Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

"Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева"

Научно-образовательный центр

"Институт космических исследований и высоких технологий"

Кафедра технической физики

Курсовая работа

по курсу "Введение в физику наноструктур"

Магнитные многослойные структуры их свойства и применения

Руководитель А.С. Паршин

Обучающийся Т.Н. Хохлова

Красноярск 2020

Введение

В настоящее время в ведущих научных лабораториях проводятся исследования физических свойств магнитных наноструктур различного типа. Это связано как с фундаментальными проблемами природы магнетизма в нано-структурах, так и с большим прикладным потенциаломтаких систем. Большое внимание уделяется исследованиям различного типа квазинульмерных магнитных систем, которые изучены недостаточно и которые можно было бы использовать как основу для создания магнитной оперативной памяти, всевозможных датчиков магнитного поля и других элементов спинтроники. По этой причине наблюдается рост исследований, посвященных изучению процессов намагничивания массивов из магнитных наночастиц различной формы (круглых, эллиптических, крестообразных и др.), а также магнитных нанокомпозитов, в которых наблюдается целый ряд интересных, но до конца не изученных физических явлений. Так, в магнитных нанокомпозитах обнаружено высокое магнитосопротивление (до 10%), и в зависимости от концентрации магнитных наночастиц в диэлектрической матрице в нанокомпозите будет преобладать либо туннельная проводимость, либо перколяционная (металлическая). Кроме того, наблюдается и еще один эффект, природа которого в настоящее время до конца не выяснена: нанокомпозиты, в которых магнитные наночастицы имеют магнитную анизотропию, различающуюся по энергии и ориентации, обнаруживают одновременно положительно и отрицательное магнитосопротивление. Необходимо отметить, что, несмотря на большое магнитосопротивление и относительную простоту технологии изготовления, процессы перемагничивания в нанокомпозитах происходят в относительно больших по величине магнитных полях, что пока препятствует их широкому практическому применению. магнитный наноструктура эллиптический

Цель работы - ознакомиться с физикой магнитных многослойных структур их свойствами, методами получения, исследованиями, и применением в технологии.

Свойства многослойных структур

Уменьшение линейных размеров вещества до нанометрового масштаба оказывает существенное влияние на его свойства. Например, если взять тонкую металлическую или полупроводниковую пленку (рисунок 1), то энергетический спектр носителей становится дискретным в направлении z.

Рисунок 1 - Тонкая пленка, расположенная в плоскости xy и занимающая по оси z пространство от 0 до a

В направлениях осей x и y движение носителей подчиняется законам классической механики и характеризуется импульсами px и py. Энергия их движения в плоскости пленки равна

Exy = (px2 + py2)/2m.

По оси z материал представляет собой потенциальную яму для находящихся в ней частиц [2]. С двух сторон (z = 0 и z = a) яма ограничена потенциалами, равными работе выхода. В таком случае согласно законам квантовой механики, энергетические уровни даются формулой:

(1)

где m - эффективная масса носителей, n - целые числа, a - ширина ямы. Полная энергия движения носителей в тонкой пленке будет равна сумме Exy и En.

Другим немаловажным фактором при уменьшении размеров материала является увеличение доли поверхностных атомов или ионов в низкоразмерных системах. Если говорить об ультратонких магнитных пленках толщиной в несколько атомных слоев, то здесь количество поверхностных атомов становится сравнимым с числом атомов внутри материала. А это значит, что возросло количество магнитных атомов, которые находятся в несимметричном окружении, что не может не влиять на магнитные свойства всего образца. Причем если со стороны объема симметрия материала постоянна, то с другой (свободной стороны) атомы могут контактировать с разными средами (не только с вакуумом или воздухом). Пленка может быть покрыта самыми разнообразными веществами. В то же время она должна находиться на подложке, и среди используемых материалов, контактирующих с обратной стороной пленки, тоже наблюдается заметная вариативность. Каждый новый материал по-своему влияет на магнитные моменты атомов, расположенных на поверхности (или интерфейсе) магнитного вещества. Следовательно, можно получить структуры с разными магнитными свойствами, меняя количество, толщины и порядок слоев, а также вещества, из которых они изготовлены.

С помощью послойного нанесения различных материалов создаются "сверхрешетки", где роль атомных плоскостей и магнитных подсистем играют слои разных веществ. В магнитных многослойных системах обнаружено антиферромагнитное межслоевое взаимодействие [3], а также эффект гигантского магнитосопротивления [4, 5]. Позже было найдено, что зависимость межслоевого взаимодействия от толщины немагнитной прослойки носит осциллирующий характер[6].

Межслоевое обменное взаимодействие

Обычно структуры, в которых наблюдается межслоевое обменное взаимодействие, состоят из магнитных слоев толщиной от десятых долей до десятков нанометров, разделенных тонкой прослойкой немагнитного металла. Осцилляция обменной межслоевой связи в таких структурах происходит как по знаку, так и по величине.

Для наблюдения осцилляций требуется очень высокое качество приготовления многослойных структур. Ранние исследования [1-3] не привели к положительным результатам, так как полученные в то время структуры обладали существенным количеством дефектов. Наличие дефектов, например, "закороток", нарушающих непрерывность немагнитного слоя, позволяет ферромагнитным слоям напрямую контактировать друг с другом. В результате вместо двух отдельных магнитных слоев образуется единая ферромагнитная область. Также возможно образование интерфейса типа "апельсиновая корка" между магнитными слоями, разделенными немагнитным слоем, из-за сильной шероховатости на интерфейсе. В 1986 году была обнаружена антиферромагнитная связь между ферромагнитными слоями [3], что стало, помимо прочего, доказательством получения слоистых структур высокого качества.

Осцилляционный характер межслоевой обменной связи при изменении толщины прослойки наводит на мысль о сходстве этого эффекта с взаимодействием Рудермана-Киттеля-Касуя-Иосиды (РККИ). РККИ-взаимодействие меняется по величине и знаку при изменении расстояния между магнитными ионами. Если интеграл косвенного обменного взаимодействия (I) больше нуля, то наблюдается ферромагнитное упорядочение. Если же I < 0, то упорядочение становится антиферромагнитным. В многослойных структурах с изменением толщины промежуточного немагнитного слоя меняется расстояние между магнитными слоями и, соответственно, векторами намагниченности этих слоев. Межслоевое взаимодействие является подобным взаимодействию РККИ, но простое применение теории РККИ не дает совпадения с экспериментальными данными.

Принято, что сила межслоевого взаимодействия определяется константой J. Для больших толщин прослойки t в приближении одномерной квантовой ямы константа межслоевого взаимодействия находится по формуле:

J = (ћхF/2рt) | R^ - Rv |2 cos (2kFt + ц), (2)

где хF = ћkF / me - скорость на уровне Ферми, me - масса электрона, R^ и Rv - амплитуды отражения от интерфейсов для электронов с соответствующим направлением спина. Отсюда можно увидеть затухающий характер межслоевого взаимодействия при увеличении толщины прослойки пропорционально 1/t. Осцилляция величины связи происходят из-за изменения конфигурации уровней квантовой ямы в зависимости от толщины промежуточного слоя. Каждый последующий максимум связан с пересечением уровня Ферми очередным энергетическим уровнем. Фаза определяется процессами отражения на границах раздела.

С учетом особенностей поверхности Ферми материала прослойки зависимость величины обмена от толщины прослойки определяется выражением:

J = ? (Ji / t2) sin (qit + цi), (3)

где qi - различные вектора соединяющие точки на поверхности Ферми, в которых волновой вектор на уровне Ферми имеет одинаковую величину, но противоположное направление. Это объясняет многопериодические осцилляции межслоевого взаимодействия, т.к. каждое слагаемое может иметь свою амплитуду период и фазу.

Таким образом, период осцилляции межслоевого взаимодействия определен волновым вектором электронов на уровне Ферми в прослойке и не зависит от свойств ферромагнитного металла. Материал магнитных слоев определяет величину взаимодействия. Энергия межслоевого взаимодействия зависит от намагниченностей магнитных слоев и выражается как:

E = - JAM1•M2 (4)

где A - площадь двух пленок, M1 и M2 - намагниченности слоев. Когда константа межслоевого взаимодействия имеет отрицательный знак, в структуре наблюдается антиферромагнитное упорядочение. Если J > 0, то связь - ферромагнитная. Такое выражение для энергии межслоевой связи называют "билинейной формой". Существует более сложная "биквадратичная форма", в которой учитываются взаимодействия, приводящие к перпендикулярному расположению намагниченностей в соседних слоях. Стоит отметить, что экспериментально можно определить параметры поверхности Ферми и всего, что связано с ней. Амплитуды отражения можно только рассчитать, но это сопряжено с рядом теоретических трудностей.

Магнитотранспортные свойства

Одной из актуальных задач физики многослойных структур является изучение взаимосвязи магнитных и электрических свойств. Важным проявлением такой связи является зависимость транспортных свойств от внешнего магнитного поля. Этот эффект определяется тем, что, как давно известно, электроны в металлах имеют два спиновых состояния и, когда к металлу приложено электрическое поле, текут примерно два независимых потока электронов. Например, в немагнитном металле, таком как медь, эти два канала являются эквивалентными, в том смысле, что на уровне Ферми они имеют одинаковые плотности электронных состояний, одинаковые скорости электронов. Но в ферромагнитных переходных металлах эти характеристики обычно существенно различаются. Однако до недавнего времени для большинства физических наблюдений представляла интерес только полная проводимость этих двух параллельных токов (или спиновых каналов). Ситуация резко изменилась после открытия эффекта гигантского магнитосопротивления и надежной воспроизводимости спин-зависимого туннелирования в многослойных структурах. В качестве элементарной ячейки, на основе которой происходит изучение явления спин-зависимого транспорта, обычно используют трехслойные структуры наноразмерных толщин, когда два ферромагнитных слоя разделены немагнитной прослойкой (металл, полупроводник или диэлектрик). Рисунок 2 демонстрирует схему переноса электрона с различными спиновыми состояниями через немагнитную прослойку между ферромагнитными слоями для разных типов межслоевого взаимодействия. Легко получить, что сопротивления для каждой конфигурации намагниченностей имеют вид:

(а) R^^ = 2(R^ • Rv)/(R^ + Rv), (5)

(б) R^v = (R^ + Rv)/2, (6)

при этом R^v - R^^ = (R^ - Rv)2/[(R^ • Rv)•2] > 0.

Т.е. при антипараллельной ориентации намагниченностей ферромагнитных слоев сопротивление трехслойной структуры больше, чем при параллельной ориентации. Величина обычно выражается как отношение изменения сопротивления к сопротивлению при параллельной конфигурации:

МС = (R^v - R^^) / R^^. (7)

Рисунок 2 - Иллюстрация электронного транспорта в трехслойной структуре для параллельного (а) и антипараллельного (б) направлений намагниченности ферромагнитных слоев.

Намагниченности слоев указаны стрелками. Сплошные линии указывают индивидуальные траектории электрона внутри спиновых каналов. Предполагается, что средняя длина свободного пробега много больше, чем толщины слоев, и электрический ток течет в плоскости слоев. Нижняя часть рисунка представляет резистивную сетку для двух токовой модели. Для параллельной конфигурации слоев (а) электроны со спином вверх проходят через структуру полностью без рассеяния, тогда как электроны со спином вниз сильно рассеиваются внутри обоих ферромагнитных слоев.

Магнитная анизотропия

Магнитная анизотропия выражается в различии магнитных свойств тела при намагничивании по разным кристаллографическим направлениям. Направления, вдоль которых намагничивание осуществляется с наименьшими энергетическими затратами, называют "легкими осями". Появление магнитной анизотропии связывают с двумя основными источниками: спин-орбитальная связь ("магнитная кристаллографическая анизотропия") и магнитостатическое диполь-дипольное взаимодействие ("анизотропия формы"). Величина анизотропных свойств характеризуется энергией магнитной анизотропии.

Магнитная анизотропия тонких магнитных пленок отличается от анизотропии объемного образца из того же вещества. При уменьшении размеров тела в одном пространственном направлении энергия магнитной анизотропии может возрасти на несколько порядков. Это связано с увеличением доли ионов, находящихся в несимметричном окружении (на поверхности или интерфейсе).

Обычно тонким магнитным пленкам свойственна одноосная магнитная анизотропия, энергия которой дается следующим выражением:

E = K sin2(ц) + K2 sin4(ц), (8)

где ц - полярный угол от нормали к поверхности пленки. У тонких пленок константа анизотропии К может быть положительной. В этом случае намагниченность выходит из плоскости пленки, преодолев магнитостатическое взаимодействие. При этом магнитная анизотропия сильно зависит от технологии получения пленочной структуры.

Анизотропные свойства зависят от контакта магнетика с другими материалами. Например, наличие различных веществ на поверхности никеля существенно влияет на величину и знак энергии анизотропии. Так для объемного Ni поверхностный вклад равен 27 мкэВ/атом, в то время как вклад в случае Cu/Ni и O/Ni - 59 и -17 мкэВ/атом, соответственно. Слоистые структуры содержат границы раздела разнородных веществ. Связанную с ними магнитную анизотропию называют "интерфейсной анизотропией"

Структуры с "толстыми" слоями. Межслойное взаимодействие в магнитных сверхрешетках

Многослойные магнитные системы представляют собой структуры, состоящие из двух или более пленок ферромагнетика (ФМ), разделенных прослойками неферромагнитного материала (HM). Слои имеют толщину от десятков до сотен ангстрем. Многослойные структуры, состоящие только из двух ферромагнитных пленок, разделенных немагнитной прослойкой, принято также называть "сэндвичами", а для структур с большим количеством чередующихся слоев ФМ и НМ часто используется термин "сверхрешетка". Для получения таких структур могут использоваться разные методики: молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ), ионно-лучевое распыление, метод магнетронного напыления. Метод МЛЭ позволяет получать образцы наивысшего качества с точки зрения гладкости границ раздела слоев и кристаллографического совершенства получающихся пленок. Подбором технологических параметров удается добиться величины шероховатости границ, не превышающей нескольких межатомных расстояний. При соответствующем выборе пары материалов, из которых изготавливается образец, кристаллические решетки слоев хорошо соответствуют друг другу, так что образец оказывается монокристаллическим по всей своей толщине. Благодаря косвенному обмену через прослойку неферромагнитного материала, намагниченности ферромагнитных слоев могут упорядочиться между собой ферромагнитным, антиферромагнитным, либо неколлинеарным образом. Прикладывая к образцу внешнее магнитное поле, можно менять угол между магнитными моментами и изучать зависимость энергии обмена от угла между векторами намагниченности слоев.

Метод получения пленок

Рассматривается пример изготовления пленок NiFe/Bi/NiFe. Для этого применялась технология термического испарения в вакууме. Процесс напыления происходит в вакуумной камере, где создается давление P < 10-5 торр. Внизу камеры расположены три источника с кольцевыми катодами, а в верхней части - держатель и нагреватель подложки (рисунок 10). В зависимости от задач в трех источниках могут использоваться одинаковые или разные материалы. Минимальная скорость напыления составляет десятые доли нм/с. Чередование материалов напыления осуществляется последовательным включением и выключением нужных источников.

Рисунок 10 - Расположение элементов для напыления пленок методом термического испарения в вакуумной камере. 1 - испарители, 2 - маска, 3 -подложки, 4 - нагреватель подложки

Поток атомов переносится на подложку, на поверхности которой происходит конденсация. Вакуум обеспечивает большую длину пробега для атомов и сохранение высокой подвижности, что способствует плотному и равномерному распределению вещества на подложке. Подложки из покровного стекла проходили стандартную процедуру очистки и термообработку для снятия механических напряжений. Над подложками установлен нагреватель, чтобы регулировать их температуру, так как это оказывает существенное влияние на процесс конденсации и свойства будущей пленки.

С помощью различных масок можно получить пленки (или отдельные слои) нужной формы и размеров. Установка также оснащена фигурной заслонкой, которая позволяет закрывать часть пространства, где размещены подложки. С помощью заслонки можно за один цикл напыления получить наборы пленок с разными толщинами того или иного слоя. Когда заслонка отсутствует, то на всех подложках напыляются идентичные слои.

Атомно-силовая микроскопия

Метод атомно-силовой микроскопии (АСМ) используется для контроля качества поверхности изготавливаемых пленок. Атомная силовая микроскопия основана на взаимодействии специального зонда (кантилевера) с поверхностью образца за счет сил Ван-дер-Ваальса. С помощью пьезокерамических манипуляторов кантилевер может перемещаться над исследуемой плоскостью и фиксировать величину ее взаимодействия с зондом. АСМ-микроскоп может работать в двух режимах. В первом режиме определяется рельеф поверхности образца по изменению силы, действующей на зонд. При этом кантилевер перемещается только в горизонтальной плоскости. Но более распространенным является режим, при котором зонд во время исследования приближается или отдаляется от поверхности (или, наоборот, движется площадка с образцом), сохраняя постоянную величину взаимодействия. За счет очень тонкого острия кантилевер может различать мельчайшие неровности на поверхности вплоть до атомарного размера.

Реальные установки для атомно-силовой микроскопии требуют высокой точности при изготовлении всех элементов. Игла кантилевера должна быть очень тонкой и прямой, но в действительности она имеет форму клина. При опускании в углубление на поверхности пленки она начинает испытывать взаимодействие не только с острием, но и с боковой поверхностью. Это не дает возможности отследить резкие изменения рельефа, и на изображении они получаются сглаженными. Чтобы получить итоговое изображение, данные, полученные с помощью атомно-силовой микроскопии, подвергаются сложной компьютерной обработке. Но, несмотря на эти недостатки, на сегодняшний день АСМ является одним из самых наглядных методов исследования поверхности образца, вне зависимости от материала, из которого он изготовлен.

Для исследования поверхности пленок NiFe/Bi/NiFe был использован сканирующий зондовый микроскоп Veeco MultiMode с программным обеспечением NanoScope SPM. Основная функциональная часть прибора изображена на рисунке 11.

Кантилевер данного микроскопа представляет собой пластину, на одном краю которой перпендикулярно ее поверхности закреплена игла. А на противоположной стороне нанесено зеркальное покрытие. На зеркальную поверхность кантилевера направлен луч лазера, который, отражаясь, доходит до фотодетектора. Кантилевер приводится в колебание с помощью специального пьезоэлектрического устройства. В результате действия на него силы со стороны поверхности образца происходит изменение колебаний. Фотодетектор регистрирует изменение амплитуды и фазы колебаний кантилевера. В зависимости от того, касается или нет игла поверхности образца в процессе измерения, возможны три режима работы: бесконтактный, полуконтактный и контактный.

Рисунок 11 - Головная часть Veeco MultiMode SPM и основные компоненты: 1 - лазер, 2 - зеркало, 3 - кантилевер, 4 - наклонное зеркало, 5 - фотодетектор.

Оранжевой пунктирной линией обозначен путь лазерного луча

С помощью Veeco MultiMode SPM можно проводить исследование поверхности на площади 200 Ч 200 мкм. Глубина исследования составляет 10 мкм. По результатам обработки экспериментальных данных получается изображение одного из трех стандартных размеров: 128 Ч 128, 256 Ч 256 или 512 Ч 512 пикселей.

Экспериментальная установка MPMS-XL для исследования магнитных свойств пленок

Для исследования магнитных свойств пленок использовался многозадачный автоматизированный комплекс MPMS-XL, обладающий широким набором возможностей для управления функциональными элементами и для контроля хода эксперимента. Ключевой системой MPMS является СКВИД-магнетометр, чувствительность которого составляет 1Ч10-8 электромагнитных единиц. Измерения можно проводить в температурном диапазоне от 1.9 до 400 К и в магнитных полях от -7 до +7 Тл. Образец помещается в цилиндрическую камеру длиной 40 мм и диаметром 9 мм, где обеспечена однородность по магнитному полю и температуре. Для создания магнитного поля в установке MPMS-XL используется сверхпроводящий соленоид, изготовленный в виде цилиндра из многожильного сверхпроводящего провода. Для подачи или изменения тока в сверхпроводящем контуре предусмотрен "коммутатор незатухающего тока" (КНТ) (см. рисунок 12). Это нагревательная спираль, намотанная на небольшой сегмент соленоида. При подаче напряжения на КНТ участок сверхпроводящего контура переходит в нормальное состояние. Таким образом происходит открытие контура, и можно изменять в нем ток с помощью источника питания.

Рисунок 12 - Схема подключения устройств для изменения тока в сверхпроводящем соленоиде. С - сверхпроводящий соленоид, КНТ - коммутатор незатухающего тока, ИП - источник питания

Устойчивым режимом работы сверхпроводящего соленоида считается такой, при котором источник питания выключен из цепи и в системе установилось равновесие. Нестабильность работы при открытом контуре связана с флуктуациями тока в самом источнике питания. В MPMS предусмотрен один режим работы с открытым контуром. Он называется режимом "гистерезис" (hysteresis) и используется для быстрого измерения зависимости намагниченности образца от внешнего поля. Сверхпроводящий контур закрывается в режимах "осцилляции" (oscillate) и "без выбросов" (no-overshot) после стабилизации полученного поля.

Измерительная часть установки MPMS состоит из контура-детектора и СКВИД-датчика, объединенных в замкнутый сверхпроводящий контур. Контур-детектор магнетометра MPMS-XL расположен вокруг камеры образца внутри сверхпроводящего магнита. Он сконструирован по типу градиометра второго порядка (рисунок 13). Эта конструкция позволяет отделить локальный магнитный момент образца внутри контура от внешних магнитных полей (в том числе и от поля, созданного сверхпроводящим соленоидом). СКВИД-датчик расположен ниже сверхпроводящего магнита, и сигнал от собирающего контура-детектора доходит до него по сверхпроводящей проволоке.

Рисунок 13 - Контур-детектор СКВИД-магнетометра MPMS-XL

Работа СКВИД-датчика (от англ. SQUID - superconducting quantum interference device) основана на эффекте Джозефсона. В структуре сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (S/I/S) протекает туннельный ток, если фазы волновых функций сверхпроводящего конденсата в двух сверхпроводниках на обкладках не совпадают. Простейший СКВИД-датчик представляет собой кольцо из сверхпроводника с джозефсонским контактом. При помещении его во внешнее магнитное поле в контуре возникает сверхпроводящий ток, а на контакте - разность потенциалов. Тонкопленочный СКВИД-элемент MPMS является высоко линейным преобразователем тока, который создается в контуре за счет наличия магнитного момента у образца, в напряжение.

Чтобы подготовить образец для измерения магнитного момента, необходимо вырезать его под нужный размер (как правило, не больше 10 мм в длину и 5 мм в ширину) и поместить в специальную капсулу. Затем капсула закрепляется на конце измерительного штока с помощью держателя. Измерительный шток (после помещения в шлюз и продувки) продвигается вниз вручную и закрепляется верхней частью в специальные зажимы. Закрепленный шток приводится во вращательное или поступательное движение с помощью шагового механизма, расположенного за пределами камеры в верхней части установки. Управление им осуществляется через программное обеспечение, установленное на ПК.

Если образец будет очень длинный и выходить за пределы витков детектора, то его перемещение не будет вызывать изменение потока. Поэтому образец должен быть как можно меньше, а его намагниченность однородной. В таком случае контур будет максимально точно реагировать на каждое положение образца.

В ходе измерения магнитного момента образец перемещается сквозь контур- детектор вдоль его оси. При каждом шаге в сверхпроводящем контуре возникает ток. В результате со СКВИДа снимается зависимость напряжения приблизительно такого вида, как на рисунке 14. Перед измерениями требуется провести калибровку MPMS с помощью эталонного образца той же формы и размера, что и исследуемый образец. Но, в любом случае, выходной сигнал требует последующего анализа для нахождения величины магнитного момента. Для этого в MPMS предусмотрено 3 режима обработки полученной зависимости.

Рисунок 14 - Идеальный выходной сигнал СКВИД-датчика

В режиме "полного сканирования" вычисляется площадь под кривой напряжения. Она пропорциональна магнитному моменту, если образец точно центрирован и проходит большое расстояние сканирования. В методе "линейной регрессии" теоретическая кривая подгоняется под экспериментально полученный сигнал с помощью алгоритма линейной регрессии. Для его работы достаточно небольшой длины сканирования, но центрирование образца так же важно. Программное обеспечение MPMS позволяет корректировать положение образца, если известна точная зависимость размеров измерительного штока от температуры. Метод "итеративной регрессии" помогает приблизить реальный сигнал к идеальному за счет дополнительных переменных, которые могут компенсировать неточность в расположении образца, а также учесть его размеры и форму. Однако этот метод не применим для неоднородно намагниченных образцов и образцов, обладающих малым магнитным моментом. Все три метод возвращают результат в единицах магнитного момента образца.

Магнитотранспортные измерения

Установка MPMS-XL дополнена цифровыми приборами: нановольтметром Keithley 2182A и источником тока Keithley 2400 SourceMeter. Эта пара приборов позволяет пропускать через образец стабильный ток от нескольких наноампер и измерять напряжение от 1 нВ. Шток для измерения магнитного момента не подходит для магнитотранспортных исследований. Существует специальная вставка, позволяющая особым образом расположить образец и провести к нему провода от приборов. Она представляет собой трубку с плоской медной площадкой на одном из концов (рисунок 15). На противоположном конце расположен разъем для подключения к измерительным приборам. Провода от разъема пропущены внутри трубки и выведены к клеммам вблизи площадки для образца. Соединение между клеммами и тонкими контактами, идущими к образцу, осуществляется через контактные площадки.

Рисунок 15 - Общий вид специальной вставки для магниторезистивных измерений MPMS-XL

Образец длиной 6ч10 мм и шириной 3ч5 мм помещается на медную площадку с помощью клея. Затем к его поверхности подводятся свободные концы контактов из тонкой проволоки. Для фиксации контактов на поверхности образца использовались два разных материала.

Первый материал, пластичный проводник InGa, наносится небольшим слоем на поверхность пленки в местах контактов. К полученным площадкам прижимаются изогнутые свободные края тонких проводов. Сверху наносится небольшое количество InGa и контакт вновь прижимается к поверхности пленки. В результате тонкая проволока находится в контакте с проводящей поверхностью образца и удерживается в этом положении пластичным проводящим слоем сверху (рисунок 16, слева).

Второй использованный материал - это проводящий двухкомпонентный клей с содержанием серебра. В данном случае, тонкие контакты прямыми свободными концами упираются сразу же в поверхность образца. Далее, две компоненты клея смешиваются в нужных пропорциях до получения пастообразного состава. С помощью тонкого инструмента (иглы) наносится небольшое количество смеси на контакт в месте его упора в поверхность пленки. Контакт должен после этого находиться в "капле", окутывающей его и лежащей на поверхности образца (рисунок 16, справа). После нанесения клея на все контакты происходит его сушка до затвердевания с помощью фена. Длительность зависит от температуры горячего воздуха.

Преимуществом использования InGa является относительная быстрота подготовки образца. Однако двухкомпонентный клей надежнее крепится к поверхности. Кроме того, во втором случае можно гарантировать, что контакт непосредственно прилегает к пленке. Тестовые измерения показали, что хорошо подготовленные образцы и в том и в другом случае дают одинаковые результаты.

Рисунок 16 - Образец на штоке с контактами, закрепленными с помощью пластичного проводника InGa (слева) и двухкомпонентного клея (справа)

После помещения образца в камеру дальнейшее действия осуществляются с помощью компьютера. Однако подключение к установке MPMS-XL дополнительных приборов усложняет процесс управления экспериментом.

Применение магагнитных многослойных структур

Магниточувствительные материалы и изготовленные на их основе сенсоры входят в состав широкого спектра промышленно выпускаемых устройств различного назначения. Магнитные сенсоры используются: в автомобилях, робототехнике, в устройствах промышленной автоматики, приборах неразрушающего контроля, системах контроля линейного и углового перемещения, устройствах детектирования слабых электромагнитных сигналов, в научных приборах, интегральных датчиках тока, биодатчиках и многих других типах изделий. Характеристики конечных изделий и области их применения в значительной степени определяются свойствами и функциональными характеристиками исходных магниточувствительных материалов, из которых изготавливаются сенсорные элементы. Наиболее часто в качестве таких материалов выступают полупроводниковые пленки, используемые для изготовления элементов Холла, магнитные пленки пермаллоя и различные типы многослойных магнитных наноматериалов. Важное место среди магниточувствительных материалов занимают магнитные наноструктуры с эффектом гигантского магнитосопротивления (ГМС). Их основное преимущество заключается в высоком уровне полезного сигнала по отношению к фону, что обеспечивает более надежное функционирование устройств и повышает предел их чувствительности к магнитному полю. В другом интенсивно изучаемом типе наноструктур, в котором проявляется эффект туннельного магнитосопротивления (ТМС), наблюдается еще более значительное изменение электрического сопротивления в магнитном поле. Однако технология изготовления ТМС наноструктур является гораздо более сложной и дорогостоящей, а устойчивость их свойств к внешним воздействиям - более низкой в сравнении с ГМС наноструктурами. Если ТМС наноструктуры являются основным типом материалов для создания энергонезависимой магнитной памяти (MRAM), то для разработки изделий магнитоэлектроники широкого применения ГМС наноструктуры являются более предпочтительными.

Заключение

В данной курсовой работе были исследованы физические свойства магнитных многослойных структур на примере различных пленок. Представлены способы получения магнитных многослойных структур. Описана методика получения тонких пленок, таких как NiFe/Bi/NiFe. Так же представлена и описана методика исследования этих пленок с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ), которая используется для контроля качества поверхности изготавливаемых пленок. Представлена установка MPMS-XL для исследования магнитных свойств пленок.

В настоящее время перспектива заложена в использовании магнитных многослойных структур, которые широко применяются в микроэлектронике. Их исследования и усовершенствования дало быстродействующие устройства магнитной памяти. Перспективны новые магнитные структуры - многослойные системы магнитных наноостровков. В последние годы резко активизировались исследования, ставящие своей целью разработку новых материалов и их комбинаций для приложений в спинтронике - активно развивающегося направления наноэлектроники. На основе магнитных многослойных структур были сделаны магнитные туннельные переходы, состоящие из структур ферромагнетик, туннельный изолятор - ферромагнетик, являются основным элементом энергонезависимой памяти произвольного доступа нового поколения.

Список использованных источников

1. Patrin, G. S. Magnetism of Multilayer Films in Transition Metal/Semiconductor System / G. S. Patrin and V. O. Vas'kovskii // Phys. Met. Metallography. - 2006. - Vol. 101, Suppl. 1. - P. S63.

2. Шик, А.Я. Физика низкоразмерных систем / А.Я. Шик, Л.Т. Бакуева, С.Ф. Мусихин, С.А. Рыков. - СПб.: Наука, 2001.

3. Grьnberg, P. Layered magnetic structures: Evidence for antiferromagnetic coupling of Fe layers across Cr interlayers / P. Grьnberg, R. Schreiber, Y. Pang, M. B. Brodsky, and H. Sowers // Phys. Rev. Lett. - 1986. - Vol. 57. - P. 2442.

4. Baibich, M.N. Giant magnetoresistance of (0 0 1)Fe/(0 0 1)Cr magnetic superlattices / M.N. Baibich, J.M. Broto, A. Fert, F. Nguyen Van Dau, F. Petroff, P. Etienne, G. Creuzet and A. Friederich J. Chazelas // Phys. Rev. Lett. - 1988. - Vol. 61. - P. 2472.

5 Binasch, G. Enhanced magnetoresistance in layered magnetic structures with antiferromagnetic interlayer exchange / G. Binasch, P. Grьnberg, F. Saurenbach and W. Zinn // Phys. Rev. B. - 1989. - Vol. 39. - P. 4828.

6. Parkin, S.S.P. Oscillations in exchange coupling and magnetoresistance in metallic superlattice structures: Co/Ru, Co/Cr, and Fe/Cr / S.S.P. Parkin, N. More and K.P. Roche // Phys. Rev. Lett. - 1990. - Vol. 64. - P. 2304

Размещено на Allbest.ru