Peculiarities in the behavior of magnetic characteristics of thin permalloy films near their edges.pdf Введение В последние годы нанокристаллические тонкие магнитные пленки привлекают большое внимание исследователей, что связано, в первую очередь, с быстрорастущим технологическим спросом на магнитные материалы с высокой магнитной восприимчивостью [1]. В частности, нанокристаллические тонкие магнитные пленки, обладающие большой магнитной восприимчивостью в сверхвысокочастотном диапазоне, имеют важное прикладное значение в ряде перспективных радиотехнических устройств, таких, как датчики магнитных полей [2, 3], градиентометры [4], фазо- вращатели, умножители частоты [5]. Уникальные магнитомягкие свойства нанокристаллических магнитных пленок обусловлены их микроструктурой. В случае, когда размеры случайно ориентированных кристаллитов меньше, чем радиус корреляции обменного взаимодействия, энергия обмена начинает доминировать над энергией магнитокристаллической анизотропии. Это приводит к нивелированию влияния разброса осей магнитной анизотропии кристаллитов, в результате чего пленка демонстрирует очень низкую коэрцитивную силу [6] и высокую магнитную восприимчивость [7-9]. Однако существует ряд факторов, которые приводят к образованию пространственных вариаций магнитных характеристик по площади пленок. Увеличение дисперсии магнитной анизотропии, намагниченности насыщения и ширины линии ФМР существенно снижает магнитную восприимчивость пленки и увеличивает ее магнитные шумы, что, очевидно, будет негативно сказываться на рабочих характеристиках устройств, использующих такие пленки в качестве активных сред. В частности, нами было показано [10], что с ростом амплитудной и угловой дисперсии поля анизотропии магнитной пленки коэффициент преобразования датчика слабых магнитных полей, в котором данная пленка используется в качестве чувствительного элемента, монотонно уменьшается, причем угловая дисперсия оказывает более сильное влияние. Опыт показывает, что наиболее сильные неоднородности в распределении магнитных характеристик по площади тонких магнитных пленок наблюдаются, как правило, у их краев. При этом краевые эффекты могут иметь различную природу. В случае, когда намагниченность пленки не параллельна ее краю, вблизи этого края возникают неоднородные размагничивающие поля, которые, в частности, создают условия для возбуждения неоднородных мод колебаний намагниченности, локализованных на краях пленок [11]. В то же время, нарушение симметрии на краях пленки приводит к образованию градиентов механических напряжений [12], которые посредством магнитострикции влияют на магнитные свойства пленки [13]. Важно отметить, что градиенты напряжений могут приводить и к образованию однонаправленной магнитной анизотропии [14]. Кроме того, условия роста пленки вблизи краев часто отличаются от условий роста в ее центральной части [15], что может привести к формированию неоднородной микроструктуры у краев образца. Недавно различными методами были подробно измерены распределения магнитных характеристик по площади нанокристаллических тонких пленок пермаллоя [16]. В результате исследований была изучена, в частности, природа дисперсии параметров одноосной магнитной анизотропии вблизи краев пленок. В настоящей работе представлены результаты исследований методом ФМР магнитных параметров локальных участков тонких пленок NiFe, полученных магнетронным распылением мишеней различного состава. Подробно рассматриваются особенности поведения основных магнитных характеристик пленок вблизи их краев. 1. Образцы и методика измерения Нанокристаллические тонкие магнитные пленки были получены методом магнетронного распыления мишеней с низким содержанием примесей (не более 0.05 вес. %) следующих пяти составов (в вес. %): Ni60Fe40, Ni70Fe30, Ni75Fe25, Ni80Fe20, и Ni85Fe15. Мишени представляли собой диски диаметром 55 мм и толщиной 2 мм. Из каждой мишени было получено по пять образцов (всего 25 образцов). Пленки напылялись на квадратные подложки из кварцевого стекла размерами 12×12×0.5 мм с шероховатостью менее 1 нм, которые были предварительно покрыты слоем SiO толщиной 500 нм. Подложки размещались в медном подложкодержателе с квадратными окнами размером 10×10 мм. Расстояние между мишенью и подложкодержателем составляло 170 мм. Плотность мощности на магнетроне поддерживалась постоянной на уровне 11 Вт/см2, что обеспечивало скорость осаждения 0.25 нм/с. Базовое давление в камере составляло 310-4 Па, а давле¬ние Ar - 210-1 Па. Толщина каждой магнитной пленки была ~ 60 нм. Во время процесса осаждения температура подложки поддерживалась на уровне 200 °С. При этом в плоскости пленки было приложено ориентирующее внешнее магнитное поле Hext = 200 Э. Для всех образцов кроме одного магнитное поле Hext было направлено параллельно одному краю подложки (ось y). Один образец был изготовлен напылением Ni80Fe20 через круглую маску диаметром 10 мм. Химический состав полученных пленок определялся с помощью рентгенофлуоресцентного анализа, который показал, что в среднем состав пленок отличался от состава мишеней менее чем на 1.5 вес. %. С помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) было установлено, что полученные образцы имели нанокристаллическую микроструктуру с размерами кристаллитов 6-14 нм. Электронограмма исследуемых пленок свидетельствует о произвольной ориентации кристаллитов. Кроме того, с помощью ПЭМ поперечного среза пленок было установлено, что образцы имеют столбчатую микроструктуру, с шириной столбцов порядка 10 нм. Следует отметить, что наличие столбчатой структуры характерно для образцов, изготовленных при невысоких температурах подложки по сравнению с температурой плавления осаждаемого металла [17, 18]. Исследования магнитных свойств полученных образцов проводились на сканирующем спектрометре ФМР. В спектрометре в качестве датчика используется микрополосковый резонатор, изготовленный на диэлектрической подложке с измерительным отверстием в экране вблизи пучности высокочастотного магнитного поля [19]. Диаметр отверстия (~ 1 мм) определяет локальность измерений. Основным достоинством спектрометра является его высокая чувствительность даже на относительно низкой частоте накачки 2.3 ГГц за счет большого коэффициента заполнения миниатюрного резонатора образцом. Эффективная намагниченность насыщения и параметры одноосной магнитной анизотропии на каждом локальном участке определялись по измеренным угловым зависимостям резонансного поля путем подбора параметров модели однодоменной пленки, обеспечивающих согласие теории и эксперимента [20, 21]. Измерения выполнялись по всей площади образцов с шагом 1 мм. 2. Результаты исследований С помощью сканирующего спектрометра ФМР были измерены распределения магнитных характеристик по площади всех полученных образцов. На рис. 1 для иллюстрации приведены результаты измерений двух пленок состава Ni80Fe20, одна из которых напылена через маску с квадратным окном, а вторая - с круглым. Видно, что сравнительно высокая однородность распределения магнитных характеристик в центральной части пленки резко нарушается у ее краев. На краях пленок наблюдается сильное отклонение поля одноосной магнитной анизотропии Ha и заметное уменьшение эффективной намагниченности насыщения Ms. Кроме того, измерения показали, что ширина линии ФМР ΔH резко увеличивается у границ пленок. Вблизи краев противоположных сторон квадратной пленки, вдоль которых было направлено магнитное поле Hext во время осаждения, поле анизотропии Ha примерно на 25 % больше, чем Ha в центральной части образца (рис. 1, а). Однако вблизи краев другой пары противоположных сторон пленки Ha примерно настолько же меньше. При этом распределение направлений осей легкого намагничивания (ОЛН, показаны на рисунке белыми штрихами) не имеет ярко выраженных особенностей вблизи краев пленки, и ориентация ОЛН практически совпадает с направлением поля Hext. Похожая картина наблюдается и для пленки, осажденной через маску с круглым окном (рис. 1, б). У ее краев также наблюдается уменьшение эффективной намагниченности насыщения Ms, а поле анизотропии Ha максимально вблизи тех краев пленки, которые ближе по направлению к полю Hext во время напыления. Однако поскольку данная пленка круглая, у нее есть только по две точки, расположенные на противоположных сторонах, края которых строго параллельны или перпендикулярны Hext. Ось легкого намагничивания в круглой пленке также следует за направлением поля Hext, которое было направлено под углом 120° относительно оси x, однако распределение углов ОЛН имеет особенности вблизи краев пленки, которые будут обсуждаться ниже. Рис. 1. Распределения магнитных характеристик по площади пленок Ni80Fe20: Ha - поле одноосной магнитной анизотропии, Ms - эффективная намагниченность насыщения. Белые штрихи показывают распределение осей легкого намагничивания; а, в - квадратная пленка; б, г - круглая Анализ результатов измерений показал, что у всех исследованных квадратных пленок поведение магнитной анизотропии на противоположных краях почти симметрично. При этом положительное отклонение Ha на краях от среднего по всей площади пленки значения немного больше отрицательного, как это видно из рис. 2, а. Здесь величина SH определяется как отношение абсолютного отклонения Ha, измеренного на крае вдоль оси х, к отклонению Ha на крае вдоль оси y. Видно, что величина SH слабо зависит от состава пленок, и, в среднем, положительное отклоне¬ние Ha на крае вдоль оси y на 25 % больше отрицательного отклонения Ha на крае вдоль оси x. Как видно из представленных на рис. 1 распределений магнитных параметров по площади образцов, края вносят значительный вклад в общую по площади пленки дисперсию магнитных характеристик. На рис. 2, б показана зависимость среднеквадратичного отклонения поля анизотропии от состава образцов. Здесь

Скачать электронную версию публикации