WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
THIN MAGNETIC FILMS ТОНКИЕ МАГНИТНЫЕ ПЛЕНКИ V. G. KAZAKOV..

„‰‡‚ ‰‡„„ ‚ An article acquaints a reader with new class of magnetic materials, thin magnetic films that are Принято считать, что тонкой магнитной пленкой называется слой магнитного материала толщиwidely used in microelecной от нескольких ангстрем () до 10 000 (1 = tronics and computers.

= 10- 1 нм). До настоящего времени эти образцы явSpecific structural and ляются объектом интенсивных исследований в России и за рубежом (США, Япония, ФРГ, Англия, magnetic properties of Франция и др.). Ежегодно результаты изучения фиthese films are briefly зических свойств пленок обсуждаются на междунаdescribed. This paper родных и российских конференциях. Описанию их кристаллической структуры и свойств посвящаютcontains a physical founся многочисленные статьи, обзоры, монографии dation for understanding [1–3]. Естественно возникает вопрос: чем же приof information recording мечательны эти пленки Почему к их исследованию проявляется такой интерес processes using thin Прежде всего это связано с тем, что изучение films as a magnetic media физических свойств ферромагнитных пленок споin memory elements.

собствует решению фундаментальных проблем физики магнитных явлений, развитию теории ферромагнетизма. Исследование пленок позволяет ‡fl ‡ получать новую и ценную информацию о магнит‚ ‡ ‡„ ных свойствах ферромагнетиков, углублять наши ‡‡‚ – знания по многим вопросам в области магнетизма.

Например, изучение тонких пленок существенно ‡„ ‡, расширило представления о физической природе анизотропии ферромагнетиков, позволило выявить fl ‚ - и исследовать разнообразные процессы перемагничивания, обнаружить новые физические явления.

‚ Одно из таких явлений – гигантское магнитосопро. ‡ ‡ тивление, которое привлекло особенно большое · - внимание и в последние несколько лет стало предметом всестороннего исследования. Также очень „ flfl ‡„важно, что в пленках можно реализовать структур ‚‚. ные состояния, которые трудно или невозможно ‡‡ - получать в обычных (массивных или объемных) магнитных образцах. Это существенно расширяет ‡‚fl возможности исследования связи между структур‚ ‰fl ‡fl ными характеристиками и физическими свойства‚ ‡ ‡- ми магнитных материалов. Изучение физических свойств тонких ферромагнитных пленок также акfl ‡ туально с точки зрения их практического примен傇 ‚ ния в микроэлектронике и вычислительной техн臂 ‡„ - ке. Важнейшим применением пленок является их использование в качестве магнитной среды для за‰ ‚ ‡‡ писи и хранения информации в запоминающих ус‚‡.

тройствах (ЗУ). Магнитные пленки имеют особенности, благодаря которым их использование способствует повышению плотности записи информации и быстродействия ЗУ.

Запоминающие устройства должны обеспечивать надежное и длительное хранение информации,.. © ‡‡‚.., малое время доступа, низкую стоимость хранения единицы информации, высокую плотность и скорость записи. Чтобы отвечать этим требованиям, пленки должны обладать вполне определенным набором структурных и магнитных характеристик.

Получить такие пленки можно только зная механизмы формирования их свойств. Поэтому до настоящего времени не ослабевает интерес к исследованиям в этой области.

Что же представляет собой тонкая магнитная пленка Как протекает процесс ее формирования Каковы особенности ее свойств В настоящее время существуют такие методы получения тонких пленок:

• термическое испарение материала пленки в ваК насосу кууме;

• катодное распыление;

Рис. 1. Схема испарительной части вакуумной установки для получения пленок: 1 – подложка, • магнетронное распыление;

2 – лодочка с испаряемым сплавом, 3 – маска, 4 – пленка, 5 – нагреватель, 6 – корпус вакуумной • ионно-плазменное распыление;

камеры • электролитическое осаждение;

• молекулярно-лучевая эпитаксия с надежной которой исходный материал начинает плавиться.

аттестацией атомной и магнитной структуры.

Пары от расплавленного металла в виде атомарного Чтобы лучше понять специфику тонких плепучка, распространяясь от лодочки, попадают на нок, рассмотрим один из методов их получения подложку 1 и осаждаются на ее поверхности, образуя подробнее.

слой в виде тонкой пленки (вакуумного конденсата).

Если подложку предварительно поместить на ‰ „ ‡fl ‚ ‚‡ пластинку (маску) с отверстиями 3, например кругЭтот метод заключается в испарении металла лыми, то в процессе конденсации на подложке обили сплава в вакууме и конденсации его паров на разуются пленки, имеющие форму в виде круглых поверхности пластинки (подложки). Качество и пятен, то есть в соответствии c формой отверстий в прочность пленок в большей степени зависят от чимаске. Таким образом, с помощью маски 3 можно стоты подложки. Поэтому поверхность подложки придавать пленкам различные размеры и форму.

предварительно полируется и тщательно очищается.

Часто во время напыления подложка нагревается Вся система помещается в вакуумную камеру 6, при помощи специального нагревателя до темпераоткачанную до достаточно высокого вакуума. Вакутуры 100–300° С. При подогретой подложке частичум должен быть таким, чтобы атомы металла не но снимаются внутренние напряжения в пленке и сталкивались с молекулами остаточного газа при улучшается ее сцепление с подложкой. Подложки своем движении к подложке, то есть их траектории могут быть изготовлены из стекла, кварца, слюды и должны быть прямолинейными. Это условие вынемагнитных металлов. В качестве подложки в неполняется, если в камере создается давление порядкоторых случаях используются сколы монокриска 10- 5 мм ртутного столба. В этом случае расстояталлов поваренной соли NaCl. Простейшая схема ние от испарителя до подложки достаточно мало по установки для получения тонких магнитных пленок сравнению со средней длиной свободного пробега методом термического испарения металлов и спламолекул газа и большая часть атомов металла будет вов в вакууме показана на рис. 1. Сплав или металл, достигать подложки, не испытывая столкновений с который должен быть осажден на подложку 1, помолекулами остаточного газа. Такой вакуум легко мещают в испаритель 2. В рассматриваемом случае он имеет форму лодочки, изготовленной из туго- получить в обычной лабораторной вакуумной устаплавкого металла, например вольфрама. Через ло- новке. При осаждении паров на подложку происходочку пропускают электрический ток, пока она не дит переход атомов металла из паровой фазы в конприобретет достаточно высокую температуру, при денсированное состояние.



, ‹1, Рассмотренный метод позволяет получать плен- Из-за больших переохлаждений и перенасыщеки разной толщины. Она регулируется изменением ний процесс формирования пленок сопровождается скорости или времени конденсации. На процесс образованием высокой концентрации несоверформирования пленок оказывают влияние несколь- шенств кристаллической решетки, например возко факторов, наиболее существенным из которых никновением вакансий. Это проявляется в перемеявляется температура подложки. В зависимости от щении атомов из узлов кристаллической решетки в этой температуры могут реализоваться различные межузельные положения. Возникают свободные узмеханизмы конденсации, которые в большой сте- лы решетки (вакансии) и межузельные (смещенпени определяют структурное состояние и магнит- ные) атомы. Микродефекты структуры имеют месные свойства пленок. В частности, при повышении то и в массивных металлах и сплавах, но в температуры подложки от 200 до 500° С наблюдается значительно меньшем количестве [4]. Благодаря усзаметное изменение магнитной проницаемости и ловиям, при которых происходит зарождение и величины внешнего магнитного поля Hs, в котором формирование пленок, в них возникают макро- и происходит насыщение ферромагнитной среды. Не микронапряжения и деформации. Уровень напряанализируя каждый механизм в отдельности, рас- жений иногда значительно превышает предел прочсмотрим один из них, например механизм конден- ности материала в массивном состоянии.

сации пар жидкость кристалл, который Рассмотренные особенности структуры пленок осуществляется, когда температура подложки выше отражают неравновесность состояний, в которых определенной критической.

находятся пленки после их получения. НеравновесПрименение электронной микроскопии позво- ность состояния пленок также может проявляться в лило установить, что при конденсации паров снача- образовании метастабильной фазы, например термодинамически неравновесной аморфной фазы.

ла образуются капли жидкой конденсированной фазы, которые на некоторой стадии роста кристал- На степень неравновесности пленок большое влиялизуются, образуя отдельные изолированные час- ние оказывают физико-технологические параметры (температура подложки, скорость конденсации, тицы (зародыши), имеющие в большинстве случаев сферическую форму [4]. Затем в процессе дальней- степень вакуума, физическая природа испаряемого шей конденсации паров происходит рост зароды- материала и др.). В пленках образуется огромное число различных неравновесных состояний, котошей, их слияние и образование сплошного слоя.

рым соответствуют определенные магнитные свойства. При нагревании пленок, а также при комнатной температуре наблюдается изменение их структурно го состояния. Происходят укрупнение кристаллитов, уменьшение микро- и макронапряжений, проРазличные причины определяют магнитные текают фазовые превращения. Примером этого свойства пленок. Особенно большую роль играет является переход термодинамически неравновескристаллическая структура. Поэтому, установив ного аморфного состояния в кристаллическое. Такособенности структуры тонких пленок и законоже обнаруживается изменение концентрации вамерности ее влияния на формирование их свойств, кансий и т.п. В результате пленки переходят в более можно существенно улучшить физико-технические равновесное состояние.

параметры пленочных материалов и получать образцы с заданными свойствами.

Структура и физические свойства пленок помимо указанных причин в большой степени зависят Подложки, на которых конденсируются пленки, также от толщины пленок. При уменьшении толобычно имеют температуру 100–300° С. Это сущестщины пленок возрастает вклад поверхностных провенно ниже температуры кристаллизации массивцессов по сравнению с объемными. В пленках с толных магнитных сплавов. В результате пленки форщиной меньше некоторой критической в результате мируются в условиях заметного переохлаждения увеличения вклада поверхностной энергии изменя[4]. В итоге структура пленок, сконденсированных в ются фазовые и структурные состояния, электросовакууме, имеет свою специфику. Для структуры вапротивление и другие физические свойства. Осокуумных конденсатов характерны следующие особенности структуры и толщина тонких пленок, бенности.

естественно, оказывают существенное влияние на их магнитные свойства.





Пленки, полученные при относительно низких температурах подложки, состоят из кристаллов, размеры которых заметно меньше, чем у массив ных образцов (их размер у конденсатов составляет 10- 9–10- 8 м). Охлаждая подложку до достаточно Раскроем физический смысл некоторых паранизкой температуры, можно получить вакуумные метров, характеризующих магнитное состояние веконденсаты в аморфном состоянии (аморфные щества. Согласно модели атома Резерфорда–Бора, пленки). электрон движется по одной из круговых орбит.. вокруг атомного ядра с частотой. Тогда его движе- объема ферромагнетика называется намагниченноние можно уподобить круговому току I: стью. Намагниченность, как и магнитный момент, является векторной величиной (M). Так как расI = e, (1) смотренные области намагничиваются до насыщения без участия внешнего магнитного поля, они где е – заряд электрона. При появлении электриченазываются областями самопроизвольной намагского тока в окружающем пространстве возникает ниченности или доменами. В ненамагниченном сомагнитное поле. Величина, равная стоянии ферромагнетик бывает разбит на множество доменов, имеющих различную ориентацию p = µ IS = µ e S, (2) 0 намагниченности. Поэтому результирующий магназывается орбитальным магнитным моментом нитный момент всего магнитного образца может электрона; µ – магнитная постоянная, S – пло- быть равен нулю.

щадь контура, обтекаемого током. Магнитный моПри помещении ненамагниченного ферромагмент – векторная величина. Его направление совнетика во внешнее магнитное поле магнитные мопадает с направлением положительной нормали к менты доменов начинают ориентироваться в наконтуру с током.

правлении этого поля. Ферромагнетик в целом Кроме орбитального момента импульса элек- приобретает магнитный момент, равный векторной трон обладает также собственным моментом им- сумме магнитных моментов всех доменов. Происпульса (спином). Соответственно электрон имеет и ходит намагничивание образца. При возрастании собственный (спиновый) магнитный момент. Ре- внешнего магнитного поля процесс будет продолзультирующий магнитный момент атома является жаться, пока весь объем ферромагнетика не превравекторной суммой всех орбитальных и спиновых тится в один большой домен. Поскольку области моментов. самопроизвольной намагниченности являются намагниченными еще до действия внешнего магнитПоскольку электрон имеет два магнитных моного поля, намагничивание ферромагнетика промента, важно установить, какой из них определяет исходит в относительно слабых магнитных полях.

магнитные свойства ферромагнетиков. Специально Когда векторы намагниченности всех доменов припроведенные опыты показали, что в металлах групобретают направление, совпадающее с ориентаципы железа (Fe, Ni, Co) основной вклад в магнитный ей внешнего магнитного поля, наступает так назымомент атома вносят спиновые магнитные моменваемое техническое насыщение. Магнитное поле, ты. Атомы этих металлов имеют незаполненные при котором достигается это состояние, называется электронные d-оболочки. В этих оболочках число полем насыщения Hs, а намагниченность, соответэлектронов со спинами одного направления не равствующая этому состоянию, – намагниченностью но числу электронов, имеющих спины, направленнасыщения Ms.

ные антипараллельно. В результате в d-оболочках часть спиновых магнитных моментов остается нескомпенсированной [5]. Их векторная сумма и оп- ределяет магнитный момент атома.

‡„‡fl ‡fl Остается рассмотреть причины, определяющие одно из основных свойств ферромагнетиков – их Известно большое число различных ферромагспособность сильно намагничиваться в относительно нитных материалов, используемых в технике. Огслабых магнитных полях. В ферромагнитных металраничимся рассмотрением поликристаллических лах между d-электронами соседних атомов существупленок, полученных из хорошо известных ферроет квантовое электростатическое взаимодействие, магнетиков (железо, никель, кобальт) и их сплавов.

благодаря которому спиновые магнитные моменты Как уже отмечалось, физические свойства вещества электронов ориентируются параллельно друг другу.

в виде пленки могут существенно отличаться от Квантовомеханические расчеты показывают, что в свойств этого вещества в обычном (массивном) соэтом случае состояние системы электронов являетстоянии. Рассмотрим некоторые особенности тонся энергетически выгодным. Силы взаимодействия ких магнитных пленок и причины, которые их между электронами, имеющие квантовую природу, обусловливают.

называются обменными силами. Такое название они получили потому, что в процессе взаимодейст- Прежде всего следует отметить, что пленки можвия d-электроны соседних атомов как бы обмени- но рассматривать как образцы, обладающие двумерваются местами [5]. Эти силы поддерживают па- ной геометрией, то есть малым отношением толщираллельность спиновых магнитных моментов в ны пленки d к ее линейным размерам. Например, отдельных малых областях ферромагнетика. Поэто- если диаметр круглой пленки D = 1 мм, а толщина му каждая область является намагниченной до на- d = 100 нм (10- 4 мм), то отношение d/D = 10- 4. При сыщения и имеет определенный результирующий такой геометрической форме образца энергетичесмагнитный момент. Магнитный момент единицы ки выгодным становится состояние пленки, при, ‹1, котором векторы намагниченности при отсутствии как видно из (3), энергия одноосной анизотропии внешнего магнитного поля лежат в плоскости плен- максимальна.

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.