книги / Физика тонких пленок. Современное состояние исследований и технические применения. Т. 6

зуются доменные стенки, разделяю­ щие области «голова к голове» или «хвост к хвосту». Очевидно, что в независимой пленке подобное рас­ положение было бы весьма невы­ годным в связи с очень большой энергией размагничивания, тогда как в двойном слое оно возможно вследствие размагничивания между слоями. Следовательно, такие стен­ ки могут иметь практически любое из многих направлений, даже па­ раллельное направлению трудного намагничивания в пленке.

Энергия указанной перпендику­ лярной стеночной системы в двой­ ной паре стенок недавно вычислена

[123]фактически тем же путем, что

идля пары стенка — квазистенка

му. Тогда оказалось [123], что энергия перпендикулярной стенки сравнима с энергией пары стенка—квазистенка, но несколько больше ее для очень тонких промежуточных слоев и несколько ниже для толстых промежуточных слоев. Таким образом, у этих стенок изменение энергии в зависимости от угла между стенкой

иосью легкого намагничивания не очень велико. Поэтому не удивительно, что молено наблюдать все типы углов, как это следует из фиг. 17.

Родственная конфигурация, так называемое зубчатое домен­ ное состояние, показана на фиг. 22. Такое состояние образуется при постепенном размагничивании пары пленок, которые были намагничены одинаково, так что намагниченности обеих пленок стремятся распололеиться в противопололеных направлениях. По-видимому, эта конфигурация впервые наблюдалась Пухальска и Спейном [102, 103], а затем была подробно изучена Финци

иХартманом [124], которые нашли, что она существует вплоть до толщины промежуточного слоя между ферромагнитными пленками в 2 мкм. Они высказали предполол^ения, что для бо­ лее тонких пленок вместо рассмотренного типа стенок сущест­ вуют границы, состоящие из областей закручивания с блоховской

линией раздела; соответствующая конфигурация намагничен­ ности приведена на фиг. 2, б. Было принято, что эффекты раз­

магничивания между областями кручения уменьшают энергию и делают конфигурацию стабильной. Основываясь на этих до­ пущениях, авторы для состояния с минимальной энергией на­ шли энергию, ширину стенок и кручение намагниченности и обнаружили хорошее согласие теории с опытом. В частности, толщина стенок в хорошем согласии с теорией оказалась рав­ ной примерно 7 мкм, т. е. гораздо толще, чем обычно ожидается для независимых пленок.

Благодаря низкой энергии связанных стенок можно, при­ кладывая последовательность полей, создать необычные конфи­ гурации стенок, соответствующие локальному минимуму энер­ гии, т. е. метастабильные конфигурации, даже в тех случаях, когда существуют более выгодные стабильные состояния. При­ мерами их являются наблюдавшиеся Фельдкеллером [7, 107] извилистые и зигзагообразные стенки. В этих конфигурациях стенки не прямые, а осциллируют около некоторого среднего направления, так что образуются локальные области размагни­ чивания. Фельдкеллер [7] показал, что в структурах из четырех слоев и более такие конфигурации могут оставаться устойчи­ выми даже в нулевом поле. Недавно появились сообщения [124а, 1246], что необычные замкнутые домены могут наблю­ даться в структурах с очень толстыми промежуточными слоями.

Наконец отметим, что Фридлендер и сотр. [110, 114] изучили существование связанных стенок Блоха в случаях, когда тол­ щины ферромагнитных слоев слишком велики, чтобы при лю­ бых условиях могли существовать пары стенок Нееля. Они на­ шли, что подобная конфигурация может существовать, хотя, как было объяснено выше, выигрыш в энергии у этой конфи­ гурации и, следовательно, связь гораздо меньше, чем у пары стенок Нееля.

б. Коэрцитивная сила и подвижность стенок. Одно из на­ иболее удивительных явлений в многослойных пленках состоит в изменении переключательных свойств доменных стенок по сравнению с независимыми пленками. Руске [11] в 1960 г. изго­ товил структуры, имевшие от 10 до 48 слоев никеля, разделен­ ных медью, и нашел, что коэрцитивная сила значительно умень­ шалась, когда слои меди были достаточно тонкие. В частности, для слоев никеля толщиной 275 А коэрцитивная сила уменьша­ лась почти на порядок, когда промежуточные медные слои имели толщину 100 А по сравнению с тем случаем, когда их толщина составляла несколько сотен ангстрем.

Клоу [125] наблюдал фактически тот же эффект в NiFeпленках, разделенных слоями SiO, и объяснил сущность этого явления. Как мы уже видели, противоположно намагниченные

стенки Нееля в двух наложенных пленках имеют значительно более низкую энергию, чем отдельные стенки. Если создать не­ которое образование на упорядоченной структуре из десяти слоев, то чередующиеся слои могут размагничивать друг друга и самосогласовывать малые различия в толщинах или намаг­ ниченностях, приводя, таким образом, даже к более низкой средней энергии, чем при наилучшем согласовании пленок в двухслойной структуре. Если энергию доменной стенки обозна­ чить через у, то коэрцитивная сила выражается через производ­ ную этой функции по координате dy/dx. Полагая эту производ­

ную пропорциональной Y, можно получить, что в многослойной системе коэрцитивная сила будет гораздо ниже, чем в незави­ симых пленках.

Мидделхук [111] подтвердил, исследуя зависимость коэрци­ тивной силы двухслойной структуры от толщины одной из пле­ нок, что замыкание потока значительно улучшается при большом числе пленок и что это обстоятельство является важным момен­ том для получения низкой коэрцитивной силы. Он нашел очень резкий минимум коэрцитивной силы у системы при строгом согласовании пленок по толщине — коэрцитивная сила умень­ шалась в 5 раз. В других работах сообщается, что если два слоя имеют разные коэрцитивные силы, так что один слой можно исследовать независимо от другого, то коэрцитивная сила одной пленки достигает низкого значения и остается прак­ тически постоянной, когда вторая пленка имеет такую же тол­ щину или толще, и что в окрестности равных толщин сущест­ вует широкий минимум коэрцитивной силы [126, 127]. Это расхождение до сих пор не разрешено.

Конечно, как было показано, пара противоположно поляри­ зованных стенок Нееля находится в равновесии, когда они не­ посредственно наложены друг на друга. Таким образом, если структура состоит из мягкого слоя и слоя с большей стеночной коэрцитивной силой смещения, то, как было отмечено рядом авторов [100—114], в мягкой пленке могут образоваться ло­ кальные минимумы энергии для стенок около положений сте­ нок в жесткой пленке. Наведенные таким образом магнитные дефекты в пленке создают искусственно высокую коэрцитив­ ную силу.

Существование низких коэрцитивных сил в хорошо согласо­ ванных парах стимулировало довольно большое количество исследований, посвященных близким явлениям перемагничивания. Эти работы оказались весьма интересными. Хамфри и сотр. [128, 129] нашли, что многослойные пленки переключаются гораздо быстрее, чем независимые пленки. Этот результат иллюстрируется фиг. 23. Из графиков видно, что четырехили пятислойные пленки могут переключаться менее чем за 2 нс

в поле, меньшем, чем поле анизотропии Нк . В то же время для

переключения независимой пленки за то же время потребова­ лось бы поле в несколько раз большее, чем Нк- Оказалось

также, что время переключения гораздо менее чувствительно к поперечному полю, чем в случае независимой пленки.

HS/ « K

Фиг. 23. Зависимость обратного времени переключения от нормированного перемагничивающего поля [129].

Структуры состоят из различного числа пленок пермаллоя (80 N1—20 Fe, 350 А) и проме­ жуточных слоев S10 (100 Л).

Стейн [139] распространил эти измерения на большие ско­ рости переключения и нашел, что для времен переключения меньше 2 нс результаты для независимых и многослойных пле­ нок почти идентичны. Он показал, что в обоих случаях скорости переключения меньше, чем следует из теории когерентного вра­ щения, но характеристики многослойных пленок ближе к теоре­ тическим результатам. По мнению Стейна, это обусловлено тем, что размагничивающие поля тормозят некогерентное вра­ щение, а эти поля, по крайней мере частично, исключены в мно­ гослойных структурах.

Другое объяснение [131] основано на том, что в многослой­ ных пленках со связанными стенками доменные подвижности могут быть гораздо выше, чем в независимых пленках. Такая возможность стимулировала ряд исследований подвижности, цо-

торые, впрочем, не столько разрешили неясные вопросы, сколько поставили много новых и интересных проблем. Паттон и Хам­ фри [131] сообщили, что подвижность, получающаяся из ско­ рости стенки по формуле m = v/(H — Не), практически одина­

кова в двухслойной и независимой пленках. Мидделхук и Вилд [132], напротив, нашли, что подвижность в многослойной пленке в 10 раз больше, чем в независимой. Такой результат вызывает удивление, поскольку опубликованные ранее результаты двух групп исследователей прекрасно согласовались для независи­ мых пленок. Была сделана попытка [193] объяснить расхожде­ ние различием в измерительной методике, но, по-видимому, к данному случаю это неприменимо. Позже [134] обе группы изме­ рили одни и те же образцы и получили результаты, отличаю­ щиеся в три раза. Хотя в некоторой степени это расхождение может быть обусловлено тем обстоятельством [134], что измере­ ния Паттона и Хамфри сделаны, по-видимому, на паре стенка— квазистенка, а не на паре истинных стенок, все же ситуация не полностью разъяснена, и в этом направлении еще многое предстоит сделать.

Другое явление, связанное с движением стенок, в котором взаимодействие играет решающую роль, — это сползание сте­ нок. В явлениях сползания [69—71] поля, приложенные квази­ статически, могут не вызывать перемагничивания, а будучи при­ ложенными как переменные или импульсные, вызывают перемагничивание. Обусловлено это тем, что при приложении и выключении каждого импульса или полупериода внутренняя структура стенки медленно изменяется и стенка может найти новое равновесное положение. При квазистатическом приложе­ нии поля стенка сначала немного передвинется, найдет свое равновесное положение и останется в нем.

Если импульсные поля достаточно велики, чтобы вызвать сползание, и приложены длительное время, то намагниченность может постепенно полностью переключиться. Чтобы вызвать сползание, переменное поле прикладывается именно в «труд­ ном» направлении. Поле по легкой оси, внешнее или размагни­ чивающее, определяет направление, по которому будет изме­ няться намагниченность. Но изменение стенок вызывает поле вдоль трудной оси. Оказалось [69—71], что такими изменениями стенок обычно являются переходы стенка Блоха — стенка Нееля или линия Блоха — линия с поперечными узлами. Поэтому пленки, в которых присутствуют только стенки Нееля, менее восприимчивы к сползанию. Исходя из этого, было высказано предположение [69—71], что явления сползания можно исклю­ чить, используя связанные пленки, так как в них стенки Нееля существуют до очень больших толщин магнитных слоев. Повидимому, такой прием действительно в большой степени

исключает сползание. Было найдено, что порог сползания очень высок [135]. Однако так называемое быстрое сползание, или те­ кучесть стенок [136, 137], все же может иметь место. Этот эф­ фект возникает в тех случаях, когда прикладывается импульс с настолько большой крутизной, что он может вызвать в стенке прецессию спинов.

К сожалению, с точки зрения приложения в системах па­ мяти преимущества от исключения сползания значительно сни­ жаются вследствие низкой коэрцитивной силы в этих структу­ рах. Этот эффект весьма неблагоприятен для многих подобных приложений. Однако, как мы увидим ниже (разд. II, 6), для решения этой проблемы предложены и изучаются некоторые усложненные схемы.

5.ДЫРОЧНАЯ И КОСВЕННАЯ СВЯЗИ

В1902 г. задолго до понимания атомной основы ферромагне­ тизма Морэн [138] выполнил серию опытов, в которых он на намагниченный Fe-катод электролитически осаждал слой меди,

азатем слой железа. Он нашел, что при достаточно тонких слоях меди в намагниченности железной пленки проявлялась тенденция к ориентировке в направлении намагниченности ка­ тода. То есть он получил положительную связь через немагнит­ ный промежуточный слой.

Вэтом разделе мы подойдем к этому явлению на основе уже имеющихся у нас представлений. Это весьма интересно, по­ скольку попытка найти истинную причину положительной связи среди всех возможных причин является поучительной и посколь­ ку будет показано существование связи через дырочки (микро­ отверстия) в промежуточной пленке, которая выше не рассмат­ ривалась. Наконец, это дает основание обсудить возможность электронных явлений связи, которые, по-видимому, не наблюда­ лись до настоящего времени. Первый из этих вопросов очень тесно связан с одной из проблем, рассматриваемых в следую­ щем разделе: выделение различных видов связи и обсуждение явлений, происходящих при одновременном участии нескольких типов взаимодействия. Основная цель данного раздела состоит

в выяснении физического источника связи, а не ее следствий. а. Экспериментальные исследования. Новые исследования этого явления были предприняты Брюэром и сотр. [22, 93, 139] в 1964 г. Они изучали связь между немагнитострикционным спла­ вом Ni—Fe и сплавами Ni—Fe—Со или чистым Со, разделен­ ными рядом металлов. В разд. 11,1 уже обсуждалась большая часть их результатов с промежуточным Pd-слоем, а в разд. 11,2— с Мп-слоем, поэтому здесь мы ограничимся исследованиями с промежуточными слоями из Au, Ag и Сг. Определим поле вза-

Ф и г. 24. Зависимость поля связи hc от толщины b напыленных при ком­ натной температуре промежуточных слоев [22].

имодействия Ас, связанное с энергией взаимодействия на еди­ ницу площади Ес соотношением

На фиг. 24 для пленок, напыленных при комнатной темпера­ туре, это поле показано в зависимости от толщины промежуточ­ ного слоя. Поле связи уменьшается почти линейно с толщиной и исчезает при толщинах промежуточного слоя между 100 и 400 А. Было найдено, что энергия связи практически не зависит от температуры измерения в области от температуры жидкого азота до нескольких сотен градусов. Из большой величины толщины, при которой исчезает энергия связи, строго вытекает, что наблюдаемая положительная связь не есть следствие эф­ фекта апельсиновой кожуры (разд. 11,3). Поскольку ни один из рассматриваемых промежуточных слоев не был ферромагнит­ ным и система не обнаруживает температурной зависимости связи, наблюдаемой в случае промежуточного Pd-слоя (разд. 11,1), требуется новое объяснение для этого эффекта. За отсутствием лучшего описания этим пленкам была приписана косвенная связь.

Для объяснения этого явления взаимодействия было предло­ жено два механизма [23, 24]: 1) образование ферромагнитных мостиков вследствие диффузии в промежуточный слой через поры, по границам зерен или через дырочки; 2) косвенный об­ мен вследствие поляризации электронов проводимости промежу­

мой от температуры напыления, пока она не превышала 260° С [140]. Выше 260° С связь очень быстро росла с повышением тем­ пературы испарения (фиг. 25). Из этих результатов следует, что для температур выше 260° С дырочный эффект является основ­ ным источником связи, но для более низких температур испаре­ ния ситуация менее ясна. Далее, электронные микрофотографии пленок, испаренных при температуре ниже 260° С, с которых магнитные слои были удалены разбавленной азотной кислотой, не показывают в отличие от Cr-пленок присутствия в структуре разрывов. Однако это не устраняет возможности существова­ ния большого количества разрывов менее 15 А. Их присутствие было в конечном счете продемонстрировано серией опытов по окислению [140]. Окисление производилось после напыления промежуточного слоя хрома или серебра, но перед напылением второго магнитного слоя. Если температура при окислении была достаточно высока, то происходило ослабление связи. Оказа­ лось, что скорость уменьшения связи для пленок с промежу­ точным слоем золота была точно такой же, как и для пленок с Сг-слоями, приготовленными одинаковым образом. Кроме того, было найдено, что скорость уменьшения больше в том случае, когда температура нанесения первого магнитного слоя ниже (и этот слой, вероятно, более порист).

Эти результаты совершенно ясно показывают, что связь уменьшается при окислении ферромагнитного материала, кото­ рый не был защищен в тех местах, где в промежуточном слое существуют дырочки. Таким образом, в случае золота, как и в других материалах, связь обусловлена образованием мости­ ков через дырочки в пленках. Итак, все изученные до сих пор случаи положительной связи с немагнитными промежуточными слоями (возможно, за одним исключением [141]) объясняются или только что описанной дырочной связью, или образованием ферромагнитного материала вследствие диффузии (разд. 11,1). Это возможное исключение относится к сообщению Гезеля и др. [141], согласно которому энергия связи в электролитических пленках зависит исключительно нерегулярно, немонотонно от толщины различных слоев, причем наблюдаются очень резкие вариации [2] при изменении толщины. Однако попытки Массне [8] подтвердить эти результаты оказались безуспешными и по­ казали, что энергия связи не зависит от толщины ферромагнит­ ных слоев и плавно (как и описано выше, см. фиг. 24) изме­ няется с толщиной промежуточного слоя. Причины расхождения между этими двумя опытами не известны.

Хотя природа явления дырочной связи теперь понятна, дело обстоит иначе в отношении ее проявлений и они далеко не три­ виальны. В частности, экспериментально было показано, что, как и в нескольких других уже рассмотренных явлениях.

Фиг. 26. Модель обменной связи через конические мостики [140].

энергия связи пропорциональна косинусу угла между намагни­ ченностями обоих ферромагнитных слоев. Юречке [140, 142] тео­ ретически показал, что существование поворотов намагниченно­ сти в ряде случаев должно проявляться в форме угловой зависи­ мости энергии связи. Он считает, что мостики через дырочки имеют коническую форму, как показано на фиг. 26. Здесь R — ширина области контакта конуса с нижней пленкой, D — меж­ плоскостное расстояние. Если А — константа обменной связи, то

в полуклассической формулировке, обобщенной на большие по­ вороты, энергия связи записывается в виде

чаев кривые зависимости энергии от угла между намагничен­ ностями двух пленок при а = ‘/г- Предполагается, что намагни­

ченность поворачивается в одном, двух или трех слоях. Видно, что лишь в случае вращения в одном слое энергия связи следует экспериментальному закону cos 0.

Не совсем понятно тогда, почему во всех изученных до сих пор экспериментальных примерах обнаружен закон cos0. При выбранном значении а вращение в двух или трех слоях было бы