Domain structure and magnetization reversal in multilayers consisting of thin permalloy films separated with nonmagnetic.pdf Введение Нанокристаллические тонкие магнитные пленки (ТМП) на протяжении уже многих лет привлекают внимание не только ученых, решающих фундаментальные задачи, но и исследователей, создающих различные устройства микроэлектроники, в том числе и с электрически управляемыми характеристиками. В таких устройствах магнитомягкие пленки служат активными средами, и они обычно обладают сравнительно небольшой по величине планарной одноосной магнитной анизотропией, а также низким значением коэрцитивной силы и высокой магнитной проницаемостью [1]. Благодаря ярко выраженной анизотропии формы ТМП магнитостатическая энергия не позволяет магнитным моментам выходить из плоскости, поэтому в основном состоянии пленка является однодоменной с ориентацией намагниченности вдоль оси легкого намагничивания (ОЛН). При этом поведение таких образцов в магнитных полях приближается к поведению идеальной одноосной однородно намагниченной ферромагнитной частицы Стонера - Вольфарта [2]. Благодаря названным выше свойствам нанокристаллических тонких магнитных пленок, они находят широкое применение в самых разнообразных устройствах [3-5]. В последние годы магнитные пленки особенно активно используются в датчиках магнитных полей. К настоящему времени предложен ряд конструкций датчиков с ТМП, действие которых основано на различных физических принципах [6]. При этом большинство из этих датчиков объединяет тот факт, что их рабочие характеристики улучшаются (при прочих равных условиях) с увеличением объема (толщины) магнитной пленки. Например, увеличение толщины ТМП приводит к снижению вклада в полезный сигнал от тепловых магнитных шумов в датчиках на основе гигантского магнетосопротивления [7] или магнитного туннельного перехода [8]. С ростом толщины пленки усиливается эффект гигантского магнитного импеданса, что повышает чувствительность датчиков магнитных полей, основанных на этом эффекте [9]. С увеличением объема пленки улучшаются также характеристики и у датчика слабых магнитных полей, построенного на микрополосковом резонаторе с ТМП [10, 11]. Как известно, еще в 1960-х годах было показано, что при превышении некоторого критического значения толщины пленки в ней формируется полосовая периодическая доменная структура (страйп-структура) [12,13], связанная со сравнительно небольшой перпендикулярной магнитной анизотропией, которая обусловлена послойным ростом пленок. Переход в страйп-доменное состояние сопровождается резким изменением характеристик пленки, в частности увеличением коэрцитивной силы и поля насыщения, а также значительным уменьшением магнитной проницаемости [14, 15]. Очевидно, что возникновение страйп-доменов является негативным явлением, препятствующим использованию «толстых» пленок в большинстве устройств на основе ТМП. Известно, что критическая толщина пленки обратно пропорциональна величине перпендикулярной магнитной анизотропии пленки [16]. Поэтому, подбирая технологические условия изготовления тонкопленочных образцов, можно добиться некоторого увеличения критической толщины за счет снижения перпендикулярной анизотропии [17, 18]. Однако практически более ценным является подход, заключающийся в создании многослойных тонкопленочных структур, состоящих из магнитных слоев, разделенных немагнитными диэлектрическими прослойками [8, 19-21]. Можно ожидать, что при толщине каждого магнитного слоя меньше критического значения и достаточной толщины прослоек такой образец будет демонстрировать характеристики, близкие к свойствам однодоменной пленки. При этом, очевидно, что многослойная структура будет иметь больший объем магнитного материала, пропорциональный количеству магнитных слоев. В настоящей работе с помощью микромагнитного моделирования исследуются возможности реализации указанного выше подхода для улучшения характеристик многослойных ТМП и устройств, построенных на их основе. 1. Микромагнитное моделирование Рис. 1. Модель многослойной тонкопленочной структуры, состоящей из магнитных слоев толщиной tM и немагнитных слоев толщиной tNM. Магнитные слои обладают одноосной планарной HU и перпендикулярной HP магнитной анизотропией Расчет равновесной конфигурации магнитных моментов в многослойных тонкопленочных структурах, процессов их перемагничивания и динамики намагниченности был выполнен с помощью численного микромагнитного моделирования. Исследуемая структура состояла из последовательно чередующихся магнитных слоев толщиной tM, разделенных немагнитными прослойками толщиной tNM (рис. 1). Рассматриваемый объект разбивался на одинаковые дискретные элементы (ячейки), значительно меньшие толщины слоев. При этом каждая ячейка магнитных слоев считалась однородно намагниченной и характеризовалась некоторым усредненным вектором магнитного момента. У ячеек немагнитных прослоек магнитный момент считался равным нулю. В расчетах между дискретными элементами учитывались энергии магнитостатического и обменного взаимодействий, а также энергии взаимодействия магнитного момента каждой ячейки с внешним постоянным магнитным полем H0 и полями планарной HU и перпендикулярной HP магнитных анизотропий. Используемая в настоящей работе численная микромагнитная модель ферромагнетика более подробно рассмотрена работах [22-24]. Основное (равновесное) состояние намагниченности многослойной структуры определялось из решения системы линейных неоднородных уравнений с неопределенными множителями Лагранжа [22]. При этом полученное равновесное распределение намагниченности проверялось на устойчивость, и если это условие не выполнялось, осуществлялся поиск нового равновесного распределения намагниченности в направлении релаксации системы [22]. Для расчета высокочастотных свойств многослойной структуры использовалась численная реализация метода неопределенных коэффициентов [24] при решении линеаризованной системы уравнений Ландау - Лифшица, описывающих движение намагниченности в каждой ячейке. В настоящем исследовании рассматривалась модель многослойной тонкопленочной структуры, параметры магнитных слоев которой соответствовали типичным параметрам пленки пермаллоя Ni80Fe20: намагниченность насыщения MS = 1000 Гс, постоянная обмена A = 110-6 эрг/см, поле одноосной планарной магнитной анизотропии HU = 6.5 Э, поле перпендикулярной магнитной анизотропии HP = 517 Э и постоянная затухания α = 0.005. Ось легкого намагничивания планарной анизотропии была направлена вдоль оси x, а ОЛН перпендикулярной анизотропии по оси z, являющейся нормалью к плоскости пленки. Размер каждого дискретного элемента был установлен равным 6.25×6.25×6.25 нм. В работе мы рассматривали случай намагничивания образца внешним полем H0 в плоскости пленки вдоль оси трудного намагничивания (ОТН), т.е. вдоль оси y. С учетом симметрии задачи была рассмотрена следующая трехмерная модель многослойного образца: по оси х он разбит на 1024 дискретных элемента, по оси y - на 64 элемента, а по оси z количество элементов варьировалась в зависимости от суммарной толщины образца. Количество магнитных слоев задавалось числом n, при этом количество немагнитных прослоек всегда составляло n-1. Дополнительно были использованы периодические двумерные граничные условия в плоскости пленки xy для расчета обменного и магнитостатического взаимодействия [25]. Это позволило устранить влияние эффекта полей размагничивания на краях пленок [26, 27] и приблизить характеристики моделируемой структуры к характеристикам реальных образцов. 2. Результаты исследований Ранее нами аналитически и с помощью микромагнитного моделирования было показано [28], что для пленки пермаллоя с магнитными параметрами, перечисленными выше, критическая толщина tcrit составляла 125 нм. При такой толщине в пленке формировалась доменная страйп-структура, а при толщине меньше этого порогового значения пленка переходила в однодоменное состояние. Поэтому в настоящей работе мы начали исследование многослойных структур с рассмотрения двухслойной ТМП, у которой толщина каждого магнитного слоя tM = 118.75 нм, т.е. была немного меньше критической. Микромагнитный расчет показал, что в зависимости от толщины немагнитной прослойки tNM в магнитных слоях может реализоваться либо страйп-структура, либо однодоменное состояние намагниченности. На рис. 2, а представлено рассчитанное распределение намагниченности в двухслойной пленке в отсутствие внешнего магнитного поля с толщиной немагнитной прослойки tNM = 12.5 нм. Стрелками на рисунке показаны направления магнитных моментов, а оттенок цвета соответствует величине проекции моментов на ось x. Видно, что в обоих магнитных слоях сформировалась так называемая «слабая» страйп-структура [29], состоящая из чередующихся вихревых распределений намагниченности с противоположным направлением закручивания. При этом в верхнем и нижнем магнитных слоях наблюдаются «противофазные» направления закручивания. Однако уже при толщине прослоек tNM = 18.75 нм в магнитных слоях формируется однородное распределение намагниченности с лежащими в плоскости пленки магнитными моментами, направленными вдоль ОЛН планарной одноосной магнитной анизотропии. Обнаруженная зависимость магнитной конфигурации двухслойной тонкой пленки пермаллоя от толщины немагнитной прослойки получена минимизацией магнитостатической энергии всей исследуемой системы. Действительно, в рассматриваемой микромагнитной модели обменное взаимодействие ограничено только соседними дискретными ячейками [22]. Поэтому магнитные моменты даже ближайших ячеек верхнего и нижнего магнитных слоев могут взаимовлиять только посредством магнитостатического (диполь-дипольного) взаимодействия. Возникновение доменной страйп-структуры в ТМП связано с изменением баланса между энергией перпендикулярной магнитной анизотропии и магнитостатической энергией [29], которая, в первую очередь, определяется анизотропией формы образца. При сравнительно небольшой толщине пленки (меньшей tcrit) возрастание магнитостатической энергии, связанное с выходом магнитных моментов из плоскости пленки, больше энергетического вклада от перпендикулярной анизотропии. Однако при наличии нескольких магнитных слоев магнитный поток от магнитных «зарядов», создаваемых на поверхности пленки магнитными моментами с ненулевой нормальной компонентой Mz, может частично замыкаться на магнитных «зарядах» противоположного знака соседнего магнитного слоя. Это хорошо видно из рис. 2, б, где показано распределение внутреннего поля размагничивания Hd, рассчитанного для двухслойной ТМП с tNM = 12.5 нм. В результате магнитостатическая энергия двухслойной структуры несколько уменьшается, что делает конфигурацию магнитных моментов в виде страйп-структуры энергетически более выгодной даже при толщинах магнитных слоев, меньших tcrit. В то же время при увеличении толщины tNM магнитостатическая связь между слоями быстро ослабевает, и энергетически выгодной становиться однодоменная конфигурация намагниченности. В этом случае минимум свободной энергии системы будет достигнут при замыкании магнитного потока на краях пленки (вдоль оси x), т.е. при противоположном направлении намагниченности в различных магнитных слоях (рис. 2, в). Рис. 2. Распределение магнитных моментов в двухслойной пленке пермаллоя (H0 = 0) при толщине магнитных слоев tM = 118.75 нм и толщинах немагнитной прослойки tNM = 12.5 (а), tNM = 18.75 нм (в). (Оттенки цвета соответствуют проекции вектора намагниченности на ось x.) Распределение внутреннего поля размагничивания Hd в двухслойной пленке с tNM = 12.5 нм (б). (Стрелками показано направление вектора напряженности поля, а оттенки цвета соответствуют амплитуде поля Hd) Рис. 3. Распределение магнитных моментов в многослойной структуре из 10 пермаллоевых пленок с толщинами магнитных и немагнитных слоев tM = tNM = 100 нм Таким образом, выполненный расчет позволил установить теоретические предельные толщины магнитных и немагнитных слоев, при которых в двухслойных магнитных пленках реализуется однородная конфигурация магнитных моментов, которая, как уже отмечалось, улучшает характеристики многих устройств на ТМП. Однако наилучшие характеристики устройств можно получить только при использовании многослойных структур, позволяющих значительно увеличить объем магнитных пленок. Поэтому большой интерес представляет исследование зависимости интегральных магнитных характеристик многослойных тонкопленочных структур от количества слоев в них. Для этого с помощью микромагнитного моделирования определялась равновесная конфигурация магнитных моментов и исследовались процессы перемагничивания в многослойных пленках с одинаковой толщиной магнитных и немагнитных слоев tM = tNM = 100 нм. Количество магнитных слоев n варьировалось от 1 до 20. Для примера, на рис. 3 показано распределение магнитных моментов при отсутствии внешнего магнитного поля в структуре из 10 слоев пермаллоя. Как и следовало ожидать, каждый отдельный магнитный слой находится в однодоменном состоянии, однако намагниченности в соседних слоях имеют противоположные знаки. Другими словами, в многослойной структуре из магнитных пленок с немагнитными прослойками при определенных толщинах слоев может формироваться периодическая «послойная» полосовая доменная структура. На рис. 4, а представлены петли гистерезиса, рассчитанные для пленок с количеством слоев n = 2 и 20 при развертке внешнего магнитного поля H0 вдоль трудной оси одноосной планарной магнитной анизотропии. Видно, что петли гистерезиса многослойных структур проявляют свойства, аналогичные свойствам однослойных ТМП в однодоменном состоянии, описываемых теоретической моделью Стонера - Вольфарта [2]. При этом по модели Стонера - Вольфарта поле насыщения пленки HS должно совпадать с полем одноосной планарной магнитной анизотропии HU. Однако наращивание магнитных слоев в многослойной структуре приводит к линейному росту поля HS (рис. 4, б), что обусловлено необходимостью преодоления влияния дополнительной магнитостатической энергии при перемагничивании образцов, связанной с «послойной» доменной структурой, и эта энергия увеличивается пропорционально количеству слоев. Рис. 4. Петли гистерезиса при перемагничивании внешним полем H0, направленным вдоль ОТН планарной анизотропии для структур с количеством магнитных слоев n = 2 и 20 (а). Зависимость поля насыщения HS многослойной структуры от количества слоев n (б) Очевидно, что увеличение поля насыщения тонкопленочных структур с ростом количества слоев может изменить характеристики устройств, использующих такие структуры, например датчика слабых магнитных полей [30], в котором чувствительным элементом является микрополосковый СВЧ-резонатор с магнитными пленками. Принцип действия такого датчика основан на регистрации изменения добротности резонатора, зависящей от мнимой части перпендикулярной компоненты высокочастотной магнитной восприимчивости магнитной пленочной структуры, которая изменяется под воздействием измеряемого переменного магнитного поля. Одной из основных характеристик датчика является коэффициент преобразования, пропорциональный следующему выражению , (1) где V - объем магнитных слоев в многослойной магнитной структуре; χ'' - мнимая компонента высокочастотной магнитной восприимчивости пленки; hs - амплитуда измеряемого магнитного поля. С помощью микромагнитного моделирования была рассчитана динамика намагниченности многослойных тонкопленочных структур с одинаковыми толщинами слоев tM = tNM = 100 нм и определена их высокочастотная магнитная восприимчивость [24]. Расчет выполнялся для фиксированной частоты 550 МГц переменного магнитного поля накачки и при амплитуде измеряемого поля hs = 0.1 Э, лежащих в плоскости пленки. Предполагалось, что многослойная магнитная структура находится во внешнем планарном магнитном поле H0 = HS, направленном под углом θH к ОЛН плоскостной магнитной анизотропии, ортогональной поляризации СВЧ магнитного поля накачки. При названных выше параметрах для каждого значения угла θH рассчитывалась величина мнимой компоненты восприимчивости χ'' [24] многослойных структур, имеющих количество магнитных слоев от n = 1 до n = 20, а это позволило вычислить по формуле (1) коэффициенты преобразования K рассматриваемого датчика магнитного поля. На рис. 5, а представлены зависимости нормированных коэффициентов преобразо¬вания K/Kmax от угла направления поля подмагничивания θH (угол θH отсчитывается относительно оси x  ОЛН), построенные для пленок с количеством слоев n = 1, 10 и 20. Видно, что K меняет знак в точке θH = 90°, а зависимость K(θH) имеет два ярко выраженных экстремума для определенных углов направлений внешнего поля, что хорошо согласуется с экспериментом [30]. Кроме того, из построенных графиков видно, что максимальные по модулю значения коэффициентов преобразования с наращиванием числа слоев сначала увеличиваются, а затем уменьшаются. Этот факт подтверждает нормированная зависимость максимального значения коэффициента преобразования от количества слоев Kmax(n), представленная на рис. 5, б. Очевидно, что увеличение Kmax(n) на начальном участке зависимости при наращивании магнитных слоев обусловлено увеличением объема магнитного материала в структуре. Однако при этом возрастает и поле насыщения многослойных структур HS (см. рис. 4, б), которому по условию задачи, отмеченному ранее, равно внешнее поле подмагничивания H0. Но с увеличением поля подмагничивания магнитная восприимчивость пленочной структуры падает. В результате зависимость Kmax(n) имеет максимум при n = 10, после которого, при дальнейшем наращивании слоев до n = 20, величина коэффициента преобразования монотонно уменьшается почти в 2 раза. Рис. 5. Зависимости нормированных коэффициентов преобразования датчика магнитных полей от угла направления внешнего поля θH, построенные для структур с различным количеством магнитных слоев (а) и зависимость нормированного максимального коэффициента преобразования от количества слоев Kmax(n) (б) Заключение Таким образом, с помощью численного микромагнитного моделирования исследованы процессы образования доменов и процессы перемагничивания магнитных многослойных тонкопленочных систем при изменении количества слоев в них от 1 до 20. Рассчитана высокочастотная магнитная восприимчивость многослойных тонкопленочных структур, состоящих из чередующихся магнитных слоев и немагнитных прослоек. Установлено, что в зависимости от толщины немагнитной прослойки в магнитных слоях может реализовываться либо однодоменное состояние, либо неоднородная доменная страйп-структура. Показано, что образование страйп-структуры в многослойных пленках при толщинах прослоек меньше определенной критической величины связано с диполь-дипольным взаимодействием магнитных слоев. При толщинах немагнитной прослойки больше критической величины магнитные пленки в многослойной структуре находятся в однодоменном состоянии, однако намагниченности в соседних слоях имеют противоположные направления, формируя периодическую «послойную» полосовую доменную структуру. Этот факт приводит к росту поля насыщения HS, причем по линейному закону от количества магнитных слоев в многослойной структуре. Природа роста HS объясняется тем, что при перемагничивании многослойных образцов необходимо преодолевать влияние магнитостатической энергии, связанной с «послойной» доменной структурой, которая увеличивается пропорционально количеству слоев. Расчет высокочастотной магнитной восприимчивости многослойных тонкопленочных структур позволил исследовать поведение коэффициента преобразования датчика слабых магнитных полей с СВЧ-накачкой, в котором чувствительным элементом служит микрополосковый резонатор с тонкими магнитными пленками. Установлено, что коэффициент преобразования микрополоскового СВЧ-датчика на ТМП немонотонно зависит от количества слоев в тонкопленочной магнитной структуре. Этот результат проведенного исследования является очень важным для практики, так как доказывает существование оптимального количества магнитных слоев, при котором коэффициент преобразования датчика слабых магнитных полей достигает максимальной величины.

Скачать электронную версию публикации