Зв’язок статичних, високочастотних, релаксаційних властивостей та магнітної анізотропії низьковимірних магнетиків з їхньою мікроструктурою

Ключові слова: гетерогенні магнітні плівки, магнітна анізотропія, феромагнітний резонанс, ядерний магнітний резонанс, мікроструктура.

магнітна плівка анізотропія резонанс

N.A. Lesnik The study of static, microwave, relaxation characteristics and magnetic anisotropy of low dimensional magnets in a correlation with their microstructure. - Manuscript.

Thesis to habilitate a Doctor's degree in physics and mathematics in the field of solid state physics: 01.04.07. - G.V. Kurdumov Institute of Metal Physics NAS of Ukraine, Kyiv, 2004.

A study of magnetic characteristics of nanomaterials, based on 3d - ferromagnets, depending on their microstructure has been carried out using combined FMR-NMR, structural and magnetometric techniques. Single-layer continuous films having different degrees of the short-range order, magnetic multilayers and systems with two- or three-dimensional networks of magnetic granules, embedded either in non-magnetic metallic or insulating matrix, have been investigated. The effect of structural inhomogeneities such as film and nanoparticle surfaces, multilayer interfaces, grain boundaries, and the irregular atom distribution in alloys on magnetization reversal, effective anisotropy fields, the FMR linewidth, hyperfine fields and nuclear relaxation rates in heterogeneous films was studied in wide ranges of the frequency and temperature. The new information about mechanisms of interactions between magnetic sublayers as well as among magnetic nanoparticles, has been obtained. By studying a percolation process, it has been shown that an assembly of superparamagnetic granules reveals ferromagnetic behaviour just below the structural percolation. The nature of both the oblique and in-plane anisotropies in granular films, as well as the perpendicular anisotropy in nanocrystalline Ni films has been cleared up. All the aforecited results are new and they further clarify behaviour of nanomagnets upon applied magnetic fields and a temperature.

Key words: heterogeneous magnetic films, magnetic anisotropy, ferromagnetic resonance, nuclear magnetic resonance, microstructure.

Лесник Н.А. Связь статических, высокочастотных, релаксационных свойств и магнитной анизотропии низкоразмерных магнетиков с их микроструктурой.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. - Институт металлофизики им. Г.В Курдюмова НАН Украины, Киев, 2004.

В работе проведено исследование связи магнитных характеристик новых наноматериалов - перспективных носителей информации устройств функциональной электроники - с их микроструктурой. При использовании комплекса методов, в котором главными являются ФМР и ЯМР, изучались сплошные однослойные пленки с разной степенью ближнего порядка, многослойные пленки и гранулированные среды с двумерной и трехмерной сетками магнитных гранул в немагнитной металлической или диэлектрической матрице. Показан характер влияния структурных неоднородностей разного типа на кривые намагничивания, концентрационные зависимости эффективных полей анизотропии и ширины лини ФМР, распределение сверхтонких полей и релаксацию ядерной намагниченности наномагнетиков в широком диапазоне частот и температур. В качестве структурных неоднородностей рассматривались: поверхности пленок и частиц, границы раздела слоев, границы зерен пленки и неравномерное распределение атомов в сплавах на основе 3d - ферромагнетиков.

Установлено, что неравномерное распределение атомов и микронапряжений в поликристаллических и аморфных пленках ферромагнитных сплавов, а также наличие границ зерен, приводят к изменению ширины и формы линии ЯМР и к частотной зависимости скорости релаксации ядерной намагниченности за счет концентрационных и топологических изменений в ближнем окружении активных атомов ⁵⁷Fe, ⁶¹Ni и ⁵⁹Co. Метод ЯМР впервые использован для наблюдения стадий диффузии атомов ⁵⁷Fe из слоя железа в слои пермаллоя в трехслойной структуре и для оценки средней намагниченности границ зерен пленки.

Показано, что, в зависимости от толщин поликристаллических слоев, двухслойная пленка находится либо в неоднородном, либо в однородном магнитном состоянии. В последнем случае структурно-неоднородная система характеризуется эффективными значениями намагниченности и одноосной анизотропии, генетически связанными с параметрами каждого из слоев. Критическая толщина слоя ферромагнетика, при которой осуществляется переход из неоднородного в однородное состояние, определяется его намагниченностью. Основные механизмы межслойного взаимодействия - обменная и дипольная связь магнитных моментов слоев.

Установлено, что перколяция исследованных гранулированных пленок происходит в три стадии: от множества некоррелированных гранул в матрице через промежуточную область, - к сплошной пленке. В промежуточной области концентраций, где взаимодействие частиц уже достаточно сильное, обнаружено, что ансамбль суперпарамагнитных гранул при намагничивании проявляет ферромагнитные свойства в виде гистерезиса и одноосной магнитной анизотропии. Этот факт свидетельствует о существовании порога магнитной перколяции, аналогично порогу структурной или перколяции по проводимости.

При осаждении гранулированных пленок под наклоном к нормали, с ростом концентрации магнитного компонента происходят ориентированные рост и коалесценция гранул - частицы удлиняются в направлении падения пучка магнитных атомов. Вследствие этого в области магнитной перколяции в гранулированных пленках формируются наклонная и плоскостная одноосные анизотропии, которыми можно управлять, изменяя угол падения атомного пучка. Намагничивание гранулированной пленки вдоль оси анизотропии приводит к уменьшению поля насыщения в несколько раз, что позволяет получить эффект гигантского магнитосопротивления в сравнительно небольших полях.

Проанализирована природа ширины линии и показано, что неоднородное уширение линии ФМР в ансамбле суперпарамагнитных гранул может быть обусловлено двумя основными механизмами: 1) разбросом эффективных магнитных полей в частицах или 2) статическими флуктуациями внутренних полей на гранулах, создаваемых соседями. Изменение ширины резонансной линии в зависимости от концентрации, частоты и температуры измерений, в общем, происходит в согласии с первым из указанных механизмов, но в некоторых ситуациях второй механизм может быть доминирующим.

Выяснено, что перпендикулярная анизотропия формируется в пленках никеля, осажденных без подогрева на подложки в присутствии углерода, благодаря действию магнитострикционного и структурного механизмов. Первый из них связан с двумя типами растягивающих напряжений (внешних - на границе с подложкой, и внутренних - в границах зерен), которые возникают в пленках при их изготовлении. Зависимость величины перпендикулярной анизотропии от внутренних напряжений, обусловленных пластической деформацией границ зерен пленки при застывании конденсата, обнаружена и объяснена впервые. Структурный механизм действует за счет уменьшения размагничивающего фактора, которое вызвано образованием столбчатой структуры и магнитной изоляцией столбиков. Полученные результаты способствуют лучшему пониманию закономерностей поведения наномагнетиков под действием магнитных полей и температуры.

Ключевые слова: гетерогенные магнитные пленки, магнитная анизотропия, ферромагнитный резонанс, ядерный магнитный резонанс, микроструктура.

Размещено на Allbest.ru