Магнитные резонансы в наноструктурированных магнетиках

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук,
ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»
---------» _. На правах рукописи
Столяр Сергей Викторович МАГНИТНЫЕ РЕЗОНАНСЫ В НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ МАГНЕТИКАХ
Специальность - 01. 04. 11 - физика магнитных явлений
Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
Научный консультант д.ф.-м.н., профессор Исхаков Р.С.
Красноярск - 2012
5
13
13
18
22
27
36
38
42
46
51
53
53
54
57
65
65
70
76
ВВЕДЕНИЕ
2
СОДЕРЖАНИЕ
ГЛАВА 1. ФЕРРОМАГНИТНЫЙ И СПИН-ВОЛНОВОЙ РЕЗОНАНС В ПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУРАХ
1.1 Явление ферромагнитного резонанса (ФМР) и
спин-вол нового резонанса (СВР)
1.2 Корреляционная спин-волновая спектроскопия
1.3 Общая характеристика обменносвязанных слоистых структур
1.4 Ферромагнитный резонанс в обменносвязанных структурах
1.5 Ферромагнитный резонанс в обменносвязанных структурах в перпендикулярной конфигурации
1.6 Сиин-волновой резонанс в сэндвичах ферромагнетик/немагнитный металл/ферромагнетик
1.7 Спин-волновой резонанс в мультислойных структурах в перпендикулярной конфигурации
1.8 Магнонныс кристаллы Постановка задачи.
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОБМЕННЫХ СПИНОВЫХ ВОЛН В ФЕРРОМАГНИТНЫХ ПЛЕНКАХ С ИЗОТРОПНЫМИ И АНИЗОМЕРНЫМИ МАГНИТНЫМИ ІІЕОДІЮРОДНОСТЯМИ
2.1 Изучение закона дисперсии спиновых волн неоднородных Гсі-хМіх пленок
2.1.1 Структура и магнитные свойства пленок Ееі-хКіх, полученных методом термического испарения.
2.1.2 СВР и спин-волновая сиекгроскония сплавов Геі.хМіх, полученных методом термического напыления
2.2 ФМР и СВР в напокристалличсских пленках сплавов Ге(С), Со(С), полученных методом импульсно - плазменного испарения (ИЛИ)
2.2.1. Мегастабильные пленки Ре(С), полученные методом ИПИ
2.2.2. Регистрация флуктуаций намагниченности в пленках наиокристаллическнх метастабильных сплавов Ге(С,В).
2.2.3. ФМР и СВР в пленках сплава Со(С), полученные методом ИПИ
2.3 Спин-волновой резонанс в мультислойных пленках - одномерных
магнонных кристаллах
2.3.1 Спин-волновой резонанс в мультислойных пленках Nii.xFexZNii.yFey.
Правила идентификации
2.3.2 Сиин-волновой резонанс в мультислойной структуре Соі.хРх/Со,.уРу как метод регистрации брегговских щелей в спектре спиновых волн
ГЛАВА З.СТАТИЧЕСКИЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ОБМЕННОСВЯЗАННЫХ ПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУР РЗМ-ПМ фу Со, 1ЪРс)/№Ге
3.1 Явлениеоднонаправленной анизотропии в пленочных структурах
3.2 Магнитные свойства аморфных ферримагнитных пленок сплавов БуСо
3.3 Исследования методом ферромагнитного резонанса обменносвязанных структур ЭуСо((1-700А).ТЛ Ре(100<Х<1 ОООА)
3.4. ФМР и СВР двухслойных структур ОуСоЛМіРе
3.5. ФМР и СВР трсхслойных структур NiFe/DyCo/NiFe
3.6. Исследования по квазистатическому перемагничиванию структур ИуСо/МРс
3.7. Мессбауэровские исследования пленок аморфных сплавов ТЬБе в области компенсационных составов
ГЛАВА 4. ФЕРРОМАГНИТНЫЙ И СПИН-ВОЛНОВОЙ РЕЗОНАНС В ОБМЕНІЮСВЯЗАЇ П1ЫХ ПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУРАХ “фсрромагнстик,7Си,Рс1,ОуСо/,,фсрромагнстик”
4.1 Введение
4.2 Ферромагнитный резонанс в трехслойных обменносвязанных структурах №Ре/Си/№Ре
4.3 Спин-волновой резонанс в трсхслойных обменносвязанных структурах №Рс/Си/МРс
4.4 Особенности структуры и резонансных свойств об.менносвязанных пленок Со/Рсі
4.4.1 Многослойные плотноупакованные структуры в пленках сплава СоРсі
4.4.2 Дсфекгность мультислойных струкгур Со/Р(1
4.5. Спин-волновой резонанс в мультислойных пленках Со/Рс1
4.6. Спин-волновой резонанс в обменносвязанных структурах №Ре( 1000А)/1)ухСо,.х(</)/№Ре( 1 ОООА)
4
ГЛАВА 5. СТРУКТУРА И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА НАНОЧАСТИЦ ФЕРРИГИДРИТА БИОГЕННОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ 179
5.1 Получение, структура, свойства Mai nитных наночастиц 179
5.1.1 Наночастицы биогенного происхождения 180
5.1.2 Биогенные магнитные наночастицы 183
5.1.3 Магнитные свойства наночастиц антиферромагнетика 188
5.2 Изучение особенностей структуры и магнитных свойств наночастиц, синтезируемых бактериями Klebsiella Oxytoca 189
5.3 Мессбауэровское исследование температурных превращений
в бактериальном ферригидритс 203
5.4 Магнитные свойства наночастиц Fe(Gd)203*nH20, синтезированных бактериями 212
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 217
ПРИЛОЖЕНИЕ Определение проникающей способности магнитных наночастиц в биоткани под действием магнитного внешнею поля in vivo 224
ЛИТЕРАТУРА
228
5
ВВЕДЕНИЕ
Термин “нанотехнологии” отражает наиболее характерный признак различных материалов - масштаб, в котором происходит изготовление материалов с новыми физическими свойствами, объединяющий разнородные области исследовательской деятельности [1]. Нанотехпологая развивается как междисциплинарная отрасль знаний, включая в себя медицину, биологию, химию и физику. Хотя значительные успехи достигнуты в областях, связанные с химией и биологией, наиболее подверженной влиянию бурного развития нанотехнологий является, безусловно, физика.
Физика тонких пленок оказалась неразрывно связанной с развитием нанотехнологий. Пленочные технологии предоставляют возможность по получению как сверхтонких, нанометровой толщины пленок, так и комбинированных пленочных гетероструктур с размерами структурных блоков (или неоднородностей) наномстрового маштаба. Эти материалы облачают уникальным набором магнитных, электрических и оптических свойств, которые могут варьироваться в широких пределах путем изменения размера зерна в нанокристаллических пленках, либо периода модуляции в мультислойных структурах. К настоящему моменту, в мультислойных структурах уже обнаружен ряд уникальных физических эффектов, имеющих большое прикладное значение: эффект
перпендикулярной магнитной анизотропии [2]; эффект гигантского и анизотропного магнитосопротивления [3], а также и другие. В связи с совершенствованием технологии выращивания пленок магнитных материалов с малой магнитной вязкостью значительно повысился интерес к изучению процессов распространения спиновых волн, обусловленный возможностью их применения в устройствах спинволновой микроэлектроники, наноэлектроники и в устройствах СВЧ-техники. [4]. Спиновые волны представляют собой распространяющиеся нарушения однородности намагниченности. В зависимости от механизма взаимодействия спинов, спиновые волны делятся на длинные мапштостатические (преобладает магнитодиполыюе взаимодействие) и на короткие обменные спиновые волны. Хотя обменные спиновые волны были предсказаны раньше, чем мапштостатические, однако в экспериментальном плане они изучены гораздо меньше. Методы ферромагнитного (ФМР) и спин-волнового резонанса (СВР) являются наиболее простыми и наглядными экспериментальными методиками, позволяющие изучать спиновые волны в наноструктурированных пленочных магнетиках. Эффекты, возникающие при возбуждении обменных спиновых волн методом ФМР в наноструктурированных пленочных структурах, характеризующихся размером ~ 100А, обусловлены пространственным расположением этих составляющих наноструктуры и величиной обменного взаимодействия между этими составляющими. При возбуждении
6
спиновых волн в наноструктурированных магнетиках (аморфных и нанокристаллических сплавах), характеризующихся изотропным распределением магнитных неоднородностей, существует критическая длина спиновой волны: волны с длинами большими и меньшими характерного размера магнитной составляющей (магнитной неоднородности) характеризуются разными величинами обменной жесткости. Данный эффект лежит в основе метода корреляционной спин-волновой спектроскопии (СВС) [5]. В настоящее время СВС хорошо развита для пленок и является мощным материаловсдческим неразрушающим методом изучения магнитной микроструктуры наноструктурированных магнетиков, при условии попадания размера магнитной неоднородности в диапазон длин волн, возбуждаемых при СВЧ-измерении. Мультислойные пленки, представляющие наноструктуру с анизомерным распределением магнитных параметров, или с одномерной модуляцией параметров спиновой системы, с точки зрения корреляционной спин-волновой спектроскопии являются объектами с анизомерным характером распределения флуктуаций магнитных параметров вдоль оси ъ . Спектр спиновых воли в мультислойных пленках должен характеризоваться новой особенностью закона дисперсии волн (наличием щели в дисперсионном законе) при длине спиновой волны А = 2(Л\ + где (<1\ + (1т) - период мультислой ной структуры, а с//, - толщины индивидуальных
слоев. Эго явление обусловлено рассеянием спиновых волн на периоде модуляции магнитных параметров. В методе СВР экспериментальная методика позволяет регистрировать до десяти стоячих обменных спиновых волн в диапазоне волновых векторов к= 105^106ст’' и восстанавливать в этой области дисперсионный закон со~к2. Следовательно, для наблюдения энергетической щели в дисперсионном законе волновой вектор края зоны Бриллюэна кь=]г/(с1г* мультислойной пленки толщиной £=№(У/+£/у должен быть подогнан в середину измеряемого волнового диапазона. Существовала большая теоретическая [6 и другие] и экспериментальная [7] активность при изучении данного вопроса. Однако экспериментальной регистрации щели в спектре обменных спиновых волн, возбуждаемых методом СВР, не было.
В мультислойных пленках ферромагнетик/немагнитный металл или в трехслойных сэндвичах (слоистых наноструктурах с анизотропным распределением магнитных параметров) величина междуслойного обменного взаимодействия | «/* | —>0, т.е. она на порядки меньше величины обменного взаимодействия спинов внутри ферромагнитных слоев. В данном случае, спектр ФМР таких трехслойных сэндвичей будет характеризоваться акустическим (с одной фазой) и оптическим (в противофазе) колебаниями векторов намагниченности в ферромагнитных слоях [8]. Основная часть экспериментальных работ, посвященных данной проблеме, выполнена на структурах в
которых, как правило, <1рм<10 нм, а толщина проводящей прослойки составляет несколько нанометров. Диапазон толщин ферромагнитных слоев определялся условием на длину спиновой диффузии; требование наличия эффекта гигантского магнитосопротивлсния в таких структурах при условии отрицательной величины междуслойного обменного взаимодействия ферромагнитных слоев накладывает сильное неравенство 1я>бкм- При увеличении толщины ферромагнитного слоя величина ЛЯУЩН) уменьшается, что обусловлено уменьшением относительного числа электронов проводимости, рассеивающихся на неколлинеарных векторах намагниченности ферромагнитных слоев при отрицательной величине связи. Увеличение толщины ферромагнитных слоев будет вызывать следующие эффекты: во-первых, величина и знак обменного взаимодействия слоев может меняться [9], во-вторых, для брм ~100 пт возникает феноменологическое определение поверхности с заданной величиной поверхностной анизотропии, действующей лишь на поверхностные спины и приводящей к неоднородному распределению намагниченности но толщине слоя. В магнитных полях, превышающих ноле насыщения в СВЧ - экспериментах, будут возникать стоячие спиновые волны в ферромагнитных слоях с узлами, расположенными на поверхностях ферромагнитных слоев [10]. По аналогии с оптической модой ФМР (к=0) для сэндвичей с тонкими ферромагнитными слоями, для ферромагнитных слоев с сМООпт следует ожидать акустический спектр с оптическими сателлитами (к^О). Однако, какой закон дисперсии для такого типа колебаний, до предлагаемой диссертационной рабо ты было неизвестно.
Эффект ГМС в основном используется в спин-вентильных структу рах, в которых осуществляется послойное перемагничивание. Этот процесс обусловлен наличием в одном из ферромагнитных слоев однонаправленной анизотропией (ОА). ОА наблюдается в слоистых пленочных наноструктурах с различным магнитным порядком: металлический ферромагнетикУ/антиферромагиитные оксиды (СоУУСоО, ШУЫЮ и т.д.), металлический фсрромагнетик//металлический антиферромагнетик (МП'е//№Р'еМп и т.д.), металлический ферромагнетик//сульфиды, нитриды, фториды (РеУ/РеБ и т.д.), металлический ферримагнетик//металлический ферримагнетик (ТЬРеСоУУТЬРеСо) и т.д. Во всех перечисленных пленочных структурах вектора намагниченности ферромагнетика и вектора намагниченности “подрешеток” антиферромагнетика либо ферримагнетика параллельны (антипараллельны) и ориентированы в плоскости пленки. Из магнитожестких материалов в качестве закрепляющего слоя для создания эффекта ОА в магнитомягкой ферромагнитной пленке были успешно использованы аморфные ферримагнитные сплавы “редкая земля - переходной металл” (РЗМ-ПМ) ОуСо, ТЬИс, ТЬСо, изготовленные в области компенсационных составов и характеризующиеся
I
8
перпендикулярной магнитной анизотропией [11 ], [12]. Механизм ОА в данных системах РЗМ-ПМ не был установлен. Дело в том, что аморфные пленки ТЬРе и ЭуСо представляют собой ферримагнетик с высокой одноосной перпендикулярной анизотропией и большими величинами коэрцитивной силы в области компенсационных составов, тогда как пленки РИИс являются магнитомягкими с низкой одноосной наведенной плоскостной анизотропией [13], [14]. Поэтому магнитная структура в пленках (ТЬРе, ОуСо)/ЬПРе формируется ортогонально ориентированными эффективными намагниченностями слоев. Симметрия взаимодействия, приводящего к ОА в такой магнитной системе в общем случае неизвестна. В диссертации представлены результаты, позволившие предложить для данных систем механизм ОА.
В настоящее время огромное внимание уделяется биологическому синтезу железосодержащих наночастиц, что обусловлено биологической совместимостью данных объектов с живыми организмами, а также возможностью управления движением частиц внешним магнитным полем. Эти преимущества позволяют рассматривать железосодержащие наночастицы в качестве кандидатов при клиническом использовании для доставки лекарственных препаратов в соответствующие мишени. Известны четыре соединения железа, образующиеся в результате жизнедеятельности микроорганизмов. Это магнетит Рсз04, маггемит - у-ИегОз, пирротин Ре^х (0<х<0,2) и ферригидрит 5Ре20з*9Н20. До сих пор большее внимание привлекал магнетит, в частности образующийся в магнитотактных (та^с1о1ах1з) бактериях [15]. Источников выделения биогенного ферригидрита намного больше - ткани животных и человека, растения и микроорганизмы, поэтому он более доступен для исследований и использования в прикладных целях [16].
В связи с этим цели и задачи работы были сформулированы следующим образом:
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Магнитная микроструктура и магнитные свойства наноструктурированных материалов во многом определяются межчастичным (межслойным) взаимодействием составляющих эти материалы наночастиц (слоев). Цель данной работы заключается в исследовании магнитных свойств наноструктурированных материалов: магнитных наночастиц биогенного происхождения с отсутствием межчастичного обменного взаимодействия; магнитных обменносвязанных шлепок с различной величиной и знаком обменного взаимодействия между слоями, используя резонансные методики, позволяющие получать информацию как на нано - масштабе (ЯГР), так и на мезоскопическом уровне (ФМР, СВР).
9
Можно выделить две задачи, которые решались при проведении исследований:
• изучение резонансных свойств наноструктурированных тонких магнитных пленок методами ФМР и СВР;
• изучение физических свойств магнитных наночастиц железа, продуцируемых микроорганизмами, открывающих перспективы практического использования в медицине.
В соответствии с определенными задачами, в качестве объектов исследования были выбраны следующие материалы:
• метастабильные пленки Fej.xNix сплавов (0<х<1);
• пленки метастабильных пересыщенных твердых растворов сплавов FegcAo, С075С25 с изменяющимся по толщине пленки составом твердого раствора;
• мультислойные пленочные структуры (магнонные кристаллы) [Nii.xFex/Nii-yFey]5, (С09$Р2/СО95Р 5)м.
• пленочные структуры DyxCoi.x(TbxFei.x)/NiFe, характеризующиеся однонаправленной анизотропией;
• мультислойные и сэндвич структуры NiFe(Co)/Cu,Pd,DyCo/ NiFe(Co), характеризующиеся различной величиной и знаком обменного взаимодействия;
• магнитные наночастицы, производимые бактериями Klebsiella oxytoca при биомиисрализации растворов солей железа.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА
В процессе проведения исследований получены новые результаты:
1. Обнаружена и измерена запрещенная зона в спектре обменных спиновых волн магнонного кристалла.
2. Предложена модель гетерофазного строения аморфных ферримапштных пленок сплавов РЗМ-ПМ вблизи компенсационных составов.
3. Определена величина парциальной обменной жесткости для спиновой волны, распространяющейся через поляризованный слой Pd в мультислойных структурах Co/Pd.
4. Установлено, что резонансные поля обменных спиновых мод, представляющие собой оптические сателлиты акустических поглощений СВР в трехслойных обменносвязаниых структурах “фсрромагнстик”/”нсфсрромагнитный металл”/”ферромагнетик’\
удовлетворяют зависимости Нр(п)~п5/2.
!
10
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ
Полученные в диссертации научные результаты, в целом, способствуют расширению существующих представлений о магнитных взаимодействиях в многослойных пленочных структурах. В частности, они позволяют глубже понять механизмы формирования и изменения магнитных свойств при «конструировании» многослойных структур. Это, в свою очередь, позволит прогнозировать свойства различного класса магнитных систем и целенаправленно получать материалы с требуемыми свойствами;
• установлен концентрационный диапазон по содержанию РЗМ в слое ОуСо, в области которого существует однонаправленная анизотропия в структуре ОуСо/№Бе;
• предложено правило идентификации спин-волновых мод в спектре СВР магнонного кристалла - введено понятие обменного дублета при волновом векторе к=Аьвзг(У/+*У, который представляет собой пики поглощений краев запрещенной зоны спектра, измерена величина щели в спектре обменных спиновых волн;
• преимущества практического использования биосинтсзированных наночастиц ферригидрнта заключается в крайне малой дисперсии размеров и физических свойств частиц, в возможности создавать направленное перемещение частиц внешним магнитным полем, что нашло свое отражение в патенте РФ.
ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1. Определение методом спин-волновой спектроскопии главного флуктуирующего магнитного параметра в метастабильных пленках РсвоСго с изменяющимися по толщине пленки магнитными характеристиками.
2. Обнаружение методом СВР характерной модификации спектра обменных спиновых волн, обусловленной запрещенной зоной мультислойной пленки (магнонного кристалла).
3. Обнаружение зависимости величины запрещенной зоны в спектре обменных спиновых волн от вида модулирующего магнитного параметра в мультислойной пленке.
4. Обнаружение и обоснование наличия областей в пленках сплавов (РЗМ-ПМ: ПуСо, ТЬРе) компенсационных составов с перпендикулярной магнитной анизотропией, обеспечивающих явление обменной однонаправленной анизотропии в пленочных структурах ОуСо(ТЬРе)/Ы1Ре.
5. Установление закона дисперсии для оптических спиновых волн в трехслойных структурах.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ
Результаты, включенные в диссертацию, были представлены и обсуждались на: Международной Байкальской научной конференции “Магнитные материалы”, Иркутск (2001, 2003, 2008, 2010), Международном симпозиуме “Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах” Ростов-на-Дону, Сочи (2002, 2004, 2005), XVIII международной школе-семинаре “Новые магнитные материалы микроэлектроники”, Москва (2002, 2004, 2006), Евро-Азиате ком симпозиуме “Новые пути в магнетизме”, Красноярск (2004), Московском международном симпозиуме по магнетизму, Москва (2005, 2008, 2011), 9 Международном симпозиуме “Упорядочения в металлах и сплавах” Ростов-на-Дону, Сочи, (2006), Первой международной научной конференции “Наноструктурные материалы 2008: Бсларусь-Россия-Украина”, Минск (2008), Менделеевском съезде по общей и прикладной химии, Москва (2007), XXI Международной конференции «Новое в магнетизме и магнитных материалах» Москва (2009), IV Euro-Asian Symposium “Trend in Magnetism”: Nanospintronics EASTMAG-2010, Ekaterinburg (2010), 12-th International Conference on magnetic fluids, Sendai, Japan (2010), 14 Международном симпозиуме «Порядок, беспорядок и свойства оксидов» ODPO-14, Ростов-на-Дону, п. Лоо (2011). ПУБЛИКАЦИИ
По теме диссертации опубликовано 39 печатных работ в рецензируемых зарубежных и отечественных журналах и сборниках, получен патента РФ.
Личный вклад автора заключается в самостоятельном выборе темы диссертационной работы, постановке задач и проведении всех исследований методами ферромагнитного и спин-волнового резонанса исследуемых магнитных структур.
СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ
Диссертация состоит из введения, пяти глав, приложения, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем составляет 244 страниц, включая 148 рисунков и 28 таблиц. Список цитированной литературы состоит из 219 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются цели и задачи работы. Приведены основные положения, выносимые на защиту. Рассмотрена научная и практическая значимость работы. Первая глава диссертации представляет собой
12
аналитический обзор литературы по исследованию слоистых структур методами ФМР, СВР. Во второй главе изложены результаты исследований нанокристаллических либо нанокомпозиционных ферромагнитных пленок, характеризующихся изотропными (Реї. хМіх, Ре-С, Со-С) и анизомерными ([МИс / Ы1Ре]м, ІС098Р2 /СоюР$]м) магнитными неоднородностями. В третьей главе для изучения особенностей структуры аморфных ферримагнитных сплавов предложено исследовать многослойные пленочные структуры: ОухСо|-х(ТЬхРе1.х)/1чЧРе. Наличие обменного взаимодействия между слоями ферримагнитного сплава и слоем №Ре приводит к существенным модификациям характеристик слоя сплава №Ре, а последующее сопоставление с характеристиками реперной МБе пленки, позволило получить информацию о реальной магнитной микроструктуре сплава РЗМ-ПМ. В четвертой главе методами ФМР, СВР изучены обменносвязшшые структуры <ьфсрромагнетик>УСи,Рс1,ОуСо/,’фсрромапіетик”. В пятой главе представлены результаты исследований струкгуры и свойств железосодержащих наночастиц, образующихся в результате жизнедеятельности микроорганизмов. В приложении описаны результаты исследования магнитных наночастиц, открывающие перспективы пракгичсского использования. В заключении приведены результаты работы.
13
ГЛАВА 1
ФЕРРОМАГНИТНЫЙ И СПИН-ВОЛНОВОЙ РЕЗОНАНС В ПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУРАХ
1Л ЯВЛЕНИЕ ФЕРРОМАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА (ФМР) И СПИН-ВОЛНОВОГО РЕЗОНАНСА (СВР)
Ферромагнитный резонанс или, точнее, резонансное поглощение внешнего электромагнитного излучения в ферромагнитных веществах относится к разделу явлений радиоспектроскопии. Честь открытия и правильного теоретического истолкования явления ферромагнитного резонансного поглощения принадлежит отечественным физикам - магнитологам. В серии работ выполненных в 1911 - 1913 гг., В. К. Аркадьев обнаружил избирательное поглощение радиоволн сантиметрового диапазона в железных и никелевых проволоках и сопровождающее его изменение намагниченности. Появление полос поглощения в магнитных спектрах он объяснил резонансным откликом элементарных носителей магнитного момента в ферромагнетике на приложенное радиочастотное поле. Первое квантомеханическое объяснение этому явлению было дано Я. Г. Дорфманом. Н. С. Акулов впервые поставил вопрос о влиянии перпендикулярного и параллельного подмагничивающих полей на магнитные спектры ферромагнетиков. Фундаментальным исследованием в магнитодинамике явилась работа Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшица, в которой построена общая теория поведения идеальных одноосных ферромагнитных кристаллов в переменных магнитных полях с учетом существования структуры ферромагнитных областей и исследован резонансный эффект. В 1944 г. Е. К. Завойский экспериментально открыл явление парамагнитного резонансного поглощения. Продолжая исследования в этой области, Е. К. Завойский и одновременно с ним Гриффитс обнаружили ферромагнитное резонансное поглощение в металлах в наиболее чистом виде. Снук распространил эти явления на ферриты. Теория Ландау - Лифшица в применении к новым опытным фактам была развита и обобщена Киттелем и Полдером. Начиная с 1948г., число публикаций, посвященных экспериментальному и теоретическому исследованию ферромагнитного резонанса, непрерывно растет. Столь большой интерес к проблеме магнитного резонанса в ферромагнетиках обусловлен тем, что его изучение позволило открыть новые пути весьма тонкого исследования ферромагнетизма. Явление ферромагнитного резонанса нашло свое отражение в монографиях С. В. Вонсовского [17], А. Г. Гуревича [18], [19] и др. Ему посвящены многочисленные обзорные статьи. Как впервые отмечено в работе Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшица, различные взаимодействия в ферромагнетике можно учесть феноменологически, полагая, что ответственные за ферромагнетизм спины прсцессируют не во внешнем поле Но, а в некотором внутреннем поле Нуффу эквивалентном но своему
действию внешнему полю. В этом случае уравнение движения для намагниченности примет вид (с пренебрежением релаксации)
0.1)
Наиболее удобный и допускающий широкие обобщения метод вычисления резонансной частоты был предложен в работе [20] Этот метод описан в [21] и суть его заключается в переходе к сферической системе координат (рис. 1.1).
Рис. 1.1 Система координат, использованная для расчетов резонансных условий ФМР Учитывая, что М=соп.9/ и направление намагниченности совпадает с направлением внутреннего эффективного поля Нзффу величина которого определяется через свободную энергию единицы объема образца Е
дЕ
н ^ = -,фф дм
(1.2)
при этом направление вектора намагниченности определяется минимумом свободной энергии
(1.3)
Далее с учетом малости отклонения вектора намагниченности ог равновесного положения высокочастотным магнитным полем с частотой со получают выражения для собственной, или резонансной частоты колебаний
X
эфф
М -8т(0о)
'д2Е д2Е ( д2Е ' 2Л
1« [<§■ сч >
(1.4)
Таким образом, для нахождения резонансной частоты необходимо располагать конкретным выражением для зависящей от ориентации намагниченности части свободной энергии единицы объема магнетика, которая, в общем случае, может быть записана в виде суммы: энергии взаимодействия с внешним полем, зависящей от угла между
VA
15
намагниченностью и внешним полем; энергии размагничивающего поля поверхностных зарядов, т.н. "магнитных зарядов"; энергии магнитной кристаллографической анизотропии, зависящей от углов между намагниченностью и главными осями кристалла; магнитоупругой энергии, являющейся функцией направления намагниченности и напряжений; обменной энергии, связанной с пространственной неоднородностью намагниченности и энергии междоменньгх границ.
Преимуществом метода ФМР является возможность измерения непосредственно намагниченности, а не магнитного момента всего образца как в случае магнитометра.
Если в выражении для свободной энергии учесть неоднородность намагниченности, которая приводит к увеличению обменной энергии, то возможно, что, кроме однородного резонанса, переменным полем могут возбуждаться бегущие спиновые волны. Явление спин-волнового резонанса (СВР) в тонких магнитных пленках было предсказано Киттслем в 1958 [22], а первое экспериментальное доказательство этого явления было осуществлено Seavey и Tannenwald на пленках сплава NiFe (рис.1.2) [23].
аооо
Hf«3,
кЭ *4
ІН \ \ •
12 : <Дц00А 1 1
8>
cU2200A
20 Є0 П.г
Рис. 1.2 Спектр СВР (а) в пленке Мі-їїе (из работы [29]) и (б) дисперсионный закон для спиновых воли - зависимость резонансного поля от квадрата номера моды [23]
I
16
Согласно Киттелю, в поверхностном слое образца на намагниченность действует поверхностная анизотропия, которая приводит к “бесконечно жесткому закреплению” поверхностных спинов. При таком закреплении на поверхности тонкой ферромагнитной пленки толщиной с! имеют место узлы, и однородное высокочастотное поле, будет возбуждать волны неоднородной прецессии спинов в объеме пленки - спиновые волны. Для “киттелевского” закрепления стоячая волна намагниченности запишется как
Ш=Шо5т[(П7С/с1)/.]. (1.5)
Здесь п=1,3,5 ... - число полуволн (номер моды). Условие резонанса, т.е. образования стоячей спиновой волны, (для случая перпендикулярной ориентации пленки во внешнем поле) имеет вид:
Нр=©/у+4лМЭфф - Т1(к)к2,
П=2Л/М$ (1.6)
где волновой вектор к=п(тс/с1) определяется числом полуволн п. Мзфф - намагниченность
материала, модифицированная вкладом магнитной анизотропии и внутренних напряжений. Спектр СВР состоит из набора дискретных пиков, соответствующих возбуждению спин-волновых мод. Эксперименты ведутся обычно на фиксированной частоте. Тангенс угла наклона зависимости резонансных полей Нр (п2) определяется значением константы спин-волновой жесткости г|. Исследованию спиновых воли в кристаллических (подробная библиография их приведена в [24], смотри также [25], [26], [27]) и аморфных тонких пленках (смотри, например, [28]) было посвящено огромное количество работ. Исследования, однако, усложнялись следующими обстоятельствами. Во-первых, поскольку экспериментаторы работали на достаточно толстых (с!~400-500пт) образцах, возникали трудности идентификации пиков в связи со слиянием (неразрешимостью) первых резонансных мод, т.к. в таких пленках расстояние между модами было сравнимо с шириной линии ДНП резонансного поглощения. Во - вторых, было обнаружено различие величины спин-волновой жесткости т\, или Л, измеренной методом СВР, и методом температурного хода намагниченности (закон Блоха М~Т3/2).
[29]. Принципиальным же вопросом, стало объяснение природы отклонений экспериментально регистрируемых законов дисперсии Нп (п2) от “киттелевского” закона
[30]. Для объяснения противоречий (интерпретаций отклонений) между экспериментально наблюдаемой зависимостью Нр (п2) в нанокрисгаллических и аморфных пленках и “киттелевским” законом, обусловленным законом дисперсии объемных спиновых волн со~к2, выдвигались гипотезы о различных видах неоднородностей сгросния пленок: изменение магнитных параметров по толщине пленки [31], [32] или неполное закрепление магнитных моментов на поверхности пленки (величина поверхностной
17
анизотропии имела конечное значение) [33]. Проблеме 1раничных условий было посвящено огромное число работ [34]. Значительная часть работ по спин-волновому резонансу в настоящее время посвящена проблеме закрепления [35], [36], [37]. При симметричных граничных условиях р+ (параметр поверхностного закрепления на одной поверхности пленки) = Р* (параметр поверхностного закрепления на другой поверхности пленки) - р = К/А, где А- константа обменного взаимодействия, К* - константа одноосной поверхностной анизотропии (Р>0 - соответствует анизотропии типа легкая ось, Р<0 -соответствует анизотропии типа легкая плоскость). В спектре СВР с симметричными граничными условиями отсутствуют антисимметричные относительно центра пленки колебания намагниченности, т.е. четные спин-волновые моды. При закреплении поверхностных спинов полем анизотропии типа легкая плоскость (р<0) в спектре
О —
наблюдается поверхностная мода с к <0, которой соответствует колебание намагниченности затухающее по толщине. В пленках с антисимметричными граничивши условиями р+= - Р' = р в спектре СВР возбуждаются поверхностная мода с к=ч р и объемные тригонометрические МОДЫ С к=п(71/с1), п=1,3,5 ... - положение которых
совпадают с киттелевским спектром. Колебания п=2,4,6..., т.е. четные моды не возбуждаются. При отклонении от симметричных (антисимметричных) граничных условий в спектре становится возможным появление четных мод малой интенсивности (Ьп<<12п-ь 12п<Ьп*1, л*1. 2, 3 ...). В толстых пленках с симметричными граничными условиями, для которых с1>1/1 Р | и Р<0 в спектре СВР будут присутствовать две поверхностные моды.
Волновые вектора к стоячих спиновых волн определяются уравнениями, полученными из обменных граничных условий при произвольных параметрах закрепления намагниченности на нижней и верхней поверхностях пленки /?/'' и [38]:
В Институте физики им. Л.В. Киренского СО АН СССР была поставлена и решена задача искусственного формирования граничных условий путем нанесения на поверхности пленки тонких ферромагнитных слоев [39]. В частности, было показано, что нанесение на ферромагнитную пленку дополнительного тонкого, обменносвязанного с пленкой ферромагнитного слоя (меньшей толщины) с намагниченностью меньшей, чем намагниченность пленки, приводит (или эквивалентно) к формированию поверхностной анизотропии типа «легкая ось» (К$>0). Нанесение же на ферромагнитную пленку
(1.7 а)
у если к=ікв мнимо.
18
дополнительного, обменносвязанного с пленкой ферромагнитного слоя с большей намагниченностью, чем намагниченность пленки приводит к формированию поверхностной анизотропии типа «легкая плоскость» (АГ$<0). Величина поверхностной анизотропии определяется толщиной дополнительного слоя и величиной обменного взаимодействия между слоями. При исследовании пленок МРе с нанесенными дополнительными поверхностными слоями с большей величиной и, соответственно, с меньшей величиной намагниченности, чем намагниченность изучаемой пленки МИс, было показано, что квадратичный закон Нр (п2) наблюдается в большом интервале к (больше пиков), чем в исходной пленке [40]. При изучении пленок аморфных сплавов СоР [41] с искусственно созданным закреплением, на дисперсионной зависимости Нр (п2), вследствие большого числа спин-волновых мод, регистрировались систематические отклонения от квадратичного “киттелевского” закона, указывая на более глубокую причину их появления.
1.2 КОРРЕЛЯЦИОННАЯ СПИН-ВОЛНОВАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ
Возможности метода СВР были существенно расширены после цикла теоретических работ Игнатчснко В.А., Исхакова Р.С.[42], [43], [5]. Основная идея авторов состояла в том, что в кристаллических и аморфных сплавах на основе переходных 3-с1 металлов с топологической и композиционно разупорядоченной атомной структурой - все параметры спиновой системы, такие как обменное взаимодействие, намагниченность, анизотропия являются случайными функциями координат, т.е. в этих материалах существуют наномасштабные магнитные неоднородности (~100А). Под термином неоднородность понимается достаточно плавное изменение в пространстве какого либо спинового параметра А(х), т.е. непрерывную случайную функцию координат: обмена, намагниченности и т.д. Основная характеристика неоднородностей - корреляционная функция К(г) (смотри рис. 1.3),
Рис. 1.3 Общий вид корреляционной функции.
К(г)=<Ао(х)Ао(х + г)>, А0(х)= А(х) - < А(х) >, которая характеризуется двумя основными параметрами.
1. Корень квадратный из ее максимального значения у~(К(0))1/2, представляет собой среднеквадратичную флуктуацию случайной функции А(х) (у=ДА/< Л >), т.с. характеризует интенсивность неоднородностей.
2. Радиус корреляции гс=1/кс, при котором наблюдается существенное уменьшение К(г), характеризует пространственный размер неоднородностей. Наиболее простой корреляционной функции является К(г)~ехр(-ксг).
В цитируемых работах был развит теоретико-экспериментальный подход к изучению неоднородностей реальных ферромагнитных сплавов, основанный на корреляционной теории случайных функций (рис. 1.4). Было показано, что из модифицированных “некиттелевских” кривых Ир (п2) могут быть определены корреляционные радиусы гс структурных неоднородностей, что позволило развить магнитоструктурный метод, основанный на спин-волновом резонансе.
20
б
Рис. 1.4 Модифицированные законы дисперсии спиновых волн (сплошные кривые) для неоднородностей величины обменного взаимодействия (а) и модуля намагниченности (б) и закон дисперсии в однородной среде (штриховые).
В работе [51 было показано, что “киттелевский” закон из-за модификации дисперсионного закона для спиновых волн в неоднородной среде, в нанокристаллических и аморфных пленках с флуктуирующими магнитными параметрами, теперь имеет следующий вид:
Нр=(в/у+4дМзфф - <т|>к2(1 - 7ьВД). (1.8)
Таким образом, влияние флуктуаций проявляется в отклонениях (изломах) -“модификациях’* “киттслсвского” закона, описываемых введением функции .1,(к). Флуктуации различных параметров ферромагнетика приводят к качественно различному характеру модификации закона дисперсии (рис. 1.5).
21
Рис. 1.5 Теоретическая зависимость функции Ла(и) (штриховая линия) и Дт(и) (сплошная линия) от нормированного квадрата волнового числа и~(к/к,)2. Для наглядности на оси абцисс отложен ^(и).
Следовательно, из экспериментов по СВР, из зависимости (1.8), можно установить природу неоднородностей (обмен, намагниченность и т.д.) ферромагнитного сплава. Величина изгиба определяет среднеквадратичную флуктуацию. Положение изгиба определяет корреляционное волновое число кс, и, следовательно, корреляционный радиус неоднородностей гсЧ/кс. Физический смысл появления таких модификаций дисперсионных законов заключается в том, что спиновые волны по-разному рассеиваются на коррелированных неоднородностях (к > к«) и некоррелированных (к < кс). Аналогичные теоретические зависимости дисперсионного закона для спиновых волн в неоднородном ферромагнитном сплаве, в рамках решеточной модели, были получены в работе [44].
Эффект модификации дисперсионного соотношения, обусловленный флуктуациями обменного взаимодействия, впервые экспериментально был обнаружен на пленках аморфных сплавов Со-Р в работе [45]. На зависимости Нп (п ) наблюдался излом при к=6-105 см-1, соответствующий корреляционному радиусу неоднородностей обмена гс=10‘6см. Излом противоположного направления, соответствующий неоднородностям намагниченности впервые удалось наблюдать на тройном сплаве СоІМіР [46]. 11а сплаве Со№Р одновременно наблюдались изломы, соответствующие неоднородностям обмена и