исследовано влияние размера и формы зондов МСМ на величину амплитуды фазового контраста от малых ферромагнитных нанообъектов;
- разработаны методики контролируемого селективного изменения магнитного состояния ряда нанообъектов при помощи поля зонда МСМ.
Методы магнитно-силовой микроскопии были применены для исследования широкого круга ферромагнитных структур, представляющих собой интерес как с фундаментальной, так и с практической точки зрения:
- были проведены исследования магнитных состояний в частицах крестообразной формы и разработаны методики формирования в них необычного распределения намагниченности, получившего в литературе название магнитного антивихря. Структуры с антивихревым распределением представляют интерес в связи их необычными транспортными свойствами, а так же в связи с возможностями их использования в новых логических схемах [1-4];
- исследованы эффекты пиннинга доменной стенки локальным магнитным полем в ферромагнитной системе, представляющей собой нанопроволоку и две частицы.
5
Подобные системы представляют собой интерес в связи с перспективами создания на их основе приборов магнитной логики;
- изучены особенности перемагничивания • плотноупакованного массива ферромагнитных анизотропных однодоменных частиц, упорядоченных на решетке с гексагональной симметрией. Такие массивы перспективны для создания пассивных перестраиваемых фильтров СВЧ диапазона.
Актуальность представленной работы обусловлена важностью изучаемых объектов, а так же перспективностью методов, развиваемых для их исследования.
Цели и задачи диссертационной работы
Целью диссертационной работы являлось развитие методик магнитно-силовой микроскопии и их применение для исследований неоднородных распределений намагниченности в ферромагнитных субмикронных структурах.
Основными задачами данной работы являлись:
• Исследование причин возникновения искажений на магнитно-силовых изображениях в виде неравной интенсивности минимумов и максимумов распределения контраста.
•Разработка методики формирования антивихревого состояния в ферромагнитных частицах крестообразной формы.
•Изучение особенностей формирования МСМ контраста от ферромагнитной наногофрированной пленки.
• Исследование эффектов пиннинга доменной стенки в ферромагнитной нанопроволоке локальным магнитным полем наночастиц.
Научная новизна
1. Проведен анализ факторов, приводящих к искажениям МСМ изображений, проявляющихся в виде различной интенсивности минимумов и максимумов МСМ контраста, и показано, что основной причиной их возникновения является возмущение намагниченности образца вертикальной компонентой поля зонда МСМ.
2. Впервые было экспериментально реализовано антивихревое магнитное состояние в ферромагнитных частицах крестообразной формы.
6
3. Исследованы особенности распределения намагниченности в ферромагнитной пленке, нанесенной на слой сферических частиц ПММА (полиметилметакрилат). Показано, что два типа экспериментально регистрируемых МСМ изображений от такой структуры соответствуют квазиоднородиому - меридиональному и вихревому распределению намаг ниченности в полусферах.
4. Предсказан и экспериментально зарегистрирован эффект управляемого пиннинга доменной стенки в системе ферромагнитная нанопроволока - ферромагнитные наночастицы, обусловленный взаимодействием доменной стенки с полями рассеяния наночастиц.
Практическая значимость
1. Разработаны две экспериментальные методики, позволяющие формировать антивихревое состояние в ферромагнитных частицах крестообразной формы. Первая методика основана на перемагничивании асимметричных крестообразных частиц в однородном внешнем иоле, вторая - на несимметричном воздействии зонда магнитно-силового микроскопа на распределение намагниченности в симметричной частице.
2. Экспериментально реализована ферромагнитная система, представляющая собой нанопроволоку и две частицы, в которой наблюдался контролируемый пиннинг доменной стенки при помощи локального магнитного поля частиц. На основе этой системы предложен прототип магнитной логической ячейки, реализующей функцию «Исключающее ИЛИ».
Личный вклад автора
Автор принимал активное участие в постановке задач и проведении исследований.
Исследования влияния поля зонда магнитно-силового микроскопа на намагниченность исследуемого образца проведены автором совместно с В.Л.Мироновым, А.А.Фрасрманом, Б.А.Грибковым [А1-А5]. Автором были выполнены теоретические оценки и компьютерное моделирование.
Исследования магнитных состояний в крестообразных частицах проведены совместно с В.Л.Мироновым и А.А.Фраерманом. [А7, А8]. Исследования магнитных состояний в ферромагнитной пленке, нанесенной на слой круглых частиц проведены
7
совместно с М.В.Саножниковым [А6]. Исследования эффекта пиннинга доменной стенки в ферромагнитной нанопроволоке и исследования поведения массива частиц, упорядоченных на гексагональной решетке ,'были проведены совместно с В.Л.Мироновым и Е.В.Скороходовым [А9, А10]. Все магнитно-силовые измерения и микромагнитное моделирование были выполнены автором.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Искажения магнитно-силовых изображений в виде неравной интенсивности минимумов и максимумов распределения контраста обусловлены возмущением распределения намагниченности образца под действием перпендикулярной компоненты поля зонда магнитно-силового микроскопа.
2. Ангивихревое магнитное состояние в ферромагнитных частицах крестообразной
формы может быть сформировано либо путем перемагничивания асимметричной
частицы в однородном внешнем поле, либо при воздействии поля зонда магнитно-силового микроскопа на симметричную частицу.
3. Экспериментально зарегистрированные распределения МСМ контраста от гофрированной ферромагнитной пленки, нанесенной на слой сферических наночастиц, соответствуют квазиоднородному - меридиональному и вихревому состояниям намагниченности в магнитных полусферах.
4. В ферромагнитной системе, состоящей из нанопроволоки и двух наночастиц,
реализуется управляемый линпинг доменной стенки, обусловленный
взаимодействием намагниченности нанопроволоки с полями рассеяния наночастиц.
Апробация результатов
Результаты диссертационной работы докладывались на 16 российских и международных конференциях. В их число входят:
• X, XI, XIII, XIV, XV, XVI Международные симпозиумы "Нанофизика и наноэлектроника", (Н .Новгород, 2006, 2007, 2009, 2010, 2011, 2012 гг.).
8
• XV, XVII, XVIII Российские симпозиумы по электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел (Черноголовка, 2007, 2011, 2012
ГГ.). • • !•
• XXI международная конференция “Новое в магнетизме и магнитных материалах” (Москва 28 мая - 4 июня 2009 г.).
• International conference on nanoscale magnetism (ICNM-2010), (Gcbze, Turkey, September 28 -October 2, 2010.).
• IX международная конференция “Методологические аспекты сканирующей зондовой микроскопии”“БелСЗМ-2010” (Беларусь, Минск, 12-15 октября 2010, г.).
• IV Euro-Asian Symposium "Trends in MAGnetism" Nanospintronics (Ekaterinburg, Russia, June 28-July 2, 2010.).
• International symposium “Nano and Giga challenges in electronics, photonics and renewable energy” (“NGC 2011”), (Moscow, Russia, September 12-16, 2011.).
• International Conference "Functional Materials" ("ICFM - 2011"), (Ukraine, Crimea, Partenit, October 3 - 8, 2011.).
• International conference "Micro- and Nanoelectronics-2012" (Zvenigorod, Russia, October 1-5,2012.).
Публикации
Результаты работы опубликованы в оригинальных статьях в отечественных и зарубежных журналах, сборниках трудов и тезисов докладов на научных конференциях. Всего по материалам диссертации опубликовано 35 работ, из них 10 журнальных статей. Полный список публикаций автора по теме диссертационной работы приведен в конце диссертации.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 175 страниц. Диссертация содержит 101 рисунок. Список литературы включает 123 наименования.
9
Содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы исследований, изложены цели работы и методы решения поставленных задач, дана общая характеристика выполненных исследований, отражена научная новизна полученных результатов.
Глава 1 представляет собой обзор литературы по основным вопросам, рассмотренным в диссертации. Приведен обзор работ по магнитно-силовой микроскопии, в частности, изучена проблема влияния поля зонда магнитно-силового микроскопа на распределение намагниченности в исследуемых объектах. Представлены работы, посвященные исследованиям неоднородных распределений намагниченности в ферромагнитных субмикронных частицах. Рассмотрен ряд работ, в которых теоретически и экспериментально изучалось антивихревое магнитное состояние. Проанализированы проведенные различными авторами исследования движения и пиннинга доменных стенок в ферромагнитных нанопроволоках. Проведен обзор работ по исследованиям искусственно созданных геометрически фрустрированных систем.
Глава 2 посвящена исследованиям влияния поля зонда магнитно-силового микроскопа на намагниченность исследуемого образца. Проанализированы основные факторы, приводящие к искажению магнитно-силовых изображений, и показано, что основной причиной является возмущение намагниченности образца полем зонда МСМ. Еще одной рассмотренной задачей является развитие методик изменения магнитного состояния исследуемых образцов при помощи ноля зонда МСМ. В данной главе метод индуцированного зондом перемагничивания применялся для исследования особенностей перемагничивания таких структур, как частицы с вихревым распределением намагниченности и частица СоР1 с анизотропией типа легкая ось, перпендикулярной поверхности образца. Кроме того, в главе приведены результаты исследований, посвященных исследованию зависимостей амплитуды фазового контраста и разрешения магнитно-силового микроскопа от размера и формы зондов МСМ.
Глава 3 посвящена исследованиям магнитных состояний в частицах сложной формы. Приведены исследования состояний в ферромагнитных частицах крестообразной формы. Предложено две методики, приводящие к устойчивому формирования ангивихревого состояния в таких частицах. Так же в главе приведены исследования магнитных состояний в ферромагнитной пленке, нанесенной на слой круглых частиц, и изучены особенности формирования МСМ контраста от такого объекта.
10
Глава 4 посвящена изучению магнитных свойств систем, в которых большую роль играет магнитостатическос взаимодействие между отдельными элементами. В первом параграфе приведены результаты исследований процессов пиннинга доменной стенки локальным магнитным полем в ферромагнитной системе, представляющей собой нанопроволоку и частицы. Во втором параграфе представлены результаты исследований особенностей процесса перемагничивания массива ферромагнитных однодоменных частиц, упорядоченных на решетке с гексагональной симметрией.
В заключении кратко сформулированы основные результаты работы.
11
Глава 1. Применение методов МСМ для исследования магнитных состояний ферромагнитных наноструктур (литературный обзор)
В настоящей главе рассмотрены особенности формирования фазового контраста в методе магнитно-силовой микроскопии. Рассмотрена проблема влияния нолей рассеяния зонда на магнитное состояние объектов исследования. Приведен обзор работ, посвященных исследованиям особенностей магнитных состояний в субмикронных ферромагнитных объектах в зависимости от их геометрических размеров и формы.
1.1. Магнитно-силовая микроскопия
Магнитно-силовая микроскопия на сегодняшний день является одним из наиболее распространенных и информативных методов исследования локальных состояний намагниченности в ферромагнитных наноструктурах [1,2]. Принцип действия магнитно-силового микроскопа основан на измерении силы взаимодействия магнитного зонда с намагниченностью исследуемого объекта. Маг нитный зонд представляет собой тонкую иглу, покрытую ферромагнитным материалом и расположенную на упругой консоли (кантилевер). Сила, действующая на зонд со стороны поверхности, приводит к изгибу консоли. Регистрируя величину изгиба, можно контролировать силу взаимодействия зонда с образцом. В зондовой микроскопии наиболее широкое распространение получил оптический метод регистрации изгиба консоли [3,4]. Оптическая система микроскопа юстируется таким образом, чтобы излучение полупроводникового лазера фокусировалось на консоли зондового датчика, а отраженный пучок попадал в центр фоточувствительной области фотоприемника [рис. 1.1]. В качестве позиционно - чувствительных фотоприемников применяются четырехсекционные полупроводниковые фотодиоды или фотодиодные матрицы.
12
Рис. 1.1. Схема оптической регистрации отклонения консоли зонда [5].
Основные регистрируемые оптической системой параметры - это деформации изгиба консоли под действием Z-кoмпoнeнт сил притяжения или отталкивания (Т7^) взаимодействия зонда с образцом. Если обозначить исходные значения фототока в секциях фотодиода через 10/, 102, 1оз. 1о4> а через //, /?, 13, 14 - значения токов после изменения положения консоли, то разностные токи с различных секций фотодиода АI, = I, -10, будут однозначно характеризовать величину и направление изгиба консоли зондового датчика МСМ. Разность токов вида
А1,=(А1х+А1г)~(А1,+А1,) (1.1)
пропорциональна изгибу консоли под действием силы, действующей по нормали к поверхности образца.
Наиболее часто при магнитно-силовых измерениях применяются бесконтактные колебательные методики измерения [5]. С помощью встроенного пьезовибратора возбуждаются колебания кантилевера на частоте вблизи его механического резонанса. При перемещении зондового датчика вдоль исследуемой поверхности регистрируются изменения параметров колебаний, вызванные магнитным взаимодействием с образцом. Наиболее часто в качестве величины МСМ контраста измеряют сдвиг фазы колебаний кантилевера.
Основные черты процессов, происходящих при взаимодействии колеблющегося кантилевера с поверхностью, можно понять на основе модели сосредоточенной массы [6], в которой зондовый датчик представляется в виде упругой консоли с жесткостью к с
13
массой т, сосредоточенной на одном конце, в то время как другой конец консоли закреплен на пьезовибраторе ПВ [рис. 1.2].
к
г(0 :
▼
Рис. 1.2. Модель зондового датчика в виде упругой консоли с массой на конце.
Пьезовибратор совершает гармонические колебания с частотой со:
и = иоСоз(со I). (1.2)
В бесконтактном режиме кантилевер совершает вынужденные колебания с малой амплитудой порядка нескольких нанометров. При приближении зонда к поверхности на кантилевер начинает действовать дополнительная магнитная сила со стороны образца:
Ёл(г) = -УЕ = \(М(г')Л/)Н(г + ?'№ (1.3)
Г,
где М - магнитный момент единицы объема зонда, Н - магнитное поле, создаваемое образцом, интегрирование проводится по всему объему магнитного материала зонда [рис. 1.3].
Если зонд МСМ находится на расстоянии г0 от поверхности, то для малых колебаний
14
и=и(0
можно записать:
= ~(z,)-z{t).
(1.4)
Тогла уравнение движения такой колебательной системы запишется в виде:
па = -к (г - и) - у г + + Рл , (1.5)
где член пропорциональный первой производной уг учитывает силы вязкою трения со стороны воздуха, а посредством Р0 обозначена сила тяжести и другие возможные постоянные силы.
Вводя новые переменные: 2 - 2 + (Р0 + /гт0)/^, приходим к уравнению:
mi + yz + (к - Ft ) • z = ku0Cos (cot). (1.6)
Т.е. наличие градиента сил приводит к изменению эффективной жесткости системы:
Км=к~р'.- О-7)
Производя стандартные преобразования, получаем следующее уравнение:
2 + —- Z + | СО І---------
Q
т
z - colu0Cos (cot),
(1.8)
где 0 = о)0т/у - добротность системы.
Фазово-частотная характеристика системы в присутствие неоднородной силы, найденная из уравнения (1.8) записывается в виде:
ф( (о) = arctg
(О (On
0>1 — О}2 — —*■
Q
т
(1-9)
Наличие градиента силы взаимодействия зонда с поверхностью образца приводит к сдвигу ФЧХ, так что точка ее перегиба со* находится на частоте:
со =сопл1 и А (0-С0л-со -со.
-м
(1.10)
Если кантилсвер вдали от поверхности совершает вынужденные колебания на частоте
15
- Київ+380960830922