Магнитосопротивление трехслойных пленок Co/Cu/Co в температурном интервале 150-700 К

Магнитосопротивление трехслойных пленок Co/Cu/Co в температурном интервале 150-700 К

В.Б. Лобода*, канд. физ.-мат. наук, доц.;

Ю.А. Шкурдода**, асп.;

С.М. Пирогова**, асп.

*Сумский государственный университет

**Сумский государственный педагогический университет им

Одним из важнейших и интенсивно развиваемых направлений современной физики твердого тела является исследование искусственно синтезированных сверхструктур. К таким сверхструктурам относятся и получаемые с помощью новейших технологий многослойники - периодические системы, состоящие из чередующихся слоев различных материалов. Интерес к исследованию многослойных систем связан с тем, что они могут обладать свойствами, принципиально отличающимися от свойств входящих в них компонентов.

К числу наиболее удивительных и важных открытий в физике твердого тела конца прошедшего века несомненно можно отнести открытие в 1989г. эффекта гигантского магнитосопротивления (ГМС) магнитных многослойников [1]. Эффект наблюдается в многослойных образцах, состоящих из чередующихся слоев ферромагнитных и немагнитных металлов, и состоит в уменьшении электросопротивления образца (параллельно его границам) при включении относительно слабого внешнего магнитного поля, индукция которого порядка 100 мТл. Практическую ценность этого эффекта трудно переоценить. Чрезвычайная чувствительность проводимости многослойников (даже при комнатных температурах) к включению слабого магнитного поля делает перспективным их применение в различных электронных устройствах.

Интерес к исследованию многослойных систем связан не только с постоянным поиском новой элементной базы микроэлектроники, но и с возможностью получения в таких исследованиях важной фундаментальной информации о взаимодействии квазичастиц твердого тела с границами раздела материалов с различающимися физическими характеристиками.

К настоящему времени выполнено значительное число теоретических и экспериментальных работ по исследованию ГМС. Но еще до конца не ясны особенности поведения температурной зависимости магнитосопротивления (МС) в многослойных системах. Исходя из этого, в работе проведены исследования зависимости МС от температуры трехслойных пленок Co/Cu/Co c различной толщиной медной прослойки в температурном интервале 150-700 К. Структура и зависимости МС от величины индукции внешнего магнитного поля этих пленок представлены нами ранее в работе [6].

Трехслойные пленки Co/Cu/Co с толщинами слоев dCo = 10-70 нм и dCu = 1-10 нм были получены в вакуумной установке ВУП-5М (давление остаточной атмосферы 10-3-10-4 Па) методом электронно-лучевого (Со) и резистивного (Cu) испарения. Пленки осаждались на стеклянные подложки (измерение электросопротивления и МС) при комнатной температуре. Толщина слоев контролировалась по времени напыления при известной скорости конденсации. Для определения скорости конденсации была получена серия однослойных пленок Со и Cu, толщина которых измерялась при помощи микроинтерферометра МИИ-4 и компьютерной системы регистрации интерференционной картины [2]. Для параллельной ориентации осей легкого намагничивания в слоях кобальта пленки осаждались во внешнем магнитном поле с напряженностью Н = 8 кА/м (100 Ое).

Отжиговые эксперименты для стабилизации структурного состояния пленок и измерения зависимости МС от температуры производились в специально изготовленной установке в условиях сверхвысокого безмасляного вакуума (10-6-10-7 Па) в постоянном магнитном поле, приложенном в плоскости пленки с напряженностью Н = 8 кА/м (подробное описание установки см. в [2]). Время отжига при температуре 700 К составляло 1 час. В этой же установке производились и измерения МС пленок. Величина МС рассчитывалась по формуле

?R/R0 = (R(H) - R0)/R0,

где R(H) - электрическое сопротивление образца во внешнем магнитном поле Н; R0 - электрическое сопротивление размагниченного образца.

Были проведены исследования зависимости величины МС от температуры для неотожженных и отожженных при 700 К трехслойных пленок Со/Cu/Со с различной толщиной медной прослойки и пленок Со в интервале температур 150-700 К (рис.1-4). Для всех исследуемых образцов наблюдается увеличение величины МС при понижении температуры. Для трехслойных пленок Со/Cu/Со с толщиной медной прослойки до 4 нм (рис.1) наблюдается максимум зависимости при температуре ниже комнатной.

Такое аномальное поведение зависимости наблюдали и другие авторы для многослойных пленочных систем Ni/Cu [3], Co/Cu [4] и пленок сплава Ni-Cu [2]. Авторы этих работ объясняют этот факт значительным увеличением магнитной анизотропии с понижением температуры. Появление значительной анизотропии связывается с существованием в таких структурах антиферромагнитного упорядочения, а положение максимума МС соответствует точке Нееля.

Рисунок 1 - Зависимость продольного (¦¦ ) и поперечного (+) МС (?R/R0)max от температуры для неотожженной (а) и отожженной (б) пленки Со/Сu/Co (2dCo = 60 нм, dCu = 1,5 нм)

По нашему мнению, структуру пленок Со/Cu/Со можно представить следующим образом: магнитный слой состоит из большого количества ферромагнитных спиновых кластеров, которые упорядочены между собой антиферромагнитно или смешанным образом (часть ферромагнитно, часть антиферромагнитно). Пик магнитосопротивления соответствует максимуму магнитной восприимчивости пленки при температуре Нееля. Подобная температурная зависимость магнитной восприимчивости была теоретически рассмотрена Ландау в 1933 году для материалов, которые состояли из ферромагнитно упорядоченных слоев [5]. Следует также отметить, что во всем исследованном температурном интервале в образцах наблюдался гистерезис МС, который говорит о наличии в них доменной структуры [6]. Для всех исследованных образцов с толщиной немагнитного слоя до 2 нм ГМС не наблюдалось, а поведение зависимостей МС от индукции внешнего магнитного поля подобны соответствующим зависимостям [7] для пленок чистого Со (анизотропия МС). Величина МС для неотожженных пленок при комнатной температуре составляет 0,1-0,2%. После отжига образцов при 700 К характер зависимостей МС от индукции внешнего магнитного поля не изменяется, но его величина возрастает до 0,5%.

На рис.2а представлены зависимости величины МС от температуры для неотожженных пленок Со/Cu/Со с толщиной 2dCo = 45 нм и dCu = 3,5 нм. Для этих пленок характерно только уменьшение электросопротивления с понижением температуры независимо от направления приложенного магнитного поля (отсутствие анизотропии МС) и появление анизотропии МС после отжига [6]. Как видно из рис.2а, такой переход происходит в температурном интервале 550-600 К.

На рис.2б представлены зависимости величины МС от температуры для отожженных пленок Со/Cu/Со с толщинами 2dCo = 45 нм и dCu = 3,5 нм. Эти зависимости подобны соответствующим зависимостям для пленок с dCu = 1,5 нм (рис.1б), но максимум зависимости сместился в область более низких температур.Для пленок с dCu > 4 нм (рис.3б) упомянутый максимум не наблюдается вообще. Возможно, это связано с его смещением в область более низких температур. Аналогичные смещения при увеличении толщины медной прослойки (увеличении концентрации Сu) наблюдали и авторы [3,4]. Но можно предположить, что для образцов с ГМС и образцов с dCu > 5 нм данный максимум вообще отсутствует.

Риcунок 2 - Зависимость продольного (¦¦ ) и поперечного (+) МС (?R/R0)max от температуры для неотожженной (а) и отожженной (б) пленки Со/Сu/Co (2dCo=45 нм dCu=3,5 нм)

Зависимость (?R/R0)max(Т) при малых толщинах медной прослойки (dCu < 4 нм) напоминает аналогичную зависимость для пленок чистых металлов Ni [2] и Со, отожженных при 700 К (рис.4), в то время как для некоторых многослойных систем (например, Fe/Cr), магнитосопротивление увеличивается в 2-3 раза при уменьшении температуры от комнатной до гелиевой [8].

Следует также отметить, что для пленок Со/Сu/Co с dCu = 4-10 нм (рис.3) как для неотожженных, так и для отожженных, наблюдается только уменьшение электросопротивления независимо от направления внешнего магнитного поля (отсутствие анизотропии МС), что является характерным признаком ГМС [6].

Рисунок 3 - Зависимость продольного (¦¦ ) и поперечного (+) МС (?R/R0)max от температуры для неотожженных (а) и отожженных (б) пленок Со/Сu/Co (2dCo=40 нм dCu=4 нм)

Таким образом, как показывают результаты этих исследований, характер поведения магниторезистивного эффекта (МРЕ) и особенности зависимостей (?R/R0)max от температуры определяются толщиной немагнитной прослойки.

Нами были также проведены и исследования температурной зависимости коэрцитивной силы Нс этих пленок. На рис.5 представлены результаты измерения коэрцитивной силы Нс, полученные из петель МРЭ для пленок Со и трехслойных пленок Co/Cu/Co.

Рисунок 4 - Зависимость продольного (¦¦ ) и поперечного (+) МС (?R/R0)max от температуры для неотожженных (а) и отожженных (б) пленок Со (d=50нм)

Для неотожженных пленок Со (рис.5а) коэрцитивная сила Нс слабо зависит от температуры: наблюдается только незначительное, почти линейное увеличение Нс при повышении температуры. После отжига образцов кривая зависимости Нс(Т) претерпевает существенные изменения: при Т < 350 К наблюдается значительный рост Нс (до 4,5 кА/м) при понижении температуры, а при Т > 350 К как для отожженных, так и для неотожженных пленок зависимости Нс(Т) практически совпадают.

Для трехслойных пленок Со/Сu/Со (dCu = 1,5 нм, 2dCo = 60 нм) как отожженных, так и неотожженных (рис.5б) зависимости Нс от температуры подобны соответствующим зависимостям для пленок Со (рис.5а). Однако увеличение Нс для отожженных пленок начинается при более низких температурах (300 К) и происходит более резко.

Рисунок 5 - Зависимость Нс от температуры для неотожженных (1) и отожженных (2) пленок Со с dCо=50 нм (а) и пленок Со/Сu/Со с dCu=1,5 нм, 2dCo= 60 нм (б)

Совершенно иная зависимость Нс(Т) наблюдается для трехслойных пленок Со/Сu/Со при dCu ? 4 нм. На рис.6 представлена зависимость Нс(Т) на примере пленки с 2dCo=40 нм и dCu=4 нм.

Как для неотожженных, так и для отожженных пленок зависимости практически совпадают: Нс увеличивается при понижении температуры во всем исследуемом температурном интервале. Причиной этого может быть зависимость Нс от константы анизотропии, которая, в свою очередь сильно зависит от температуры [3,10].

Рисунок 6 - Зависимость Нс от температуры для неотожженных (1) и отожженных (2) пленок Со/Сu/Со (dCu=4 нм, 2dCo=40)

Нужно также отметить, что значение Нс для всех исследуемых трехслойных пленок Со/Сu/Со увеличивается после отжига при 700 К (для неотожженных пленок Нс = 1,3-2 кА/м, для отожженных Нс = 2,2-4 кА/м в зависимости от толщины слоев). Эти результаты хорошо согласуются со значениями, полученными в работе [9], где Нс измерялась индукционным и магнитооптическими методами.

Такое поведение Нс при отжиге можно объяснить следующим образом. Отжиг приводит к увеличению размера зерна и вследствие этого увеличиваются коротковолновые шероховатости слоев. Отжиг приводит и к перераспределению точечных дефектов (вакансий, атомов остаточной атмосферы и т.д.) по межзеренным границам. Все это вместе взятое (увеличение размера зерна L, увеличение амплитуды коротковолновых шероховатостей h, возрастание скачка намагниченности ?I, обусловленного перераспределением точечных дефектов) и сопровождается увеличением коэрцитивной силы (Нс ~ L4/3 - кристаллографическая компонента; Нh ~ h4/3 - компонента обусловлена шероховатостями; Нм ~ (?I)8/3 - магнитостатическая компонента) [11].

Как показывают результаты исследований, Нс является размерно зависимой величиной. Величина Нс практически слабо зависит от толщины немагнитного слоя и определяется толщиной магнитных слоев. При уменьшении толщины слоев Со в многослойниках значение Нс возрастает как и для пленок чистого Со.

Обнаружено аномальное поведение зависимости величины МС (?R/R0)max от температуры для пленок Со и трехслойных пленок Со/Сu/Со при dCu < 4 нм.

Установлено, что в трехслойных пленках Со/Сu/Со с ГМС при уменьшении температуры от комнатной до азотной величина МРЭ увеличивается в 1,5-2 раза.

Установлены зависимости коэрцитивной силы Нс от температуры для пленок Со и трехслойных пленок Со/Сu/Со.

CПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

Baibich M.N., Broto J.M., Fert A. at al. Giant magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr magnetic superlattices // Phys. Rev. Lett. - 1988. - V.61, № 21. - P. 2472-2475.

Kubota H., Sato R., Miyazaki T. Anomalous temperature dependence of thin giant magnetoresistance in Ni/Cu, Ni95Co5/Cu and Ni95Fe5/Cu multilayer films // J. Magn. Magn. Mater. - 1997. - V.167, №1-2. - P. 12-20.

Viret M., Vignoles D., Cole D. Spin Scattering in Ferromagnetic Thin Films//Phys. Rev. B. - 1996. - V.53. - P. 8464-8468.

Иноуэ И., Ито Х., Асано И. и др. Теория электронной структуры и магнитотранспортных свойств в многослойных магнитных пленках // ФММ. - 1995. - Т.79, Вып.1. - С.54-64.

Ким П.Д., Халяпин Д.Л., Турпанов И.А. и др. Аномальная температурная зависимость магнитосопротивления в мультислоях Со/Cu // ФТТ. - 2000. - Т.42, Вып.9. - С. 1641-1643.

Ландау Л.Д. Возможность объяснения зависимости восприимчивости от поля при низких температурах // Phys. Zs. Sovjet. - 1933. - № 4. - С. 97-101.

Лобода В.Б., Пирогова С.Н., Шкурдода Ю.А. Электропроводность тонких пленок Ni и сплавов Ni-Cu в слабых магнитных полях в интервале температур 100-700К // Вісник СумДУ. Сер. Фізика, математика, механіка. - 2003. - №10(56). - С. 89-99.

Лобода В.Б., Шкурдода Ю.А., Пирогова С.Н. Структура и гальваномагнитные свойства трехслойных пленок Со/Сu/Со // Вісник СумДУ. Сер. Фізика, математика, механіка. - 2004. - №8(67). - С. 107-115.

Осуховский В.Э., Воробьев Ю.Д., Чеботкевич Л.А. и др. Определение вкладов в коэрцитивную силу тонких магнитных пленок от объемных и поверхностных неоднородностей // ФММ. - 1984. - Т.57, Вып. 2. - С. 254-260.

Сambley R.E., Stamps R.L. Magnetic multilayers: spin configyrations, excitations and giant magnetoresistance // J. Phys. Condens. Matter. - 1993. - V.5. - P. 3727-3786.

Чеботкевич Л.А. и др. Структура и магнитные свойства отожженных пленок Co/Cu/Co // ФММ. - 2002. - Т.89, №3. - С.56-61.