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

поле. Эта величина измеряется так же, как и вращательный гистерезис, но вместо измерения потерь при повороте поля на 360° определяются потери при изменении направления поля на угол ф и обратно. Шленкер [76] измерила эту величину для неза­ висимых одноосных пленок и для пленок с обменной анизотро­ пией и в последнем случае получила замечательное согласие с теорией. Отсюда следует, что данная характеристика действи­ тельно чувствительна к природе механизма взаимодействия, но менее чем другие рассмотренные свойства чувствительна JK деталям процесса перемагничивания.

За последние годы в понимании природы обменной анизо­ тропии в многослойных пленочных структурах достигнуты боль­ шие успехи. Однако согласие теории и эксперимента еще далеко не удовлетворительное. На данной стадии трудно предсказать, в какой именно области можно ожидать новых достижений, но, во всяком случае, два направления исследований кажутся весьма обещающими. Прежде всего, по-видимому, необходимо внимательно изучить неоднородные однофазные системы, с тем чтобы установить, не наблюдается ли изменение петель гистере­ зиса, полученных в петлескопе; подобное изменение было не­ давно обнаружено в поликристаллических пленках. Кроме того, весьма интересно сравнить поведение поликристаллических пле­ нок со свойствами монокристаллических пленок в пленочных структурах. Для этого надо изучить структуры, в которых ферроили антиферромагиитный слой, или, еще лучше, оба слоя яв­ ляются монокристаллическими. Работа в этом направлении была начата Берковичем и Грайнером [38], исследовавшими взаимо­ действие монокристаллической пленки NiO и поликристаллической пленки Ni с помощью измерения вращательных моментов. Они нашли, что взаимодействие обусловлено комбинацией об­ менной анизотропии и эффекта механических напряжений. Ромбоэдрические искажения в NiO ниже температуры Нееля наводят анизотропию в Ni-пленке, как и в случае обменной ани­ зотропии. Было бы интересно исследовать и другие свойства этой и иных систем. Монокристаллы СоО также, по-видимому, являются интересным материалом, хотя свойства независимых

.пленок из этого вещества отнюдь не просты [51].

Совсем недавно две группы исследователей [76а, 766] изу­ чили систему, состоящую из кобальта, нанесенного на моно­ кристалл СоО, и не обнаружили сужения петли гистерезиса. Это подтверждает мысль, что для наблюдения явления антиферромагнитный материал должен находиться в рэлеевской области. В подобных опытах по изучению структур, состоящих из монокристаллического антиферромагнетика и поликристаллического ферромагнетика, имеется еще одно осложнение. Именно, надо проявлять особую тщательность, чтобы на внещ-

ней грани поликристаллической ферромагнитной пленки отсут­ ствовал слой поликристаллического окисла, который может ма­ скировать результаты опыта [77].

3.МАГНИТОСТАТИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ ПЛЕНОК

Вэтом н следующих разделах обсуждаются эффекты взаи­ модействия между двумя ферромагнитными пленками, разде­ ленными немагнитным слоем (фиг. 11): эффекты связи магни­

тостатического происхождения, связь через микроотверстия

Фиг. 11. Два ферромагнитных слоя, разделенных немагнитной пленкой.

I, 3 —ферромагнитные слон; 2 —немагнитный слой.

различной природы и возможность существования косвенного взаимодействия. В данном разделе описываются такие магни­ тостатические взаимодействия, в которых участвует или вся пленка, или же крупномасштабные периодически расположен­ ные области пленки, а в следующем разделе рассматриваются эффекты, в которых участвуют отдельные домены или доменные стенки внутри пленок.

Простейшая форма магнитостатического взаимодействия между двумя пленками — связь через поля рассеяния. Две пленки, изображенные на фиг. 11, чтобы замкнуть поток, будут стремиться расположить свои намагниченности антипараллель­ но (фиг. 12). В результате в каждой из пленок уменьшается эффективное размагничивающее поле. Поскольку размагничи­ вающее поле обычно оказывает вредное влияние в системах памяти, структуры этого типа были немедленно предложены и изучены как потенциальные элементы памяти для ЭВМ [78—84]. Явления перемагничивания и приложения таких структур рас­ сматриваются в последних разделах обзора. В обсуждаемом случае в нулевом внешнем поле намагниченности обеих пленок всегда антипараллельны, т. е. связь отрицательная.

В первом приближении можно считать, что эта структура

Формула (7) дает разумное описание для основной области поверхности многослойной структуры; Чэнг и Бёрнс [85] улуч­ шили его, точно рассчитав размагничивающие поля и поля рас­ сеяния для эллипсоидальных пленок. Однако это описание не отражает точно картину у краев, где, как известно, для неза­ висимых пленок размагничивающее поле гораздо больше, чем это следует из эллипсоидальной аппроксимации. Для много­ слойной структуры различие между размагничивающими по­ лями в краевых областях для конфигураций с параллельными

и антипараллельными намагниченностями оказалось гораздо больше [24, 86], чем это вытекает из рассмотренной упрощенной модели.

Для взаимодействующих слоев были применены два способа расчета распределения намагниченности в области краевых по­ лей рассеяния. Вэлстин [87] полагает, что ширина краевой об­ ласти и распределение намагниченности в ней определяются коэрцитивной силой Нс. Распределение самосогласованно уста­

навливается таким, чтобы сумма внешнего и внутреннего полей равнялась Нс. Затем Вэлстин предлагает аналитическую форму для распределения намагниченности М и с помощью самосогла­

сованной процедуры определяет ее параметры. Он показывает также с достаточной убедительностью, что этот подход удов­ летворительно работает для независимых пленок.

Хорнрайх [88] считает, что отклонение от насыщения вблизи краев обусловлено кручением намагниченности; в этом случае более важным параметром является анизотропия, а не коэрци­ тивная сила. Используя метод преобразований Фурье, ранее примененный для отдельных пленок [89], Хорнрайх получил ве­ личину краевой области. Для системы из двух идентичных пле­ нок ширина краевой области равна

Метод фурье-аиализа в той форме, в которой он был приме­ нен в [90] для решения аналогичной задачи, вероятно, также мог бы быть использован для подобного расчета. Чтобы прове­ сти сравнение результатов подходов Вэлстина и Хорнрайха с

--------- - Ферромагнитный слой

опытом, необходимо исследовать пленки с достаточно различ­ ными значениями Н е и Н к (т. е. 2К/М) и реально отделить эффекты.

Стоит отметить, как подчеркивалось многими авторами, что конфигурация из магнитной пленки и кипера эквивалентна си­ стеме с магнитостатической связью. Если расстояние между пленкой и кипером составляет w, то система эквивалентна двум магнитным пленкам с зазором 2w. Если восприимчивость ки­

пера очень велика, то эквивалентная пленка идентична по своим свойствам реальной пленке. Если это не так, то кипер действует как слой с низкой намагниченностью.

Для многослойной структуры, показанной на фиг. 11, можно обнаружить и «положительную» магнитостатическую связь. У большинства веществ, напыляемых в виде поликристаллических пленок, поверхность слоя не совершенно плоская, она мо­ жет иметь вид апельсиновой кожуры. Возникающее при этом взаимодействие называется связью типа апельсиновой кожуры. Пусть топографии двух ферромагнитных пленок идеально коррелированы, что видно из схематического изображения пленок на фиг. 13. Неель [91] показал, что замыкание потока между полю­ сами на обеих пленках, как это изображено на схеме, приводит к положительной связи между намагниченностями обоих фер­ ромагнитных слоев. Для толщины промежуточного слоя 100 А и указанных на схеме длины волны и амплитуды нерегулярн<рсти энергия связи имеет резкий максимум, равный —0,01 эрг}см2.

Максимум весьма острый и быстро падает при изменении длины волны и амплитуды рельефа.

Казалось бы, что подобная чувствительность к детальным характеристикам системы 'делает рассматриваемый эффект весьма трудным для наблюдения. Действительно, эффект одно­ значно зафиксирован, по-видимому, только в одном недавнем эксперименте. В более ранних работах, в которых сообщалось об этом эффекте, могли наблюдаться и другие явления. Напри­ мер, Фельдкеллер и сотр. [92] обнаружили связь типа апельси­ новой кожуры на слоях NiFe, разделенных SiO. Промежуточ­ ный слой имел толщину 100—200 А. Однако эта работа была выполнена до публикации сообщений о других возможных ме­ ханизмах положительной связи. Поэтому исследователи не пы­ тались отделить рассматриваемый механизм от других, таких, как связь через микроотверстия. Массне [8] не обнаружил взаимодействия для слоев SiO толще 60 А; аналогичные резуль­ таты были получены для БЮг и MgF2 [2, 93]. Массив отнес по­

ложительную связь для толщин меньше 60 А к существованию дырочек в SiO или в другом диэлектрическом слое. Расхожде­ ния в значениях предельных толщин в двух разных лаборато­ риях обусловлены скорее условиями приготовления (благодаря чему пленки становятся сплошными при различных толщинах), чем различиями в процессах образования поверхностей струк­ туры SiO.

Недавно Алмази и Ан [18], изучая систему с отрицательной обменной связью, сумели отделить прямой обмен и связь через микроотверстия от эффекта апельсиновой кожуры. Они нашли, что при изменении толщины промежуточного (между пленками из ЕиО и пермаллоя) немагнитного слоя из Еи20 3 от 0 до сред­ ней величины 33 А петля гистерезиса пермаллоя смещалась от 37 Э до — 3 Э. По-видимому, в данном случае положительную связь для толщины промежуточного слоя 33 А можно объяснить только эффектом апельсиновой кожуры.

Представляет интерес структура, в некотором смысле про­ межуточная между только что описанными и рассматриваемыми на следующих страницах. Она состоит из нормальной пленки и пленки с полосовыми доменами, разделенных немагнитным слоем. Пленка с полосовыми доменами имеет компоненты на­ магниченности, нормальные к плоскости пленки и периодически меняющие свой знак [94—96]. Поэтому вблизи нормальной пленки создаются поля рассеяния, периодически меняющиеся по направлению (фиг. 14). Такой характер поля рассеяния при­ водит к ряду интересных следствий. Например [97], если направ­ ление легчайшего намагничивания в нормальной пленке и, сле­ довательно, доменная стенка в ней расположены параллельно полосам, то стенка будет стремиться быть захваченной в неко­