ФМР в обмінно-зв’язаних багатошарових структурах

В даній статті наведено результати досліджень феромагнетного резонансу (ФМР) в обмінно-зв’язаних багатошарових структурах типу «феромагнетик/слабомагнетний прошарок/закріплений феромагнетик»....

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2015
Hauptverfasser:	Козак, І.М., Поліщук, Д.М., Кравець, А.Ф., Голуб, В.О., Korenivski, V.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainian
Veröffentlicht:	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2015
Schriftenreihe:	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/87984
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	ФМР в обмінно-зв’язаних багатошарових структурах / І.М. Козак, Д.М. Поліщук, А.Ф. Кравець, В.О. Голуб, V. Korenivski // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2015. — Т. 13, № 1. — С. 147–159. — Бібліогр.: 35 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-87984
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-879842015-11-06T03:01:57Z ФМР в обмінно-зв’язаних багатошарових структурах Козак, І.М. Поліщук, Д.М. Кравець, А.Ф. Голуб, В.О. Korenivski, V. В даній статті наведено результати досліджень феромагнетного резонансу (ФМР) в обмінно-зв’язаних багатошарових структурах типу «феромагнетик/слабомагнетний прошарок/закріплений феромагнетик». В данной статье приведены результаты исследований ферромагнитного резонанса (ФМР) в обменно-связанных многослойных структурах типа «ферромагнетик/слабомагнитная прослойка/закреплённый ферромагнетик». In this article, the results of investigations of ferromagnetic resonance (FMR) in exchange-coupled multilayer structures such as ‘ferromagnet/weakly magnetic layer/fixed ferromagnet’ are presented. 2015 Article ФМР в обмінно-зв’язаних багатошарових структурах / І.М. Козак, Д.М. Поліщук, А.Ф. Кравець, В.О. Голуб, V. Korenivski // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2015. — Т. 13, № 1. — С. 147–159. — Бібліогр.: 35 назв. — укр. 1816-5230 PACS numbers: 75.20.En, 75.30.Et, 75.47.Np, 75.70.Cn, 75.75.Cd, 76.50.+g, 81.40.Rs http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/87984 uk Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
description	В даній статті наведено результати досліджень феромагнетного резонансу (ФМР) в обмінно-зв’язаних багатошарових структурах типу «феромагнетик/слабомагнетний прошарок/закріплений феромагнетик».
format	Article
author	Козак, І.М. Поліщук, Д.М. Кравець, А.Ф. Голуб, В.О. Korenivski, V.
spellingShingle	Козак, І.М. Поліщук, Д.М. Кравець, А.Ф. Голуб, В.О. Korenivski, V. ФМР в обмінно-зв’язаних багатошарових структурах Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
author_facet	Козак, І.М. Поліщук, Д.М. Кравець, А.Ф. Голуб, В.О. Korenivski, V.
author_sort	Козак, І.М.
title	ФМР в обмінно-зв’язаних багатошарових структурах
title_short	ФМР в обмінно-зв’язаних багатошарових структурах
title_full	ФМР в обмінно-зв’язаних багатошарових структурах
title_fullStr	ФМР в обмінно-зв’язаних багатошарових структурах
title_full_unstemmed	ФМР в обмінно-зв’язаних багатошарових структурах
title_sort	фмр в обмінно-зв’язаних багатошарових структурах
publisher	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
publishDate	2015
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/87984
citation_txt	ФМР в обмінно-зв’язаних багатошарових структурах / І.М. Козак, Д.М. Поліщук, А.Ф. Кравець, В.О. Голуб, V. Korenivski // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2015. — Т. 13, № 1. — С. 147–159. — Бібліогр.: 35 назв. — укр.
series	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
work_keys_str_mv	AT kozakím fmrvobmínnozvâzanihbagatošarovihstrukturah AT políŝukdm fmrvobmínnozvâzanihbagatošarovihstrukturah AT kravecʹaf fmrvobmínnozvâzanihbagatošarovihstrukturah AT golubvo fmrvobmínnozvâzanihbagatošarovihstrukturah AT korenivskiv fmrvobmínnozvâzanihbagatošarovihstrukturah
first_indexed	2025-07-06T15:40:34Z
last_indexed	2025-07-06T15:40:34Z
_version_	1836912678477496320
fulltext	147 PACS numbers: 75.20.En, 75.30.Et, 75.47.Np, 75.70.Cn, 75.75.Cd, 76.50.+g, 81.40.Rs ФМР в обмінно-зв’язаних багатошарових структурах І. М. Козак, Д. М. Поліщук, А. Ф. Кравець, В. О. Голуб, V. Korenivski* Інститут магнетизму НАН та МОН України, бульв. Акад. Вернадського, 36б, 03142 Київ, Україна *Nanostructure Physics, Royal Institute of Technology, 10691 Stockholm, Sweden В даній статті наведено результати досліджень феромагнетного резонансу (ФМР) в обмінно-зв’язаних багатошарових структурах типу «феромагне- тик (Ni80Fe20)/слабомагнетний прошарок (NixCu100x)/закріплений феро- магнетик (Co90Fe10/Mn80Ir20)». Визначено магнетні та резонансні парамет- ри досліджуваних структур і встановлено їх залежність від товщини сла- бомагнетного прошарку, концентрації Ni та температури. Встановлено, що при кімнатній температурі на ФМР-спектрах спостерігаються два сиґ- нали, які проявляють феромагнетні властивості і відповідають шарам Ni80Fe20 (Py) і Co90Fe10. Показано, що поведінка резонансного поля, шири- ни лінії та ефективної намагнетованости шару Py визначається ступенем міжшарової обмінної взаємодії, яка залежить від товщини слабомагнет- ного прошарку (d) і концентрації (x) атомів Ni в ньому. Найбільшою мі- жшаровою взаємодією характеризуються зразки з x54%, d3 нм та з x62%, d6 нм. Залежність намагнетованости від температури стрімко зростає зі зменшенням температури. In this article, the results of investigations of ferromagnetic resonance (FMR) in exchange-coupled multilayer structures such as ‘ferromagnet (Ni80Fe20)/weakly magnetic layer (NixCu100x)/fixed ferromagnet (Co90Fe10/Mn80Ir20)’ are present- ed. The magnetic and resonance parameters of these structures are deter- mined, and their dependence on the thickness of weakly magnetic layer, con- centration of Ni, and temperature is revealed. In the room-temperature FMR spectra, two signals are observed and display ferromagnetic properties corre- sponding to the Ni80Fe20 (Py) and Co90Fe10 layers. As shown, the behaviour of resonance field, line width, and effective magnetization for the Py layer is caused by the interlayer exchange interaction, which depends on both the thickness (d) of weakly magnetic layer and the concentration (x) of Ni atoms within it. Samples with x54%, d3 nm and x62%, d6 nm are charac- terized by the largest interlayer interaction. The dependence of magnetiza- Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies 2015, т. 13, № 1, сс. 147–159  2015 ІМФ (Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН Óкраїни) Надруковано в Óкраїні. Фотокопіювання дозволено тільки відповідно до ліцензії 148 І. М. КОЗАК, Д. М. ПОЛІЩÓК, А. Ф. КРАВЕЦЬ та ін. tion on temperature rapidly increases with decreasing temperature. В данной статье приведены результаты исследований ферромагнитного ре- зонанса (ФМР) в обменно-связанных многослойных структурах типа «фер- ромагнетик (Ni80Fe20)/слабомагнитная прослойка (NixCu100x)/закреплён- ный ферромагнетик (Co90Fe10/Mn80Ir20)». Определены магнитные и резо- нансные параметры исследуемых структур и установлена их зависимость от толщины слабомагнитной прослойки, концентрации Ni и температуры. Óстановлено, что при комнатной температуре на ФМР-спектрах наблюда- ются два сигнала, которые проявляют ферромагнитные свойства и соответ- ствуют слоям Ni80Fe20 (Py) и Co90Fe10. Показано, что поведение резонансного поля, ширины линии и эффективной намагниченности слоя Py определяет- ся степенью межслоевого обменного взаимодействия, которая зависит от толщины слабомагнитной прослойки (d) и концентрации (x) атомов Ni в ней. Наибольшим межслоевым взаимодействием характеризуются образ- цы с x54%, d3 нм и с x62%, d6 нм. Зависимость намагниченности от температуры стремительно растёт с уменьшением температуры. Ключові слова: спіновий вентиль, міжшарова обмінна взаємодія, розбав- лений феромагнетик, феромагнетний резонанс, намагнетованість. (Отримано 17 березня 2015 р.) 1. ВСТУП За останні роки зросла кількість робіт по вивченню властивостей обмінно-зв’язаних багатошарових структур типу спінового вентиля F1/f/F2pin [1–9], де F1 — шар феромагнетика, намагнетованість яко- го можна легко змінювати під дією зовнішнього магнетного поля; F2pin — шар феромагнетика з фіксованим напрямком намагнетова- ности; f — слабомагнетний прошарок. Ключовим елементом даної структури є слабомагнетний прошарок f [10–14]. В залежності від температури прошарок f може перебувати у па- рамагнетному стані (T TC eff) або у феромагнетному (TTC eff); TC eff — ефективна температура Кюрі слабомагнетного прошарку [14]. Ó випадку, коли f знаходиться у парамагнетному стані, зміна орієнтації магнетного моменту шару F1 від антипаралельної до па- ралельної відносно магнетного моменту закріпленого шару F2pin [15] відбувається у досить низьких магнетних полях. Тобто обмінна вза- ємодія між феромагнетними шарами F1 і F2pin відсутня. Коли f перебуває у феромагнетному стані, магнетні моменти цих шарів паралельні, і змінити їхню взаємну орієнтацію можна за до- помогою зовнішнього поля. Це є проявом прямої обмінної взаємодії між шарами F1 і F2pin. Однією з основних умов появи прямої міжша- рової обмінної взаємодії у F1/f/F2pin структурах є те, щоб товщина прошарку f була більшою від довжини вільного пробігу спіну елек- ФМР В ОБМІННО-ЗВ’ЯЗАНИХ БАГАТОШАРОВИХ СТРÓКТÓРАХ 149 трона [4]. Ефективною та інформативною експериментальною методикою дослідження магнетних властивостей гетерофазних і нанострукту- рованих систем, включаючи багатошарові магнетні структури, ви- ступає феромагнетний резонанс (ФМР) [16–22]. Основними перевагами ФМР щодо вивчення магнетних багато- шарових наноструктур є: (і) висока чутливість, що уможливлює охарактеризувати магнетні властивості тонких плівок та інших на- норозмірних систем (нанострічки, наноточки), що не завжди мож- ливо за допомогою інших методик [17, 23]; (іі) можливість дослі- джувати властивості окремих складових комплексної (багатофазної чи багатошарової) матеріяльної системи [24, 25]. За допомогою методики ФМР можна охарактеризувати анізотро- пну поведінку системи, процеси релаксації та перемагнетування, магнетну однорідність матеріялу, збудження спінових хвиль, і ви- значити такі параметри як ефективна намагнетованість, константи анізотропії, напівширина резонансної лінії, тощо [17, 24, 26–28]. Дослідження ФМР в обмінно-зв’язаних багатошарових структу- рах [21, 29] є важливою задачею, оскільки за їх допомогою можна не лише якісно описати прояв міжшарової взаємодії, але й кількіс- но охарактеризувати цей ефект. Ó роботі [30] було проведено ФМР-дослідження багатошарових структур типу «спіновий вентиль» з немагнетним прошарком. На- приклад, Лінднер та ін. [31] досліджували методом ФМР тришарові структури, резонансні властивості яких вивчалися в залежності від температури. Авторами було встановлено, що найбільш важлива причина такої залежности слідує із температурної залежности розу порядкування магнетних моментів на межі зі спейсером через тер- мічно активовані спінові хвилі. Ó роботах [31, 32], число сиґналів, що спостерігались на ФМР спектрах, відповідало кількості ферома- гнетних шарів. Однак, робіт, присвячених ФМР-дослідженням багатошарових структур із слабомагнетним прошарком, обмаль [2, 8, 9, 33]. Ó ро- боті [33] за допомогою методики ФМР досліджуються тонкі плівки розбавленого феромагнетика NixCu100x (x70–100%). Стоп даного складу виступає основним матеріялом для слабомагнетного проша- рку у термомагнетних спінових вентилях нового типу — перемика- чах Кюрі [1, 2]. В ході досліджень [33] у тонких плівках було вияв- лено виникнення обмінно-зв’язаних кластерів Ni, що підвищує ма- гнетну неоднорідність системи, і що має бути враховане при конс- труюванні багатошарових структур F1/f/F2pin. Поведінка резонансних параметрів ФМР окремих шарів у бага- тошарових структурах має відображати характер міжшарової об- мінної взаємодії у таких структурах. Дане завдання є актуальним як з практичної, так і фундаментальної точок зору. 150 І. М. КОЗАК, Д. М. ПОЛІЩÓК, А. Ф. КРАВЕЦЬ та ін. 2. МЕТОДИКА ЕКСПЕРИМЕНТУ Магнетні багатошарові структури Ni80Fe20 (10 нм)/NixCu100x(d)/ Co90Fe10 (5 нм)/Mn80Ir20 (12 нм)/Cu (5 нм) (далі F1/f(x, d)/F2pin) були одержані методом магнетронного розпорошення мішеней на термі- чно окислені кремнієві підкладки з використанням мультимагнет- ронної розпорошувальної системи AJA Orion. Залишковий тиск у камері становив 610 9 Тор. Осадження проводилося в плазмі ар- гону при тиску 5 мТорр. Феромагнетні шари Ni80Fe20 (Py) і Co90Fe10 та антиферомагнетний шар Mn80Ir20 були осаджені з окремих міше- ней із відповідним номінальним складом. Слабомагнетний шар NixCu100x осаджували одночасним розпорошенням окремих міше- ней чистого Ni та Cu. В одержаних гетероструктурах, антиферомаг- нетний шар Mn80Ir20 використовувався для створення однонапрям- леної магнетної анізотропії у феромагнетному шарі Co90Fe10, що до- зволило зафіксувати напрямок намагнетованости в останньому. Від взаємодії з атмосферою структури були захищені шаром Cu. Конт- роль за товщиною шарів у структурі здійснювався за допомогою профілометрії [10]. Склад розбавленого феромагнетного стопу NixCu100x реґулювався шляхом підтримки співвідношення швидко- стей осадження Ni і Cu, що контролювалося за допомогою кварцо- вого датчика швидкости осадження плівок. В даній роботі досліджуються дві серії зразків. Зразки першої се- рії мають однаковий склад слабомагнетного прошарку f — Ni54Cu46, що відповідає стопу з точкою Кюрі, близькою до кімнатної темпе- ратури [34], але відрізняються товщиною шару f (d3, 4,5, 6, 7,5, 9 нм). Зразки другої серії мають однакову товщину прошарку NixCu100x (d6 нм), але відрізняться концентрацією Ni в ньому (x0, 40, 48, 54, 62 ат.% Ni). Номінальні параметри інших шарів у досліджуваних зразках однакові. Магнетні властивості гетероструктур F1/f(x, d)/F2pin досліджува- лися за допомогою методу феромагнетного резонансу з використан- ням ЕПР-спектрометра Bruker ELEXYS-E500, обладнаного автома- тичним гоніометром та температурною приставкою. ФМР-міряння виконувалися на робочій частоті f9,46 ГГц (X-діяпазон) в темпе- ратурному інтервалі 150–400 К. Основними параметрами ФМР виступають резонансне поле (Hr), напівширина лінії (Hpp) та інтенсивність (I). На основі одержаних значень резонансного поля Hr, в наближенні, що магнетна поведін- ка плівки визначається лише анізотропією форми, можна визначи- ти ефективну намагнетованість (Meff) кожного шару з використан- ням системи Кіттелевих рівнянь [24]:              eff eff 4 , 4 , r r r H M H H M (1) ФМР В ОБМІННО-ЗВ’ЯЗАНИХ БАГАТОШАРОВИХ СТРÓКТÓРАХ 151 де H⊥ та H\|\| — резонансні поля, одержані за умов, коли зовнішнє по- ле H перпендикулярне або паралельне до площини плівки відповід- но;  — циклічна частота (2f);  — гіромагнетне відношення. В свою чергу, напівширина лінії Hpp несе в собі інформацію про маг- нетну однорідність матеріялу та механізми релаксації [24]. 3.РЕЗУЛЬТАТИ ТА ЇХ ОБГОВОРЕННЯ На рисунку 1 наведено типові спектри ФМР, одержані для структу- ри F1/f(54%, 6 нм)/F2pin: (а) кутова залежність спектрів ФМР в за- лежності від орієнтації прикладеного зовнішнього поля H відносно нормалі до площини плівки (кут ), виміряна при кімнатній темпе- ратурі (кут відхилу 0 відповідає перпендикулярній орієнтації H до площини плівки); (б) температурна залежність спектрів ФМР при орієнтації прикладеного поля H в площині плівки (90). Одержані спектри ФМР представляють собою перші похідні від кривої поглинання за рахунок використання модуляційних коту- шок, що дозволяє підвищити відношення сиґнал/шум [17]. За кімнатної температури на спектрах ФМР для усіх зразків мо- жна чітко виділити два сиґнали (рис. 1, а). Обидва сиґнали вияв- а б Рис. 1. Типові спектри ФМР, одержані для структури F1/f(54%, 6 нм)/F2pin. (а) кутова залежність спектрів ФМР при кімнатній температурі ( — кут відхилу зовнішнього магнетного поля H від нормалі до площини плівки); (б) температурна залежність спектрів ФМР за орієнтації прикладеного по- ля H у площині плівки. 152 І. М. КОЗАК, Д. М. ПОЛІЩÓК, А. Ф. КРАВЕЦЬ та ін. ляють феромагнетну поведінку, характерну для тонкої плівки з ос- новним внеском від анізотропії форми: з відхилом напрямку зовні- шнього поля H від площини плівки, резонансне поле зміщується у бік вищих полів і досягає максимуму за перпендикулярної орієнта- ції H до площини плівки [17]. Оскільки прошарок NixCu100x в дос- ліджуваному діяпазоні концентрацій (x62%) характеризується слабомагнетним станом [1, 10, 11], слід очікувати, що сиґнал від нього буде нехтовно малим порівняно з ФМР-сиґналами від силь- номагнетних шарів Py і Co90Fe10 [2]. Тому два сиґнали, що спостері- гаються, слід віднести саме до цих сильномагнетних шарів. Намаг- нетованість Co90Fe10 приблизно в два рази більша за намагнетова- ність Py. Згідно з Кіттелевими рівняннями (1), за орієнтації поля H у площині плівки, матеріял з меншою намагнетованістю має більші резонансні поля. Тому першу лінію, що спостерігається при вищих полях (Hr1\|\|1500 Е), слід віднести до шару Py, а другу, низькопо- льову резонансну лінію (Hr2\|\|100 Е) — до шару Co90Fe10. Коли зов- нішнє поле H орієнтоване перпендикулярно до площини плівки (0), ситуація протилежна: резонансна лінія Py (лінія 1) спосте- рігається при нижчих полях, ніж лінія Co90Fe10 (лінія 2). На одер- жаних спектрах при 0 (рис. 1, а) спостерігається лише одна лі- нія від Py (Hr1 ⊥9 кЕ), оскільки лінія від Co90Fe10, за рахунок висо- кої намагнетованости матеріялу і дії ефективного поля підмагнету- вання Hb від АФМ шару Mn80Ir20, зміщується у високі поля, які пе- ревищують максимальне поле у наших міряннях (Hmax14 кЕ). Із пониженням температури поведінка резонансних ліній 1 і 2 відображає збільшення ефективної намагнетованости сильномаг- нетних шарів F1 і F2pin відповідно (рис. 1, б) [17, 24]: за орієнтації прикладеного поля H у площині плівки, резонансні поля ліній 1 і 2 зменшуються. Резонансні поля Co90Fe10 при низьких температурах (T250 К) набувають від’ємних значень. Ó наближенні, коли поле підмагнетування Hb для шару F2pin слабо змінюється з температу- рою у досліджуваному T-інтервалі (Hb(T)const), таке зміщення Hr2\|\| у від’ємну область полів слід також віднести до збільшення Meff шару. При великих значеннях Meff, робочої частоти набіжного над- високочастотного випромінення (f9,46 ГГц) недостатньо для збу- дження ФМР, коли H орієнтоване в площині плівки [24]. Ó досліджуваних структурах F1/f(x, d)/F2pin зі змінною темпера- тури слід очікувати прояв явища обмінної взаємодії між шарами F1 і F2pin через слабомагнетний прошарок f. Зокрема, цей ефект вини- кає, коли слабомагнетний прошарок переходить у феромагнетний стан [1, 2, 35]. Тоді такий обмінний зв’язок має найбільше вплива- ти на резонансний сиґнал від вільного шару Py, оскільки шар Co90Fe10 сильно зв’язаний з шаром антиферомагнетика Mn80Ir20 і то- му менш чутливий до цього ефекту [17]. Ó зв’язку з цим, далі дета- льно аналізується резонансна поведінка вільного шару Py. ФМР В ОБМІННО-ЗВ’ЯЗАНИХ БАГАТОШАРОВИХ СТРÓКТÓРАХ 153 Резонансне поле Hr та ширина лінії Hpp були визначені на основі стандартного аналізу спектрів ФМР з використанням другої похід- ної по полю від лінії поглинання P [24]. Згідно цього підходу, Hr(H – H )/2 і Hr(H – H )/2, де H  і H – — поля, за яких лінія P(H) сягає максимуму. На рисунку 2 наведено кутові залежності резонансного поля для шару Py (вільний шар F1), одержані при кімнатній температурі для зразків F1/f(54%, d)/F2pin серії 1, які відрізняються за товщиною (d) слабомагнетного шару Ni54Cu46 (панель (а)) і для зразків F1/f(x, 6 нм)/F2pin серії 2, які відрізняються концентрацією Ni (x) у прошар- ку NixCu100–x (панель (б)). Óсі кутові залежності Hr1() виявляють поведінку характерну для тонкої плівки, магнетні властивості якої визначаються анізотропією форми [17, 24]. Однак кутові залежнос- ті на рис. 2, а дещо відрізняються для зразків з різною товщиною прошарку f: залежності Hr1() для зразків з d6 і 9 нм досить бли- зькі між собою, тоді як Hr1() для d3 нм виявляє добре помітне зміщення відносно останніх. Оскільки обмінна взаємодія між ша- рами F1 і F2pin значно підсилюється зі зменшенням товщини проша- рку f [2], то відмінність у залежностях Hr1() для зразків з різною товщиною d слід віднести до різного ступеня впливу міжшарової обмінної взаємодії на вільний шар Py. З іншої сторони, за сталої те- мператури, величина обмінної взаємодії між шарами F1 і F2pin зале- жить від концентрації Ni в слабомагнетному прошарку NixCu100x. Дійсно, кутові залежності для структур F1/f(x, 6 нм)/F2pin з x0, 48 і 54% (рис. 2, б) майже збігаються, тоді як для більшої концентра- ції x62% залежність Hr() зміщується відносно останніх, подібно до Hr1() для F1/f(54%, 3 нм)/F2pin (рис. 2, а). Таким чином, підси- лення міжшарової обмінної взаємодії відображається у відмінності кутових залежностей резонансного поля Hr1() для вільного шару а б Рис. 2. Кутова залежність резонансного поля Hr1 для шару Py: (а) для зраз- ків F1/f(54%, d)/F2pin — серія 1; (б) для зразків F1/f(x, 6 нм)/F2pin — серія 2. 154 І. М. КОЗАК, Д. М. ПОЛІЩÓК, А. Ф. КРАВЕЦЬ та ін. Py в залежності від товщини прошарку f і об’ємної частки атомів Ni в ньому. На рисунку 3, а і б наведено температурні залежності резонанс- ного поля Hr1\|\|(T) шару Py, коли зовнішнє поле H орієнтоване в площині плівки (90), для серій зразків 1 і 2 відповідно. На ри- сунках чітко видно відмінності у залежностях Hr1\|\|(T) для зразків з різною товщиною (d) і концентрацією атомів Ni (x) в слабомагнет- ному прошарку f. Так, для зразків F1/f(54%, d)/F2pin зі зменшенням товщини прошарку f спостерігається зміщення залежности Hr1\|\|(T) у низькопольову область (рис. 3, а). Подібне зміщення залежностей Hr1\|\|(T) також спостерігається для зразків F1/f(x, 6 нм)/F2pin з різною концентрацією атомів Ni у прошарку NixCu100x (рис. 3, б). На обох панелях наведена залежність Hr1\|\|(T) для зразка F1/f(0%, 6 нм)/F2pin, для якого обмін між шарами F1 і F2pin повністю відсутній. Ріжниця між значеннями резонансного поля для зразка F1/f(0%, 6 нм)/F2pin та полями Hr1\|\|(T) інших зразків кожної із серій вказує на ступінь міжшарової обмінної взаємодії в цих зразках. Збільшення цієї ріж- ниці Hr1\|\| з пониженням температури відображає підсилення обмі- ну між F1 та F2pin за рахунок поступового переходу прошарку f у фе- ромагнетний стан. Згідно з Кіттелевим рівнянням (1), менші значення Hr\|\| відповіда- ють більшим значенням ефективної намагнетованости Meff [24]. В свою чергу, ефективна намагнетованість, окрім дійсної намагнето- ваности M, містить внесок від інших видів взаємодій [17], що впли- вають на магнетну поведінку шару Py. Ó нашому випадку Meff також виступає характеристикою обмінної взаємодії між шарами F1 і F2pin. На рисунку 4, а, б наведено температурні залежності ефективної намагнетованости Meff для серій зразків 1 і 2 відповідно. Значення а б Рис. 3. Температурні залежності резонансного поля Hr1\|\| шару Py: (а) для зразків F1/f(54%, d)/F2pin — серія 1; (б) для зразків F1/f(x, 6 нм)/F2pin — серія 2. Пунктирна лінія — температурна залежність Hr1\|\|(T) для зразка з x0%. ФМР В ОБМІННО-ЗВ’ЯЗАНИХ БАГАТОШАРОВИХ СТРÓКТÓРАХ 155 Meff були визначені на основі рівнянь (1) з використанням резонанс- них полів, наведених на рис. 3, а, б. Більші значення ефективної на- магнетованости вказують на більший прояв міжшарової обмінної взаємодії. Звідси можна зробити висновок, що найбільшою міжша- ровою взаємодією характеризуються зразки F1/f(54%, 3 нм)/F2pin із серії 1 та F1/f(62%, 6 нм)/F2pin із серії 2. Окрім цього, для цих зразків залежність Meff(T) найбільш круто зростає зі зменшенням темпера- тури, що додатково можна вважати характерною ознакою підсилен- ня міжшарового обміну. Важливим параметром, що характеризує магнетну однорідність окремих складових у багатошарових структурах, який можна оде- ржати з даних ФМР, є напівширина резонансної лінії [17, 24]. На рисунку 5 показано залежності напівширини (Hpp) ФМР-лінії Py в залежності від товщини (панель а) і концентрації (панель б) при ви- браних температурах Т150, 300, 400 К. Óсі зразки характеризу- ються відносно малою напівшириною лінії (Hpp50–70 Е), що вка- зує на гарну структурну однорідність шару Py, і виготовлених гете- роструктур в цілому [17]. Однак, в залежності від температури, то- вщини прошарку f і концентрації в ньому атомів Ni, спостерігають- ся певні відмінності у значеннях Hpp. Так, Hpp зростає з підви- щенням температури для обох серій зразків (див. рис. 5). Збіль- шення Hpp за сталої температури спостерігається для зразків з бі- льшою товщиною d прошарку Ni54Cu46 (рис. 5, а). Для зразків F1/f(x, 6 нм)/F2pin серії 2, ширина Hpp зростає з підвищенням кон- центрації x атомів Ni в прошарку NixCu100x (рис. 5, б). Збільшення напівширини Hpp з підвищенням температури для лінії Py (рис. 5) пов’язане з наближенням до магнетного фазового пе- а б Рис. 4. Температурна залежність ефективної намагнетованости Meff шару Py: (а) для зразків F1/f(54%, d)/F2pin — серія 1; (б) для зразків F1/f(x, 6 нм)/F2pin — серія 2. Пунктирна лінія — температурна залежність Meff(T) для зразка з x0%. 156 І. М. КОЗАК, Д. М. ПОЛІЩÓК, А. Ф. КРАВЕЦЬ та ін. реходу (TC,eff Py600 К) [24]. Слід очікувати, що міжшарова обмінна взаємодія підсилює магнетну неоднорідність шару Py за рахунок особливостей передачі обмінного зв’язку через слабомагнетний про- шарок f [2, 8, 9, 11]. Така тенденція чітко спостерігається у поведінці Hpp в залежності від концентрації x атомів Ni в прошарку NixCu100x. Ріжниця між напівшириною лінії Py для F1/f(0%, 6 нм)/F2pin, в яко- му міжшаровий обмін відсутній, та значеннями Hpp для зразка F1/f(62%, 6 нм)/F2pin серії 2, якому характерний найбільший ступінь обмінної взаємодії, складає близько 5 Е для усіх температур (рис. 5, б). Залежність Hpp (x% ат. Ni) найбільш стрімко зростає при темпе- ратурі вимірювань 150 К, що пов’язано з підвищенням міжшарового обміну за рахунок переходу слабомагнетного прошарку f у феромаг- нетний стан [1, 2]. Однак, описана тенденція щодо зростання Hpp з підсиленням міжшарового обміну за рахунок більшої концентрації x атомів Ni у прошарку NixCu100x, протилежна для залежности Hpp(d) для серії зразків 1 (рис. 5, а). При всіх температурах напівширина лінії Py має більші значення для зразків з більшою товщиною про- шарку f, тобто з найменшим міжшаровим обміном. Таку розбіжність у поведінці Hpp для двох серій зразків слід віднести до особливостей механізму обмінної взаємодії між шарами F1 і F2pin, який залежить як від товщини слабомагнетного прошарку f, так і концентрації ато- мів Ni в останньому [2]. 4. ВИСНОВКИ В ході проведених ФМР-досліджень серії багатошарових структур F1/f(x, d)/F2pin охарактеризовано залежності резонансних парамет- рів шарів від температури, товщини прошарку f(d) і концентрації а б Рис. 5. Температурні залежності напівширини резонансної лінії Py (Hpp) в залежності від товщини прошарку f (а) і концентрації атомів Ni в ньому (б) при вибраних температурах Т150, 300 і 400 К. ФМР В ОБМІННО-ЗВ’ЯЗАНИХ БАГАТОШАРОВИХ СТРÓКТÓРАХ 157 атомів Ni (x) в ньому. На ФМР-спектрах виявлено два резонансні сиґнали і показано, що вони відповідають феромагнетним шарам F1 (Py) і F2pin (Co90Fe10). Виявлено, що кутові і температурні залежності резонансного поля шару Py для структур з різним x і d відрізняють- ся від таких для структури, що характеризується відсутністю між- шарової обмінної взаємодії (x0%). Ця відмінність зростає із зме- ншенням товщини шару f і збільшенням в ньому концентрації Ni, що вказує на прояв прямої обмінної взаємодії між шарами F1 і F2pin. Подібна тенденція до підсилення міжшарового обміну спостеріга- ється також у збільшені ефективної намагнетованости шару Py (Meff1), вирахуваної з ФМР-даних. ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА 1. A. F. Kravets et al., Phys. Rev. B, 86: 214413 (2012). 2. A. F. Kravets et al., Phys. Rev. B, 90: 104427 (2014). 3. Ultrathin Magnetic Structures III. Fundamentals of Nanomagnetism (Eds. J. A. C. Bland and B. Heinrich) (Berlin–Heidelberg: Springer: 2005). 4. В. Ф. Мещеряков, Письма в ЖЭТФ, 76: 836 (2002). 5. L. C. C. M. Nagamine, J. Geshev, T. Menegotto, A. A. R. Fernandes, A. Biondo, and E. B. Saitovitch, J. Magn. Magn. Mater., 288: 205 (2005). 6. S. Kazan, A. Cemil Başaran, B. Aktaş, M. Özdemir, and Y. Öner, Phys. B, 403: 1117 (2008). 7. S. Andersson and V. Korenivski, IEEE Trans. Magn., 46: 2140 (2010). 8. S. Andersson and V. Korenivski, J. Appl. Phys., 107: 09D711 (2010). 9. A. M. Kadigrobov, S. Andersson, D. Radić, R. I. Shekhter, M. Jonson, and V. Korenivski, J. Appl. Phys., 107: 123706 (2010). 10. A. F. Kravets, A. N. Timoshevskii, B. Z. Yanchitsky, O. Yu. Salyuk, S. O. Yablonovskii, S. Andersson, and V. Korenivski, J. Magn. Magn. Mater., 324: 2131 (2012). 11. А. Ф. Кравец, A. И. Товстолыткин, И. М. Козак, Ю. О. Тихоненко, Ю. А. Савина, В. А. Пащенко, Металлофиз. новейшие технол., 35, № 12: 1675 (2013). 12. A. F. Kravets, A. N. Timoshevskii, B. Z. Yanchitsky, M. A. Bergmann, J. Buhler, S. Andersson, and V. Korenivski, Phys. Rev. B, 86: 214413 (2012). 13. A. M. Kadigrobov, S. Andersson, D. Radić, R. I. Shekhter, M. Jonson, and V. Korenivski, J. Appl. Phys., 107: 123706 (2010). 14. A. M. Kadigrobov, S. Andersson, Hee Chul Park, D. Radić, R. I. Shekhter, M. Jonson, and V. Korenivski, J. Appl. Phys., 111: 044315 (2012). 15. D. Mauri, H. C. Siegmann, P. S. Bagus, and E. Kay, J. Appl. Phys., 62: 3047 (1987). 16. R. Topkaya, M. Erkovan, A. Öztürk, O. Öztürk, B. Aktaş et al., J. Appl. Phys., 108: 023910 (2010). 17. M. Farle, Rep. Prog. Phys., 61, No. 7: 755 (1998). 18. А. Б. Дровосеков, Н. М. Крейнес, Д. И. Холин, В. Ф. Мещеряков, М. А. Миляев, Л. И. Ромашев, В. В. Óстинов, Письма в ЖЭТФ, 67: 690 (1998). 19. А. И. Спольник, А. С. Абызов, И. В. Волчок, М. А. Чегорян, Доповіді НАН України, 11: 78 (2009). 20. H. R. Zhai, X. B. Zhu, M. Lu, Q. S. Bie, Y. B. Xu, Y. Zhai, Q. Y. Jin, M. Jimbo, and S. Tsunashimad, J. Magn. Magn. Mater., 140–144: 525 (1995). 158 І. М. КОЗАК, Д. М. ПОЛІЩÓК, А. Ф. КРАВЕЦЬ та ін. 21. Z. Zhang, L. Zhou, P. E. Wigen, and K. Ounadjela, Phys. Rev. Lett., 73: 336 (1994). 22. J. Dubowik, F. Stobiecki, and T. Lucin’ski, Phys. Rev. B, 57: 5955 (1998). 23. Д. М. Полищук, А. И. Товстолыткин, S. K. Arora, B. J. O’Dowd, and I. V. Shvets, Физика низких температур, 40, № 2: 211 (2014). 24. A. G. Gurevich and G. A. Melkov, Magnetization Oscillations and Waves (Boca Raton, FL: CRC Press: 1996). 25. A. I. Tovstolytkin, V. V. Dzyublyuk, and D. I. Podyalovskii, Phys. Rev. B, 83: 184404 (2011). 26. Y. Lamy and B. Viala, J. Appl. Phys., 97: 10F910 (2005). 27. R. H. Nelson, J. Appl. Phys., 35: 808 (1964). 28. M. Erkovan, S. T. Öztürk, R. Topkaya, M. Özdemir, B. Aktaş et al., J. Appl. Phys., 110: 023908 (2011). 29. J. Lindner, E. Kosubek, P. Poulopoulos, K. Baberschke, and B. Heinrich, J. Magn. Magn. Mater., 240: 220 (2002). 30. J. Dubowik and F. Stobiecki, J. Magn. Magn. Mater., 242–245: 538 (2002). 31. J. Lindner and K. Baberschke, J. Phys.: Condens. Matter, 15: R193 (2003). 32. Е. Ю. Семук, В. Н. Бержанский, А. Р. Прокопов, В. О. Голуб, Ученые записки Таврического национального университета им. В. И. Вернадского. Серия «Физика», 21: 166 (2008). 33. A. F. Kravets et al., J. Magn. Magn. Mater., 324: 2131 (2012). 34. D. J. Chakrabarti, D. E. Laughlin, S. W. Chen, and Y. A. Chang, Phase Diagrams of Binary Copper Alloys (Eds. P. Subramanian, D. Chakrabarti, and D. Laughlin) (Materials Park, OH: ASM International: 1994). 35. Е. С. Демидов, А. А. Ежевский, В. В. Карзанов, Магнитные резонансы в твёрдых телах (Нижний Новгород: Изд-во ННГÓ: 2007). REFERENCES 1. A. F. Kravets et al., Phys. Rev. B, 86: 214413 (2012). 2. A. F. Kravets et al., Phys. Rev. B, 90: 104427 (2014). 3. Ultrathin Magnetic Structures III. Fundamentals of Nanomagnetism (Eds. J. A. C. Bland and B. Heinrich) (Berlin–Heidelberg: Springer: 2005). 4. V. F. Meshcheryakov, JETP Letters, 76: 836 (2002) (in Russian). 5. L. C. C. M. Nagamine, J. Geshev, T. Menegotto, A. A. R. Fernandes, A. Biondo, and E. B. Saitovitch, J. Magn. Magn. Mater., 288: 205 (2005). 6. S. Kazan, A. Cemil Başaran, B. Aktaş, M. Özdemir, and Y. Öner, Phys. B, 403: 1117 (2008). 7. S. Andersson and V. Korenivski, IEEE Trans. Magn., 46: 2140 (2010). 8. S. Andersson and V. Korenivski, J. Appl. Phys., 107: 09D711 (2010). 9. A. M. Kadigrobov, S. Andersson, D. Radić, R. I. Shekhter, M. Jonson, and V. Korenivski, J. Appl. Phys., 107: 123706 (2010). 10. A. F. Kravets, A. N. Timoshevskii, B. Z. Yanchitsky, O. Yu. Salyuk, S. O. Yablonovskii, S. Andersson, and V. Korenivski, J. Magn. Magn. Mater., 324: 2131 (2012). 11. A. F. Kravets, A. I. Tovstolytkin, I. M. Kozak, Yu. O. Tykhonenko, Yu. O. Savina, and V. A. Pashchenko, Metallofizika i Noveishie Tekhnologii, 35, No. 12: 1675 (2013) (in Russian). 12. A. F. Kravets, A. N. Timoshevskii, B. Z. Yanchitsky, M. A. Bergmann, J. Buhler, S. Andersson, and V. Korenivski, Phys. Rev. B, 86: 214413 (2012). 13. A. M. Kadigrobov, S. Andersson, D. Radić, R. I. Shekhter, M. Jonson, and V. Korenivski, J. Appl. Phys., 107: 123706 (2010). 14. A. M. Kadigrobov, S. Andersson, Hee Chul Park, D. Radić, R. I. Shekhter, ФМР В ОБМІННО-ЗВ’ЯЗАНИХ БАГАТОШАРОВИХ СТРÓКТÓРАХ 159 M. Jonson, and V. Korenivski, J. Appl. Phys., 111: 044315 (2012). 15. D. Mauri, H. C. Siegmann, P. S. Bagus, and E. Kay, J. Appl. Phys., 62: 3047 (1987). 16. R. Topkaya, M. Erkovan, A. Öztürk, O. Öztürk, B. Aktaş et al., J. Appl. Phys., 108: 023910 (2010). 17. M. Farle, Rep. Prog. Phys., 61, No. 7: 755 (1998). 18. А.B. Drovosekov et al., ZhETF Pis’ma, 67: 690 (1998) (in Russian). 19. А. I. Spolnik et al., Dopovidi NAN Ukrainy, 11: 78 (2009) (in Russian). 20. H. R. Zhai, X. B. Zhu, M. Lu, Q. S. Bie, Y. B. Xu, Y. Zhai, Q. Y. Jin, M. Jimbo, and S. Tsunashimad, J. Magn. Magn. Mater., 140–144: 525 (1995). 21. Z. Zhang, L. Zhou, P. E. Wigen, and K. Ounadjela, Phys. Rev. Lett., 73: 336 (1994). 22. J. Dubowik, F. Stobiecki, and T. Lucin’ski, Phys. Rev. B, 57: 5955 (1998). 23. D. М. Polishchuk et al., Fizika Nizkikh Temperatur, 40, No. 2: 211 (2014) (in Russian). 24. A. G. Gurevich and G. A. Melkov, Magnetization Oscillations and Waves (Boca Raton, FL: CRC Press: 1996). 25. A. I. Tovstolytkin, V. V. Dzyublyuk, and D. I. Podyalovskii, Phys. Rev. B, 83: 184404 (2011). 26. Y. Lamy and B. Viala, J. Appl. Phys., 97: 10F910 (2005). 27. R. H. Nelson, J. Appl. Phys., 35: 808 (1964). 28. M. Erkovan, S. T. Öztürk, R. Topkaya, M. Özdemir, B. Aktaş et al., J. Appl. Phys., 110: 023908 (2011). 29. J. Lindner, E. Kosubek, P. Poulopoulos, K. Baberschke, and B. Heinrich, J. Magn. Magn. Mater., 240: 220 (2002). 30. J. Dubowik and F. Stobiecki, J. Magn. Magn. Mater., 242–245: 538 (2002). 31. J. Lindner and K. Baberschke, J. Phys.: Condens. Matter, 15: R193 (2003). 32. E. Yu. Semuk et al., Uchyonyye Zapiski Tavricheskogo Natsionalnogo Universiteta im. Vernadskogo. Ser. Fizika, 21: 166 (2008) (in Russian). 33. A. F. Kravets et al., J. Magn. Magn. Mater., 324: 2131 (2012). 34. D. J. Chakrabarti, D. E. Laughlin, S. W. Chen, and Y. A. Chang, Phase Diagrams of Binary Copper Alloys (Eds. P. Subramanian, D. Chakrabarti, and D. Laughlin) (Materials Park, OH: ASM International: 1994). 35. E. S. Demidov, А. А. Ezhevskiy, and V. V. Karzanov, Magnitnyye Rezonansy v Tvyordykh Telakh [Magnetic Resonances in Solids] (Nizhny Novgorod: NNGU: 2007) (in Russian).

ФМР в обмінно-зв’язаних багатошарових структурах

Institution

Ähnliche Einträge