Граничные эффекты в эпитаксиальных пленках [Pd/Co/CoO]n для применения в современной спин-орбитронике

Название проекта:

Граничные эффекты в эпитаксиальных пленках [Pd/Co/CoO]n для применения в современной спин-орбитронике

Номер соглашения:

22-72-00090

Руководитель проекта:

Козлов Алексей Гавриилович

Сроки выполнения:

27.07.2022-30.06.2024

Основные полученные результаты: 

Многослойные эпитаксиальные пленки и суперрешетки Si(111)//Cu/[Pd/Co/CoO]n/Pd были выращены в сверхвысоком вакууме методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Было сформировано несколько серий образцов, в которых варьировались доза окисления, толщина слоя кобальта и число повторений периодической структуры. Морфологические особенности поверхности металлических слоев исследовались методом сканирующей туннельной микроскопии. Для образцов с серии с различным числом повторений слоев [Pd/Co/CoO]n установлено возрастание среднеквадратичной шероховатости при увеличении числа слоев от 1 до 10 на ~15%. Элементный анализ показал, что окисление происходит преимущественно с образованием монооксида кобальта. Установлено, что в процессе окисления сначала окисляется первый монослой, а затем, образовавшиеся островки слой за слоем «прорастают» в виде конусообразных структур вглубь пленки. Что соответствует послойно-островковому механизму роста Странского-Крастанова. На основании данных об остаточном магнитном моменте можно оценить толщину неокисленной пленки Со и далее определить толщину слоя окисла. Магнитометрические исследования позволили определить зависимости магнитных параметров от толщины оксида и, соответственно, от толщины неокисленного магнитного слоя. Установлено, что возрастание полей анизотропии в оксидной серии происходит скачкообразно и первый скачок наблюдается при такой толщине кобальта, когда исчезает часть верхнего атомного слоя кобальта и при этом формируется сплошной слой окисла. Увеличение степени окисления приводит к существенному возрастанию поля анизотропии c 0,6 до 1,4 Тл. Исследование компонент магнитной анизотропии проводилось на серии с переменной толщиной слоя Co. Для Pd/Co(dCo)/CoO величина поверхностной анизотропии составила Ks ≈ 1,15 мДж/м2. Объемная анизотропия составила Kv ≈ -1,05 МДж/м3 для Pd/Co(dCo)/CoO. В системе ультратонких эпитаксиальных слоев, введение слоя оксида, приводит к нарушению симметрии интерфейсов, за счет чего возрастет величина эффективной энергии взаимодействия Дзялошинского-Мория. Для серии образцов с различными степенями окисления, были исследованы скорости движения доменных стенок в режиме переползания. Асимметричное распространение доменных границ позволило получить информацию о константах взаимодействия Дзялошинского-Мория и киральном затухании. Расчеты, проведенные в рамках расширенной модели дисперсионной жесткости, показали существенное уменьшение кирального затухания при окислении, вплоть до его полного исчезновения при окислении 2,5 МС кобальтовой пленки. В образцах с граничным взаимодействием Дзялошинского-Мория с помощью установки Мандельштам-Бриллюэновской спектроскопии измерены асимметричные дисперсионные сдвиги длинноволновых спиновых волн в поверхностном режиме Дэмона-Эшбаха. Исходя из величины частотного сдвига спектров, рассчитаны константы граничного взаимодействия Дзялошинского-Мория. Эффективная константа взаимодействия Дзялошинского-Мории слабоокисленной пленки составила D = 0,25 мДж/м2 и увеличилась более чем в три раза при сильном окислении, до D = 0,8 мДж/м2, что в семь раз выше, чем в симметричной пленке Pd/Co/Pd (D = 0,12 мДж/м2). На основе термомагнитных кривых, снятых в диапазоне температур от 4 до 300 К показано уменьшение температуры Нееля от 237 К до 200 К при снижении дозы окисления, за счет уменьшения толщины окисла. Температура блокировки (ТБ) также возрастает при увеличении толщины оксида с 35 К до 100 К. В однослойных пленках с относительно большими дозами окисления обнаружено обменное смещение, величина которого составила от 10 мТл до 430 мТл. Установлено, что с увеличением времени оксидирования значительно возрастает температура блокировки. Для образцов, оксидированных в течение 2 и 3 минут TБ равны соответственно 37±3 и 95±3K. Из этого следует, что при увеличении толщины оксидного слоя значительно возрастает температура блокировки, что связано с возникновением достаточно большой энергии доменной стенки для АФМ. Температура Нееля вначале возрастает с увеличением дозы окисления, а затем падает. Это может быть связано с тем, что на начальных этапах оксидирования формируется CoO c ТN 290K, а с увеличением толщины слоя начинает формироваться значительное количество Co3O4 с ТN 40K, что приводит к падению температуры Нееля. Эффект обменного смещения наблюдается при 50 и 4K ступенька в левой верхней части петли значительно увеличивается, возрастает Hc. Это может свидетельствовать о том, что в оксидном слое присутствует не только CoO. При температуре 4Kформа петли значительно изменяется: она значительно уширяется, её концы сужаются, впадина на петле также значительно уширяется. В простом случае для появления такой петли необходимо два антиферромагнитно связанных материала, один из которых имеет гораздо меньшее распределение поля переключения и большую коэрцитивную силу, чем другой. Также следует отметить, что взаимодействие Co/CoO и Co/Co3O4 на границе раздела будет вносить различный вклад в процесс перемагничивания, что будет отражаться на петле. Это связано с тем, что степень окисления кобальта играет важную роль в межфазной связи переходный металл-оксид и влияет на поле обменного смещения. Исследовано влияние числа повторений на морфологию интерфейсов. Установлено изменение среднеквадратичной шероховатости слоя Сo от 0,1 до 0,4 нм и слоя CoO от 0,22 до 0,47 при увеличении числа слоев от 1 до 10. Толщина слоя оксида составила 1,2х0,1 нм. Плотность Co согласно результатам моделирования рефлектометрических кривых составила 9,5г/см3, что на 15% больше объемного параметра. Hc меняется в пределах от 8 до 35 мТл с увеличением числа слоев в пленках окисленных в течении 2 минут, а в пленках окисленных 3 минуты этот показатель возрастает почти втрое -от 25 до 120 мТл. Анизотропия монотонно возрастает от 1,6 до 2,1 МДж/м3, что объясняется утоньшением верхних слоев Co из-за шероховатости. В образцах с более чем пятью повторениями отлично стабилизируется лабиринтная доменная структура. Mr/Ms = 1 свидетельствует о том, что пленка может находиться в намагниченном состоянии в отсутствии поля, но при этом сверхрешетки являются довольно чувствительными к локальному магнитному воздействию. Размагниченное состояние пленок характеризуется наличием лабиринтной доменной структуры. Сочетание этих факторов дает возможность легко модифицировать доменную структуру методом локального перемагничивания при помощи зонда для магнитно-силовой микроскопии. Сканирование магнитным зондом рельефа в двух ортогональных направлениях с шагом, сопоставимым с периодом лабиринтной структуры, позволяет разделять лабиринтную структуру на скирмионы или бабл-домены в зависимости от диаметра. Такие решетки являются строго упорядоченными в соответствии с направлением движения магнитного зонда, при процессе сканирования. Увеличение числа повторений до n = 12 сопровождается уменьшением среднего размера скирмионов примерно до 240 - 300 нм, однако в результате модификации доменной структуры, получившиеся скирмионы располагаются более произвольно и разупорядочено. При увеличении числа повторений до 15 доменная структура становится стабильной к формированию скирмионных решеток. При пропускании электрического тока через Холл-структуру наблюдается сужение петли гистерезиса, что связано с некоторым разогревом структуры. Однако незначительное отклонение от центра может свидетельствовать о существовании в системе слабого эффекта передачи спин-орбитального углового момента. Тем не менее, измерения петель аномального эффекта Холла не выявили существенного влияния эффекта передачи спин-орбитального углового момента на процессы перемагничивания, что можно объяснить очень малым углом спин-Холл эффекта в Pd. Полученные данные позволяют расширить знания об управлении функциональными свойствами магнитных систем, для которых применяется контролируемое оксидирование. Использование асимметричных эпитаксиальных и поликристаллических многослойных суперрешеток, характеризующихся сильным взаимодействием ДзялошинскогоМории позволит создавать топологические магнитные текстуры путем локального воздействия магнитным зондом, такие как скирмионы и скирмионные решетки. Использование эпитаксии позволяет усиливать полезное влияние интерфейсных эффектов в несколько раз, тем самым увеличивая эффективность устройств, разрабатываемых на основе подобных магнитных сред. Таким образом, было установлено влияние числа слоев на энергию анизотропии, коэрцитивную силу, период лабиринтной доменной структуры и, соответственно, минимально возможный размер скирмионов и бабл-доменов, а также температуру блокировки и температуру Нееля.

Список основных публикаций:

1. Козлов А.Г., Шишелов А.Ф., Турпак А.А., Кузнецова М.А., Приходченко А.В., Давыденко А.В., Тарасов Е.В., Черноусов Н.Н., Огнев А.В., Самардак А.С. (Kozlov A. G., Shishelov A. F., Turpak A. A., Kuznetsova M. A., Prikhodchenko A. V., Davydenko A. V., Tarasov E. V., Chernousov N. N., Ognev A. V., Samardak A. S.) Magnetic Properties of Epitaxial [Pd/Co/CoO]n Superlattices Journal of Magnetics Journal of Magnetics 29 (1), 143- 148 (2024) https://doi.org/10.4283/JMAG.2024.29.1.143 (2024 г.)