1. Введение
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
[1][2][3][4][5][6][1][7][8][9]
В данной работе проведено исследование эволюции ВДМ в многослойных тонкопленочных наноструктурах Pt/Co разной конфигурации, в т. ч. с промежуточным аморфным сплавом Pt50Missing Mark : subCo50Missing Mark : sub 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.
2. Методы исследования и образцы
Наноструктуры Pt/Co в виде многослойных поликристаллических пленок изготавливались методом магнетронного распыления при постоянном токе в среде чистого Ar при давлении 5∙10−9Missing Mark : sup 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°Missing Mark : supС в течение 1 часа. Магнитные параметры оценивались на вибрационном магнетометре Lakeshore 7400.
Малоугловая рентгеновская дифракция образцов наноструктур Co/Pt
Толщины (t) и среднеквадратичная шероховатость (σ) в нанометрах слоёв наноструктур Pt/Co, полученных из обработки рефлектограмм
| № | Структура | Ta | Pt | CoPt | Co | Ta | 3 | ||||||
| , нм | σ, нм | , нм | σ, нм | , нм | σ, нм | , нм | σ, нм | , нм | σ, нм | , нм | σ, нм | ||
| S1 | Si/Ta(2)/Pt(3)/ Co(1.2)/Ta(2) | 2 | 0,2 | 2,7 | 0,4 | - | - | 1,1 | 0,9 | 1,0 | 0,1 | 2,6 | 0,3 |
| S2 | (1.2)/ Co(0.6) /Ta(2) | 2,0 | 0,5 | 2,8 | 0,3 | 1,1 | 0,35 | 1,0 | 0,2 | 1,0 | 0,3 | 2,6 | 0,3 |
| S3 | (0,4)/Co(1,2)/Ta(2) | 2 | 0,4 | 3,1 | 0,4 | 0,2 | 0,2 | 1,2 | 0,4 | 2 | 0,4 | 3,1 | 0,3 |
Для определения величины ВДМ используется несколько методов
[10][11][12][13][10][13][14]
[LATEX_FORMULA]$D=\frac{\Delta f \pi M_S}{2 \gamma k}$[/LATEX_FORMULA]
где
[13]
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
Геометрия эксперимента МБРС (схема Даймона-Эшбаха) для наблюдения магнитостатических спиновых волн
3. Основные результаты
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 Pt50Missing Mark : subCo50Missing Mark : sub, сравнимой с образцом S1 с монослоём Со. Это позволяет рассматривать полученные образцы как объекты для дальнейших исследований с помощью методов СВЧ спектроскопии.
Спектры МБРС для образцов S1 (а), S2 (б) и S3 (в) в поле насыщения
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 PtхMissing Mark : subCoхMissing Mark : sub разного состава общей толщиной 1,2 нм, помещенных между отдельными слоями Pt и Co (рисунок 3). Величина
[16]
Получено, что величина сдвига, частоты и полуширина резонансных линий коррелируют с изменением параметров слоев наноструктуры: для монослоя Со величина
На рисунке 4б приведена температурная зависимость разности частот
Значения коэффициента интерфейсного ВДМ (D) для образцов S1-S3 (а) и температурная зависимость константы D для образца S3 (б)
4. Заключение
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.