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

Проинтегрировав по всем этим исчезающим волнам, они нашли, что энергия связи ведет себя как 1/z2.

Однако этот расчет был раскритикован Бардасисом и сотр. [145] и Иосидой и Окийи [146), которые показали, что в прибли­ жении эффективной массы, использованной Дрейфусом и сотр. [144], сумма всех осциллирующих членов точно компенсирует сумму экспоненциальных членов. Тогда остается только быстро осциллирующий член РККИ типа

Следовательно, для промежуточных слоев металла толще не­ скольких ангстрем косвенной связи не существует. Почти невоз­ можно себе представить образование такого слоя без участия одной из других связей, рассмотренных выше, например ды­ рочной связи. Имеется, правда, два пункта в расчете, измене­ ние которых может позволить вновь думать об эффекте косвен­ ной связи. Во-первых, не очевидно, что на энергию не влияет шероховатость границ разделов различных слоев. Дрейфус и Мэйнард [147] предположили, что вследствие шероховатости осциллирующие члены усредняются гораздо быстрее экспонен­ циальных и становятся экспоненциально малыми.

Не ясно также, что дает рассмотрение реальной зонной структуры вместо приближения эффективной массы. В настоя­ щий момент, однако, кажется весьма маловероятным, что лю­ бая подобная модификация расчета восстановит важные неосциллирующие члены.

Троусдейл и Линдгрен [148] с помощью эффекта Мёссбауэра исследовали проникновение спиновой поляризации электро­ нов проводимости в пленки Pd, Си и Ag, нанесенные на Fe-подложки. В случае палладия было показано, что такое про­ никновение происходит на расстояние до 120 атомных слоев от подложки. Для меди и серебра эффект оказался аналогичным, но гораздо более слабым. В разд. 11,2 описаны результаты измерений более обычными методами, из которых следует, что в пределах точности эксперимента связь исчезает при прибли­ жении ферромагнитного палладиевого сплава к точке Кюри. Исследования методом эффекта Мёссбауэра не были впослед­ ствии продолжены, поэтому их результаты остаются весьма ин­ тересными, но необъясненными.

Расчет РККИ-взаимодействия в случае невырожденного полупроводника приводит к результату, весьма отличному от полученного для металла. Балтеншпергер и де Грааф [149] и Карпенко и Бердышев [150] провели такие вычисления для магнитных ионов в полупроводнике. Для собственного полу­ проводника в больцмановском пределе их результаты сводятся

к следующему выражению для энергии взаимодействия двух ионов:

трация носителей. Энергия зависит от температуры явно через экспоненту и через температурную зависимость п. Эта моно­

тонная функция для энергии связи резко отличается от осцил­ лирующего выражения, предсказываемого для металлов [вы­ ражение (11)]. Ряд авторов использовали и обобщили приведен­ ные результаты [151—153]. В определенной степени, по-види- мому, они подтверждены экспериментально [150, 153]. Отметим, что электроны, локализованные на неперекрывающихся донорах, не дают вклада в эффект [154].

Отсюда, по-вйдимому, следует, что для наблюдения косвен­ ного обмена между двумя магнитными пленками через поляри­ зацию электронов проводимости гораздо перспективнее исполь­ зовать промежуточные слои из собственного полупроводника, а не из металла [155]. Но хотя эти системы представляют инте­ рес, до настоящего времени не выполнено расчетов с полупро­ водниковыми пластинами, аналогичных приведенным выше для металлов. Не было и экспериментальных попыток изучить такие системы. К сожалению, подобные исследования не просты. Так, если мы хотим создать собственную полупроводниковую пленку, то для исследования обычными экспериментальными методами она должна быть монокристаллической. В рассматриваемых условиях это означает, что такую пленку надо эпитаксиально наращивать на монокристаллической ферромагнитной пленке. Для этого требуется более сложная технология, чем применяе­ мая обычно в полупроводниковой эпитаксии, но, по-видимому, вполне осуществимая в настоящее время.

6.РАЗДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТОВ СВЯЗИ. КОМБИНАЦИЯ ЭФФЕКТОВ

Впяти предыдущих разделах (II, 1—5) был рассмотрен ряд физических явлений, которые вызываются взаимодействиями между магнитными пленками в многослойных системах. В на­ стоящем разделе рассматриваются два вопроса: во-первых, как определить, какой именно из эффектов связи фигурирует в дан­ ной экспериментальной ситуации, и, во-вторых, что будет на­ блюдаться, когда сосуществуют два или несколько из этих эффектов? Прежде всего, поскольку имеется ряд свойств, таких, как сохранение вращательного гистерезиса до очень высоких полей, которое отличает обменную анизотропию от всех других видов связи, то их наблюдение должно сразу решать проблему. Подобным же образом исследования с применением порошко­

вой техники или лоренцевской микроскопии должны сразу же продемонстрировать присутствие или отсутствие магнитостати­ ческой связи доменных стенок. Но как быть с прямой обменной связью, особенно со связью двух сильных ферромагнетиков че­ рез слабый ферромагнетик, со связью через поле рассеяния, эффектом апельсиновой кожуры, дырочной или косвенной связью? Можно указать некоторые различия между этими эффек­ тами по знаку поля связи. Связь за счет полей рассеяния будет всегда отрицательной, а связь через эффект апельсиновой кожуры — всегда положительной. В большинстве существую­ щих примеров прямая обменная связь и дырочная связь были положительными. Но, как видно из разд. 11,1, имеются примеры и отрицательной обменной связи. Очевидно, что дырочная связь между соответствующими материалами является также отрица­ тельной. Далее, если косвенная связь через электроны проводи­ мости когда-либо наблюдалась (см. разд. 11,5), то она могла быть и положительной, и отрицательной.

На самом деле связь за счет полей рассеяния легко отли­ чить от других взаимодействий, поскольку только для нее энер­ гия связи на единицу площади зависит от размеров образца в плоскости пленки. Во всех других явлениях существенны только толщины, но для определения их природы недостаточно одного измерения энергии или поля связи. Для этого обычно необходимо изучить зависимость связи от некоторой физиче­ ской величины или от некоторой обработки образца, приводящей к совершенно различным результатам для взаимодействия раз­ ной природы. Таким примером (см. разд. 11,5) являются опыты с окислением, использованным для доказательства дырочной природы связи в случае промежуточных Au-слоев. Они были проведены только после многочисленных длительных трудных и неоднозначных экспериментов. В любых аналогичных слу­ чаях, например при поиске связи через электроны проводимо­ сти в полупроводниковых пленках, должна быть выдержана такая же тщательность для исключения других возможных ме­ ханизмов. Факт существования связи, когда она была предска­ зана на основе теоретической модели, еще отнюдь не означает, что наблюдаемая связь и есть предсказанная. Возможный под­ ход состоит также в выборе такого материала, чтобы исследуе­ мый эффект имел в нем знак, противоположный всем другим возможным взаимодействиям (как было сделано для доказа­ тельства существования эффекта апельсиновой кожуры).

Другое экспериментальное осложнение возникает, когда дан­ ный образец (особенно в случае связи через немагнитный слой) обнаруживает одновременно несколько типов связи. Наиболее явным и довольно хорошо изученным примером такой ситуации является магнитостатическая связь доменных стенок в пленках

с дополнительным положительным или отрицательным взаимо­ действием. В разд. 11,4 было отмечено, что коэрцитивная сила пропорциональна производной от энергии доменной стенки dy/dx. Фельдкеллер и сотр. [112, 156] показали эксперименталь­

но и теоретически, что энергия пары стенок будет увеличиваться в присутствии положительной связи, так как магнитостатиче­ ская п положительная связи конкурируют друг с другом. Если энергия будет резко меняться вдоль поверхности пленки, как

Фиг. 27. Зависимость коэрцитивной силы от толщины для клиновидного промежуточного слоя [156].

Коэрцитивная сила измерена в А/см.

ожидается для промежуточных слоев толщиной 10—20 А, то производная станет весьма большой и, следовательно, коэрци­ тивная сила сильно возрастет. Это и наблюдается в действи­ тельности. Из фиг. 27 видно, что для очень малых зазоров Яс существенно больше, чем у независимой пленки. При больших зазорах коэрцитивная сила падает до величины, заметно мень­ шей, чем в отсутствие связи разд. 11,4). Максимум коэрцитив­ ной силы достигается при средних зазорах около 10— 15 А [157].

Поскольку коэрцитивная сила связанных пленок модифи­ цируется в присутствии дырочной связи, не удивительно, что порог сползания также изменяется [7, 137, 156]. Опыты Штайна [135] фактически проводились на пленках с очень малыми за­ зорами. Это имело то очевидное преимущество, что коэрцитив­ ная сила не уменьшилась, а возросла и порог необратимого переключения приблизился к порогу вращательного переключе­ ния. С точки зрения применения в приборах такое поведение является желательным [156]. На сползание влияет также связь

за счет полей рассеяния [84, 158], так как эта связь уменьшает эффективное размагничивающее поле и, следовательно, силу, вызывающую сползание в пленках. Следует также отметить, что экспериментальное изучение взаимодействий стенка—стенка упрощается в пленках с положительной связью [92, 109, 118]. Доменная структура оказывается гораздо проще, так что легче выделить важные детали.

Наиболее широко изучена комбинация стеночного взаимо­ действия с другими связями, но наблюдалось и много других комбинации эффектов связи. Например, не должно вызывать удивления то обстоятельство, что пленки с дырочной связью обнаруживают и связь через поля рассеяния. На большей части площади пленки оба эффекта вычитаются, и в результате ды­ рочная связь просто уменьшается. Вместе с тем известно [24], что краевые эффекты связи через поля рассеяния могут сильно влиять на свойства пленок с дырочным взаимодействием. Было показано [40, 41], что обменная анизотропия и дырочная связь могут также существовать одновременно, как, например, в пленках Ni—Fe и Ni—Fe—Со, разделенных слоями марганца. В этом случае если связь наблюдается по смещению петли гистерезиса, то оказывается, что есть смещение, зависящее и не зависящее от состояния магнитных пленок. Более подробно каждое из этих явлений будет рассмотрено в следующем раз­ деле.

III.ЭФФЕКТЫ СВЯЗИ

Вразд. II мы рассмотрели различные физические эффекты, приводящие к взаимодействиям в многослойных пленках, обсу­

дили и описали некоторые следствия этих эффектов и связан­ ные с ними свойства систем. Однако, как уже отмечалось, су­ ществует большое количество самых различных физических явлений, приводящих к возникновению эффективной энергии связи на единицу поверхности, которая может быть положи­ тельной или отрицательной. Обсуждавшаяся выше идентифика­ ция этих явлений,очевидно,затруднена тем,что многие проявле­ ния эффектов связи определяются только самим фактом ее существования, но не зависят от ее конкретной физической природы. Именно такие свойства будут рассмотрены в данном разделе. Хотя в большей части обсуждаемых работ в качестве источника связи предполагалось вполне определенное явление, мы увидим, что в подавляющем большинстве случаев в этом совершенно нет необходимости. Оказывается, что, задаваясь заранее только знаком связи и видом ее угловой зависимости,

математический анализ этой задачи зависит от того, можно или нет считать намагниченность постоянной в каждом из слоев, эти два случая исследуются отдельно. В разд. 111,3 и 111,4 об­ суждаются импульсное перемагиичивание и резонансные явле­ ния в связанных пленках, а в разд. 111,5 рассматриваются те стороны доменной структуры, которые более или менее не за­ висят от природы связи. Практически во всех перечисленных пяти разделах речь идет о структурах, состоящих из пленок с одноосной анизотропией и параллельными легкими осями. Наконец, в разд. III,6 будут рассмотрены новые свойства, воз­ никающие у связанных структур с двумя и более одноосными пленками и неколлииеарными осями легкого намагничивания. Мы увидим, что это приводит к появлению эффективной анизо­ тропии более высоких порядков. Это означает, что в некотором интервале полей такие структуры обладают двухосной или еще более высокой анизотропией. В предельном случае непрерыв­ ного изменения направления оси легкого намагничивания воз­ можно образование так называемой спиральной анизотропии.

1. КВАЗИСТАТИЧЕСКОЕ ПЕРЕМАГИИЧИВАНИЕ (НАМАГНИЧЕННОСТЬ В КАЖДОМ СЛОЕ ПОСТОЯННА)

Пусть две ферромагнитные пленки связаны через немагнит­ ный или слабомагнитный промежуточный слой. Мы рассмотрим ситуацию, которая охватывает следующие случаи: связь за счет поля рассеяния или через эффект апельсиновой кожуры, дыроч­ ная связь и обменная связь между двумя сильно ферромагнит­ ными слоями, разделенными слабо ферромагнитной прослойкой. В последнем случае будем пренебрегать влиянием внешних по­ лей на промежуточный слой и будем считать, что его роль сводится к обеспечению обменной энергии, величина которой зависит от угла между намагниченностями в ферромагнитных слоях. Во всех этих случаях намагниченность во внешних слоях обычно можно считать постоянной по толщине. При сделанных предположениях полная энергия структуры записывается очень просто. В частности, для двух пленок с одноосной анизотро­ пией можно записать полную энергию, отнесенную к единице площади структуры, в виде

Е — K\ti sin2 0] -f K%t2sin2 (02 —• qp) — Mxtx(Hx cos 6| + Hy sin 0!) —

ченность и угол между намагниченностью и осью х t-й пленки

соответственно. Легкая ось 1-й пленки расположена параллель- HP реи х, легкая ось 2-й пленки срставляет с осью х угол ф.

Нх и Ну — приложенные поля, £(01 — 02) — энергия связи, зави­

сящая только от угла между направлениями намагниченностей обеих пленок. В разд. II было показано, что для взаимодействия за счет полей рассеяния, дырочной связи и обменной связи через сплав, образованный диффузией, энергия Е ~ cos (0t — 02), а

в случае обменной связи через однородный изотропный магнит­

жительной или отрицательной. В случае связи за счет полей рассеяния для пленок нерегулярной формы, например в виде полос, приведенный закон модифицируется некоторым попра­ вочным членом, который значительно усложняет анализ.

Минимизируя выражение (15) для полной энергии, можно определить устойчивые состояния намагниченности и найти кри­ тические значения полей, при которых намагниченности пере­ ключаются из одного стабильного состояния в другое, т. е. можно проанализировать процесс квазистатического перемагничивания. Эту проблему мы рассмотрим в оставшейся части данного раздела. Очевидно, что приведенное выражение не опи­ сывает поведения систем с обменной связью или структур с обменной анизотропией. В обоих этих случаях намагниченность не остается постоянной по толщине пленки. В результате выра­ жение для энергии оказывается гораздо более сложным и мате­ матический анализ значительно труднее. Такие случаи рассмот­ рены в разд. 111,2.

Анализ выражения (15) показывает, что если обе пленки тождественны, то положительная связь не влияет на перемагничивание. Интуитивно это не должно вызывать удивления. То же самое справедливо для пленок с отрицательной связью, перемагничиваемых в противоположных направлениях, например ленточным проводником. При перемагничивании идентичных пле­ нок с отрицательной связью однородным внешним полем связь играет роль, аналогичную размагничивающему полю. Зная свой­ ства независимых пленок, молено получить некоторые сведения о связи, исходя из понижения порога перемагничиваиия, но нельзя получить никакой информации о силе взаимодействия, исследуя только структуры со связью.

Далее мы будем полагать, что /Ci ф Кг, но ограничимся

случаем, когда <р = 0, т. е. когда оси легкого намагничивания пленок параллельны. Поведение структур, энергия которых опи­ сывается выражением (15), но при условии <р Ф 0, будет рас­

смотрено ниже, в разд. 111,6.

Характеристики перемагничиваиия, которые можно вывести, делятся на две категории. Во-первых, существуют условия, при которых ряд простых свойств моншо вывести аналитически. Обычная процедура состоит в выборе закона угловой зависи­

мости для энергии связи и предсказании на этом основании та­ кого поведения системы, в котором энергия связи проявляется простым образом. Затем экспериментально можно получить как подтверждение правильного выбора угловой зависимости, так и значения интересующих нас констант. Сначала обсудим эту ситуацию. В общем случае внешних полей (амплитуды и на­ правления) аналитическое рассмотрение выполнить невозмож­ но. В этом случае для предсказания поведения системы обычно приходится делать предположения как о значениях констант, так и об угловой зависимости. Соответствующая проблема бу­ дет обсуждаться позже.

Для простоты и общности предположим, что Е подчиняется

закону косинуса. Но. данный анализ можно очень легко проде­ лать и для угловой зависимости типа 02 и некоторых других форм. Следуя определению (9), полагаем

Е (0! — 02) = — M{hiti cos(0[ — 02) = — Л12Л2*2 C O S (0J — 02), (16)

где hi — поле связи, приложенное к i-слою, i = 1 или 2.

а. Сила связи и угловая зависимость. Для эксперименталь­ ного определения величины h необходимо, чтобы взаимодейст­

вующие пленки имели достаточно различные коэрцитивные силы. Тогда одну из пленок можно переключить в состояние намагниченности в направлении легкой оси, не изменяя заметно состояния другой пленки. Известно [22, 93], что в этом случае петля гистерезиса мягкой пленки смещается в том или другом направлении в зависимости от направления намагниченности жесткой пленки. Требуемое различие коэрцитивных сил зависит от энергии связи, которая не только смещает петлю гистерезиса, но, кроме того, увеличивает коэрцитивную силу мягкой пленки и уменьшает ее у жесткой пленки, а при достаточно большой энергии связи вся система в целом будет обладать одной сред­ ней коэрцитивной силой (см. разд. 11,1). В этом случае намаг­ ниченность не может быть постоянной во всем слое и анализ чрезвычайно усложняется. Мы обсудим эту задачу в разд. 111,2.

Пусть и описанные выше условия выполнены и приложено поле, большее кажущейся коэрцитивной силы мягкой пленки (пленка 1), но меньшее кажущейся коэрцитивной силы жесткой пленки (пленка 2). Тогда петля гистерезиса мягкой пленки сме­ стится от Н = 0 на величину hi. Это смещение будет противопо­

ложно направлению намагниченности жесткой пленки в случае положительной связи и будет совпадать с ним в случае отри­ цательной связи. Сказанное иллюстрируется фиг. 28 в случае положительной связи для ряда доменных конфигураций в жесткой пленке. Как уже говорилось, кажущиеся коэрцитивные поля мягкой и жесткой пленок также изменятся. Так, если в

отсутствие связи они были равны Нс и Н'с соответственно, то для связанных пленок они станут Hc-\-hi и Я£ — Аг [22].

Обсуждаемый метод даст правильное значение энергии взаимодействия только в том случае, если вся поверхность плен­ ки ведет себя одинаково (одиодоменная модель) и если намагни­ ченность в каждом слое постоянна по толщине. Конечно, выпол­ нение этих условий необходимо проверять в каждом конкрет­ ном случае. Например, для систем, в которых существует одно­ временно два эффекта взаимодействия (типа рассмотренных в

Ni-Fe Co-Ni-Fe

Петли гистерезиса

Петли гистерезиса для пленки Ni-Fe

в связанных пленках

Фиг. 28. Петли гистерезиса мягкой пленки (NiFe) для случая положитель­ ной связи с жесткой пленкой (NiFeCo) [22].

разд. 11,6), метод петли гистерезиса даст неадекватную инфор­ мацию. Пусть, например, дырочная связь сочетается с эффек­ тами краевых размагничивающих полей. Тогда для обоих на­ правлений внешнего поля размагничивающее поле уменьшает поле зародышеобразования стенок. Вследствие этого будет сме­ щаться петля гистерезиса, но истинная энергия связи на еди­ ницу площади существенно не изменится [24]. При комбинации дырочной связи и обменной анизотропии [40, 41] петля мягкой пленки сместится из-за влияния антиферромагнитного мате­ риала. Кроме того, очевидно, что метод смещения петли гисте­ резиса не дает никакой информации относительно угловой за­ висимости энергии связи. Все изложенные соображения при­ вели к разработке ряда других методик определения силы взаимодействия.

Согласно формуле (16), для cos 0-закона намагниченность жесткой пленки действует на намагниченность мягкой пленки, как поле. Если поля анизотропии обеих пленок достаточно раз­ личаются, так что вектор намагниченности одной из них можно повернуть в трудное направление, не меняя существенно на-