Материал: Физика тонких пленок. Современное состояние исследований и технические применения. Т. 6

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В МНОГОСЛОЙНЫХ ПЛЕНОЧНЫХ МАГНИТНЫХ СТРУКТУРАХ

А. йелон

I. ВВЕДЕНИЕ

Этот обзор посвящен многослойным структурам из тонких ферро- и антиферромагнитных пленок, в которых существенную роль играет взаимодействие между слоями. В рассматриваемых структурах вследствие обменного или дипольного взаимодей­ ствия между отдельными частями всей системы магнитное со­ стояние одного слоя может влиять на состояние другого слоя или нескольких слоев. Таким образом, поведение различных пленок оказывается взаимосвязанным.

Хотя начало изучения явлений взаимодействия в подобных многослойных структурах относится по крайней мере к 1902 г., наибольшая активность в этой области наблюдалась за истек­ шие 10 лет. Интерес к многослойным пленкам возник (во вся­ ком случае, частично) в результате исследования однослойных систем, которые эффективно изучаются на протяжении послед­ них 15 лет.

Тем, кто знаком с работами в этой области, известны и встречающиеся здесь многочисленные трудности (некоторые вопросы были рассмотрены в обзоре, помещенном в первом томе настоящей серии [1]). Поэтому вполне оправдан возникаю­ щий у них вопрос: зачем вводить дополнительные эффекты, когда ситуация и так достаточно сложна? Однако на это есть ряд причин. Во-первых, дополнительные степени свободы, появ­ ляющиеся в многослойных системах, открывают новые пути подхода к проблемам, которые трудно решить в отдельной пленке. Так обстоит дело, например, в одно- и многослойных системах при изучении структуры и подвижности доменных сте­ нок и коэрцитивных сил. Во-вторых, часто можно отделить про­ блемы взаимодействия от трудных вопросов, связанных с физи­ кой отдельной пленки, например с природой анизотропии. По крайней мере в некоторых случаях рассматриваемое взаимо­ действие оказывается структурно менее чувствительным, т. е. слабее зависит от условий приготовления, чем, например, коэр­ цитивная сила и дисперсия направлений легких осей.

Для приложений многослойной системы, по-видимому, обла­ дают рядом преимуществ перед однослойными. Использование многослойных структур должно привести к устранению ряда трудностей, с которыми сталкиваются при использовании маг­ нитных пленок в приборах. В качестве примера можно указать на сползание доменных стенок в однослойной пленке, вызван­ ное полями размагничивания. Можно создать многослойные структуры, в которых этот недостаток будет устранен или осла­ блен. Кроме того, упоминавшиеся дополнительные степени сво­ боды должны открыть перед конструкторами элементов памяти и других устройств значительно большие возможности для до­ стижения желаемых результатов.

Наконец, явления взаимодействия сами по себе представ­ ляют большой научный интерес. Идентификация различных взаимодействий, связывающих магнитные пленки, выяснение различий между этими взаимодействиями, предсказание выте­ кающих из них эффектов — все это является сильным стимулом для исследователей. В последние годы интерес к указанным во­ просам значительно вырос и продолжает расти.

В данном обзоре мы постараемся обсудить и резюмировать все аспекты проблемы взаимодействия в многослойных магнит­ ных пленочных структурах. До настоящего времени в литера­ туре имелся только один краткий обзор об известных явлениях взаимодействия [2]. Проблемы анизотропного обмена были хо­ рошо рассмотрены в трех обзорах [3—5], но последний из них появился в 1963 г., а с того времени произошло заметное по­ вышение активности в этой области. Кроме того, появились пре­ восходные обзорные работы, посвященные отдельным вопросам: магнитостатическому взаимодействию доменных стенок [6, 7], косвенной связи [8] и использованию магнитно-связанных пле­ нок в элементах памяти [9]. Здесь мы попытаемся дать более общий взгляд на рассматриваемую и родственные проблемы, чем это было возможно ранее.

Изучаемый вопрос можно разделить на три части. Прежде всего опишем основные процессы взаимодействия и их непосред­ ственные следствия. Затем обсудим те эффекты, которые возни­ кают из-за существования магнитного взаимодействия, но прак­ тически не зависят от его природы. И наконец, остановимся на приложениях магнитных связанных пленок.

В разд. II рассмотрим по возможности в порядке усложне­ ния различные явления взаимодействия, которые могут наблю­ даться в многослойных магнитных пленочных структурах. Сна­ чала обсудим те процессы, которые связывают два слоя. К ним относятся прямой обмен между двумя ферромагнитными плен­ ками и обмен между ферро- и антиферромагнитной пленками. Затем будет дан анализ различных взаимодействий между двумя

ферромагнитными пленками, разделенными немагнитной плен­ кой, простейшим примером которых является магнитостатиче­ ская связь. Сюда же относятся взаимодействие за счет магнит­ ных полей рассеяния и так называемый «эффект апельсиновой кожуры», обусловленный магнитными корреляциями между по­ верхностями слоев. Затем обсуждаются явления магнитоста­ тической связи между доменными стенками в различных плен­ ках; сравниваются предсказанные структура и энергия домен­ ных стенок с наблюдаемыми; приведены величины коэрцитив­ ных сил и подвижностей стенок в доменных конфигурациях.

Далее мы обратимся к взаимодействию через микроотвер­ стия и косвенный обмен. Будут рассмотрены наблюдаемые свой­ ства систем с положительной немагнитостатической связью че­ рез немагнитный слой, которая, как будет показано, обуслов­ лена микроскопическими порами в немагнитном слое. Мы обсу­ дим также вопрос о том, можно ли такую связь в любом случае объяснить дальнодействующими силами, и покажем, что во всех исследованных ситуациях это представляется крайне маловеро­ ятным. Затем возможность существования подобного дально­ действия будет проанализирована теоретически. Последняя часть разд. II посвящена задаче идентификации различных ти­ пов взаимодействия и эффектам, обусловленным комбинацией нескольких взаимодействий. В последнем случае соответствую­ щие системы могут проявлять необычные свойства.

Хотя нам и представится случай для обсуждения явлений, связанных с механическими напряжениями, поскольку они влияют на рассматриваемые взаимодействия, здесь мы не бу­ дем касаться связи, возникающей в основном из-за деформа­ ций, создаваемых одной пленкой в другой. Как уже сообщалось [10— 12], такие явления довольно запутанны и мало понятны, а потому и исключены из данного обзора. По той нее причине не будут обсуждаться структуры, которые приготавливаются в виде многослойных пленочных систем, но считаются состоящими из мелкодисперсных частиц [12— 14].

Несмотря на разную физическую природу взаимодействия, в поведении различных многослойных структур имеется много общего. Для многих свойств важно само существование связи, а не ее микроскопическая природа. Далее, в ряде случаев для теоретического описания поведения различных структур исполь­ зуется общий математический аппарат и получаются аналогич­ ные результаты. Свойства в разд. II рассматриваются лишь по­ стольку, поскольку это необходимо, более детально их анализ дается в разд. III.

В разд. III сначала обсуждается квазистатическое и им­ пульсное перемагничивание связанных пленок. Эти свойства непосредственно зависят от энергии взаимодействия, так как

при определении устойчивых состояний или решений уравнений Ландау — Лифшица эту величину необходимо включить в пол­ ную энергию на единицу площади системы. Для резонансных явлений более важно эффективное закрепление спина на по­ верхности, которое может быть вызвано взаимодействием пле­ нок. После изучения этих свойств мы обратимся к некоторым общим соображениям относительно доменной структуры маг­ нитно-связанных пленок. Наконец, будет рассмотрено образова­ ние эффективного дальнего порядка и геликоидальной анизо­ тропии в структурах, созданных последовательным нанесением слоев с непараллельными осями легкого намагничивания.

Раздел IV посвящен применениям многослойных структур с ферромагнитными пленками. В настоящее время эти примене­ ния в огромном большинстве случаев существуют лишь в про­ екте и представляют потенциальную возможность для использо­ вания в будущем. Однако некоторые многослойные структуры, по-видимому, действительно скоро будут использоваться в ре­ альных системах памяти. Если это действительно произойдет, то можно ожидать, что в следующем десятилетии мы окажемся свидетелями гораздо больших усилий в этой области со стороны ученых и инженеров по сравнению с предыдущим периодом.

II.ТИПЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

Вмногослойных структурах, содержащих ферромагнитные пленки, магнитное состояние или поведение одного ферроили антиферромагнитного слоя может влиять на поведение другого слоя. Эти эффекты взаимодействия возникают либо вследствие некоторых обменных явлений, либо из-за диполь-дипольного взаимодействия типа взаимодействия магнитных полей рассея­ ния. Данный раздел посвящен структурам, в которых могут существовать различные явления этого типа, и физике таких процессов.

1.ПРЯМОЕ ОБМЕННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

На фиг. 1 изображена простейшая структура магнитно-свя­ занных пленок. Она состоит из двух наложенных друг на друга ферромагнитных пленок, взаимодействующих посредством пря­ мого обмена. Ясно, что раз речь идет о связи, то пленки должны быть различными в каком-то смысле. Пленки могут иметь раз­ ный или одинаковый состав, но обладать различной магнитной анизотропией. Первый случай рассмотрим здесь, а второй — в разд. III, 6.

Рассмотрим два слоя со слабой анизотропией или же с па­ раллельным расположением осей легкого намагничивания.

Когда между слоями существует ферромагнитный обмен, то в отсутствие приложенного магнитного поля их намагниченно­ сти обычно стремятся расположиться параллельно друг другу. Так обстоит дело, например, если указанные пленки изготов­ лены из пермаллоя (Ni—Fe) различного состава [15] или из спла­ вов Ni—Fe и Ni—Со [16].

Назовем связь такого типа «положительной». Обнаружено, однако, несколько случаев «отрицательной» обменной связи между двумя ферромагнитными пленками, т. е. антипараллельного намагничивания слоев. Эта связь наблюдалась для систем,

1

2

Ф иг. 1. Простейшая структура с обменной связью.

1, 2 — ферромагнитные слон.

состоящих из пленок Gd и сплава Ni—Fe [17], а также ЕиО (EuS) и сплава Ni—Fe—Со [18]. В каждой из этих пленок взаи­ модействие ферромагнитное, но взаимодействие между редко­ земельным металлом и металлами группы железа является ти­ пично антиферромагнитным, проявляющимся в «аитипараллельной» связи.

Свойства структур, относящихся к типу, изображенному на фиг. 1, очень сильно зависят от толщин обеих пленок. Если пленки тонкие, то для структуры наблюдается единственная петля гистерезиса. Оценим по порядку величины толщину, ниже которой для положительно связанных пленок должна наблю­ даться одна петля гистерезиса. Рассмотрим простую модель [2], изображенную на фиг. 2. Предположим, что намагниченность «жесткой» подложки зафиксирована в направлении 0 = 0 и что спины «мягкой» пленки однородно поворачиваются от 0 = 0 до

тивная сила жесткой подложки. Для толщин, гораздо меньших tc, следует ожидать, что обе пленки будут вести себя как один домен с коэрцитивной силой, промежуточной между Нсi и Нсг-

Например, Колк и сотр. [15] получили электролитическим