Study of metallic nanostructures using Mandelstam-Brillouin spectroscopy

Необходимость совершенствования средств хранения и обработки информации вызывается непрерывно растущим потоком информации (Big Data), цифровизацией всех сфер деятельности человека (IoT), нехваткой энергоресурсов и конкурентным спросом на скорость обработки данных. Исследования на стыке топологического магнетизма и спинтроники открывают возможности создания сверхбыстрых наноразмерных устройств передачи и обработки данных, функционирующих на СВЧ и ТГц частотах

В данной работе проведено исследование эволюции ВДМ в многослойных тонкопленочных наноструктурах Pt/Co разной конфигурации, в т. ч. с промежуточным аморфным сплавом Pt50Co50 и без. В последнем случае структурная инверсионная симметрия нарушается по толщине исключительно за счет заданного градиента состава внутри пленки. Таким образом, в таких «метаматериалах» контролируемый состав позволяет манипулировать распределением векторов ВДМ в трех измерениях, что важно для проектирования устройств спинтроники на основе скирмионов.

Наноструктуры Pt/Co в виде многослойных поликристаллических пленок изготавливались методом магнетронного распыления при постоянном токе в среде чистого Ar при давлении 5∙10−9 Торр при комнатной температуре. Металлы осаждались на полированные пластины оксидированного кремния. Для всех структур использовался буферный слой Та на подложке для улучшения кристалличности слоя Pt и крышка из Та для защиты от окисления. После синтеза образцы отжигались в вакууме при 300°С в течение 1 часа. Магнитные параметры оценивались на вибрационном магнетометре Lakeshore 7400.

Рисунок 1 - Малоугловая рентгеновская дифракция образцов наноструктур Co/Pt

Примечание: вертикальной линией указан пик от держателя образцов

DOI:10.60797/IRJ.2025.160s.21.1

Качество слоистой структуры, толщины слоёв и степень несовершенства межслойных границ были оценены на основании данных малоугловой рентгеновской дифракции на дифрактометре PANalytical Empyrean Series 2 в Cu излучении с длиной волны 1,54 Å в геометрии параллельного пучка (рисунок 1). Обработку рефлектограмм проводили с помощью коммерческой программы PANalytical X’Pert Reflectivity. На первичном пучке использовали параболическое зеркало на основе сверхрешетки W/Si, обеспечивающее, помимо формирования параллельного пучка, подавление линии Cu Kβ излучения. На вторичном пучке использовали плоскопараллельный коллиматор с плоским графитовым монохроматором и коллимирующей щелью. Из Таблицы 1 видно, что фактические толщины практически совпадают с номинальными. Среднеквадратичная шероховатость также везде меньше толщины слоя структуры. Из анализа полученных рентгеноструктурных данных был сделан вывод, что для всех образцов сформированы сплошные слои Ta, Pt, и Co. Кроме того, на поверхности верхнего слоя наноструктур (крышки из Ta) образуется достаточно толстый оксидный слой Ta2O5 толщиной порядка 2,5 нм с шероховатостью порядка 0,2–0,3 нм.

Для определения величины ВДМ используется несколько методов

где γ = 1,9∙1011 Гц/Тл — гиромагнитное соотношение для кобальта

Исследования МБРС производились с помощью шестипроходного интерферометра Фабри-Перо (Scientific Instruments) TFP-I. В качестве источника света использовался одномодовый твердотельный лазер Excelsior (Spectra Physics) EXLSR-532-200-CDRH с длинной волны 532 нм и шириной линии 8 МГц. Диаметр сфокусированного на поверхности образца пятна составлял примерно 25 мкм. Мощность падающего лазерного излучения 20 мВт недостаточна для термического нагрева и изменения свойств измеряемого образца. Важно отметить, что эффективная глубина проникновения лазерного луча составляет до 100 нм, что превышает суммарную толщину слоев стандартно исследуемых металлических наноструктур. Таким образом, данные, полученные методом МБРС, обусловлены суммарным вкладом всех слоев структуры.

Измерения МБРС в наноструктурах проводились в геометрии Даймона-Эшбаха (рисунок 2) [13, 15] и конфигурация обратного рассеяния света, т.е. постоянное внешнее поле H0 до 1.2 Т направлено в плоскости пленки взаимно перпендикулярно волновому вектору спиновых волн и плоскости падения света. Измерения проводились в СВЧ-интервале от −40 ГГц до +40 ГГц c шагом 125 MHz при комнатной температуре и угле падения лазерного луча q = 30°, что соответствует проекции волнового вектора света k = 11,8 мкм−1.

Рисунок 2 - Геометрия эксперимента МБРС (схема Даймона-Эшбаха) для наблюдения магнитостатических спиновых волн

DOI:10.60797/IRJ.2025.160s.21.3

В ходе экспериментов МБРС были измерены спектры МСВ для трёх образцов наноструктур со сплавом S1-S3 (см. таблицу 1). Спектры МБРС для наноструктур, измеренные в поле, равном полю насыщения намагниченности плёнок, представлены на рисунке 3. Так как ширина линии резонансных пиков в спектрах МБРС пропорциональна ширине линии ферромагнитного резонанса, то достаточно узкие симметричные линии пиков для наноструктур свидетельствуют о высокой структурной и магнитной однородности образцов наноструктур со сплавом Pt50Co50, сравнимой с образцом S1 с монослоём Со. Это позволяет рассматривать полученные образцы как объекты для дальнейших исследований с помощью методов СВЧ спектроскопии. 

Рисунок 3 - Спектры МБРС для образцов S1 (а), S2 (б) и S3 (в) в поле насыщения

Примечание: красная и синяя кривая отвечают разной полярности внешнего магнитного поля

DOI:10.60797/IRJ.2025.160s.21.4

Полученные экспериментальные кривые МБРС были обработаны с помощью функции Лоренца для определения параметров максимумов. Далее согласно выражению (1), и, используя данные по намагниченности и толщине структур, были рассчитаны значения постоянной ВДМ для всех образцов. Отметим, что при изменении направления внешнего магнитного поля симметрия спектров МБРС меняется зеркально. При этом форма пиков и частотный сдвиг сохраняются, но незначительно варьируется величина сдвига (рисунок 3).

Максимальная величина энергии ВДМ была получена для структуры с тремя амфорными сплавами PtхCoх разного состава общей толщиной 1,2 нм, помещенных между отдельными слоями Pt и Co (рисунок 3). Величина D такой структуры составила -0,82 мДж/м2. Таким образом, был обнаружен вклад интерфейсного ВДМ в аморфном сплаве. С уменьшением шероховатости и количества интерфейсов растет величина интерфейсного ВДМ в наноструктурах. Аналогичное поведение магнитных свойств и усиление энергии ВДМ также наблюдалось в контрольных образцах наноструктур со сплавом Pt1-хCoх, где оно связывалось в первую очередь с увеличением плотности интерфейсов, ответственных за ВДМ, а также большей атомной плотностью в аморфном сплаве по сравнению со структурой с монослоями

Получено, что величина сдвига, частоты и полуширина резонансных линий коррелируют с изменением параметров слоев наноструктуры: для монослоя Со величина D составила -0,44 мДж/м2. Замена слоя Со на сплав PtхCoх разного состава, но той же суммарной толщиной приводит к почти трехкратному росту для структуры S3 c D = -0,56 мДж/м2 (рисунок 4а).

На рисунке 4б приведена температурная зависимость разности частот Df в трёхслойной наноструктуре S3, которая по формуле (1) отражает величину и знак константы ВДМ. Отметим, что наблюдался слабый, практически линейный ход зависимости D(Т) от 80 К до 350 К. Такое поведение согласуется с температурным поведением намагниченности, а также может быть связанно с дополнительным влиянием температурной зависимости константы двухионной анизотропии, то есть отражает вклады различных типов анизотропии в формирование намагниченности и ВДМ в ультратонких металлических пленках, что требует дополнительных исследований.

Рисунок 4 - Значения коэффициента интерфейсного ВДМ (D) для образцов S1-S3 (а) и температурная зависимость константы D для образца S3 (б)

DOI:10.60797/IRJ.2025.160s.21.5

Таким образом, впервые был изучен вклад интерфейсного взаимодействия Дзялошинского-Мории не только на четко выраженных границах слоев наноструктур Pt/Co, но и в аморфном сплаве. Показано, что, варьируя толщину слоёв и состав слоя наноструктуры, можно моделировать величину ВДМ, а также ширину линии ферромагнитного резонанса в структуре Pt/Co, что важно для проектирования СВЧ-устройств. Использование многослойных наноструктур позволило усилить вклад взаимодействия Дзялошинского-Мории. Наблюдаемое усиление в образцах наноструктур со сплавом можно связать с увеличением количества границ и плотности интерфейсов, ответственных за взаимодействия Дзялошинского-Мории, а также, возможно, с влиянием эффекта магнитной близости в Pt за счет большей атомной плотности в аморфном сплаве по сравнению со структурой, содержащей монослой ферромагнитного Со. Кроме того, наноструктуры с усиленным интерфейсным взаимодействием перспективны для изучения различных спин-зависящих эффектов и скирмионов.