Зв’язок статичних, високочастотних, релаксаційних властивостей та магнітної анізотропії низьковимірних магнетиків з їхньою мікроструктурою - Автореферат
Магнітна взаємодія між структурними елементами мультишарових та гранульованих плівок. Метод тестування різних типів одновісної магнітної анізотропії на основі феромагнітного резонанса. Одновісна непланарна магнітна анізотропія гетерогенних систем.
При низкой оригинальности работы "Зв’язок статичних, високочастотних, релаксаційних властивостей та магнітної анізотропії низьковимірних магнетиків з їхньою мікроструктурою", Вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100%
Зокрема, в останні десятиріччя створено: одношарові магнітні плівки, що служать робочими елементами електронного обладнання; аморфні плівки, що мають широке використання; плівки з перпендикулярною магнітною анізотропією для запису інформації з високою щільністю; мультишарові та гранульовані системи з ефектом гігантського магнітоопору - матеріали для магнітних сенсорів; тунельні контакти - елементи магнітної оперативної памяті компютерів; тощо. Поверхні плівок і частинок, межі розділу шарів, границі зерен плівки, а також нерівномірний розподіл атомів у сплаві впливають на поведінку наноматеріалів під дією полів, частот і температури. Щодо перспективності дослідження нановимірних магнетиків, розробники цих матеріалів для компютерної індустрії вважають “Виготовлення та вивчення нового класу матеріалів, а саме мультишарових плівок, магнітних кластерів, гранульованих матеріалів є найбільш актуальним дослідженням в магнетизмі”: Звязок „структура - властивість” - найважливіший напрямок досліджень наномагнетиків. Зокрема, резонансні дослідження проводилися: а) на кристалічних одно-та мультишарових плівках з „товстими” (10-100 нм) шарами: Fe, Ni, FENI, FENICO, FENI/Co, FENI/Fe, FENI/Ni, FENI/FENICO, FENI/Co/FENI, FENI/Ni/FENI, збагачених ізотопами 57Fe та/або 61Ni; б) на аморфних фольгах й плівках на базі Со: COFESIB, COP, COB та COW; в) на мультишарових плівках Со/Pd з тонкими шарами (0,3-5 нм); г) на плівкових системах з тримірним розподілом гранул Со та COFE в металевій (Cu, Ag) або діелектричній (Al2O3) матриці в широкому діапазоні концентрацій; д) на мультишарових плівках магнетик - діелектрик з двомірним розподілом гранул (COFE/Al2O3) у діапазоні товщин - від острівцевих шарів до суцільних плівок. Показано, що структурна перколяція гранульованих плівок магнітний - немагнітний метал, наприклад, Со-Ag також, як і плівок магнетик-діелектрик, наприклад, COFE-Al2O3 з тримірним або двомірним розподілом гранул, при збільшенні концентрації магнітного компоненту (або товщини магнітного шару в острівцевих плівках) відбувається наступним чином: від некорельованих гранул в матриці до суцільної плівки крізь проміжну область, що лежить нижче порога структурної перколяції (або перколяції за провідністю).У залежності від мети застосування матеріалу, присутність НА може бути або вадою, або профітом, але в усякому разі її треба брати до уваги при визначенні магнітних параметрів плівок. Крім того, досліджуються механізми релаксації ядерної намагніченості в плівках заліза, збагаченого ізотопом 57Fe [1], вплив доменної структури на спін-решіткову релаксацію в плівках Co [13] та процес структурної релаксації і кристалізації аморфних фольги та плівок на основі кобальту [4, 8, 11, 15]. Раніше нами було встановлено, що найменша частота, яку можуть мати атоми 57Fe (61Ni) у плівці 20%-го пермалоя, складає 38 (28) МГЦ, якщо брати до уваги тільки неоднорідний розподіл атомів заліза та нікелю. Як ми довели раніше, сигнал в плівках є досить інтенсивним, оскільки сприйнятливість обертання (?об) плівок з наведеною анізотропією за порядком величини дорівнює сприйнятливості зміщення (?зм) в масивних магнетиках. В товстих плівках 2 резонансні лінії були присутніми у тих самих полях, які спостерігаються в окремих плівках Со і FENI (рис.В роботі проведене комплексне експериментальне дослідження звязку статичних, високочастотних, релаксаційних властивостей і магнітної анізотропії феромагнітних гетерогенних наноматеріалів з їхнею мікроструктурою, тобто виконано комплексний резонансний аналіз магнітної та кристалічної мікроструктури нановимірних магнетиків. Для усіх типів систем, що вивчалися, методом резонансного аналізу було отримано нову інформацію про звязок між магнітними та структурними характеристиками, а також про механізми магнітної взаємодії між шарами мультишарових та частинками гранульованих плівок. Методом “ФМР-ТЕСТ” в досліджених наносистемах виявлено 3 типи одновісної магнітної анізотропії та в кожному випадку отримано кількісні дані про величину енергії анізотропії та кута нахилу ВЛН. При зростанні концентрації феромагнітного компоненту в плівках з тримірним розподілом гранул (або товщини феромагнітного шару в острівцевих плівках) перколяція досліджених гранульованих систем відбувається в три стадії: від множини некорельованих гранул в матриці - крізь проміжну область - до суцільної плівки. В проміжній області концентрацій (товщин) ансамбль суперпарамагнітних гранул виявляє феромагнітні властивості у вигляді гістерезиса в низьких полях у всіх досліджених зразках та одновісної магнітної анізотропії в плівках, осаджених під нахилом до нормалі.
План
Основний зміст роботи
Вывод
В роботі проведене комплексне експериментальне дослідження звязку статичних, високочастотних, релаксаційних властивостей і магнітної анізотропії феромагнітних гетерогенних наноматеріалів з їхнею мікроструктурою, тобто виконано комплексний резонансний аналіз магнітної та кристалічної мікроструктури нановимірних магнетиків. У розгляд включено суцільні (кристалічні та аморфні) плівки, а також мультишарові та гранульовані системи магнетик-метал і магнетик-діелектрик. Аналіз даних ФМР і ЯМР у цих матеріалах, здійснювався з урахуванням даних вимірів зразків прямими структурними і магнітними методами та з використанням або відомих теорій, або нових моделей, які було розроблено при спільних дослідженнях. Для усіх типів систем, що вивчалися, методом резонансного аналізу було отримано нову інформацію про звязок між магнітними та структурними характеристиками, а також про механізми магнітної взаємодії між шарами мультишарових та частинками гранульованих плівок. Ці відомості сприяють кращому розумінню закономірностей поведінки низьковимірних матеріалів під впливом постійних і високочастотних полів та температури. Результати роботи, що одержані вперше, сформульовано у вигляді наступних висновків.
Методом “ФМР-ТЕСТ” в досліджених наносистемах виявлено 3 типи одновісної магнітної анізотропії та в кожному випадку отримано кількісні дані про величину енергії анізотропії та кута нахилу ВЛН.
Намагніченість речовини границь зерен в дрібнокристалічних плівках пермалою, що оцінена методом ЯМР, майже вдвічі менше за намагніченість зерна.
Частота ЯМР 59Со в аморфному кобальті помітно відрізняється від частоти кристалічного кобальту, що відображує якісну відміну аморфного стану досліджених матеріалів від дрібнокристалічного.
Встановлено, що при введенні в контакт двох шарів полікристалічного феромагнітного матеріалу між ними виникають дипольна й обмінна взаємодії, які сприяють сильній кореляції намагніченостей в межах критичних товщин шарів, тобто утворенню магнітно-однорідної структури. В міру збільшення товщин шарів, розподіл намагніченості в них стає неоднорідним. що віддзеркалюється на характері спектрів ФМР, коефіцієнті підсилення та швидкостях релаксації ЯМР. В цьому разі кількість піків ФМР і їхні позиції у спектрі залежать від співвідношення товщин шарів та їхніх критичних товщин. Критична товщина переходу з однорідного стану до неоднорідного визначається його намагніченістю.
При зростанні концентрації феромагнітного компоненту в плівках з тримірним розподілом гранул (або товщини феромагнітного шару в острівцевих плівках) перколяція досліджених гранульованих систем відбувається в три стадії: від множини некорельованих гранул в матриці - крізь проміжну область - до суцільної плівки. В проміжній області концентрацій (товщин) ансамбль суперпарамагнітних гранул виявляє феромагнітні властивості у вигляді гістерезиса в низьких полях у всіх досліджених зразках та одновісної магнітної анізотропії в плівках, осаджених під нахилом до нормалі. Це є підставою для введення поняття порогу магнітної перколяції аналогічно до порогу структурної чи перколяції за провідністю.
У двохкомпонентних плівках, осаджених під нахилом до нормалі, при збільшенні концентрації магнітного компоненту відбуваються зростання та коалесценція гранул, які є орієнтованими, - частинки подовжуються у напрямку падіння пучка магнітних атомів. Внаслідок цього в області магнітної перколяції в плівках утворюються непланарна та площинна одновісні анізотропії, якими можна керувати, змінюючи кути падіння атомних пучків. Намагнічування плівки вздовж осі анізотропії призводить до зменшення поля насичення в декілька разів, що дозволяє отримати ефект гігантського магнітоопору в порівняно невеликих полях.
Неоднорідне розширення лінії ФМР в ансамблі суперпарамагнітних гранул зумовлене двома основними механізмами: 1) розбродом ефективних магнітних полів в частинках. та 2) статичними флуктуаціями внутрішніх полів на гранулах, створюваних сусідами. Зміни ширини лінії ФМР в залежності від концентрації, частоти і температури вимірювання взагалі відбуваються у згоді з першим із вказаних механізмів, але в деяких ситуаціях механізм 2) може бути домінуючим.
Перпендикулярна магнітна анізотропія, енергія якої перевищує енергію розмагнічування, утворюється в нанокристалічних плівках нікелю, товщиною 50 - 100 нм, осаджених на непідігріту підкладку в присутності вуглецю. ПМА формується в них внаслідок дії магнітострикційного та структурного механізмів.
Магнітострикційний механізм формування ПМА зумовлений двома типами напруг розтягнення - зовнішніми та внутрішніми. Зовнішні напруги виникають в області контакту з підкладкою, а внутрішні повязані з мікропластичною деформацією границь зерен плівки.
Внаслідок дії структурного механізму, причиною якого є утворення стовпчастої структури та, завдяки присутності вуглецю, магнітна ізоляція стовпчиків, фактор розмагнічування нанокристалічної плівки Ni зменшується на ~ 2?. Обчислено, що цей механізм дає найбільший внесок (до 45%) у величину ПМА. С напругами обох типів повязано, відповідно, 30 та 25% загальної величини енергії анізотропії.
Розроблено носії інформації для пристроїв обробки радіосигналів на базі ядерного спінового еха, на які отримано авторські свідоцтва.
Основні матеріали дисертації опубліковано в роботах
1. Погорелый А.Н., Лесник Н.А. Релаксация ядерной намагниченности в ферромагнитных пленках при 77-500 К // ФТТ. - 1977. - т. 19, №9. - C. 1799-1802.
2 Погорелый А.Н., Лесник Н.А., Харитонский С.Я. Ядерный магнитный резонанс в пленках разбавленных сплавов на основе 57Fe // ФММ. - 1979. - T. 48, №5. - C. 1118-1120.
3 Погорелый А.Н., Лесник Н.А., Харитонский С.Я. Исследование рапределения сверхтонких полей на ядрах 57Fe и 61Ni в тонких пленках железоникелевых сплавов // Металлофизика. - 1981. - T. 3, №1. - C. 114-116.
4. Бровко А.П., Бухаленко В.В., Зелинская Г.М., Ильинский А.Г., Лесник Н.А., Наглюк Я.В., Романова А.В., Сандлер Л.М., Харитонский С.Я. Исследование особенностей распределения атомов в аморфном и кристаллическом сплавах на основе кобальта // Металлофизика. - 1982. - T. 4, №2, C. 76-80.
5. Лесник Н.А., Пушкарь В.Н., Сандлер Л.М., Харитонский С.Я. О возможности исследования процессов диффузии в тонких пленках магнитными методами // Металлофизика. - 1983. - T. 5, №5. - C. 74-79.
6. Лесник Н.А, Харитонский С.Я. ЯМР на ядрах 57Fe и 61Ni в межзеренных границах пленок пермаллоя //Металлофизика. - 1983.-T. 5, №4. - C. 44-48.
7. Лесник Н.А., Харитонский С.Я., Влияние взаимодействия слоев на резонансные характеристики двухслойных ферромагнитных пленок. // Металлофизика. Письма в ред. - 1984. - T. 6, №3. - C. 118-119.
8. Гонтарж Р., Котов В.В., Кудрявцев Ю.В., Лежненко И.В., Лесник Н.А., Харитонский С.Я. Влияние отжига на оптические и ЯМР- спектры аморфных пленок сплава Со80Р20 // Металлофизика. - 1985. - T. 7, №3. - C. 59-62.
9. Лесник Н.А., Харитонский С.Я. Определение методом ЯМР величины разогрева пленок при осаждении // Заводская лаборатория. - 1986. - Т. 52, №7. - С. 35-37.
11. Вознюк Б.П., Гонтарж Р., Дубовик Я., Кудрявцев Ю.В., Лесник Н.А. Изучение электронной структуры, оптических и магнитных свойств аморфных пленок сплавов Со1-XWX. // ФТТ. - 1990. - T. 32, №3. - C. 694-699.
12. Вознюк Б.П., Гуслиенко К.Ю., Лесник Н.А. ФМР в ферромагнитных пленках со взаимодействующими слоями // Металлофизика. - 1990. - T. 12, №3. - C. 131-132.
13. Vozniuk B.P., Lesnik N.A., Podyelets Yu.A., Pushkar V.N. Longitudinal nuclear magnetic relaxation in Co films with various domain structure // Hyperfine Interactions. - 1989. - Vol.59, №3. - P. 297-299.
14. Вознюк Б.П., Гуслиенко К.Ю., Козлов В.И., Лесник Н.А., Мицек А.И. Исследование взаимодействия слоев на ФМР в двухслойных ферромагнитных пленках // ФТТ. - 1991. - T. 33, №2. - C. 438-442.
15. Лесник Н.А., Кудрявцев Ю.В., Гонтарж Р., Котов В.В., Подъяловский Д.И., Вознюк Б.П. Исследование процессов структурной релаксации и кристаллизации аморфных пленок сплава Со82В18 методами оптической, ЯМР- и ФМР-спектроскопии // УФЖ. - 1991. - T. 36, №9. - C. 1434-1439.
16 Guslienko K.Yu., Lesnik N.A., Mitsek A.I., Vozniuk B.P. FMR in ferromagnetic films with coupled layers // J. Appl. Phys. - 1991. - Vol.69, № 8. - P. 5316-5319.
17 Лесник Н.А., Голуб В.О. ЯМР в пленках Fe-Ni/Co со взаимодействующими слоями // Металлофизика. - 1992. - T.14, №9. - C. 85-87.
18. Lesnik N.A., Golub V.O. NMR in FENI/Co films with coupled layers // Int. J. Mod Phys. B. - 1993. - Part 1. - Vol.7, № (1-3). - P. 511-513.
19. Каказей Г.Н., Лесник Н.А., Мицек А.И., Пушкарь В.Н. Перпендикулярная анизотропия и эффективный размагничивающий фактор в пленках Ni // ФТТ. - 1992. - T.34, №2. - C. 571-578.
20. Лесник Н.А., Каказей Г.Н. Особенности ФМР в пленках Ni с перпендикулярной намагниченностью // УФЖ. - 1994. - T.39, №7/8. - C. 885-888.
21. Каказей Г.Н., Лесник Н.А., Мицек А.И., Пушкарь В.Н. Исследование механизмов перпендикулярной анизотропии в нанокристаллических пленках никеля // УФЖ. - 1994. - T.39, №11/12. - C. 1120-1123.
22. Lesnik N.A., Gontarz R. FMR and NMR in Co/Pd multilayers // JMMM. - 1995. - Vol.140-144. - P. 607-608.
23. Kakazei G.N., Lesnik N.A. The study of perpendicular anisotropy in the nanocrystalline Ni and Co films // JMMM. - 1996. - Vol.155, №(1-3). - P. 57-59.
24. Golub V.O., Gontarz R., Kakazei G.N., Lesnik N.A. In-plane and out-of-plane uniaxial anisotropies in Co/Pd multilayers // JMMM. - 1997. - Vol.174, №(1-2). - P. 95-99.
25. Golub V.O., Kakazei G.N., Lesnik N.A. Ferromagnetic resonance in films with uniaxial oblique anisotropy // Frontiers in magnetism of reduced dimension systems. - Dordrecht/Boston/London: Kluwer Acad. Publish. NATO ASI series 3. High technology; edited by V.G. Baryakhtar, P.E. Wigen, N.A. Lesnik - 1998. - Vol.49. - Р. 211-216.
26. Baryakhtar, V.G., Wigen P.E., Lesnik N.A. Frontiers in Magnetism of Reduced Dimension Systems // Dordreht/Boston/London: Kluwer Academic Publishers. NATO ASI series. - Vol.49, 600pp.
27 Kakazei G.N., Kravets A.F., Lesnik N.A., Pereira de Azevedo M.M., Pogorelov Yu.G., Sousa J.B. Ferromagnetic resonance in granular thin films // J. Appl. Phys. - 1999. - Vol.85, №.8. - P. 5654-5656.
28 Pogorelov Yu.G., Kakazei G.N., Sousa J.B., Kravets A.F., Lesnik N.A., Pereira de Azevedo M.M., Malinowska M., and Panissod P. Structural and magnetic study of heterogeneous Cox-Ag1-x films by resonance and magnetometric techniques // Phys.Rev B. - 1999. - Vol.60, №17. - P. 12200-12206.
29. Kakazei G.N., Kravets A.F., Lesnik N.A., Pereira de Azevedo M.M., Pogorelov Yu.G., Bondarkova G.V., Silantev V.I., Sousa J.B. Influence of co-evaporation technique on the structural and magnetic properties of COCU granular films // JMMM. - 1999. - Vol.196-197. - P. 29-30.
30. Kakazei G.N., Pogorelov Yu.G., Sousa J.B., Golub V.O., Lesnik N.A., Cardoso S., Freitas P.P., FMR in COFE/Al2O3 multilayers: from continuous to discontinuous regime // JMMM. - 2001. - Vol.226, Part 2 Sp. Iss.- P. 1865 - 1869.
31. Sousa J.B., Kakazei G.N., Pogorelov Yu.G., Santos J.A.M., Kleemann W., Binek Ch., Petracic O., Pereira de Azevedo M.M., Lesnik N.A., Wigen P. E., Cardoso S., Freitas P.P. Study of magnetic states of granular layered COFE-Al2O3 system by magnetometric and magnetoresistive techniques // IEEE Trans.Mag. - 2001. - Vol.37, Part 1, N4. - P. 2200-2203.
32 Kravets A.F., Lesnik N.A., Rokhlin M., Wigen P.E. Effective fields in FECOX-Al2O3(1-x) granular films // IEEE Trans.Mag.- 2001. - Vol. 37, Part 1, N4. - P. 2219-2222.
33 Golub V.O., Kakazei G.N., Kravets A.F., Lesnik N.A., Pogorelov Yu.G., Sousa J.B., Vovk A.Ya. FMR linewidth and magnetic structures in COFE-Al2O3 granular thin films // Mater. Sci. For.- 2001. - Vol. 373, N3.- P. 197-201.
34. Lesnik N.A., Panissod P., Kakazei G.N., Pogorelov Yu.G., Sousa J.B., Snoeck E., Cardoso S., Freitas P.P., Wigen P.E., Local structure in COFE/Al2O3 multilayers determined by nuclear magnetic resonance // JMMM.- 2002. - Vol. 242-245. - P. 943-945.
35. Gontarz R., Kakazei G.N., Kravets A.F., Lesnik N.A., Wigen P.E., Dubowik J. // Magnetic structure in FECO-Al2O3 granular films studied by the ferromagnetic resonance. Phys. Stat. Sol. (a)- 2003, Vol.196, N1, - P. 157-160.
36. Kakazei G.N., Pogorelov Yu.G., Santos J.A.M., Sousa J.B., Freitas P.P., Cardoso S., Lesnik N.A., Wigen P.E., Low field magnetization study of COFE-Al2O3 multilayers // J. Magn. Magn. Mater. - 2003. - Vol. 266. - P. 57-61.
37. Lesnik N.A., Oates C. J., Smith G. M., Riedi P. C., Kakazei G.N., Kravets A. F., Wigen P.E. Ferromagnetic resonance experiments in obliquely deposited FECO - Al2O3 film system // J. Appl. Phys. - 2003. - Vol.94, №10. - P. 6631-6638.
