исключает сползание. Было найдено, что порог сползания очень высок [135]. Однако так называемое быстрое сползание, или те кучесть стенок [136, 137], все же может иметь место. Этот эф фект возникает в тех случаях, когда прикладывается импульс с настолько большой крутизной, что он может вызвать в стенке прецессию спинов.
К сожалению, с точки зрения приложения в системах па мяти преимущества от исключения сползания значительно сни жаются вследствие низкой коэрцитивной силы в этих структу рах. Этот эффект весьма неблагоприятен для многих подобных приложений. Однако, как мы увидим ниже (разд. II, 6), для решения этой проблемы предложены и изучаются некоторые усложненные схемы.
5.ДЫРОЧНАЯ И КОСВЕННАЯ СВЯЗИ
В1902 г. задолго до понимания атомной основы ферромагне тизма Морэн [138] выполнил серию опытов, в которых он на намагниченный Fe-катод электролитически осаждал слой меди,
азатем слой железа. Он нашел, что при достаточно тонких слоях меди в намагниченности железной пленки проявлялась тенденция к ориентировке в направлении намагниченности ка тода. То есть он получил положительную связь через немагнит ный промежуточный слой.
Вэтом разделе мы подойдем к этому явлению на основе уже имеющихся у нас представлений. Это весьма интересно, по скольку попытка найти истинную причину положительной связи среди всех возможных причин является поучительной и посколь ку будет показано существование связи через дырочки (микро отверстия) в промежуточной пленке, которая выше не рассмат ривалась. Наконец, это дает основание обсудить возможность электронных явлений связи, которые, по-видимому, не наблюда лись до настоящего времени. Первый из этих вопросов очень тесно связан с одной из проблем, рассматриваемых в следую щем разделе: выделение различных видов связи и обсуждение явлений, происходящих при одновременном участии нескольких типов взаимодействия. Основная цель данного раздела состоит
в выяснении физического источника связи, а не ее следствий. а. Экспериментальные исследования. Новые исследования этого явления были предприняты Брюэром и сотр. [22, 93, 139] в 1964 г. Они изучали связь между немагнитострикционным спла вом Ni—Fe и сплавами Ni—Fe—Со или чистым Со, разделен ными рядом металлов. В разд. 11,1 уже обсуждалась большая часть их результатов с промежуточным Pd-слоем, а в разд. 11,2— с Мп-слоем, поэтому здесь мы ограничимся исследованиями с промежуточными слоями из Au, Ag и Сг. Определим поле вза-
Ф и г. 24. Зависимость поля связи hc от толщины b напыленных при ком натной температуре промежуточных слоев [22].
имодействия Ас, связанное с энергией взаимодействия на еди ницу площади Ес соотношением
Ес= Mhct, |
(9) |
где М — намагниченность одной из пленок, |
a t — ее толщина. |
На фиг. 24 для пленок, напыленных при комнатной темпера туре, это поле показано в зависимости от толщины промежуточ ного слоя. Поле связи уменьшается почти линейно с толщиной и исчезает при толщинах промежуточного слоя между 100 и 400 А. Было найдено, что энергия связи практически не зависит от температуры измерения в области от температуры жидкого азота до нескольких сотен градусов. Из большой величины толщины, при которой исчезает энергия связи, строго вытекает, что наблюдаемая положительная связь не есть следствие эф фекта апельсиновой кожуры (разд. 11,3). Поскольку ни один из рассматриваемых промежуточных слоев не был ферромагнит ным и система не обнаруживает температурной зависимости связи, наблюдаемой в случае промежуточного Pd-слоя (разд. 11,1), требуется новое объяснение для этого эффекта. За отсутствием лучшего описания этим пленкам была приписана косвенная связь.
Для объяснения этого явления взаимодействия было предло жено два механизма [23, 24]: 1) образование ферромагнитных мостиков вследствие диффузии в промежуточный слой через поры, по границам зерен или через дырочки; 2) косвенный об мен вследствие поляризации электронов проводимости промежу
точного слоя. Чтобы выбрать между этими двумя механизмами, необходимо изучить каждый материал по отдельности и проана лизировать ряд экспериментальных проявлений эффекта.
Изучение пленок с промежуточными Cr-слоями дает абсо лютно недвусмысленные результаты. Было обнаружено, что интенсивность связи зависела от температуры напыления Сг-слоя, но не зависела от температуры испарения магнитных слоев. Это заставляет думать, что связь критически зависит от структуры слоя хрома. Когда магнитные пленки были раство рены в азотной кислоте, то в пленках хрома, с которыми на блюдалась связь, в электронном микроскопе всегда были видны разрывы, а в пленках хрома, не дававших связь, разрывов не было [25]. Отсюда вытекает, что связь обусловлена межкристаллитной диффузией и образованием магнитных мостиков между магнитными пленками.
Оказалось, что для серебра связь зависит от условий напы ления даже более критично. Если проводить напыление при температуре 350° С, то связь не исчезает до толщины промежу точного слоя 800 А. Поскольку в случае серебряных слоев нельзя удалить магнитные пленки без разрушения промежуточ ной пленки, то описанные выше микроскопические исследования провести не удалось. Однако электронно-микроскопическое исследование реплик показало, что пленки очень нерегулярны. Это говорит в пользу предположения о том, что в случае се ребра причиной эффекта является опять-таки диффузия через дырочки.
В противоположность предыдущим случаям для промежу точного Au-слоя сила связи оказалась практически не зависи-
Ф и г. 25. Зависимость поля связи hc от толщины слоя золота для различ ных температур испарения [140].
Система (Fe—N1)—Ац—(Fc—N1—Со); толщина слоя Fe—N1 составляет 1200 А.
мой от температуры напыления, пока она не превышала 260° С [140]. Выше 260° С связь очень быстро росла с повышением тем пературы испарения (фиг. 25). Из этих результатов следует, что для температур выше 260° С дырочный эффект является основ ным источником связи, но для более низких температур испаре ния ситуация менее ясна. Далее, электронные микрофотографии пленок, испаренных при температуре ниже 260° С, с которых магнитные слои были удалены разбавленной азотной кислотой, не показывают в отличие от Cr-пленок присутствия в структуре разрывов. Однако это не устраняет возможности существова ния большого количества разрывов менее 15 А. Их присутствие было в конечном счете продемонстрировано серией опытов по окислению [140]. Окисление производилось после напыления промежуточного слоя хрома или серебра, но перед напылением второго магнитного слоя. Если температура при окислении была достаточно высока, то происходило ослабление связи. Оказа лось, что скорость уменьшения связи для пленок с промежу точным слоем золота была точно такой же, как и для пленок с Сг-слоями, приготовленными одинаковым образом. Кроме того, было найдено, что скорость уменьшения больше в том случае, когда температура нанесения первого магнитного слоя ниже (и этот слой, вероятно, более порист).
Эти результаты совершенно ясно показывают, что связь уменьшается при окислении ферромагнитного материала, кото рый не был защищен в тех местах, где в промежуточном слое существуют дырочки. Таким образом, в случае золота, как и в других материалах, связь обусловлена образованием мости ков через дырочки в пленках. Итак, все изученные до сих пор случаи положительной связи с немагнитными промежуточными слоями (возможно, за одним исключением [141]) объясняются или только что описанной дырочной связью, или образованием ферромагнитного материала вследствие диффузии (разд. 11,1). Это возможное исключение относится к сообщению Гезеля и др. [141], согласно которому энергия связи в электролитических пленках зависит исключительно нерегулярно, немонотонно от толщины различных слоев, причем наблюдаются очень резкие вариации [2] при изменении толщины. Однако попытки Массне [8] подтвердить эти результаты оказались безуспешными и по казали, что энергия связи не зависит от толщины ферромагнит ных слоев и плавно (как и описано выше, см. фиг. 24) изме няется с толщиной промежуточного слоя. Причины расхождения между этими двумя опытами не известны.
Хотя природа явления дырочной связи теперь понятна, дело обстоит иначе в отношении ее проявлений и они далеко не три виальны. В частности, экспериментально было показано, что, как и в нескольких других уже рассмотренных явлениях.
Фиг. 26. Модель обменной связи через конические мостики [140].
энергия связи пропорциональна косинусу угла между намагни ченностями обоих ферромагнитных слоев. Юречке [140, 142] тео ретически показал, что существование поворотов намагниченно сти в ряде случаев должно проявляться в форме угловой зависи мости энергии связи. Он считает, что мостики через дырочки имеют коническую форму, как показано на фиг. 26. Здесь R — ширина области контакта конуса с нижней пленкой, D — меж плоскостное расстояние. Если А — константа обменной связи, то
в полуклассической формулировке, обобщенной на большие по вороты, энергия связи записывается в виде
U = 2nAD (R/Df [(1 - |
cos 0i) + |
(1 - cos 02) + |
|
|
|
|
|
+ ( l + a ) 2( l - c o s 0 3)2], (Ю) |
|
где |
геометрический |
фактор a = (DJR)tgO, а |
смысл Ф указан |
|
на |
фигуре, 0,- — изменение |
в направлении |
намагниченности |
|
между слоями ( i— 1) и i. На |
фиг. 26 приведены для трех слу |
|||
чаев кривые зависимости энергии от угла между намагничен ностями двух пленок при а = ‘/г- Предполагается, что намагни
ченность поворачивается в одном, двух или трех слоях. Видно, что лишь в случае вращения в одном слое энергия связи следует экспериментальному закону cos 0.
Не совсем понятно тогда, почему во всех изученных до сих пор экспериментальных примерах обнаружен закон cos0. При выбранном значении а вращение в двух или трех слоях было бы