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

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 15.10.2024

Просмотров: 114

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

объяснения эффекта магнитного отжига в массивном мате­ риале. Для тонких пленок эту теорию в наиболее обоснован­ ном виде применил Робинсон [358]. Величина наведенной

3

анизотропии должна определяться выражением Ks= ~^Х0КтЕ,

где Ао — константа магнитострикции при комнатной темпера­ туре; А.г — магиитострикция при температуре Т; Е — модуль Юнга материала пленки.

Ввиду отсутствия сведений о температурной зависимости магнитострикции для других материалов, кроме чистого нике­ ля и железа, модель анизотропных магнитострикциониых на­ пряжений трудно проверить количественно. Данная модель неточна еще и потому, что в ней магнитоупругая энергия вы­ водится из среднего магиитострикциониого коэффициента. Вест [359] указал, что магнитоупругую энергию следует учи­ тывать для каждого кристаллита и на основании этого нахо­ дить среднее значение энергии для пленки с беспорядочно ориентированными кристаллитами. Для подобных расчетов должна быть известна зависимость Am н Аюо от температуры и магнитного поля.

Объяснение механизма планарной магнитной анизотропии с помощью магннтострнкционной теории встречает ряд воз­ ражений. Например, по указанной теории нельзя полностью объяснить существование наведенной планарной анизотропии в монокристаллах. Величина энергии анизотропии, вычислен­ ная на основании теории магнитострикциониых напряжений, не совпадает с экспериментальными значениями [358, 360].

Другой механизм наведения одноосной анизотропии пред­ ложили Неель [361] и независимо от него Танигучи [362], Чпказумн п Оомура [363]. Они предположили, что взаимо­ действие пар атомов зависит не только от типа соседствующих атомов, но и от угла между локальной намагниченностью и осью пары взаимодействующих атомов. При достаточно высо­ кой температуре подложки (или отжига) атомные пары спо­ собны диффундировать п перестраиваться таким образом, чтобы получилось преимущественное направление с миниму­ мом энергии вдоль приложенного магнитного поля. Следует сказать, что пока нет возможности проверить с достаточной точностью справедливость данной модели, так как не извест­ но точное время релаксации, связанное с упорядочением пар в ферромагнитном слое, и почти отсутствуют данные о вели­ чине константы упорядочения пар одинаковых атомов. Тем не менее эта модель получила неоднократное экспериментальное подтверждение [364].

В последнее время теория направленного упорядочения рассматривается в несколько ином аспекте. В соответствии с

2 4 0


результатами работ [79, 355], а также [365—368] можно ожи­ дать, что одноосная анизотропия связана с направленным упо­ рядочением таких неоднородностей структуры пленок, как примеси, вакансии и дислокации, сформировавшиеся во время напыления.

Модельное представление процессов направленного упоря­

дочения дефектов решетки основывается на

предположении,

что на границе раздела дефект — ферромагнетик

составляю­

щая намагниченности терпит разрыв от 0 до

± /.

В местах

разрыва непрерывности намагниченности возникают магнит­ ные заряды с густотой m = ± J n. Если длинная ось дефекта составляет с направлением намагниченности угол 0 , то на­ магниченность вблизи дефекта изменяется согласно выраже­ нию / п= / sin 0 .

А. Г. Лесник [79] в соответствии с такой моделью подсчи­ тал магнитную энергию единицы объема, в котором имеется

N дефектов:

 

е = 2nJ2£rlN sin20,

(8.1)

где 6 и I — размеры дефектов соответственно вдоль короткой и длинной осей. Если обозначить 2nJ2lN через /г, выражение (8.1) формально совпадет с известной формулой одноосной анизотропии. Значение k для пермаллоевых пленок равно 3 -103эрг/см3, что близко к экспериментальным значениям.

В качестве других возможных механизмов возникновения одноосной анизотропии в тонких пленках следует указать на модели поверхностной анизотропии и образования дальнего порядка атомов в пермаллоевых пленках согласно [369]. Последняя модель представляет определенный интерес ввиду существования в системе сплавов Fe—Ni—Со по крайней мере двух полюсов упорядочения: в железо-никелевых и в железо­ кобальтовых сплавах.

В работе [370] развита модель анизотропии формы кри­ сталлитов в направлении приложенного магнитного поля.

Эксперимент до сих пор не дал абсолютного подтвержде­ ния того или иного механизма наведения одноосной анизо­ тропии; имеется лишь качественное согласие названных выше моделей с наблюдающимися на опыте процессами. Более того, анализ экспериментальных данных приводит к заключению, что нет единственного механизма, ответственного за наведен­ ную анизотропию в пленках ферромагнитных сплавов. По-ви­ димому, при конденсации в поле и при магнитном отжиге пле­ нок действует одновременно несколько физических механиз­ мов, причем преобладающее значение каждого из них зависит от природы ферромагнитного материала и условий конденса­ ции или магнитного отжига [371].

16. С. В. Сухвало

211


Природа перпендикулярной анизотропии во многих отно­ шениях отличается от природы планарной наведенной анизо­ тропии. Источником появления перпендикулярной анизотро­ пии, ответственной за появление полосовой доменной структу­ ры, могут быть, например, внутренние напряжения, связанные с отрицательной магнитострикцией.

На основании исследования полосовой доменной структу­ ры в пермаллоевых пленках Сейто и др. [372] предложили модель возникновения перпендикулярной анизотропии, инду­ цированной магнитострикционным эффектом. Они нашли, что критическая толщина пленки, соответствующая возникнове­ нию полосовой доменной структуры, зависит от состава спла­ ва и температуры подложки во время напыления. С увеличе­ нием содержания никеля критическая толщина уменьшалась при фиксированной температуре подложки. В железо-никеле­ вых пленках с положительной магнитострикцией полосовая доменная структура авторами работы [372] не была обнару­ жена. В результате изложенного было сделано предположение, что источником перпендикулярной анизотропии являются изо­ тропные растягивающие внутренние напряжения ах в плос­ кости пленки, определяющие вместе с отрицательной магнито­ стрикцией константу перпендикулярной анизотропии.

Спейн [373] обнаружил, что величина и знак остаточных напряжений в пермаллоевых пленках зависят от состава. Остаточные напряжения могут быть комбинацией сжимающих и растягивающих напряжений, возникающих при изготовле­ нии пленки. В пленках с kscr.x< 0 и напряжениями растяжения, а также в пленках с 7scr.v>0 и напряжениями сжатия наблю­ далась полосовая доменная структура. Причина появления ее — магнитострикционный эффект.

Дальнейшие исследования ферромагнитных пленок пока­ зали, что наблюдаемая полосовая доменная структура и пер­ пендикулярная анизотропия не могут быть объяснены тольш магнитострикционным эффектом. Перпендикулярная анизо­ тропия была обнаружена в ферромагнитных пленках как с от­ рицательной, так и с положительной магнитострикцией. При этом было найдено, что К± — константа перпендикулярной анизотропии пленок, напыленных при низкой температуре подложки, монотонно увеличивается с ростом содержания же­ леза [374]. Исследование источника полосовой доменной структуры в железо-никелевых пленках с положительной, ну­ левой и отрицательной магнитострикцией [203] и сжимающи­ ми или растягивающими напряжениями обнаружило, что при­ чина появления полосовых доменов заключается в нескольких действующих вместе или порознь механизмах. Авторы работы [203] сделали вывод о том, что анизотропия формы, связан­ ная со столбчатой структурой пленки, является доминирую­

242


щим фактором в образовании полосовых доменов в пленках с нулевой магиитострикцией; перпендикулярная анизотропия, индуцированная напряжениями, существенна лишь для желе­ зо-никелевых пленок с большим содержанием никеля.

При наблюдении магнитных пленок в электронном микро­ скопе была обнаружена столбчатая структура зерен, расту­ щих наклонно и перпендикулярно к поверхности пленки соот­ ветственно при косом и нормальном падении молекулярного пучка. В работе [205] дана оценка перпендикулярной анизо­ тропии простой структуры пленки, состоящей из ферромагнит­ ных зерен, разделенных немагнитными прослойками.

Лоу и Хансон [203] нашли, что константа перпендикуляр­ ной анизотропии состоит из двух членов — К0 и К5, определяе­ мых следующими выражениями:

V

_

2 я 4 о 4

^

А °

"

(D +

d,.yl

А х ’

 

 

3

aKDi

s ~

2

(D

dry ’

где D — диаметр кристаллита; dr — расстояние между кри­ сталлитами; К 1 — суммарная константа перпендикулярной анизотропии; Я — константа магнитострикции; а — изотроп­ ные напряжения растяжения; Ко — постоянная анизотропии формы; Ks — постоянная анизотропии, обусловленная магни-

•гострикционными напряжениями.

Исследование столбчатой структуры при наклонном паде­ нии молекулярного пучка на подложку и ее влияния на поло­ совую доменную структуру и константу перпендикулярной анизотропии проведено Л. С. Палатником с сотрудниками [375]. Они доказали, что в свободных от подложек пленках, когда отсутствует влияние макронапряжений, столбчатая структура может являться основной причиной, обусловливаю­ щей перпендикулярную анизотропию.

В работе [346] получено косвенное подтверждение влияния столбчатой формы кристаллитов в пленках на константу их перпендикулярной анизотропии. Наблюдаемое уменьшение К 1 по мере увеличения температуры отжига авторы указан­ ной работы объясняют процессами рекристаллизации, кото­ рые начинаются, если температура отжига превышает 530 °К. При этом происходят укрупнение зерна, восстановление не­ магнитных окислов, являющихся изоляцией между магнитны­ ми столбиками, и разрушение столбчатой структуры зерен. Наблюдавшуюся стабилизацию величины константы перпен­ дикулярной анизотропии при температуре отжига более 670 °К авторы объясняют тем, что столбчатая структура уже разру-

16*

243