Телефон: 8-800-350-22-65
WhatsApp: 8-800-350-22-65
Telegram: sibac
Прием заявок круглосуточно
График работы офиса: с 9.00 до 18.00 Нск (5.00 - 14.00 Мск)

Статья опубликована в рамках: IX Международной научно-практической конференции «Экспериментальные и теоретические исследования в современной науке» (Россия, г. Новосибирск, 27 декабря 2017 г.)

Наука: Физика

Скачать книгу(-и): Сборник статей конференции

Библиографическое описание:
Березин В.А., Михайлов Г.М., Фомин Л.А. [и др.] ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТАМАТЕРИАЛОВ ФЕРРОМАГНИТНЫЙ МЕТАЛ - АНТИФЕРРОМАГНЕТИК // Экспериментальные и теоретические исследования в современной науке: сб. ст. по матер. IX междунар. науч.-практ. конф. № 9(9). – Новосибирск: СибАК, 2017. – С. 59-65.
Проголосовать за статью
Дипломы участников
У данной статьи нет
дипломов

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТАМАТЕРИАЛОВ ФЕРРОМАГНИТНЫЙ МЕТАЛ - АНТИФЕРРОМАГНЕТИК

Березин Всеволод Авенирович

канд. физ.-мат. наук Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН,

РФ, г. Черноголовка

Михайлов Геннадий Михайлович

д-р физ.-мат. наук Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН,

РФ, г. Черноголовка

Фомин Лев Александрович

кандидат физико-математических наук Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН,

РФ, г. Черноголовка

Черных Анатолий Васильевич

канд. физ.-мат. наук Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН,

РФ, г. Черноголовка

Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант 16-07-00324.

 

Метаматериалы на основе островковых пленок из ферромагнитного металла (ФМ) и матрицы из антиферромагнетика (АФМ) обладают уникальными магнитными свойствами. Основная идея их использования в спинтронике - увеличение локальной инверсной заселенности спиновых подзон благодаря подавлению спиновой диффузии из островков. Это может привести к значительному увеличению эффективности источников ТГц излучения на основе спиновой накачки [1, 2] . Создание таких метаматериалов предполагает умение выращивать на диэлектрической подложке неперколированные ферромагнитные островки с латеральными размерами до 100 нм, в которых реализуются однодоменные ферромагнитные (10 - 100 нм) либо суперпарамагнитные (менее 10 нм) состояния. В качестве ферромагнитного материала были выбраны железо и никель, а антиферромагнитного – FeMn и NiO.

Для выращивания пленок применялся метод импульсного лазерного осаждения в сверхвысоком вакууме. В качестве подложки использовали монокристаллический сапфир (R-плоскость)  размером 5´5мм2 с заранее нанесенными низкоомными контактами из молибдена на расстоянии 1-3 мм. На начальном этапе изучался эпитаксиальный рост сплошных пленок FeMn/Fe с подслоем Mo. С применением рентгеновской дифракции было продемонстрировано, что пленки FeMn/Fe/Mo/R-сапфир, у которых слой Fe расположен ниже слоя FeMn, растут эпитаксиально. Их эпитаксиальные соотношения следующие: FeMn(100)||Fe(100)||Mo(100)||R-сапфир, FeMn[011]||Fe[011]||Mo(011)||Al2O3[110] с наклоном 4° к нормали пленки (рисунок 1а, б). Рентгеновский анализ также показал, что, несмотря на большое расхождение параметров решеток слоев Fe(100) и FeMn(100) наблюдается достаточно высокое качество эпитаксии данных слоев. При росте двухслойных пленок, у которых слой FeMn находится ниже слоя Fe эпитаксия не реализуется.

   

Рисунок 1. Рентгеновский Q - 2Q скан пленки FeMn(100)/Fe(100)/Mo(100)/R-сапфир (а) и полюсные фигуры (б) симметричных FeMn(100) и анти- симметричных Fe(110), FeMn(110), FeMn(111) рефлексов для этой пленки

 

Структуры в виде мостиков, изготовленные для измерений магнетосопротивления, отжигались при температурах выше температуры Нееля для FeMn с последующим медленным охлаждением в магнитном поле, лежащим в плоскости образца. Направление прилагаемого магнитного поля определяло направление намагниченности в полярной плоскости антиферромагнетика. Наличие обменного сдвига [3] на полевых зависимостях сопротивления мостиков, изготовленных из эпитаксиальных структур, подтвердило существование полярной плоскости на поверхности антиферромагнитного слоя FeMn (рисунок 2а).

Для более детального изучения влияния кристаллической структуры на магнитную в двухслойной системе Fe-FeMn была исследована угловая зависимость сопротивления и обменного сдвига мостиков FeMn/Fe/Mo/R-сапфир. Результаты представлены на рисунке 2б.

 

Рисунок 2. Полевая зависимость сопротивления мостика FeMn/Fe/Mo/R-сапфир после отжига в магнитном поле, перпендикулярном его оси (а) и угловая зависимость сопротивления этого мостика и обменного сдвига (б)

 

Угловая зависимость сопротивления мостиков обусловлена эффектом анизотропного магнетосопротивления [4] и проявляется в 180° симметрии зависимости. Заметного влияния кристаллографической анизотропии ферромагнитной пленки (Fe) на анизотропное магнетосопротивление обнаружено не было. Величина обменного сдвига связана с взаимной ориентацией направления намагниченности в полярной плоскости антиферромагнетика и направления внешнего поля. Сдвиг угловых зависимостей относительно друг друга указывает на то, что ось легкого намагничивания в эпитаксиальной пленке FeMn при росте на пленке [100] Fe повёрнута на угол приблизительно 8° относительно базового среза подложки R-сапфира (вдоль которого в данном образце направлена ось мостика). Данный результат коррелирует с рентгеновскими измерениями. Кроме того, проведенные измерения пленочных образцов FeMn/Fe/Mo/R-сапфир показали, что юстировку образца относительно внешнего магнитного поля возможно проводить по угловой зависимости магнетосопротивления.

Полученные результаты были использованы для выращивания неперколированных островковых пленок. В процессе выращивания пленок контролировалось их сопротивление, по которому оценивалось близость к точке перколяции островков. Скорости осаждения пленок ферромагнитных материалов находились на уровне 0,4 - 0,5 нм/мин. Температуры осаждения для ферромагнетиков составляли 600 °C, для FeMn - 280 °C, для NiO - 100 °C. На рисунке 3а представлена характерная для островкового роста зависимость сопротивления от времени осаждения с перколяционным переходом. Можно выделить несколько областей изменения сопротивления от времени осаждения. Начальный участок характеризуется слабым уменьшением сопротивления, где формируется островковая структура (фаза зародышеобразования и независимого роста). Далее происходит укрупнение островков за счет слияния и "созревания". При этом уменьшение сопротивления происходит приблизительно экспоненциально от времени. Участок с резким падением сопротивления (на несколько порядков) связан с образованием перколяционных путей протекания тока. На конечном участке происходит слабое уменьшение сопротивления, связанное с формированием сплошной пленки. Результаты исследований методом атомно-силовой микроскопии подтверждают изложенную интерпретацию.

На рисунке 3б представлена зависимость сопротивления от времени в процессе изготовления метаматериала Fe-FeMn. После прекращения осаждения Fe при 600 °C (1700 сек.) при охлаждении подложки до 280 °C наблюдается рост сопротивления в несколько раз. Осаждение антиферромагнетика FeMn с металлическим типом проводимости приводит к резкому падению сопротивления. При 2500 сек. осаждение FeMn прекращается.


Рисунок 3. Типичные зависимости электрического сопротивления от времени выращивания островков Ni (а) и метаматериалов (б), изготовленных путем осаждения сплошного слоя FeMn на островки Fe

 

Выбор данного момента определяется требуемой толщиной антиферромагнетика (20 нм). Измерения методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) позволили визуализировать полученные неперколированные пленки. На рисунке 4 представлены характерные СЭМ изображения неперколированных пленок Ni.


Рисунок 4. СЭМ изображения островковых пленок Ni: (а) - температура роста 600 °C, номинальная толщина 50 нм, размер островка 500 нм, высота 100 нм, расстояние между островками 20-30 нм; (б) - температура роста 400 °C, номинальная толщина 20 нм, размер островка 200-300 нм, высота 60 нм, расстояние между островками 30-40 нм

 

Измерения островковых пленок показали, что их магнитополевые зависимости аналогичны зависимостям гигантского магнетосопротивления [4]. Такая характерная зависимость представлена на рисунке 5а.

На основе островковых пленок Fe с высотой островков 8 нм и характерным латеральным размером 50 нм, покрытых слоем FeMn толщиной ~ 20нм были изготовлены микромостики размерами 1 мкм´10 мкм. Сопротивление микромостика с такими параметрами незначительно растет с уменьшением температуры (R(300°K)/R(4.2 °K) = 0.67). Поскольку применение таких метаматериалов предполагает устойчивость к большой величине плотности протекающего тока, нами были проведены соответствующие измерения, представленные на рисунке 5б. Результаты измерений показывают, что необходимые плотности тока 106 А/см2 [2] могут быть достигнуты без разрушения образца. Разогрев образца при такой плотности тока составляет около 1°K.

 

Рисунок 5. Зависимость сопротивления мостика от величины приложенного магнитного поля (а). Вольтамперная характеристика Fe-FeMn микромостика шириной 1 мкм и длиной 10 мкм при комнатной температуре (б). На вставке показана зависимость дифференциального сопротивления микромостика от плотности протекающего тока.

 

В результате проведенной работы были найдены условия получения метаматериалов ФМ-АФМ с необходимыми параметрами. Проведена характеризация образцов методами измерения магнитосопротивления, сканирующей электронной микроскопии и атомно-силовой микроскопии.

 

Список литературы:

  1. A.M. Kadigrobov, R. I. Shekhter, and M. Jonson, Low Temperature Physics (2012) 38, 1133 - 1138.
  2. Yu.V. Gulyaev, P.E. Zilberman, E.M. Epshtein, J. Exp. Theor. Phys. (2012) 114, 296 - 304.
  3. M. Kiwi, J. Magn. Magn. Mater. (2001) 234, 584 - 595.
  4. C. Chappert, A. Fert, F. N. Van Dau, Nature Materials (2007) 6, 813–823

Проголосовать за статью
Дипломы участников
У данной статьи нет
дипломов

Оставить комментарий

Форма обратной связи о взаимодействии с сайтом
CAPTCHA
Этот вопрос задается для того, чтобы выяснить, являетесь ли Вы человеком или представляете из себя автоматическую спам-рассылку.