Файл: Сухвало, С. В. Структура и свойства магнитных пленок железо-никель-кобальтовых сплавов.pdf

наклона пучка пара наблюдается существенное изменение вида зависимости Hc = f(d) по сравнению с теоретическими расчетами Нееля.

Найдено, например, что коэрцитивная сила пленок никеля, кристаллизовавшихся в высоком вакууме (давление ниже чем 10_6 мм рт. ст.), при высокой плотности потока пара не зависит от их толщины. Аналогичные результаты получены в работах [350, 351] для железо-никелевых пленок. При более высоких давлениях остаточных газов с ростом толщины пле­ нок наблюдается увеличение Нс. Пленки пермаллоя в послед­ нем случае имеют максимальную коэрцитивную силу при тол­ щине 750 А. В высоковакуумных пермаллоевых пленках обнаруживается острый максимум Нс при толщине 800 А. Диа­ пазон толщин 700—1000 А соответствует наиболее резкому из­ менению доменной структуры, связанному во многом с пере­ ходом неелевских границ в блоховские. В пленках состава 80% Ni — 17% Fe — 3% Со имеет место дополнительный ми­ нимум значений Нс при толщине 400—500 А. Сложный вид за­ висимости коэрцитивной силы от толщины наблюдается у пле­ нок с отрицательной магнитострикцией.

Напряженность поля планарной магнитной анизотропии.

Изменение величины поля анизотропии Нк от толщины зави­ сит от состава пленок и условий их напыления. В ферромаг­ нитных пленках, обладающих нулевыми значениями магнито­ упругого параметра и полученных при высоких плотностях потока пара или сверхвысоком вакууме, величина поля анизо­ тропии нечувствительна к изменению толщины. Однако в пленках ряда сплавов, как правило, обладающих высокими значениями константы магнитострикции, с увеличением тол­ щины наблюдается изменение константы эффективной наве­ денной анизотропии, в отдельных случаях достаточно слож­ ное. В пленках указанной группы сплавов возникает сложной формы несквозная доменная структура, т. е. по толщине та­ кие пленки не одиодоменны. Напротив, пленки, энергия маг­ нитной анизотропии которых нечувствительна к толщине, ха­ рактеризуются большей частью простейшей сквозной домен­ ной структурой.

С физической точки зрения интересна зависимость поля магнитной анизотропии от толщины в высоконикелевых плен­ ках с отрицательной магнитострикцией, полученных при низ­ ких плотностях потока пара и высоком давлении, а также при наклонном осаждении. При толщинах, не превышающих не­ которую критическую величину, наблюдается одноосная анизотропия, направленная параллельно плоскости пленки вдоль ориентирующего магнитного поля, приложенного во время ее напыления. При толщинах, превосходящих критиче­ скую, ось магнитной анизотропии ориентируется нормально к

плоскости пленок, причем для пленок некоторых сплавов прак­ тически независимо от направления и напряженности ориенти­ рующего поля. В пленках ряда других сплавов, в частности 8,8% Fe — 83,5% Ni — 7,7.% Со, перпендикулярная и планар­ ная анизотропии в значительной мере зависят от напряжен­ ности п направления магнитного технологического поля в пло­ скости подложки, которое, по-видимому, сдвигает диапазоны толщин и технологических условий, которые благоприятны для возникновения какого-либо из указанных типов анизотро­ пии. Естественно, что в подобном случае развитие перпендику­ лярной анизотропии в пленках будет обусловливать снижение эффекта планарной анизотропии. Зависимость последней от толщины пленок при наличии и отсутствии магнитного поля во время кристаллизации может существенным образом отли­ чаться.

Особенности зависимости напряженности поля и констан­ ты планарной анизотропии от толщины пленок с высоким со­ держанием никеля весьма значительно изменяются при изме­ нении плотности потока пара и давления остаточных газов.

Изменение коэффициента прямоугольное™ в зависимости от толщины пленок при всех условиях кристаллизации прак­ тически повторяет описанные выше закономерности измене­ ния в функции толщины поля и константы планарной магнит­ ной анизотропии.

Дисперсия анизотропии тонких пленок с планарной маг­ нитной анизотропией. Полученные по данному вопросу ре­ зультаты показывают, что величина дисперсии анизотропии пленок всех сплавов в некотором интервале толщин ( 100— 1500 А) с уменьшением толщины снижается. Высокие значе­ ния величины угловой дисперсии при малых толщинах обу­ словлены наличием значительной расфокусировки осей от­ дельных кристаллитов и слабым взаимодействием между ними. При дальнейшем увеличении толщины дисперсия анизо­ тропии пленок различных составов неоднозначна. В пермаллоевых пленках угловая дисперсия анизотропии растет с уве­ личением толщины, начиная приблизительно с 1600 А. Увели­ чение скорости напыления пленок приводит к снижению степени зависимости дисперсии анизотропии от толщины этих пленок.

В пленках трехкомпонентных сплавов с Я,5=0 увеличение дисперсии анизотропии с ростом толщины практически отсут­ ствует. В противоположность этому дисперсия анизотропии пленок, обладающих высокими отрицательными значениями магнитострикции, существенно зависит от их толщины.

Указывая на значительную неоднотипность закономерностей изменения средней величины дисперсии в пленках от их тол­ щины при вариации условий напыления, отметим, что подоб-

228

иые эффекты возникают главным образом лишь как следст­ вие примесной кристаллизации. В сверхвысоком вакууме и при высоких плотностях потока пара рассмотренные зависи­ мости во многом упрощаются. Аналогичный вывод, как можно было видеть, может быть сделан и в отношении зависимости от толщины других характеристик пленок с планарной анизо­ тропией.

§3. Изменение магнитных параметров пленок

сперпендикулярной анизотропией

взависимости от их толщины

Впленках больших толщин может реализовываться пере­ ход к перпендикулярной анизотропии и полосовой доменной структуре. Основные особенности и закономерности этого перехода рассмотрены Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшицем [352], Киттелем [353], а для пленочных образцов Сейто, Фудживара, Сугито, Лесником и др. [79, 354].

Из условия минимума полной энергии пленки получена следующая формула для определения критической толщины перехода:

где К —- константа магнитной анизотропии, направленной вдоль нормали к пленке; Js — намагниченность насыщения.

Переход к полосовой доменной структуре происходит при условии возникновения в пленке перпендикулярной анизотро­ пии. Смена планарной анизотропии, имеющей место в пленках докрнтических толщин, перпендикулярной анизотропией со­ провождается резким изменением всех параметров магнитно­ го гистерезиса. Изменение указанных параметров в сущности однотипно, поэтому мы ограничимся в основном рассмотрени­ ем зависимости Hc=f(d).

На рис. 68 показаны наиболее характерные типы зависи­ мости коэрцитивной силы от толщины пленок в широком диа­ пазоне толщин. Ранее считалось, что приведенные на рис. 68 типы зависимости Hc = f(d) соответствуют пленкам различных составов и различным диапазонам толщин. Исследования, од­ нако, показали, что для одного и того же состава и в одном н том же диапазоне толщин в зависимости от условий кристал­ лизации пленок могут быть получены самые разнообразные формы кривых Hc=f(d), в том числе аналогичные показан­ ным на рис. 68.

Фактором, определяющим характер указанных типов из­ менения коэрцитивной силы в функции толщины, является

229

прежде всего величина перпендикулярной анизотропии, кото­ рая в свою очередь контролируется величиной термодинами­ ческого пересыщения при кристаллизации и другими факто­ рами. Если условия роста пленки таковы, что магнитная ани­ зотропия при всех толщинах направлена в плоскости пленки пли составляет с ней небольшой угол, то характер зависимо­ сти Нс и Но имеет вид, показанный на рис. 68 кривыми / и 2.

Результаты исследования свидетельствуют о том, что из­ менения константы перпендикулярной анизотропии и гистере-

Рис. 68. Зависимость коэрцитивном силы (/. 3) м порогового поля (2, 4) пле­ нок 84% Ni— 16% Fe, напыленных при Л ,=473 °К и плотностях потока пара 1024 (/, 2) и 1016 см~2-сек_| (3, 4), от их толщины

зисных характеристик пленок в значительной мере зависят от большинства параметров кристаллизационного процесса: температуры подложки, давления и состава остаточных газов, плотности потока молекулярного пучка и т. д.

На рис. 69 показан один из примеров зависимости гистере­ зисных характеристик пленок 86,4% Ni — 13,6% Fe от их тол­ щины при различных давлениях остаточных газов. Поскольку использованные на рис. 69 давления соответствуют достаточ­ но высокой концентрации газовых примесей, то очевидно пол­ ное или частичное развитие в этом случае эвтектического ме­ ханизма кристаллизации пленок, рассмотренной в главе II.

Указанные в подписи к рис. 69 давления выбраны опреде­ ленным образом по отношению к эвтектической точке. Давле­ ние 2-10~4 мм рт. ст. соответствует примерно эвтектической ординате, давления 5 -10-5 и 7 • 10-4 мм рт. ст. — доэвтектической и заэвтектической областям. Как видим, различия в ха­

230

рактере зависимостей Hc=f(d) при каждом из указанных дав­

лений весьма велики.

Тип зависимостей Hc=f(d) и Hs=f(d) при давлении 2-10~4 мм рт. ст. (рис. 69, кривая 2), соответствующем эвтек­ тической точке, близок по форме теоретически рассчитанным. В этом случае при некоторой критической толщине происхо­ дит резкое возрастание величины # с с дальнейшим переходом к практически неизменным или несколько снижающимся зна­ чениям. В доэвтектической и заэвтектической областях давле-

ний зависимости Hc = f(d) имеют вид, показанный на рис. 69 кривыми 1 и 3. В этом случае смена планарной анизотропии перпендикулярной сопровождается прохождением величины Нс через максимум, иногда весьма резкий.

Рассмотренные типы зависимостей Hc=f(d) являются об­ щими для пленок сплавов с высокими значениями отрицатель­ ной магнитострикции. Для пленок с низкими отрицательными или положительными значениями константы магнитострикции в большей мере характерен тип зависимости Hc=f(d), изобра­ женный на рис. 69 кривой 2. Заметим, что на основании ряда экспериментальных данных можно, по-видимому, сделать сле­ дующее заключение. В пленках с типом кривых, показанных на рис. 69, 1, 3, характерным доэвтектической и заэвтектической кристаллическим структурам (иначе говоря, разупорядоченным структурам), доминирующим механизмом возникновения перпендикулярной анизотропии является магнитострикционный. Кривой 2 на рис. 69, характерной для пленок с достаточ­ но развитой эвтектической структурой, сопутствует, по-види­

231