Влияние структуры слоев и интерфейсов на магнитные свойства тонких пленок и нанодисков с перпендикулярной анизотропией Колесников Александр Геннадьевич

Введение к работе

Актуальность исследования

Исследование пленок и наноструктур с перпендикулярной магнитной анизотропией (ПМА) является актуальной задачей, как с фундаментальной, так и прикладной точек зрения. Первые фундаментальные исследования пленок с ПМА начались в 70х годах 20 века [1]. С целью увеличения плотности записи информации в 2005 году коммерческое производство жестких дисков перешло на технологию перпендикулярной магнитной записи. Также начались активные разработки магнитной памяти нового типа. На сегодняшний день особый интерес представляют структуры, в которых ферромагнитный (ФМ) слой находится в контакте с тяжелым металлом (ТМ). На интерфейсе ФМ/ТМ возникают такие спин-орбитальные эффекты, как спиновый эффект Холла (СЭХ) [2] и взаимодействие Дзялошинского-Мория (ВДМ) [3, 4]. СЭХ позволяет генерировать спин-поляризованный ток путем пропускания зарядового тока через слой ТМ. Инжектируемый в слой ферромагнетика спин-поляризованный ток может быть использован для управления намагниченностью. ВДМ стабилизирует гомокиральные доменные стенки и топологические устойчивые спиновые конфигурации. Одной из таких конфигураций является магнитный скирмион [5]. Скирмион может иметь малый размер ~10 нм, при этом скорость движения под действием спин-поляризованного тока у скирмиона выше, чем у доменной стенки (ДС). Поэтому скирмион является перспективным для применения в памяти на беговых дорожках [6, 7]. Особое внимание уделяется исследованию процессов зарождения и стабилизации скирмиона. Стабильность скирмиона определяется конкуренцией обменного взаимодействия, ПМА, магнитостатического взаимодействия и ВДМ. Поэтому важными задачами являются: 1) исследование зависимости магнитных свойств от структуры слоев и интерфейсов; 2) выявление способов управления магнитными параметрами; 3) определение геометрических и магнитных параметров, при которых возможна стабилизация скирмиона.

Цели и задачи

Цель работы заключается в исследовании влияния толщины и структуры слоев в пленках и нанодисках на величину перпендикулярной анизотропии, коэрцитивную силу, взаимодействие Дзялошинского-Мория, вид доменной структуры и образование цилиндрических магнитных доменов (ЦМД) и ЦМД-скирмионов.

Для осуществления поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

1. Исследовать кристаллическую структуру и шероховатость слоев пленок Ru/Co/Ru.

2. Исследовать магнитные свойства и определить параметры слоев ФМ и ТМ, при которых существует перпендикулярная магнитная анизотропия в пленках: Ru/Co/Ru, Ru/Co/W/Ru, Pt/CoFeSiB/Ta, Pt/CoFeSiB/Ru/Ta, Ta/[Co/Ni]_n.

3. Установить влияние толщины слоев ТМ на величину взаимодействия Дзялошинского-Мория и процессы перемагничивания.

4. Получить набор опытных образцов, содержащих двумерные массивы нанодисков, исследовать процессы перемагничивания и доменную структуру в них.

5. Микромагнитным моделированием определить магнитные параметры и размеры нанодисков, при которых формируются топологические спиновые конфигурации.

Достоверность полученных научных результатов

Результаты, представленные в данной работе, получены экспериментально с использованием взаимодополняющих методов исследования. Достоверность полученных экспериментальных данных подтверждается воспроизводимостью результатов. Результаты микромагнитного моделирования и теоретических оценок, проведенных в работе, согласуются с экспериментом. Материалы данной работы опубликованы в научных изданиях, индексируемых в международных базах данных Scopus и Web of Science.

Положения, выносимые на защиту

1. Изменение толщины буферного слоя Ru влияет на кристаллическую структуру и размер зерна пленок Ru/Co/Ru.

2. Для наведения ПМА в пленках Ru/Co/Ru необходим покрывающий слой Ru толщиной >1 нм. Магнитные свойства и доменная структура зависят от толщины буферного слоя Ru.

3. Магнитоупругие напряжения, обусловленные несоответствием параметров решеток слоев Co и Ru, вносят основной вклад в ПМА пленок Ru/Co/Ru.

4. В пленках Ru/Co/W/Ru введение слоя W на порядок увеличивает величину взаимодействия Дзялошинского-Мория. Изменяя толщину слоев Со и W, можно управлять величиной взаимодействия Дзялошинского-Мория, коэрцитивной силой, энергией анизотропии и видом доменной структуры.

5. Микромагнитным моделированием установлены магнитные и геометрические параметры, при которых в однослойных и двухслойных нанодисках самопроизвольно зарождаются топологические спиновые конфигурации: вихри, мероны и скирмионы.

Научная новизна

6. Впервые экспериментально определены толщины слоев, при которых наблюдается ПМА, в пленках Ru/Co/Ru. Показана необходимость наличия покрывающего слоя рутения для наведения ПМА. Вклады объемной и поверхностной компонент в ПМА пленок Ru/Co/Ru были рассчитаны теоретически и определены экспериментально. Показано влияние кристаллической структуры слоев и морфологии интерфейсов на магнитные параметры, процесс перемагничивания и доменную структуру пленок Ru/Co/Ru.

7. Предложен метод модификации интерфейса, путем введения ультратонкой прослойки, для сохранения ПМА и усиления интерфейсного взаимодействия Дзялошинского-Мория (иВДМ), на примере структуры Ru/Co/W/Ru.

3. Экспериментально обнаружены изолированные ЦМД-скирмионы при комнатной температуре без внешнего магнитного поля в пленках и двухслойных нанодисках.

4. Впервые методом микромагнитного моделирования установлены диапазоны геометрических и магнитных параметров, при которых в однослойных и двухслойных нанодисках самопроизвольно зарождаются вихри, мероны и скирмионы.

Научно-практическая значимость

Результаты исследования магнитных свойств и процессов перемагничивания пленок с ПМА и иВДМ могут представлять практическую ценность для разработки устройств магнитной памяти на беговых дорожках. На основе нанодиска со стабильными топологическими спиновыми конфигурациями может быть создана ячейка магниторезистивной памяти, либо спиновый осциллятор. Полученные результаты могут быть использованы в лекционных курсах «физика тонких магнитных пленок и наноразмерных структур» и «спинтроника».

Личный вклад автора заключается в получении поликристаллических пленок и нанодисков методом магнетронного распыления. Измерения магнитных свойств полученных образцов методами: магнитооптическим эффектом Керра, Керровской микроскопией, индукционным методом на вибромагнитометре и микромагнитным моделированием. Шаблоны массивов нанодисков были получены методом электронно-лучевой литографии автором совместно со Стеблий М.Е. Исследование методами атомно-силовой микроскопии и магнитно-силовой микроскопии проводилось совместно с Давыденко А.В. и Огневым А.В. Измерения методами просвечивающей электронной микроскопии и электронной микродифракции проводились в лаборатории “Электронной микроскопии и обработки изображений” Плотниковым В.С., Пустоваловым В.С. и Федорцом А.Н. Рентгеноструктурный анализ проводился совместно с Герасименко А.В. Спектры рассеяния Мандельштама-Бриллюэна были измерены Садовниковым А.В. и Никитовым С.А. Исследование методом спектроскопии рентгеновского поглощения было проведено Платуновым М.С. в группе Рогалева А.Л. (на станции ID12 ESRF). Анализ и обработка экспериментальных измерений проводились автором лично. Совместно с научным руководителем были проведены теоретические расчеты и обсуждения полученных результатов. Материалы к публикации подготавливались совместно с соавторами.

Апробация научных результатов

Основные результаты диссертационного исследования неоднократно были представлены на международных школах, конференциях и семинарах: Asia-Pacific Symposium on Solid Surface, APSSS-1 Young Scientists School (Владивосток Россия 2014), International Magnetic Conference INTERMAG-2015 (Пекин, Китай, 2015), 20th International Conference of Magnetism (Барселона, Испания, 2015), Third Asian School-Conference on Physics and technology of Nanostructured Materials, ASCO-NANOMAT-2015 (Владивосток, Россия, 2015), The 22nd Joint Interlaboratory Workshop on Nano-Magnetics (Сеул, Южная Корея, 2015), The 23rd Joint Interlaboratory Workshop on Nano-Magnetics (Сендай, Япония, 2016), IEEE Magnetic Summer School-2016

(Сендай, Япония, 2016), Euro-Asian Symposium Trends in Magnetism EASTMAG-2016 (Красноярск, Россия, 2016), 61st Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials MMM-2016 (Новый Орлеан, США 2017), International Magnetics Conference INTERMAG Europe-2017 (Дублин, Ирландия, 2017), Moscow International Symposium on Magnetism MISM-2017 (Москва, Россия, 2017), The 26th Joint Interlaboratory Workshop on Nano-Magnetics (Владивосток, Россия, 2016), 62nd Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials MMM-2017 (Питтсбург, США 2017), International Magnetic Conference INTERMAG-2018 (Сингапур, 2018).

Основные результаты диссертации представлены в 7 работах опубликованных в рецензируемых зарубежных журналах, входящих в базы цитирования Web of Science и Scopus.