Ансамблі магнітних наночасток із домінуючими дипольними взаємодіями

H_{in_ plane} = 2K_u/M

була досягнута без використовування параметрів підгонки, що говорить про адекватність в даному випадку наближення, в якому кожний диск є однорідно намагніченим і магнітостатична взаємодія визначає тільки відносні орієнтації магнітних моментів дисків.

У розділі 4.3 досліджувалися квадратні ґратки мікродисків пермалою. В цьому випадку використовування моделі однорідно намагнічених дисків приводить до відсутності площинної анізотропії (тобто взаємодія повинна бути циркулярно-ізотропною). Проте насправді це не зовсім так [R6], навіть у випадку сильних магнітних полів, при яких в дисках зникає вихрова структура. Це вимагає розробки більш адекватної моделі. Відстань між центрами мікродисків а варіювалася в діапазоні 1.1 - 2.5 мкм. Взаємодія між дисками оцінювалася із аналізу площинної кутової залежності резонансних полів ФМР.

Залежність однорідного ФМР поглинання від азимутального кута для випадку практично невзаємодіючих дисків (а = 2.5 мкм) показала, що в цьому зразку присутня лише слабка одновісна анізотропія із полем H₂ = 5 ерстед. Однак із зменшенням відстані між мікродисками, залежність H_r() трансформується відразу в двох напрямках.

По-перше, зменшується середнє значення поля резонансу H_r,av, досягаючи значення 1088 Е при а = 1.1 мкм. По-друге, при а = 1.5 мкм (наступний зразок в серії за зразком із а = 2.5 мкм) з'являється анізотропія четвертого порядку, величина якої стає істотною при подальшому зменшенні а. Кутова залежність, в цьому випадку може бути описана за допомогою рівняння

H_r(a,) = H_r,av(a)+ H₄(a) cos4 + H₂cos2

Важливо відзначити, що значення H₂ одне і те ж для всіх зразків (H₂ ~ 5 ерстед), тобто не має нічого спільного із міждисковою взаємодією. Зміна H_r,av із зменшенням а пов'язано із зміною розмагнічуючого фактора всього зразка в порівнянні з розмагнічуючим фактором ізольованого мікродиска, і даний ефект практично не залежить від того, однорідно або неоднорідно намагнічено мікродиски.

Ефект анізотропії четвертого порядку був пояснений в рамках моделі неоднорідної намагніченості m(r) мікродисків [R14]. Для випадку однодоменних мікродисків в сильних магнітних полях ми узагальнили цю модель для m(r), що зиінюється безперервно (але слабко) усередині мікродиска. Намагніченість мікродисків, що зберігає абсолютне значення, описується m() = M_s(cos(), sin()). При точковій симетрії ґратки C₄ і симетрії C₂ магнітних вихорів в мікродиску для двох напрямів магнітного поля , передбачається, що деформація має “квадрупольний” вигляд

() = bxy/d²

в системі координат x||H, і, таким чином, ефект розмагнічування описується одним безрозмірним параметром b. Поле ФМР H_r для ґраток взаємодіючих мікродисків може бути в першому наближенні описано тим же рівнянням, що і для ізольованого диска, проте замінюючи розмагнічуючий фактор N_|| на ефективний розмагнічуючий фактор:

Цей розмагнічуючий фактор може бути представлений у вигляді суми ізотропної і анізотропної (четвертого порядку) частини:

N_eff = N_eff,av + N_eff,an.

Останній член в N_eff з'являється тільки завдяки присутності члена ~ b²g_x²g_y²/g⁴ в рівнянні. Розраховані із рівнянь залежності H_r,av(a) і H₄(a) від відстані між мікродисками, знаходяться в добрій відповідності із експериментальними даними.

У розділі 4.4 досліджувалося виникнення стоячих спінових хвиль в перпендикулярно намагнічених мікродисках. Теоретичний опис динаміки намагніченості в рамках теорії спінових хвиль для намагнічених в площині мікродисків пов'язаний зі значними проблемами через відсутність в системі циліндричної симетрії [R15]. У зв'язку з цим, було б вельми цікаво експериментально дослідити динамічні властивості ґраток перпендикулярно намагнічених дисків, в яких присутня циліндрична симетрія, і теоретичний опис спостережуваних експериментально спінових хвиль є відносно простим. Ми використали методику ФМР для дослідження граничного випадку - перпендикулярно намагнічених тонких магнітних субмікронних (R = 0.5 мкм) дисків нікелю і пермалою із співвідношенням висота/радіус с ~ 0.1. Мікродиски були впорядковані в прямокутні ґрати із фіксованою відстанню 1 мкм між дисками вздовж однієї з осей ґрат і змінним (від 50 нм до 1 мкм) вздовж іншої.

Коли магнітне поле прикладалося в напрямку близькому до нормалі зразка, численні гострі резонансні піки (до 8 піків у разі пермалоєвих мікродисків) спостерігалися в області полів нижчих за основний пік феромагнітного резонансу. Той факт, що такі періодичні спектри ніколи не спостерігалися в еталонних суцільних плівках нікелю і пермалою, говорить про те, що поява додаткових мод із дискретною частотою обумовлена кінцевими розмірами дисків в площині плівки і має магнітостатичну природу.

Для всіх зразків, виготовлених із одного і того ж матеріалу, відносні положення резонансних піків не залежали від відстані між мікродисками в сітці, тоді як абсолютне значення резонансних полів піків мінялося із зміною цієї відстані. Таким чином, характер резонансного спектру головним чином визначається розміром, формою і магнітними властивостями одиночного мікродиска.

Для того, щоб пояснити багатопіковий спектр ФМР, ми скористалися дипольно-обмінною теорією спін-хвильового спектру для суцільних магнітних плівок [R16], враховуючи квантування площинних компонент хвильового вектора, обумовлене кінцевим радіусом мікродисків. Оскільки різні стоячі моди в мікродиску мають різні радіальні профілі і розмагнічуючі поля усередині диска неоднорідні, було враховано, що ефективне внутрішнє магнітне поле буде різним для різних мод. Результати порівняння розрахункових і експериментально виміряного резонансних полів для нікелевих і пермалоєвих мікродисків показали, що наша проста теорія дає чудовий кількісний опис експериментальних даних для обох матеріалів.

ВИСНОВКИ

Отримана комплексна картина магнітних станів у різних системах магнітних наночасток з домінуючими дипольними взаємодіями і встановлений їх зв'язок з магнітними і транспортні властивостями. Основні результати можуть бути сформульовані наступним чином:

1. При експериментальному дослідженні тонких гранульованих плівках Co_xAg_1-x методом ФМР при кімнатній температурі виявлені низькі (порівняно із передбаченням існуючої на той час теорії) значення ефективного поля анізотропії H_eff(f) при малих значеннях об'ємного фактору заповнення f і різка зміна залежності H_eff(f) при f ~ 0.3. Цю зміну було асоційовано із появою безконечного кластера (феромагнітна фаза) по сусідству з окремими гранулами (суперпарамагнітна фаза) в точці перколяції f_p. Розроблена теорія ФМР у гранулярних плівках із урахуванням розміру гранул і температури, яка дозволила описати як власні результати, так і результати інших авторів.

2. Структурне дослідження тонких гранульованих плівках. Co_xAg_1-x в широкому діапазоні концентрацій методом ЯМР показало, що гранули Co мають чіткі границі розділу із немагнітною матрицею. Ці досить великі кластери чистого Co співіснують із набагато меншими кластерами кобальту, розсіяними у матриці Ag у вигляді сплаву. Області сплаву все ще присутні при x 0.4, при якому великі кластери кобальту починають зливатися. Вище x = 0.5 атоми Co майже повністю зібрані. В цьому випадку є кластери Ag в матриці Co, які більше і мають більш неправильну форму, ніж кластери Co для еквівалентного складу. Аналіз даних намагнічення, на додаток до аналізу ЯМР, дозволив встановити наявність двох основних різновидів гранул Co, що сильно розрізняються розмірами

3. За допомогою розрахунків було продемонстровано, що в гранулярних матеріалах непрямий обмін між гранулами через електрони провідності (РККІ - взаємодія), на відміну від випадку суцільних шаруватих плівок, є неосцилюючим антиферомагнітним, а його величина як мінімум на два порядки менше дипольної міжгранульної взаємодії. Так само було виявлено, що розмагнічуючий вплив дипольних взаємодій навіть у разі однорідного розподілу гранул за розмірами приводить до відхилення поведінки сприйнятливості від простої суперпарамагнітної (СПМ) поведінки, передбаченої моделлю Ланжевена.

4. Експериментально виявлена поява феромагнітного впорядкування в структурно невпорядкованій системі дипольно зв'язаних магнітних гранул, яке може бути асоційованим із фазовим переходом нового типу, стимульованого пониженою розмірністю системи. Відмінність такого впорядкування від звичайного феромагнітного в суцільних магнітних плівках полягає в тому, що воно відбувається просторово неоднорідно, і є подібним до появи металевої провідності в перколюючих системах. В нашому випадку вищезазначеною властивістю є магнітні кореляції між відокремленими металевими гранулами, що пояснює вживання терміну “магнітна перколяція”. Було продемонстровано, що такий перехід в системі наногранулярних шаруватих магнітних плівок метал - діелектрик (НШМПМД) можна реалізувати як збільшенням номінальної товщини феромагнітного шару t при фіксованій температурі T, так і зміною T при фіксованій t. Особливий нерівномірний характер далекого магнітного порядку також відображається в магнітній поведінці при низьких температурах (нижче температури Кюрі), де з'являється фаза типу “спінове скло”.

5. За допомогою спеціально розробленої методики було експериментально продемонстровано, що при низькій температурі в НСМПМД існує діапазон номінальної товщини шару CoFe, в якому суперферомагнітна і суперспінскляна фази співіснують одна з іншою. Одночасно виявилось, що температура блокування T_b залежить від поля вимірювання - чим вище поле вимірювання, тим менше T_b - у тому випадку, коли в системі присутня СФМ фаза, причому величина придушення залежить від об'ємної фракції СФМ фази.

6. У наногранулярних шаруватих магнітних плівках метал - діелектрик магнітоопір виявляє різкий максимум своєї низькопольової чутливості в точці переходу СПМ-СФМ. В той же час, на відміну від попередніх уявлень, встановлено що абсолютна величина магнітоопору в полях насичення (~ 10 кЕ) досягає максимальних значень глибоко усередині суперпарамагнітної фази.

7. На відміну від випадку звичайних багатошарових плівок, магніторезистивні властивості наногранулярних шаруватих плівок не залежать від кількості шарів. Це дозволяє створити плівку лише з одним магнітним шаром, в якій нижній шар діелектрику буде оптимізований для формування на ньому ідеальної гранулярної структури, а верхній - для отримання максимального значення магнітоопору.

8. Навіть в достатньо сильних магнітних полях (порядка 1 кЕ) дипольна взаємодія в щільних квадратних ґратках мікродисків може створити деформації однорідно намагніченого стану, величина яких залежить від орієнтації магнітного поля в площині плівки. Методом ФМР виявлено, що ці площинні розмагнічування максимальні вздовж ребра ґратки і мінімальні вздовж діагоналі, визначаючи появу анізотропії четвертого порядку.

9. Експериментально спостерігався багатопіковий феромагнітний резонанс в періодичних ґратках нікелевих і пермалоєвих мікродисків. Ці спектри були кількісно описані за допомогою простої дипольно-обмінної теорії дисперсії спінових хвиль в перпендикулярно намагніченій плівці. Було враховано квантування площинної компоненти хвильового вектора, виникаючого в результаті кінцевого радіусу одиночного мікродиска. Неоднорідне внутрішнє поле усередині мікродисків було усереднено для різних просторових профілів стоячих спінових хвиль.

Важливо відзначити, що диполь - дипольна взаємодія, величина якої вельми суттєва для малих відстаней між мікродисками, зміщує спектри цілком, але не змінює відносні позиції відповідних резонансних піків.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Kakazei G.N., Kravetz A.F., Lesnik N.A., Pereira de Azevedo M.M., Pogorelov Yu.G., Bondarkova G.V., Silantiev V.I., Sousa J.B. Influence of co-evaporation technique on the structural and magnetic properties of CoCu granular films // J. Magn. Magn. Mater. - 1999. - Vol. 196-197. - P. 29-30.

Kakazei G.N., Kravetz A.F., Lesnik N.A., Pereira de Azevedo M.M., Pogorelov Yu.G., Sousa J.B. Ferromagnetic resonance in granular thin films // J. Appl. Phys. - 1999. - Vol. 85, No. 8. - P. 5654-5656.

Kakazei G.N., Freitas P.P., Cardoso S., Lopes A.M.L., Pereira de Azevedo M.M., Pogorelov Yu.G., Sousa J.B. Transport properties of discontinuous Co₈₀Fe₂₀/Al₂O₃ multilayers, prepared by ion beam sputtering // IEEE Trans. Magn. - 1999. - Vol. 35, No. 5. - P. 2895-2897.

Pogorelov Yu.G., Kakazei G.N., Sousa J.B., Kravetz A.F., Lesnik N.A., Pereira de Azevedo M.M, Malinovska M., Panissod P. Structural and magnetic study of heterogeneous Co_xAg_1-x films by resonance and magnetometric techniques // Phys. Rev. B - 1999. - Vol. 60, No. 17. - P. 12200-12206.

Kakazei G.N., Lopes A.M.L., Pogorelov Yu.G., Santos J.A.M., Sousa J.B., Freitas P.P., Cardoso S., Snoeck E. Time-dependent transport effects in CoFe/Al₂O₃ discontinuous multilayers // J. Appl. Phys. - 2000. - Vol. 87, No. 9. - P. 6328-6330.

Kleemann W., Petracic O., Binek Ch., Kakazei G.N., Pogorelov Yu.G., Sousa J.B., Cardoso S., Freitas P.P. Interacting ferromagnetic nanoparticles in discontinuous Co₈₀Fe₂₀/Al₂O₃ multilayers: from superspin glass to reentrant superferromagnetism // Phys. Rev. B - 2001. - Vol. 63, No. 13. - P. 134423-5.

Sousa J.B., Kakazei G.N., Pogorelov Yu.G., Santos J.A.M., Petracic O., Kleemann W., Binek Ch., Cardoso S., Freitas P.P., Pereira de Azevedo M.M., Lesnik N.A., Rokhlin M., Wigen P.E. Magnetic states of granular layered CoFe-Al₂O₃ system // IEEE Trans. Magn. - 2001. - Vol. 37, No. 4. - P. 2200-2203.

Kakazei G.N., Pogorelov Yu.G., Sousa J.B., Golub V.O., Lesnik N.A., Cardoso S., Freitas P.P. FMR in CoFe/Al₂O₃ multilayers: from continuous to discontinuous regime //J. Magn. Magn. Mater. - 2001. - Vol. 226-230, Part 2. - P. 1865-1867.

Golub V.O., Kakazei G.N., Kravets A.F., Lesnik N.A., Pogorelov Yu.G., Sousa J.B., Vovk A.Ya. FMR linewidth and magnetic structures in CoFe-Al₂O₃ granular thin films // Mater. Sci. Forum. - 2001. - Vol. 373-376. - P. 197-200.

Kakazei G.N., Pogorelov Yu.G., Lopes A.M.L., Sousa J.B., Freitas P.P., Cardoso S., Pereira do Azevedo M.M., Snoeck E. Tunnel magnetoresistance and magnetic ordering in ion-beam sputtered Co₈₀Fe₂₀/Al₂O₃ discontinuous multilayers // J. Appl. Phys. - 2001. - Vol. 90, No. 8. - P. 4044-4048.

Sahoo S., Sichelschmidt O., Petracic O., Binek Ch., Kleemann W., Kakazei G.N., Pogorelov Yu.G., Sousa J.B., Cardoso S., Freitas P.P. Magnetic states of discontinuous Co₈₀Fe₂₀-Al₂O₃ multilayers // J. Magn. Magn. Mater. - 2002. - Vol. 240, No. 1-3. - P. 433-435.

Petracic O., Kleemann W., Binek Ch., Kakazei G.N., Pogorelov Yu.G., Sousa J.B., Cardoso S. and Freitas P.P. Superspin glass behavior of interacting superparamagnetic particles in discontinuous magnetic multilayers, Phase Transitions - 2002. - Vol. 75, No. 1-2. - P. 73-79.

Lesnik N.A., Panissod P., Kakazei G.N., Pogorelov Yu.G., Sousa J.B., Snoeck E., Cardoso S., Freitas P.P. and Wigen P.E. Local structure in CoFe/Al₂O₃ multilayers determined by nuclear magnetic resonance // J. Magn. Magn. Mater. - 2002. - Vol. 242-245, Part 2. - P. 943-945.

Lesnik N.A., Gontarz R., Kakazei G.N., Kravets A.F., Wigen P.E. and Dubowik J. Magnetic structure in FeCo-Al₂O₃ granular films studied by FMR // Phys. Stat. Sol. B - 2003. - Vol. 196, No. 1-2. - P. 157-160.

Kakazei G.N., Wigen P.E., Guslienko K.Yu., Chantrell R., Lesnik N.A., Metlushko V., Shima H., Fukamichi K., Otani Y. and Novosad V. In-plane and out-of-plane uniaxial anisotropies in rectangular arrays of circular dots studied by FMR // J. Appl. Phys. - 2003. - Vol. 93, No. 10. - P. 8418-8420.

Kakazei G.N., Pogorelov Yu.G., Santos J.A.M., Sousa J.B., Freitas P.P., Cardoso S., Lesnik N.A. and Wigen P.E. Low field magnetization study of CoFe-Al₂O₃ multilayers // J. Magn. Magn. Mater. - 2003. - Vol. 266, No. 1-2. - P. 57

Lesnik N.A., Oates C.J., Smith G.M., Riedi P.C., Kakazei G.N., Kravets A.F. and Wigen P.E. Ferromagnetic resonance experiments in obliquely deposited FeCo - Al₂O₃ film system // J. Appl. Phys. - 2003. - Vol. 94, No. 10. - P. 6631-6638.

Bazaliy Ya.B., Tsymbal L.T., Kakazei G.N., Izotov A.I. and Wigen P.E. Spin-Reorientation in ErFeO₃: - Field Transitions, Three-Dimensional Phase Diagram, and Anisotropy of Erbium Magnetism // Phys. Rev. B - 2004. Vol. 69, No. 10. - P. 104429-8.

Schmool D.S., Rocha R., Sousa J.B., Santos J.A.M., Kakazei G.N., Garitaonandia J.S., Martin Rodriguez D., Lezama L. and Barandiaran J.M. Ferromagnetic resonance in nanometric magnetic systems // J. Optoelectron. Adv. Mater. - 2004. - Vol. 6, No. 2. - P. 541-550.

Kakazei G.N., Wigen P.E., Guslienko K.Yu., Novosad V., Slavin A.N., Golub V.O., Lesnik N.A. and Otani Y. Spin-wave spectra of perpendicularly magnetized circular submicron dot arrays // Appl. Phys. Lett. - 2004. - Vol. 85, No. 3. - P. 443-445.

Bazaliy Ya.B., Tsymbal L.T., Kakazei G.N. and Wigen P.E. The Role of Erbium Magnetization Anisotropy during the Magnetic Reorientation Transition in ErFeO₃ // J. Appl. Phys. - 2004. - Vol. 95, No. 11. - P. 6622-6624.

Sousa J.B., Santos J.A.M., Silva R.F.A., Teixeira J.M., Ventura J., Araujo J.P., Freitas P.P., Cardoso S., Pogorelov Y.G., Kakazei G.N. and Snoeck E. Peculiar magnetic and electrical properties near structural percolation in metal-insulator granular layers // J. Appl. Phys. - 2004. - Vol. 96, No. 7. - P. 3861-3864.

Pereira de Azevedo M.M., Kakazei G.N., Kravetz A.F., Amaral V.S., Pogorelov Yu.G., Sousa J.B. GMR in co-evaporated Co-Ag granular thin films // J. Magn. Magn. Mater. - 1999. - Vol. 196-197. - P. 40-42.

Kleemann W., Petracic O., Binek Ch., Kakazei G.N., Pogorelov Yu.G., Pereira de Azevedo M.M., Sousa J.B., Cardoso S., Freitas P.P. ac Susceptibility studies of discontinuous Co₈₀Fe₂₀/Al₂O₃ multilayers // J. Magn. Magn. Mater. - 2001. - Vol. 226-230, Part 2. - P. 1862-1864.

Santos J.A.M., Kakazei G.N., Sousa J.B., Cardoso S., Freitas P.P., Pogorelov Yu.G. and Snoeck E. Peculiar CIP transport in CoFe/Al₂O₃ granular layered films across a micro-gap // J. Magn. Magn. Mater. - 2002. - Vol. 242-245, Part 1. - P. 485-488.

Kakazei G.N., Lopes A.M.L., Pogorelov Yu.G., Salgeiro da Silva M.A., Santos J.A.M., Sousa J.B., Cardoso S., Freitas P.P. and Snoeck E. Current-in-plane transport in granular single layers and multilayers of CoFe in Al₂O₃ // J. Magn. Magn. Mater. - 2003. - Vol. 266, No. 1-2. - P. 62-67.

Pogorelov Yu.G., Kakazei G.N., Pereira de Azevedo M.M., Sousa J.B. Influence of conduction electrons and dipolar interactions on the susceptibility of granular materials // J. Magn. Magn. Mater. - 1999. - Vol. 196-197. - P. 112-114.

Kakazei G.N., Costa M.D., Pogorelov Yu.G., Golub V.O., Novosad V., Okuno T., Wigen P.E. Magnetic anisotropy in square arrays of circular dots probed by FMR // Abstract booklet of the 49th Conference on Magnetism and Magnetic Materials. - Jacksonvill, USA. - November 11-15, 2004. - P. 42.

Kakazei G.N., Pogorelov Yu.G., Golub V.O., Sousa J.B., Cardoso S., Freitas P.P., Wigen P.E. Interlayer dipolar interactions in granular multilayered films // Abstract booklet of the 49th Conference on Magnetism and Magnetic Materials. - Jacksonvill, USA. - November 11-15, 2004. - P. 261.

Santos J.A.M., Pogorelov Yu.G., Kakazei G.N., Sousa J.B., Cardoso S., Freitas P.P. Tunnel conductance in microsize structures with magnetic nanogranular multilayers, Abstract booklet of the International Conference on Magnetism ICM'2003. - Rome, Italy. - July 27-31, 2003. - P. 503.

Rogalski M.S., Amado M.M., Kakazei G.N., Sousa J.B. 3D-Magnetic Structure and GMR Behavior of (FeCo)Ag Granular Films // Abstract booklet of the International Magnetic Conference INTERMAG 2003. - Boston, USA. - March 30 - April 3, 2003. - P. FT-08.

Kakazei G.N., Lopes A.M.L., Pogorelov Yu.G., Santos J.A.M., Sousa J.B., Cardoso S., Freitas P.P., Snoeck E. Optimization of the Magnetoresistive Properties of CoFe/Al₂O₃ Discontinuous Films // Abstract booklet of the International conference on magnetism INTERMAG 2000. - Toronto, Canada. - April 9-13, 2000. - P. DS-09.

Размещено на Allbest.ru