порошке кобальта, но по существу такой же эффект обнаружи вается в неоднородных однофазных системах и в тонких плен ках. Последние представляли собой ферромагнитный металл с антиферромагнитным окислом или нанесенные друг на друга ферро- и антиферромагнитные слои.
Антиферромагне* тик Ферромагнетик
/ |
^ |
1 1 1 |
I |
i |
i |
111 |
i |
|
\ |
- |
i l l |
, |
|
|
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
/ |
/ |
tt i t i t |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 1 |
|
I I i 1 N |
|
|||||||
|
|
a |
|
|
6 |
|
|
|
ii
i I
t i
\ |
Г \ |
\ |
— |
| |
j |
|
i |
h |
\\ |
\\ |
\\ |
" |
1" |
• |
l |
||
' |
' |
|
||||||
\ |
\ |
\ |
" |
|
j |
|
|
i |
в |
2 |
|
Фиг. 6. Схематическая |
картина источников обменной анизотропии [3]. |
а —высокие температуры; |
б —температура ниже Гуу» в —в перемагннчнвающем поле; |
? —граница раздела является плоскостью компенсации. |
|
Кроме системы Со—СоО, имеются сообщения о большом количестве двухкомпонентных систем из ферро- и антиферро магнетика. В их число входят: Fe—FeO [34], Fe—FeS [35, 36], Ni—NiO [37, 38], сплав Ni—Fe и его окисел [39], а также си стема, состоящая из сплавов Ni—Fe и Ni—Fe—Mn [40, 41]. В перечисленных структурах ферро- и антиферромагнитный ма териалы. содержат по крайней мере один общий магнитный ион, однако это не обязательно для существования обменной анизо тропии, поскольку она была обнаружена и в системе (Ni—Fe) — СГ2О3 [42]. Согласно данным [43], ее наблюдали и в системе
(Ni—Fe)—Сг (весьма вероятно, однако, что этот случай отно сится по существу к предыдущей системе).
К неоднородным однофазным системам с ферромагнитноантиферромагнитной или ферримагнитно-антиферромагнитной связью относятся сплавы Си—Мп и Ag—Мп [44], (Ni, Ре)зМп [45], Fe65(Nii-*Mn*)35 [46], различные смешанные манганаты [47]
и смешанные ферриты [48]. Системы этого типа иногда обнару живают слабый ферромагнетизм Дзялошинского — Мориа [49]. Тогда они могут иметь очень высокие коэрцитивные силы и, сле довательно, обладать однонаправленным вращательным момен том даже в довольно больших полях. Однако можно отличить эти явления от эффектов связи по другим их проявлениям, например по обсуждаемым ниже формам петли гистере зиса.
Обычно при изучении пленочных структур рассматривались двухкомпонентные системы, а не гетерогенные материалы, кото
рые сами по себе |
широко трактуются в литературе [3—5, 50]. |
В дальнейшем мы |
их здесь также не будем рассматривать, |
кроме случаев, когда они могут пролить свет на проблемы пле ночных структур. Майклджон [4] привел один эксперименталь ный пример ферро-ферримагнитной связи между Fe и Fe30 4. Казалось бы, он представляет значительный интерес, однако с тех пор дальнейших исследований не было проведено. Читате лям, интересующимся данным вопросом, следует обратиться к более раннему обзору [4].
Наиболее удачными структурами для изучения обменной анизотропии в тонких пленках сначала оказались системы ме талл— окисел типа Со—СоО или Ni—NiO, а позже — системы NiFe—NiFeMn. Первую структуру обычно получали нанесением пленки металла с последующим ее окислением. Вероятно, в большинстве подобных структур окисел имеет эпитаксиальную ориентацию, отвечающую грани кристаллита, на которой он образуется. Эти системы имеют один серьезный недостаток. Пленка окисла обычно очень тонкая, как правило порядка не скольких десятков ангстрем, и ее свойства трудно очень точно измерять. Но этот недостаток компенсируется тем, что по сра внению со многими другими системами здесь очень хорошо контролируются условия на границе раздела. Свойства изучае мых окислов можно четко определить, и обычно они известны. Кроме того, ряд свойств можно исследовать в функции от вре мени окисления, т. е. при увеличении толщины окисла, хотя абсолютную величину толщины обычно на опыте не удается хорошо измерить. СоО является классическим примером анти ферромагнетика с очень сильной анизотропией, a NiO — подоб ным же примером вещества со слабой анизотропией; отсюда следует, что любое свойство, общее обеим системам, вероятно,
является общим для всех таких структур с обменной анизотро пией *).
Сплавы Ni—Fe—Мп обычно образуются в результате диф фузии через границу раздела между пленкой из сплава Ni—Fe и нанесенной сверху пленкой марганца [40, 41]. Эти системы об наруживают эффекты обменной анизотропии вплоть до темпе ратур выше 200 °С [47], что позволяет проводить измерения при комнатных температурах. Очевидный недостаток данной си стемы состоит в том, что она не является сплавом одного по стоянного состава, а имеет переменный состав. Однако, судя по высоким температурам Нееля, найденным в этих пленках, вполне возможно, что наиболее важные эффекты отвечают со ставам, недавно изученным в [46]. Принципиальным преимуще ством этой системы является легкость изменения свойств путем отжига, благодаря чему оказалось возможным изучить большое число магнитных характеристик в зависимости от отжига и вре мени диффузии. Этим методом Глазер и сотр. [53—56] смогли показать, каким образом коэрцитивная сила и одноосная анизо тропия изменяются с развитием однонаправленной анизотропии, изучить сдвиг петли гистерезиса и вращательный гистерезис (см. ниже).
Структура, показанная на фиг. 5, обнаруживает удивитель ное многообразие необычных свойств. Некоторые из них наблю дались самыми первыми исследователями в этой области, тогда как другие — в результате более детальных работ; часть свойств открыта совсем недавно. Чтобы оценить значимость этих свойств, прежде всего обсудим теорию когерентного вращения, которая в прошлом применялась для описания перемагничивания таких пленок. Затем, рассматривая различные эффекты, мы сможем сравнить ее предсказания с экспериментом. Эта модель использовалась весьма плодотворно при изучении невзаимодей ствующих ферромагнитных пленок [1, 57—59], хотя она не очень хорошо описывает реальные процессы при перемагничивании [60]. Ее применение к широкому классу многослойных структур описано в разд. III, 2. Однако, как будет показано ниже, для случая ферро-антиферромагнитной связи эта модель оказывается совершенно несостоятельной.
Следуя анализу Майклджона [4], с помощью диаграммы, изображенной на фиг. 7, записываем полную энергию связан ной системы:
Е = — НМ cos(0 — р) + KAF sin12 о — JKcos (0 — а), (4)
где Е — энергия на единицу объема ферромагнетика; первый
член в правой части уравнения — энергия поля на единицу объ-
1) Общие свойства NiO суммированы в [38], а |
СоО — в [51]. Анизотро |
пия и магнитострикция этих веществ обсуждаются |
в [52]. |
Фиг. 7. |
Векторная диаграмма направлений поля и спинов в системе |
с обменной |
анизотропией [4]. |
ема ферромагнетика, второй член — энергия анизотропии на единицу объема антиферромагнетика и третий член — энергия анизотропного обмена на единицу объема ферромагнетика. При написании выражения (4) было сделано несколько предположе ний. Во-первых, считается, что направление спинов в обоих ма териалах не зависит от расстояния от границы раздела и, вовторых, что все плоскости пленки действуют одинаково. Далее пренебрегают анизотропией ферромагнитной пленки, а также вкладом приложенного поля в антиферромагнетике по сравне нию с обменной анизотропией. Первые два предположения чрез вычайносомнительны, третье и четвертое в большинстве случаев, вероятно, разумны. Углы а и р определяются из требования минимума энергии (4) и условия их непрерывного изменения, пока значение Е отвечает относительному минимуму. Коувел
[50] применил эту модель к случаю гетерогенного сплава. Повидимому, такая трактовка весьма плодотворна для этой за дачи, но, как будет видно, она гораздо менее подходит для рас сматриваемой здесь проблемы тонких пленок.
Условия минимума энергии дЕ/да = dEfdр = 0 для выра
жения (4) дают
Vк!Кар) sin (р — а) = |
sin 2а, |
|
(HM/JK) sin (0 — р) = |
sin (Р — а). |
^ |
Уравнения (5) решаются численно и упомянутая выше одно направленная анизотропия проявляется двумя путями. Вопервых, кривые механического момента будут содержать
|
компоненту с |
sin G, |
про |
||||
|
порциональную этой |
ани |
|||||
|
зотропии. Во-вторых, пет |
||||||
|
ля //^-гистерезиса (или |
||||||
|
снятая |
в петлескопе) |
бу |
||||
|
дет |
сдвинута |
относитель |
||||
|
но поля. Оба эти явления |
||||||
|
изображены |
на |
фиг. |
8. |
|||
|
Простая теория [33] пред |
||||||
|
сказывает, что |
смещение |
|||||
|
петли |
гистерезиса |
|
Я„ |
|||
|
должно |
быть |
связано |
с |
|||
|
константой обменной ани |
||||||
|
зотропией Кс, |
определяе |
|||||
|
мой из кривых механиче |
||||||
|
ского момента, формулой |
||||||
|
|
На = Ке/М. |
(6) |
||||
|
Однако это |
равенство |
|||||
|
редко |
выполняется |
[42]. |
||||
Ф и г. 8 (данные [33]). |
Теоретическое |
и экспери |
|||||
а —петля гистерезиса; б —кривая вращательного |
ментальное значения |
мо |
|||||
момента в системе с обменной анизотропией. |
гут |
отличаться |
почти |
в |
|||
|
два |
раза. Отсюда немед |
|||||
ленно вытекает требование построения более строгой модели, объясняющей поведение пленок с обменной анизотропией.
Указанные выше свойства обычно, но не всегда наблюдаются в системах ферромагнетик — антиферромагнетик. Если анизо тропия антиферромагнетика достаточно низка, то вращательный момент, обусловленный обменной анизотропией, может разру шаться перемагничиванием. Так иногда происходит, например, в случае системы Ni—NiO. По-видимому, универсальным свой ством таких структур является сохранение вращательного ги стерезиса до очень сильных полей. Вращательный гистерезис служит мерой энергетических потерь при вращении приложен ного поля на угол 360°
На фиг. 9 эти потери изображены в зависимости от прило женного поля для двух систем: для нормального ферромагне тика или взаимодействующих пленок выше температуры TV, когда потери на гистерезис исчезают при полях, превышающих поле анизотропии, и для структуры ферромагнетик— антифер ромагнетик. В последнем случае потери становятся почти по стоянными выше некоторого поля. Совершенно очевидно, что такое поведение не может быть связано только с ферромагнети ком, но должна существовать некоторая переориентация спинов антиферромагнетика, которая из-за высокой анизотропии не