предпочтительнее лишь при угле Ф гораздо большем, чем в рас сматриваемом случае вращения только в одном слое. Для про межуточных Au-слоев с дырочками, не видимыми в электронный микроскоп, конус с такой узкой шейкой является вполне правдо подобной моделью. Однако эта модель совершенно невероятна для промежуточных слоев из хрома, где отверстия гораздо боль ше и для которых также применим закон cos0. Если обменная константа в первом слое больше, чем в последующих, то это также является возможной причиной вращения в первом слое [140]. Подобная возможность обусловлена тем [140], что между нанесением первого ферромагнитного и следующего немагнит ного слоя проходит несколько минут. За такое время поверх ностный слой первой пленки может слегка окислиться. Это об стоятельство может объяснить, почему происходит сильный поворот даже в случае больших разрывов.
б. Возможность косвенной связи. Выше было показано, что ни в одном из исследованных до сих пор случаев не было полу чено данных, указывающих на существование косвенного обмен ного взаимодействия через тонкую немагнитную пленку. Воз можно ли такое взаимодействие теоретически? Хорошо известно [143], что между двумя магнитными ионами, находящимися в мат рице нормального металла, может существовать косвенная об менная связь, имеющая осциллирующий характер и называемая РККИ ^-взаимодействием. Энергия взаимодействия имеет вид
№ ~(cos2fcf p)/p3, |
(11) |
где kp — фермиевский импульс, р— расстояние между |
ионами. |
Что происходит, если две пластины из магнитных ионов разде лены немагнитной проводящей пластиной? Поскольку теорети ческие ситуации для металлов и для полупроводников весьма различны, рассмотрим их по отдельности.
Дрейфус и сотр. [144] первые проанализировали ситуацию с металлической промежуточной пластиной. В их работе элек троны в ферромагнитном и нормальном металлах описываются волновыми функциями:
4 P={Aeiks + Be-ikz) e - vП, |
трN = {Celk'* + Ве~*’г)е1Ч \ |
(12) |
||||||
где |
г — координата по нормали к |
плоскости пленки, а |
г |
— |
||||
координата в плоскости пленки. Константы А, В, С и D и ве |
||||||||
личина k |
были |
определены из граничных условий сшивания. |
||||||
Оказалось, |
что |
при &2 > а2 |
(а2 — параметр зонного расщепле |
|||||
ния) |
волновые |
функции |
являются |
осциллирующими, |
а |
при |
||
А2 < а 2— экспоненциально |
спадающими. |
|
|
|||||
') Сокращенно |
от фамилий |
Рнккейзен, |
Киттель, Косуя, Иосида. — |
П р и м , |
||||
перед.
Проинтегрировав по всем этим исчезающим волнам, они нашли, что энергия связи ведет себя как 1/z2.
Однако этот расчет был раскритикован Бардасисом и сотр. [145] и Иосидой и Окийи [146), которые показали, что в прибли жении эффективной массы, использованной Дрейфусом и сотр. [144], сумма всех осциллирующих членов точно компенсирует сумму экспоненциальных членов. Тогда остается только быстро осциллирующий член РККИ типа
W ~(cos2kFz)/zz. |
(13) |
Следовательно, для промежуточных слоев металла толще не скольких ангстрем косвенной связи не существует. Почти невоз можно себе представить образование такого слоя без участия одной из других связей, рассмотренных выше, например ды рочной связи. Имеется, правда, два пункта в расчете, измене ние которых может позволить вновь думать об эффекте косвен ной связи. Во-первых, не очевидно, что на энергию не влияет шероховатость границ разделов различных слоев. Дрейфус и Мэйнард [147] предположили, что вследствие шероховатости осциллирующие члены усредняются гораздо быстрее экспонен циальных и становятся экспоненциально малыми.
Не ясно также, что дает рассмотрение реальной зонной структуры вместо приближения эффективной массы. В настоя щий момент, однако, кажется весьма маловероятным, что лю бая подобная модификация расчета восстановит важные неосциллирующие члены.
Троусдейл и Линдгрен [148] с помощью эффекта Мёссбауэра исследовали проникновение спиновой поляризации электро нов проводимости в пленки Pd, Си и Ag, нанесенные на Fe-подложки. В случае палладия было показано, что такое про никновение происходит на расстояние до 120 атомных слоев от подложки. Для меди и серебра эффект оказался аналогичным, но гораздо более слабым. В разд. 11,2 описаны результаты измерений более обычными методами, из которых следует, что в пределах точности эксперимента связь исчезает при прибли жении ферромагнитного палладиевого сплава к точке Кюри. Исследования методом эффекта Мёссбауэра не были впослед ствии продолжены, поэтому их результаты остаются весьма ин тересными, но необъясненными.
Расчет РККИ-взаимодействия в случае невырожденного полупроводника приводит к результату, весьма отличному от полученного для металла. Балтеншпергер и де Грааф [149] и Карпенко и Бердышев [150] провели такие вычисления для магнитных ионов в полупроводнике. Для собственного полу проводника в больцмановском пределе их результаты сводятся
к следующему выражению для энергии взаимодействия двух ионов:
W ~ ( n / р) e - 2*rP’/ft\ |
(14) |
где Т — температура, k — постоянная Больцмана, |
п — концен |
трация носителей. Энергия зависит от температуры явно через экспоненту и через температурную зависимость п. Эта моно
тонная функция для энергии связи резко отличается от осцил лирующего выражения, предсказываемого для металлов [вы ражение (11)]. Ряд авторов использовали и обобщили приведен ные результаты [151—153]. В определенной степени, по-види- мому, они подтверждены экспериментально [150, 153]. Отметим, что электроны, локализованные на неперекрывающихся донорах, не дают вклада в эффект [154].
Отсюда, по-вйдимому, следует, что для наблюдения косвен ного обмена между двумя магнитными пленками через поляри зацию электронов проводимости гораздо перспективнее исполь зовать промежуточные слои из собственного полупроводника, а не из металла [155]. Но хотя эти системы представляют инте рес, до настоящего времени не выполнено расчетов с полупро водниковыми пластинами, аналогичных приведенным выше для металлов. Не было и экспериментальных попыток изучить такие системы. К сожалению, подобные исследования не просты. Так, если мы хотим создать собственную полупроводниковую пленку, то для исследования обычными экспериментальными методами она должна быть монокристаллической. В рассматриваемых условиях это означает, что такую пленку надо эпитаксиально наращивать на монокристаллической ферромагнитной пленке. Для этого требуется более сложная технология, чем применяе мая обычно в полупроводниковой эпитаксии, но, по-видимому, вполне осуществимая в настоящее время.
6.РАЗДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТОВ СВЯЗИ. КОМБИНАЦИЯ ЭФФЕКТОВ
Впяти предыдущих разделах (II, 1—5) был рассмотрен ряд физических явлений, которые вызываются взаимодействиями между магнитными пленками в многослойных системах. В на стоящем разделе рассматриваются два вопроса: во-первых, как определить, какой именно из эффектов связи фигурирует в дан ной экспериментальной ситуации, и, во-вторых, что будет на блюдаться, когда сосуществуют два или несколько из этих эффектов? Прежде всего, поскольку имеется ряд свойств, таких, как сохранение вращательного гистерезиса до очень высоких полей, которое отличает обменную анизотропию от всех других видов связи, то их наблюдение должно сразу решать проблему. Подобным же образом исследования с применением порошко
вой техники или лоренцевской микроскопии должны сразу же продемонстрировать присутствие или отсутствие магнитостати ческой связи доменных стенок. Но как быть с прямой обменной связью, особенно со связью двух сильных ферромагнетиков че рез слабый ферромагнетик, со связью через поле рассеяния, эффектом апельсиновой кожуры, дырочной или косвенной связью? Можно указать некоторые различия между этими эффек тами по знаку поля связи. Связь за счет полей рассеяния будет всегда отрицательной, а связь через эффект апельсиновой кожуры — всегда положительной. В большинстве существую щих примеров прямая обменная связь и дырочная связь были положительными. Но, как видно из разд. 11,1, имеются примеры и отрицательной обменной связи. Очевидно, что дырочная связь между соответствующими материалами является также отрица тельной. Далее, если косвенная связь через электроны проводи мости когда-либо наблюдалась (см. разд. 11,5), то она могла быть и положительной, и отрицательной.
На самом деле связь за счет полей рассеяния легко отли чить от других взаимодействий, поскольку только для нее энер гия связи на единицу площади зависит от размеров образца в плоскости пленки. Во всех других явлениях существенны только толщины, но для определения их природы недостаточно одного измерения энергии или поля связи. Для этого обычно необходимо изучить зависимость связи от некоторой физиче ской величины или от некоторой обработки образца, приводящей к совершенно различным результатам для взаимодействия раз ной природы. Таким примером (см. разд. 11,5) являются опыты с окислением, использованным для доказательства дырочной природы связи в случае промежуточных Au-слоев. Они были проведены только после многочисленных длительных трудных и неоднозначных экспериментов. В любых аналогичных слу чаях, например при поиске связи через электроны проводимо сти в полупроводниковых пленках, должна быть выдержана такая же тщательность для исключения других возможных ме ханизмов. Факт существования связи, когда она была предска зана на основе теоретической модели, еще отнюдь не означает, что наблюдаемая связь и есть предсказанная. Возможный под ход состоит также в выборе такого материала, чтобы исследуе мый эффект имел в нем знак, противоположный всем другим возможным взаимодействиям (как было сделано для доказа тельства существования эффекта апельсиновой кожуры).
Другое экспериментальное осложнение возникает, когда дан ный образец (особенно в случае связи через немагнитный слой) обнаруживает одновременно несколько типов связи. Наиболее явным и довольно хорошо изученным примером такой ситуации является магнитостатическая связь доменных стенок в пленках
с дополнительным положительным или отрицательным взаимо действием. В разд. 11,4 было отмечено, что коэрцитивная сила пропорциональна производной от энергии доменной стенки dy/dx. Фельдкеллер и сотр. [112, 156] показали эксперименталь
но и теоретически, что энергия пары стенок будет увеличиваться в присутствии положительной связи, так как магнитостатиче ская п положительная связи конкурируют друг с другом. Если энергия будет резко меняться вдоль поверхности пленки, как
Фиг. 27. Зависимость коэрцитивной силы от толщины для клиновидного промежуточного слоя [156].
Коэрцитивная сила измерена в А/см.
ожидается для промежуточных слоев толщиной 10—20 А, то производная станет весьма большой и, следовательно, коэрци тивная сила сильно возрастет. Это и наблюдается в действи тельности. Из фиг. 27 видно, что для очень малых зазоров Яс существенно больше, чем у независимой пленки. При больших зазорах коэрцитивная сила падает до величины, заметно мень шей, чем в отсутствие связи разд. 11,4). Максимум коэрцитив ной силы достигается при средних зазорах около 10— 15 А [157].
Поскольку коэрцитивная сила связанных пленок модифи цируется в присутствии дырочной связи, не удивительно, что порог сползания также изменяется [7, 137, 156]. Опыты Штайна [135] фактически проводились на пленках с очень малыми за зорами. Это имело то очевидное преимущество, что коэрцитив ная сила не уменьшилась, а возросла и порог необратимого переключения приблизился к порогу вращательного переключе ния. С точки зрения применения в приборах такое поведение является желательным [156]. На сползание влияет также связь