Электромагнитные свойства многослойных магнитных наноструктур в миллиметровом диапазоне длин волн

2
Содержание
сгр.
Список основных обозначений 4
Список основных сокращений 5
Введение 6
Глава 1. Электромагнитные свойства многослойных магнитных наноструктур 18
1.1. Гигантский магниторезистивный эффект на постоянном токе в 18
основных классах металлических наноструктур
1.1.1. Магнитные сверхрешетки - системы с искусственно созданной 18 периодичностью
1.1.2. Гранулированные и кластерно-слоистые наносистемы 21
1.2. Природа гигантского магниторезистивного эффекта в магнитных 22
сверхрешетках
1.2.1. Модели межслойного обменного взаимодействия 23
1.2.2. Модели гигантского магпиторезистивного аффекта 25
1.3. Гигантский магниторезистивный эффект в магнитных свсрхрешел ках на 28
сверхвысоких частотах и в инфракрасном диапазоне
1.4. Гигантский магниторезистивный эффект в геометрии "ток 36
перпендикулярен плоскости слоев"
1.5. Магнитный резонанс в металлических наноструктурах 39
1.6. Перспективы применения и новые направления исследования 44
многослойных магнитных металлических наноструктур
1.7. Выводы по главе 1 и постановка задачи исследования 45
Г лава 2. Методика проведения эксперимента 48
2.1. Технология изготовления, методы изучения и основные параметры 48
объектов исследования
2.1.1. Наноструктуры Ге/Сг 48
2.1.2. 11аноструктуры Ге/У, Ге>П/У и Co/Ag 56
2.2. Методики микроволновых измерений в режимах проникновения и 65
бегущих волн
2.2.1. Описание экспериментальной установки 65
2.2.2. Методика измерения модулей коэффициентов прохождения и 67 отражения в режиме проникновения электромагнитных волн
3
2.2.3. Методика измерения модулей коэффициентов прохождения и 69 отражения в режиме бегущих волн
2.2.4. Периодические структуры в волноводе 71
2.3. Выводы по главе 2 73
Глава 3. Проникновение электромагнитных волн через многослойные и 74
кластерио - слоистые наноструктуры и отражение от них
3.1. Проникновение электромагнитных волн через многослойные и 74
кластерио - слоистые наноструктуры Fe/Cr
3.1.1. Гигантский магниторезистивный эффект в многослойных 75
наноструктурах Fe/Cr в широком диапазоне частот
3.1.2. Исследование спектра магнитного резонанса в .миллиметровом 86 диапазоне длин волн
3.2. Проникновение электромагнитных волн через многослойные 94
наноструктуры Fc/V, FeNi/V и Co/Ag
3.3. Отражение электромагнитных волн от многослойных наноструктур 101
Fe/Cr
3.4. Выводы по главе 3 108
Глава 4. Исследование сверхвысокочастотного гигантского 110 мапшторсзистивного эффекта в режиме бегущих воли
4.1. Электромагнитные волны в прямоугольном волноводе с металлической 110
наноструктурой
4.1.1. Структура электромагнитных полей в прямоугольном волноводе с 111 металлической наноструктурой
4.1.2. Расчет продольного волнового числа прямоугольного волновода с 114 металлической наноструктурой
4.1.3. Расчет эквивалентного сопротивления волновода с металлической 118 наноструктурой и коэффициентов отражения и прохождения
4.1.4. Экспериментальное исследование частотных и полевых 121 зависимостей модулей коэффициентов стоячей волны и прохождения
4.2. Взаимодействие электромагнитных воли со сверхрешстками Fe/Cr в 128
периодической структуре типа ’^ребенка в волноводе11
4.3. Выводы по главе 4 132
4
ЗАКЛЮЧЕІІИЕ
134
ЛИТЕРАТУРА
137
Список основных обозначений
с1 толщина металлической пленки
с!т(Н) относительное изменение модуля коэффициента прохождения при
изменении напряженности внешнего магнитного поля ^ суммарная толщина металла сверхрешетки
Е„ напряженность высокочастотного электрического поля
Сс1 параметр затухания Гильберта
gm(/7) относительное изменение модуля коэффициента отражения при изменении напряженности внешнего постоянного магнитного поля Н напряженность внешнего постоянного магнитного поля
Н.. напряженность высокочастотного магнитного поля
/? нормированная величина напряженности постоянного внешнего
магнитного поля
ЛГе(т эффективный коэффициент поверхностной магнитной анизотропии
к волновой вектор
к0 волновое число
к,т волновое число в проводящей среде
М намагниченность
т относительная намагниченность
N число магнитных слоев системы
п число пар слоев ферромагнетик/немагнитный металл
/7, амплитуда поглощенной мощности высокочастотного электромагнитного
Р\, 1\ амплитуды падающей и прошедшей мощности высокочастотного электромагнитного поля Лют джоулевы потери на единицу площади образца Я(Н) сопротивление постоянному току в постоянном магнитном поле II поверхностное электросопротивление наноструктуры г(Н) магнитосопротивление на постоянном токе
поля
/г толщина слоя переходного З-d ферромагнитного металла
tuм толщина слоя неферромагнитного переходного или благородного металла
w ширина образна
ZD параметр экранирования
у гиромагнитное отношение
АН ширина линии магнитного резонанса
АПШ дополнительный вклад в ширину линии магнитного резонанса
6 глубина скин-слоя
О угол между магнитными моментами соседних слоев ферромагнетика
А средняя длина свободного пробега электронов проводимости
и относительная динамическая дифференциальная магнитная проницаемость Pcft удельное электросопротивление наноструктуры
<7q статическая проводимость
acff микроволновая эффективная проводимость сверхрешетки
cüf частота Ферми
сор плазменная частота
сог круговая частота магнитного резонанса
Список основных сокращений
АП антилараллельное упорядочение
ГМРЭ гигантский магниторезистивный эффект КСВН коэффициент стоячей волны и напряжения МЛЭ молскулярно - лучевая эпитаксия
НК неколлинеарное магнитное упорядочение ФМАР ферромагнитный антирезонанс
ФМР ферромагнитный резонанс
CIP "current-in-plane" ("ток протекает в плоскости слоев")
СРР "current-perpendicular-to-plane" ("ток перпендикулярен плоскости слоев")
NM неферромагнитный переходный или благородный металл
6
Введение
Наноструктуры - это многослойные пленки с толщиной слоя от единиц до
сотен ангстрем. Наногетероструктуры - искусственно созданные системы слоев двух
(или более) компонентов. Основополагающими в области исследования физики наногетероструктур являются работы лауреата Нобелевской премии 2000 г. Ж.И. Алферова. Особый интерес для современной физики магнитных явлений представляют магнитные наногетероструктуры, состоящие из слоев ферромагнитного и неферромагнитного металлов. Физические свойства наногетероструктур
отличаются от свойств однородных тонких пленок, из которых изготовлены отдельные слои. Удельное сопротивление тонких ферромагнитных пленок зависит от их толщины и может быть существенно выше, чем у массивного металла, из-за влияния отражения электронов от поверхности раздела металл - воздух или подложка, то есть размерных эффектов. В тонких магнитных пленках спины поверхностных электронов находятся в состоянии с более низкой симметрией, чем внутренние [1].
Сверхрешетки - частный случай наногетероструктур, имеющих помимо
периодического потенциала кристаллической решетки дополнительный искусственно созданный одномерный периодический потенциал, с периодом существенно большим, чем постоянная решетки. Отличия физических свойств металлических магнитных сверхрешеток от однородных тонких пленок определяю гея не только наличием искусственно созданного периодического потенциала, но и связью между соседними слоями ферромагнетика за счет' обменного [2] или магнито-дипольного взаимодействия и особой ролью рассеяния электронов па границах ферромагнитного и неферромагнитного металлов (интерфейсах). Главным отличием является гораздо большая величина магниторезистивного эффекта. Открытие гигантского магниторезистивного эффекта (ГМРЭ) группами А. Ферта (Париж, Франция) и П. Грюнберга (Юлих, Германия) в 1988 г. |3, 4] послужило стимулом к интенсивному изучению магнитных металлических многослойных наноструктур и сверхрешеток [5]. Это открытие стало первым шагом в новой области исследований и технологий, именуемой сейчас спинтроникой. В 2007 г. А. Ферт и П. Грюнберг получили Нобелевскую премию по физике за открытие ГМРЭ [6, 7].
7
Актуальность исследований
Исследование физических свойств искусственно созданных многослойных магнитных металлических наноструктур составляет современный и быстро развивающийся раздел физики магнитных явлений |8|. Такие объекты предоставляют уникальную возможность управлять характеристиками обменного взаимодействия, изучать влияние направления спина на транспортные свойства электрона. Выявление оптимальных условий для получения максимально возможного гигантского магниторезистивного эффекта (ГМРЭ), влияние структуры интерфейсов на физические свойства, специфика гибридных кластерно-слоистых наноструктур, системы с однонаправленной анизотропией ("bias") и перемагничиванием ("magnetization reversal") - вот наиболее популярные в последние годы области исследования.
Физическая природа гигантского магниторсзистивиого эффекта в металлических наноструктурах обусловлена сильным различием вероятностей рассеяния электронов с разным направлением спина по отношению к вектору намагниченности при переходе из слоя в слой, а также подавлением во внешнем магнитном поле начальной относительной ориентации магнитных моментов смежных ферромагнитных слоев. К моменту начала работы основной объем исследований, посвященный этим вопросам, был выполнен на постоянном токе. Нас же интересует взаимодействие носителей заряда с внешними электрическими и магнитными и внутренними (обменными) полями в микроволновом диапазоне частот.
Металлические многослойные наноструктуры и сверхрешетки являются одним из наиболее перспективных классов твердотельных материалов для построения устройств ианоэлектроники. В настоящее время они уже применяются в качестве чувствительных элементов сенсоров в магнитных измерениях [9] и в неразрушающем контроле [10]. В литературе сообщалось об использовании материалов, обладающих ГМРЭ, в устройствах хранения информации [11] и в электронных компонентах, действие которых базируется на принципах фотоники [12J. Быстродействие устройств, разрабатываемых на основе таких материалов, в значительной степени определяется частотными характеристиками магниторезистивного эффекта. Это особенно важно для применения наноструктур в устройствах электроники сверхвысоких частот. Но мнению Ж.И. Алферова, высказанному им в Нобелевской
I
8
лекции, быстродействующая функциональная электроника будет создаваться главным образом на основе гетероструктур.
Таким образом, актуальным являлось систематическое исследование взаимодействия электромагнитных волн (особенно в миллиметровом диапазоне) с такими искусственно созданными системами, как наноструктуры Fc/Cr, Fe/V, FeNi/V и Co/Ag методами прохождения п отражения для идентификации физической природы микроволнового магниторезистивного эффекта и резонансных особенностей. Также необходимо было исследовать взаимосвязь динамических и транспортных свойств многослойных магнитных металлических наноструктур. Решение этих проблем имеет большое значение для создания высокочастотных элементов твердотельной наноэлектроники на основе наногетероструктур и сверхрешеток.
Работа выполнена в рамках следующих программ и грантов:
1. Плановой темы ИФМ УрО РАН "Наноструктурированные проводящие материалы: синтез, исследование атомной и кристаллической структуры компонент и интерфейсов, изучение физической природы электронных и магнитных свойств" (Шифр "Паногетероструктура" № г.р. 01.200103 J 41);
2. Программы фундаментальных научных исследований Президиухма РАН "Квантовая макрофизика";
3. Программы ОФН РАН "Сиин-зависимые эффекты в твердых телах и сим нтроника", проект "Спин-зависимый транспорт в металлических, полупроводниковых и молекулярных магнетиках";
4. Гранта № 00-15-96745 по поддержке научных школ "Электронная кинетика и спиновая динамика в металлических слоистых наносэруктурах, магнитных мсталлооксидах и низкоразмерных проводниках";
5. Госконтракта № 02.445.11.7374 от 09.06.2006 г. "Развитие системы ведущих научных школ как среды генерации знаний и подготовки научно-педагогических кадров высшей квалификации" "Спиновая динамика и транспорт в магнитных металл и ческих наногетероструктурах".
Цель работы заключалась в исследовании явлений, определяемых взаимодействием электромагнитного излучения в широком диапазоне частот с многослойными
магнитными наноструктурами и выявлении их взаимосвязи с электрическими и магнитными явлениями, обуславливающими свойства этих структур на постоянном токе, в получении информации об особенностях обменного взаимодействия ферромагни тных слоев в микроволновом диапазоне.
Задачи работы:
- теоретическое и экспериментальное исследование в геометрии "ток протекает в плоскости слоев” ("current in plane", CIP) взаимодействия (прохождения и отражения) электромагнитных волн в широком диапазоне частот и постоянных магнитных полей с многослойными магнитными наноструктурами, размещенными в поперечном сечении прямоугольного волновода;
- получение экспериментальных спектров магнитного резонанса и сравнение их с расчетными, найденными из кривых намагничивания. Оценить константы обменного взаимодействия в модели биквадратичного обмена, параметра затухания Гильберта;
- теоретическое и экспериментальное исследование в геометрии "ток перпендикулярен плоскости слоев" ("current perpendicular to plane", CPP) взаимодействия (прохождения и отражения) электромагнитных волн в режиме бегущих волн с наноструктурой конечных размеров, расположенной вдоль оси прямоугольного волновода параллельно его широкой стенке;
- развитие методик измерения коэффициентов прохождения и отражения от магнитных наноструктур для миллиметрового диапазона длин волн;
- исследование взаимодействия электромагнитных волн с периодическими системами, содержащими магнитные многослойные наноструктуры, в режиме бегущих волн.
Методы исследований включают следующие основные группы методик:
- микроволновые измерения проводились методом проникновения [13] и методом бегущих волн [14], развитых для диапазона миллиметровых волн;
- для контроля качества образцов использовались методики: малоугловой дифракции рентгеновских лучей, туннельной микроскопии и просвечивающей электронной микроскопии, дифракции быстрых электронов;
- для измерений магнитных характеристик образцов применялась методика с использованием вибрационного магнитометра;
- измерения электросопротивления постоянному току и мапштосопротивления проводились по чстырсхкоптактной схеме.
Научная новизна результатов, выносимых на защиту:
- установлено, что в миллиметровом диапазоне длин волн изменения коэффициентов прохождения через сверхрешетки и отражения от них определяются одновременным действием двух физических явлений: высокочастотного гигантского магниторезистивиого эффекта и магнитного резонанса;
- обнаружено, что в миллиметровом диапазоне длин волн гигантский магниторезистивный эффект приводит к монотонному уменьшению модуля коэффициента прохождения и увеличению модуля коэффициента отражения. Зависимости коэффициента прохождения от напряженности магнитного поля вне условий магнитного резонанса подобны зависимостям магнитосонротивления на постоянном токе. Теоретически показано, что в миллиметровом диапазоне длил волн существует взаимнооднозначное соответствие между ГМРЭ, измеренным на постоянном токе и на сверхвысоких частотах вне условий магнитного резонанса. Частотная дисперсия ГМРЭ слаба во всем исследованном диапазоне частот;
- установлено, что минимумы на полевых зависимостях коэффициентов прохождения и отражения, обнаруженные на частотах выше 30 ГГц при использовании методики проникновения электромагнитных воли, обусловлены магнитным резонансом. В кластерно-слоистых наноструктурах резонансные изменения микроволнового коэффициента прохождения отсутствуют. Сопоставление кривых намагничивания и спектров магнитного резонанса позволило оценить константы билинейного 7, и биквадратичного У2 обменного взаимодействия сверхрешеток со сплошными слоями в модели биквадратичного обмена, что важно для расчета магнитной структуры при наложении магнитного поля. Полученные оценки приводят к хорошему согласию расчетных спектров однородной моды магнитного резонанса с эксперимен тальными. Выполнены оценки параметра затухания Гильберта;
- теоретически изучено взаимодействие электромагнитных волн с гиротропной пластиной из многослойной магнитной наноструктуры, расположенной параллельно широкой стенке прямоуг ольного волновода вдоль его оси. Установлена структура электромагнитных нолей для случая толщин мегалла наноструктуры, существенно меньших глубины скин-слоя. Показано, что реализуется геометрия СРР. Получены
11
формулы для комплексных добавок к продольному волновому числу при отсутствии магнитного поля и во внешнем постоянном магнитном поле, и комплексных коэффициентов прохождения и отражения;
- исследовано распространение электромагнитных волн миллиметрового и сантиметрового диапазонов через отрезок волновода с наноструктурой конечных размеров, расположенной параллельно его широкой стенке, на наборе образцов сверхрешеток (Fe/Cr)n. Установлено, что частотные зависимости коэффициентов отражения и прохождения являются функциями осцилляциониого типа в соотвегствии с результатами расчета. Показано, что зависимость между магнитосопротивлением на постоянном токе и изменением модуля коэффициента прохождения микроволн в магнитном поле является прямо пропорциональной; относительные изменения коэффициентов отражения и прохождения электромагнитных волн могут превышать 30%;
- развитые для миллиметрового диапазона длин волн волноводные методики измерения коэффициентов прохождения и отражения в режимах проникновения и бегущих воли дали возможность впрямую получать информацию о микроволновом ГМРЭ и магнитном резонансе. Измерения, проведенные по этим методикам на большом наборе частот из выбранного диапазона в геометриях CIP и СРР и большом числе образцов наноструктур разного типа, позволили доказать влияние исходного магнитного упорядочения и характера мсжслойного обменного взаимодействия на тип и величину возникающих микроволновых эффектов и дали возможность обнаружить микроволновой ГМРЭ в наноструктурах разного состава, обладающих спин-зависимым рассеянием;
- обнаружено, что в миллиметровом диапазоне длин волн у периодической системы типа "гребенка в волноводе" с пластинами гребенки, выполненными из образцов свсрхрешетки Fc/Сг, под действием внешнего магнитного ноля модуль коэффициента прохождения электромагнитных волн увеличивается до 50%.
Научная и практическая значимость заключается в том, что:
- результаты, полученные в диссертации, дополняют и развивают существующие представления о физической природе эффектов, определяемых взаимодействием электромагнитного излучения с искусственно созданными многослойными
12
металлическими магнитными наноструктурами в широком диапазоне частот, а также о взаимосвязи динамических и транспортных свойств этих наноструктур;
- закономерности взаимодействия электромагнитных волн со сверхрешетками в широком диапазоне частот, полученные в работе, позволяют наметить пути целенаправленного создания новых магнитных наноматериалов и быстродействующих, управляемых магнитным полем наноустройсгв сверхвысокочастотной техники на основе таких материалов. В частности, изменения модулей коэффициентов прохождения и отражения при взаимодействии электромагнитных волн с многослойной магнитной наноструктурой в режиме бегущих волн и с периодической структурой типа "гребенка в волноводе", превышающие 30%, указывают на возможность применения эффекта микроволнового ГМРЭ в управляемых устройствах сверхвысокочастотной техники. Исследования на миллиметровых волнах важны в связи с необходимостью предусмотреть возможное наложение магнитного резонанса и магниторезистивного эффекта, которое может стать серьезной проблемой в работе магнитных устройств хранения и считывания информации при дальнейшем увеличении их тактовой частоты;
- методики измерения коэффициентов прохождения и отражения от многослойных магнитных наноструктур в режимах проникновения и бегущих волн, развитые для миллиметрового диапазона волн, позволяют изучать различные механизмы высокочастотного отклика на падающее электромагнитное излучение, впрямую получая информацию о микроволновом ГМРЭ и магнитном резонансе из результатов измерений на большом наборе частот из широкого диапазона в геометриях СЭР и СРР и большом числе образцов.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту.
- установлено, что в миллиметровом диапазоне длин волн нерезонансные изменения коэффициентов прохождения электромагнитных волн через многослойные магнитные наноструктуры и отражения от них обусловлены высокочастотным ГМРЭ и определяются джоулевыми потерями микроволновых вихревых токов в наноструктуре;
- доказано путем сравнения спектров минимумов коэффициентов прохождения в режиме проникновения, восстановленных из экспериментальных данных, со
13
спектрами однородной моды магнитного резонанса, полученных из кривых намагничивания, что возникновение этих минимумов обусловлено явлением магнитного резонанса при совместном действии двух магнитных полей -постоянного и высокочастотного поля волны. Сделаны оценки констант обменного взаимодействии в модели биквадратичного обмена и параметра затухания Гильберта;
- в миллиметровом диапазоне длин волн на прохождение и отражение электромагнитных волн от многослойных магнитных наноструктур одновременно влияют явления микроволнового 1'МРЭ и магнитного резонанса. Вне условий магнитного резонанса независимо от вида начального магнитного упорядочения выполняется взаимнооднозначное соответствие между зависимостями относительного изменения коэффициента прохождения от напряженности магнитного поля и магнитосопротивления на постоянном токе;
- результаты теоретического исследования взаимодействия (прохождения и отражения) электромагнитных воли в режиме бегущих волн (геометрия СРР) с тонкой гиротропной металлической пластиной конечных размеров - многослойной магнитной наноструктурой, расположенной вдоль оси прямоугольного волновода параллельно его широкой стенке: структура электромагнитных полей; выражения для продольного волнового числа основной МОДЫ #ю и его изменений в постоянном магнитном поле, полученные методами теории возмущений для случаев нормального и касательного намагничивания наноструктуры;
- результаты изучения распространения волн миллиметрового и сантиметрового диапазонов через отрезок волновода с многослойной магнитной наноструктурой конечных размеров, расположенной параллельно его широкой стенке. Между полевыми зависимостями изменения модуля коэффициента прохождения и магнитосопротивлением на постоянном токе наблюдается прямо пропорциональная зависимость. Частотные зависимости коэффициентов отражения и прохождения являются функциями осцилляционного типа в соответствии с результатами расчета;
- применение периодических систем типа "гребенка в волноводе" резко увеличивает эффективность взаимодействия электромагнитных волн с многослойными магнитными наноструктурами, из которых выполнены пластины гребенки.
\