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
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 |