Структурно-фазовий стан нанокристалічних плівкових структур Gd/Fe

СТРУКТУРНО-ФАЗОВИЙ СТАН НАНОКРИСТАЛІЧНИХ Плівкових СТРУКТУР GD/FE

і.ю. Проценко, професор, д-р. фіз.-мат.наук.;

І.В. Чешко, аспірант

ВСТУП

В останнє десятиріччя інтенсивно вивчаються багатошарові магнітні плівки, в яких мають місце нові ефекти завдяки спін-залежній взаємодії електронів із штучно створеними нанорозмірними структурами. Одним із цих ефектів є гігантський магнітоопір - відносно велика зміна опору періодичної плівкової структури під дією зовнішнього магнітного поля (більш детально див., наприклад, [1, 2]). Вже зараз розроблені та успішно застосовуються на практиці пристрої, що працюють на його основі: головки зчитування на дискових накопичувачах інформації, датчики руху або зміни магнітного поля та ін. [1]. Основним типом мультишарових систем, де він спостерігається, є так звані спін-клапанні структури. Вони складаються з двох магнітних шарів з немагнітним спейсером, що послаблює їх обмінну феромагнітну взаємодію, але в одному з магнітних шарів реалізується однонаправлена анізотропія [3-6]. Для формування взаємної розорієнтації векторів намагніченості в феромагнітних шарах використовують додаткові антиферомагнітні закріплюючі шари. Для цього з найбільшим успіхом застосовували додаткові шари NiO [7] та FeMn [8]. Поширюється застосування таких систем, як Gd/Fe, Gd/Co та Tb/Co, Tb/Fe [9 - 10]. Така зацікавленість пояснюється надзвичайними магнітними властивостями цих матеріалів. Рідкоземельні метали (Gd, Tb) в поєднанні з 3d-феромагнітними Fe або Co утворюють сильно структурно-розупорядковані системи, але в той самий час феримагнітне упорядкування в них зберігається [4, 5] і вони мають більші значення магнітної насиченості та магнітної анізотропії у порівнянні, наприклад, з кобальтовими сплавами [11]. Сильнорозупорядкована кристалічна структура цих сполук сприяє утворенню в них дуже малих циліндричних доменів, стінки яких при перемагнічуванні переміщуються повільніше, ніж в полікристалічних зразках, а це, в свою чергу, поліпшує співвідношення сигнал/шум при роботі пристроїв на їх основі.

Властивості плівок Gd/Fe здебільшого вивчались як такі, що є складовими багатошарових плівкових систем. Так, в роботі [12] вивчається залежність величини негативного „спін-клапанного ефекту" від товщини магнітних шарів в плівковій структурі CoFe/Ag/CoFeGd. У серії робіт Д. Хазкеля та інших [13, 14] вивчаються магнітні характеристики та їх залежність від температури в періодичних багатошарових структурах [Gd/Fe]_n. Крім того, можна відокремити цілу групу досліджень, в яких плівка Gd/Fe розглядається як самостійний матеріал із спін-залежним розсіюванням електронів. У роботі [15] досліджувались структура інтерфейсів, магнітні та електрофізичні властивості двошарової плівки Gd/Fe. Виявилося, що навіть при кімнатній температурі в плівці Gd(5 нм)/Fe(5 нм)/П (П - пдкладка) може спостерігатися ефект гігантського магнітоопору до 100%.

Свіжосконденсовані одношарові плівки гадолінію проявляють властивість аморфності [16-17]. Причому, як було показано в роботі [17], ступінь аморфності структури сильно залежить від товщини плівок. Так, досліджувані зразки Gd/Si(1 нм) стають повністю аморфними при товщині шару Gd менше 10 нм. При більших товщинах поряд з аморфною фазою спостерігались зародки кристалізації гексагонального (ГЩП) - Gd.

Велика увага приділяється вивченню магнітних характеристик як окремо двошарових плівок Gd/Fe, так і у складі різних спін-клапанних систем, але дослідження особливостей їх структурно-фазового стану і дифузійних процесів у них мають фрагментарний характер. Зовсім мало вивчено їх вплив на гальваномагнітні та електрофізичні властивості цих структур. Тому метою даної роботи було з'ясування фазового стану та особливостей кристалічної структури двошарових плівкових систем Gd/Fe безпосередньо після конденсації та після певної термообробки.

1. МЕТОДИКА ЕКСПЕРИМЕНТУ

Плівкові зразки Gd/Fe/П були отримані пошаровою конденсацією парів металів при кімнатній температурі підкладки у робочому об'ємі вакуумної установки ВУП-5М (тиск залишкових газів ~10^-4 Па). Для випаровування Gd використовувався молібденовий випарник типу човник, а для випаровування Fe - молібденовий дріт діаметром 2 мм. Як підкладки для електронно-мікроскопічних досліджень використовувались плівки вуглецю товщиною не більше 30 нм. Для дослідження електрофізичних властивостей використовували скляні підкладки. Швидкість конденсації складала 0,1 нм/с (Gd) та 0,5 нм/с (Fe). Контроль товщини окремих шарів здійснювався за допомогою методу кварцового резонатора з точністю ±0,1 нм. Зразки відпалювались до температури Т_В=600 К, при постійній швидкості нагрівання 2-3 К/хв з подальшим охолодженням. Електронно-мікроскопічні дослідження виконувались за допомогою приладу ПЕМ-125К. Як еталон для розшифрування електронограм використовували відпалені плівки алюмінію.

2. КРИСТАЛІЧНА СТРУКТУРА ТА ФАЗОВИЙ СТАН ПЛІВОК GD/FE/П

У наших дослідженнях одношарові плівки Gd(10)/П мають аморфну фазу (а-Gd), оскільки на електронограмі (рис.1а) спостерігається лише 2 - 3 розмитих гало, хоча мікроструктура (рис. 1б) має зародки (світлі точки) ГЩП- Gd. Про це свідчать і ефективні „міжплощинні відстані”, розраховані за середньою величиною діаметрів гало. Електронограма (рис. 1 в) від одношарових плівок Fe(10)/П відповідає ОЦК-Fe з полікристалічною структурою (рис. 1 г) з середнім розміром кристалітів = 5 нм.

Рисунок 1 - Електронограма (а) і мікроструктура(б) плівки Gd(10)/П, електронограма (в) і мікроструктура(г) плівки Fe(10)/П та електронограма (д) і мікроструктура (е) двошарової плівки Gd(10)/Fe(10)/П (в дужках зазначена товщина в нм)

Двошарові плівки Gd(10)/Fe(10)/П мають більш складний фазовий стан. Як показано на рисунку 1 г, електронограма від такого зразка складається з двох груп ліній, що відповідають ГЦК-GdН₂ з граткою типу CaF₂ та ОЦК-Fe (табл. 1) з середніми параметрами кристалічної гратки в(Fe) = 0,290 нм та в(GdH₂) = 0,528 нм, що відповідає величині параметрів гратки для масивних зразків. Утворення сполуки гадоліню з воднем спричинене надзвичайною хімічною активністю Gd [18]. Наявність ліній на електронограмі та мікроструктура (рис.1 д ) свідчить про полікристалічність зразка.

Таблиця 1 - Розшифрування електронограми від зразка Gd(10)/Fe(10)/П

Висновок про наявність фази GdН₂ в двошарових плівках підтверджує характер залежності с(Т) для плівки Gd(10)/Fe(10)/П, що подана на рисунку 2. При нагріванні протягом першого циклу питомий опір плівки швидко збільшується до максимуму, який можна пов'язати з досягненням температури початку розпаду GdН₂ Т_р? 400-450 К, а потім різко зменшується і виходить на ділянку монотонної металевої залежності, характер якої зберігається і протягом другого циклу „нагрівання - охолодження”. Той факт, що GdН₂ не утворюється при повторному нагріванні, свідчить про те, що атоми Gd вступають у взаємодію із атомами водню, які потрапили в об'єм плівки в процесі конденсації.

Рисунок 2 - Залежність питомого опору та ТКО від температури для двошарової плівки Gd(10)/Fe(10)/П (в дужках зазначена товщина в нм): ?,_ - 1-й цикл нагрівання (фазовий склад GdН₂ + ОЦК-Fe) і охолодження; ¦, ? - 2-й цикл нагрівання і охолодження (фазовий склад ОЦК-Fe+ ГЩП-Gd + сліди Gd₂О₃)

При відпалюванні зразків Gd(10)/Fe(10)/П до температур Т_в=600 К відбуваються подальші фазові претворення. На електронограмах від таких зразків поряд з лініями ОЦК-Fe фіксується лінія Gd₂О₃ з d=0,315 нм, що має велику інтенсивність і на рентгенограмах масивного Gd₂О₃ [19]. Дані про мікроструктуру відпаленої плівки Gd(10)/Fe(10)/П, подані на рисунку 3, свідчать про сильнодисперсний стан оксиду Gd₂О₃ (темні кристали), який утворюється в результаті взаємодії Gd (що звільнився після розпаду GdН₂) із атомами кисню із залишкової атмосфери.

Рисунок 3 - Мікроструктура (а) двошарової плівки Gd(10)/Fe(10)/П, відпаленої до Т= 600 К, та відповідна їй гістограма (б) (в дужках зазначена товщина в нм)

Висновок про утворення Gd₂O₃ узгоджується з даними роботи [16], в якій окиснення спостерігалося при відпалюванні в атмосфері повітря.

ВИСНОВКИ

У роботі досліджувались фазовий стан та особливості мікроструктури нанорозмірних плівкових систем Gd/Fe. Установлено, що одношарові плівки Gd(10)/П аморфні, а двошарові плівки Gd(10)/Fe(10)/П перебувають в полікристалічному стані. На електронограмах фіксуються лінії ГЦК-GdН₂ та лінії ОЦК-Fe. У процесі термообробки GdН₂ починає розпадатися при температурі Т_р? 400 К; при подальшому нагріванні відбувається утворення Gd₂O₃.

Перспективним напрямком досліджень, представлених в даній роботі, є подальше вивчення фазоутворення в двошарових плівках Gd/Fe/П в процесі термообробки, вивчення електрофізичних властивостей цих систем та визначення кореляцій між ними.

Робота виконана в рамках науково-технічного проекту № М/18-2004 між Сумським державним університетом та Інститутом ядерної фізики Польської АН (м. Краків ).

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Никитин С.А. Гигантское магнитосопротивление //Соросовский обозревательный журнал. - 2004. - Т. 8, № 2. - С. 92-98.

2. Parkin S.S.P. Giant magnetoresistance in magnetic nanostructures // Annu. Rev. Mater. Sci. - 1995. - V. 25. - P 357 - 388.

3. Mangin S., Bellouord C., Marchal G. et al. Control of magnetic anisotropy of GdFe thin films // J. Magnet. Mag. Mater. - 1997. - № 165. - P. 161-164.

4. Carderia M.A., Svalov A.V., Fernandez A. et al. Magnetic properties and anisotropy of GdFe amorphous thin films // J. Optoelectron. Advanced Mater. -2004. -V.6, №2. - P.599-602.

5. Stavrou E., Sbiaa R. and Suzuki T. Magnetic anisotropy and spin reorientation effects in Gd/Fe and Gd/(FeCo) multillayers for high density magneto-optical recoding // J. Appl. Phys. - 2000. - V. 87, № 9. - P. 6899 - 6901.

6. Lee D. R., You C.-Y., Lang J.C. et al. Magnetization reversal measurements in Gd/Fe multilayer antidotearrays by vector magnetometry using X-ray magnetic circular dichroism //Appl. Phys. Let. -2002. - V 81, №26. - P.4997-4999.

7. Swagten H.J.M., Strijkers G J., Bloemen P.J.H. et al. Enhanced giant magnetoresistance in spin-valves sandwiched between insulating NiO // Phys. Rev. В - 1996. - V. 53, № 14. - P. 9108 - 9114.

8. Caballero J.A.. Reilly A.C., Hao Y. et al. Effect of deposition parameters on the CPP-GMR of NiMnSb-based spin-valve structures //J. Magnet. Mag. Mater. - 1999. - № 198-199.- P.55-57.

9. Свалов А.В., Савин П.А., Курдлянский Г.В. и др. Спин-вентильные магниторезистивные структуры на основе многослойных пленок Со/Тb// ЖТФ. -- 2002. -- Т.72, Вип. 8. -- С. 54 - 57.

10. Shima T., Takahashi К., Eujimori H. Exchange-coupled magnetostrictive behavior in Tb-Fe/Fe multilayer films ІП. // Magnet. Mag. Mater. - 2002. - № 239. - P.573-575.

11. Cherifi K., Dufour C., Bauer Ph. et al. Experimental magnetic phase diagram of Gd/Fe multilayered ferimagnet //Phys. Rev. B. - 1991. - V.44, № 14. - P. 7733-7736.

12. Bellouard C., George В., Marchal G. et al. Influence of the thickness of the CoFe layer on the negative spin-valve effect in CoFe/Ag/coFeGd trilayers // J. Magnet. Mag. Meter. - 1997. - № 165. - P. 3120-315.

13. Choi Y., Haskel D., Camley R.E. et al temperature evolution of the Gd magnetization profile in strongly coupled Gd/Fe multilayers // Phys.Rev.B. - 2004. - V.70. - P. 134420 - 134423.

14. Stobieski Т., Czapkiewicz M. and Kopcewicz M. Interface structure, magnetic and electrical properties of Fe/Gd multilayers // J. Magnet. Mag. Meter. - № 140-144. - P. 535-536.

15. Haskel D., Srajer G., Lang J.C. et al. enhanced mterfacial magnetic coupling of Gd/Fe multilayers // Phys Rev. Let. - 2001. - V.87, № 20. - P. 207201 - 207204.

16. Nelson J.A., Bennett L.H. and Wagner M.J. Solution synthesis of gadolinium nanoparticles //J. Am. Chem.Soc. - 2002. -V.124, № 12. - P. 2979-2983.

17. Васьковский В.О., Свалов А.В., Горбунов А.В. и др. Структурные и магнитные фазовые превращения в многослойных пленках гадолиния //ФТТ. -2001. -Т.43, Вып.4. -С. 672-677.

18. Гольдшмидт Х. Дж. Сплавы внедрения. - Москва: Мир, 1971. - Т. 2. - 464 с.

19. Миркин А.И. Справочник по рентгеновскому анализу поликристаллов. - Москва: Физматгиз, 1961. - 864 с.