Слоистые плёночные структуры типа ферромагнетик/антиферромагнетик являются важной составляющей функциональных сред, востребованных современной магнитомикроэлектроникой [T. Blachowicz, A. Ehrmann, Coatings 11, 122 (2021); Zheng, et al., IEEE Trans. Magn. 55, 0800130 (2019)]. Антиферромагнетик играет в них роль стабилизатора магнитного состояния прилегающих ферромагнитных слоёв или иначе, обеспечивает магнитное закрепление. Очевидно, что такое закрепление должно иметь хорошую температурную устойчивость в интервале, включающем комнатную температуру. К сожалению, перечень высокотемпературных антиферромагнетиков в принципе неширок, а само антиферромагнитное упорядочение, как правило, является атрибутом определённых кристаллических модификаций, реализация которых может быть затруднена в плёночном состоянии. Осложняющим обстоятельством является и поликристалличность плёнок, которая обычно реализуется в рамках стандартных технологий их синтеза. При такой микроструктуре эффективность магнитного закрепления связана с наличием определённой кристаллической текстуры как в антиферромагнитном, так и в контактирующих с ним ферромагнитном слоях.
В сегодняшней практике получили распространение антиферромагнетки типа Fe-Mn, Ir-Mn, Pt-Mn [S.A. Siddiqui, et al., J. Appl. Phys. 128, 040904 (2020)]. Первый из них дёшев и относительно прост в технологии синтеза, но обеспечивает недостаточно высокую температуру блокировки (~400 К). Два других дают хорошие функциональные свойства, но содержат дорогостоящие компоненты, что снижает их экономическую привлекательность. В этой связи актуальной представляется поисковая научная деятельность, ориентированная на синтез плёночных антиферромагнетиков, оптимальным образом сочетающих функциональные, технологические и коммерческие достоинства. Претендентом на эту роль, в частности, может рассматриваться антиферромагнетик Cr-Mn. В массивном состоянии ему свойственна достаточно высокая температура Нееля, значения которой по разным данным колеблются в пределах 500-800 К [Bull. Alloy Phase Diagrams. 7, 457 (1986); Y. Hamaguchi, H. Kumitimi., J. Phys. Soc. Jpn 19, 1849 (1964)]. При этом важно, что антиферромагнитное упорядочение реализуется в рамках твёрдого раствора и захватывает значительный интервал составов. Для вовлечения антиферромагнетика Cr-Mn в круг материалов, привлекательных для магнитомикроэлектроники, нужно решить, по крайней мере, две задачи. Первая состоит в определении условий реализации и характеристики антиферромагнетизма данного сплава в плёночном состоянии, вторая – в разработке на его основе слоистых ферро-/анитиферромагнитных композиций с термостабильным обменным закреплением. Соответствующая исследовательская деятельность составляет суть данного проекта.
Новизна данного проекта состоит в получении высокой температурной устойчивости магнитного упорядочения в плёночном состоянии. Это нетривиальная задача, поскольку кристаллическая структура и микроструктура тонких плёнок в большой степени отражают специфику их формирования и, в частности, энергетику магнетронного распыления, которое будет использовано в данной работе, качество подложки и наличие прилегающих слоёв, наличие дополнительных термических воздействий. На данный момент подобные сведения в литературе отсутствуют. Тем более, нет информации о закономерностях и механизмах образования обменного смещения в плёночных структурах на основе антиферромагнетика Cr-Mn.
Технологической основой проекта является метод магнетронного распыления, реализованный на установке AJA ATC Orion-8, которая оснащена пятью независимыми магнетронами. Путем совместного или последовательного использования этих магнетронов можно в едином цикле получать многокомпонентные плёнки или многослойные плёночные структуры с различной комбинацией слоистых элементов. Кроме того, предусмотрены возможности нагрева подложек, подачи на них электрического или магнитного смещения. Для аттестации по толщине, составу и структуре будут использованы стилусный профилометр Veeco DekTak-150, флуоресцентный спектрометр Rigaku Nanohunter, дифрактометр PANalytical Empyrean series 2. Измерение физических, в том числе магнитных свойств в диапазоне температур 4-1000 К и в магнитных полях с индукцией до 9 Тл будет осуществляться на измерительных комплексах MPMS Ever Cool, PPMS Dyna Cool, производства компании Quantum Design, вибрационном магнитометре Lake Shore VSM 7407 и Керр-магнитометре evico magnetics. Полученные результаты будут анализироваться с использованием компьютерного моделирования.
План работ по проекту включает следующие мероприятия:
1) исследование влияния состава на кристаллическую структуру и температурные зависимости магнитоэлектрических свойств плёнок типа Cr-Mn, позволяющее установить условия образования антиферромагнитного состояния и дать его общую характеристику;
2) исследование влияния буферных покрытий и условий осаждения на кристаллическую текстуру плёнок системы Cr-Mn выбранных составов;
3) исследование планарного обменного смещения, создаваемого антиферромагнитным слоем Cr-Mn с оптимизированными параметрами, в прилегающих слоях Fe10Co90, Fe20Ni80, Fe, (Fe-Co)80B20 и перпендикулярного обменного смещения в слоях типа Gd-Co;
4) феноменологическое описание параметров и механизмов обменного смещения в плёночных структурах на основе закрепляющего антиферромагнитного слоя Cr-Mn с использованием специализированных измерительных протоколов и компьютерного моделирования.
В целом запланированные содержание и объем исследовательских работ рассчитаны на установление физической картины формирования антиферромагнитного упорядочения в плёнках системы Cr-Mn и дать ответ на вопрос об эффективности их использования в составе плёночных структур с магнитным смещением.
Ожидаемые результаты:
Предполагается, что проведённые исследования расширят представления о магнетизме плёночного состояния сплавов 3d-металлов и послужат физической основой для получения сред, с одной стороны, с высокой температурной стабильностью обменного смещения, а с другой стороны, не содержащих редких компонентов. К числу планируемых конкретных результатов проекта относится следующее:
1) связь между элементным составом и кристаллической структурой плёнок системы Cr-Mn, полученных методом магнетронного сораспыления компонентов;
2) концентрационная зависимость температуры Нееля, определённая на основе косвенных данных;
3) эффект от использования однослойных и двухслойных буферных покрытий для формирования кристаллической текстуры в плёнках Cr-Mn определённых составов;
4) совокупность данных о влиянии условий осаждения на кристаллическую текстуру плёнок Cr-Mn определённых составов;
5) температурные зависимости поля обменного смещения, создаваемого антиферромагнитным слоем Cr-Mn в прилегающих ферромагнитных слоях Fe10Co90, Fe20Ni80,, Fe, (FeCo)80B20;
6) условия реализации и параметры магнитного смещения в слоях Gd-Co с перпендикулярной магнитной анизотропией;
7) микромагнитная компьютерная модель процесса перемагничивания плёночной структуры с поликристаллическими ферромагнитным и антиферромагнитным обменно-связанными слоями;
8) описание механизма формирования и количественного содержания функциональных свойств плёночной среды с магнитным смещением на основе антиферромагнетика Cr-Mn.