Российские ученые из ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН и МФТИ с коллегами разработали и детально исследовали новый метод прецизионного управления магнитными свойствами тонкопленочных структур, имеющих решающее значение для современных технологий магнитной записи, сенсоров и перспективных устройств спинтроники. Результаты работы опубликованы в Journal of Applied Physics.
Мир современных технологий немыслим без магнетизма. От хранения данных на жестких дисках до сверхчувствительных датчиков магнитного поля – везде используются материалы с особыми магнитными свойствами. В частности, используются ферромагнетики и антиферромагнетики. Первые могут сильно намагничиваться под действием внешнего поля, потому что они устроены внутренне таким образом, что магнитные моменты их атомов стремятся выстроиться параллельно друг другу. А вторые называют антиферромагнетиками, потому что магнитные моменты их атомов располагаются в противоположных направлениях, компенсируя друг друга .
В 1956 году Мейкледжон и Бин, изучая ферромагнитные частицы кобальта, покрытые оболочкой из оксида кобальта, который является антиферромагнетиком, сделали поразительное открытие. Они обнаружили, что петля гистерезиса ферромагнитного слоя (график, показывающий, как намагниченность материала изменяется при приложении и изменении внешнего магнитного поля) оказалась смещенной вдоль оси поля. Это означало, что материал легче перемагничивался в одном направлении, чем в противоположном. Это явление, названное обменным смещением (exchange bias, EB), возникает из-за магнитного взаимодействия на границе раздела между ферромагнетиком и антиферромагнетиком. Выходит, что антиферромагнетик «закрепляет» направление намагниченности ферромагнитного слоя, создавая для него предпочтительное направление.
Величиной обменного смещения называют напряженность поля обменного смещения HB. Она стала важнейшим параметром и позволяет «зафиксировать» магнитное состояние. Область электроники, использующая взаимосвязь между состоянием спина электрона и электропроводностью, называется спинтроникой, а структуры с обменным смещением являются важной компонентой сенсоров в спинтронике.
Несмотря на десятилетия исследований, точные механизмы формирования и управления обменным смещением, особенно роль динамического нагрева и стадий, на которых действует магнитное поле во время технологических процессов, оставались не до конца изученными. Часто настройка параметров обменного смещения производилась эмпирически, без глубокого понимания вклада каждого этапа термообработки.
Именно в эту неизведанную область физики конденсированного состояния погрузились российские исследователи. Их работа была сфокусирована на системе NiFe/IrMn – одной из наиболее востребованных в спинтронике благодаря относительно низкой цене, легкой методике создания и высокой устойчивости магнитных свойств на основе таких структур. Ученые задались рядом фундаментальных вопросов.
Рисунок 1. Магнитный фазовый переходе в антиферромагнетике IrMn после нагрева выше температуры Нееля. Источник: Journal of Applied Physics
Физиков интересовало, обязательно ли нагревать структуру выше температуры Нееля антиферромагнитного слоя, выше которой он становится парамагнетиком, чтобы задать или изменить обменное смещение. Важно было узнать, как влияют на величину обменного смещения отдельные этапы термомагнитного цикла: нагрев, выдержка при постоянной температуре и охлаждение, какова в этом процессе роль величины приложенного магнитного поля и времени выдержки на каждом этапе. Необходимо было прояснить вопрос о том, как влияет сам процесс измерения петель гистерезиса (кривых зависимости намагниченности материала в зависимости от приложенного внешнего магнитного поля) при разных температурах на магнитное состояние образца.
Для ответа на эти вопросы авторы изготовили методом магнетронного напыления несколько типов тонкопленочных структур. Это одиночный слой NiFe (пермаллой) в качестве контрольного образца, классический бислой NiFe/IrMn с прямым контактом ферромагнетика и антиферромагнетика, трехслойные структуры NiFe/Cu/IrMn с ультратонкой (0.2 и 0.5 нм) прослойкой меди (Cu) между ферро- и антиферромагнетиком.. Медь – немагнитный металл, и такая тонкая прослойка создает сначала частично разорванную границу, где области прямого контакта NiFe и IrMn сосуществуют с областями, разделенными островками меди, а затем и полностью разделяет пермаллой и антиферромагнетик.
Ключевым инструментом исследования стал вибрационный магнитометр, позволяющий измерять петли гистерезиса M(H) в широком диапазоне температур (от комнатной 22°C до 430°C) и магнитных полей. Ученые разработали два основных протокола термомагнитной обработки: статический и динамический. В ходе статической обработки образец нагревался до определенной температуры, затем при этой стабильной температуре на заданное время прикладывалось внешнее постоянное магнитное поле, после чего поле выключалось, и образец охлаждался до комнатной температуры, где измерялась его петля гистерезиса. В ходе динамической обработки внешнее постоянное магнитное поле прикладывалось во время одного или нескольких этапов изменения температуры: только при нагреве, только при охлаждении или в течение всего цикла (нагрев-выдержка-охлаждение). После цикла образец также возвращался к комнатной температуре для измерения петли гистерезиса. Важно, что перед каждым новым экспериментом по обработке образец проходил через «восстановительную» последовательность (нагрев до 330°C и охлаждение в сильном поле +300 Э), чтобы гарантировать одинаковое и воспроизводимое начальное магнитное состояние.
Рисунок 2. Схемы экспериментов по термическому воздействию. (a) Последовательности переключения магнитного поля и температуры в экспериментах по термическому воздействию. Экспериментальные фазы термического переключения: (1) нагрев, (2) экспозиция, (3) охлаждение и (4) регистрация петли M(H) при комнатной температуре. Интервалы времени, когда прикладывается магнитное поле, выделены. (b) Петли гистерезиса, зарегистрированные при комнатной температуре после экспозиции. Случаи на верхней и нижней панелях соответствуют параллельной и антипараллельной взаимной ориентации внешнего поля HEXP относительно поля обменного смещения HB. Источник: Journal of Applied Physics
Исследование принесло ряд неожиданных и важных результатов. Оказалось, что динамическая обработка гораздо эффективнее изменяет обменное смещение. Приложение поля во время нагрева и, особенно, охлаждения, приводило к плавному, постепенному сдвигу всей петли гистерезиса M(H) вдоль оси поля. Причем, варьируя температуру обработки (даже значительно ниже температуры Нееля иридия-марганца, которая составляет около 280-400°C), можно было не только уменьшить исходное отрицательное смещение, но и полностью «переключить» его на положительное. Это означает, что предпочтительное направление намагниченности можно развернуть на 180 градусов. Наиболее чувствительным этапом оказалось охлаждение в поле. Повторение одного и того же цикла динамической обработки почти не давало дополнительного эффекта после первого же цикла – результат определяется параметрами температуры обработки и внешнего поля первого воздействия.
Статическая обработка приводила к совершенно иному результату. Вместо плавного сдвига всей петли, она начинала расщепляться на две под-петли: одна оставалась смещенной в исходную (отрицательную) область полей, а вторая появлялась в положительной области. При повышении температуры обработки амплитуда «новой» положительной петли росла, а «старой» отрицательной – убывала. Это приводило к появлению сложной, двухступенчатой петли гистерезиса с промежуточным стабильным состоянием намагниченности между полным насыщением в положительном и отрицательном направлениях.
Рисунок 3. Сравнение петель M(H) в исходных и экспонированных образцах после различных последовательностей переключения магнитного поля во время термического воздействия. Магнитное поле −200 Э применялось: (a) только в фазе нагрева, (b) только в фазе охлаждения, (c) только в установившейся фазе и (d) в течение всей последовательности воздействия, включая фазы нагрева и охлаждения. Источник: Journal of Applied Physics
Рисунок 4. Эффект динамического термического воздействия на перемагничивание при RT. (a) Серия петель M(H), зарегистрированных при RT после динамического воздействия в H0 = −200 Э при различных температурах TEXP. Магнитное поле H0 = −200 Э применялось на протяжении всей последовательности температурных переключений динамического воздействия. После каждого цикла воздействия образец нагревался до 330 °C и охлаждался до RT при поле +400 Э для восстановления исходного направления поля обменного смещения. (b) и (c) Зависимость поля обменного смещения RT (b) и коэрцитивной силы (c) от максимальной температуры TEXP, достигнутой в циклах воздействия. Источник: Journal of Applied Physics
Рисунок 5. Влияние статического термического воздействия на перемагничивание при комнатной температуре. (a) Изменение RT M(H) с ростом температуры воздействия. Магнитное поле −200 Э применялось только при достижении температуры воздействия, а во время нагрева и охлаждения образца поле не применялось. (b) и (c) Зависимость обменного смещения (b) и магнитного момента M0 промежуточного состояния (c) от температуры воздействия. Двухступенчатая петля M(H) с промежуточным состоянием M0 образуется, когда температура воздействия находится в диапазоне 204–215 °C. Увеличение температуры воздействия в этом диапазоне приводит к изменениям M0, в то время как поле обменного смещения двух подпетель остается практически неизменным. Источник: Journal of Applied Physics.
Рисунок 6. Статическая экспозиция, влияние магнитного поля. Три набора петель RT M(H), записанных после экспозиции в различных полях HEXP (указаны в легендах) при трех различных температурах TEXP: 195 (a), 210 (b) и 225 °C (c). Источник: Journal of Applied Physics.
Рисунок 7. Влияние времени экспозиции в экспериментах со статической экспозицией. Набор петель M(H), зарегистрированных при комнатной температуре после статической экспозиции при TEXP = 225 °C и HEXP =−200 Э. Время экспозиции варьируется от 10 с до 180 с. Источник: Journal of Applied Physics.
Переход к двухпетельной структуре при статической обработке происходил в очень узком диапазоне температур (около 203-225°C для образца NiFe/Cu(0.2nm)/IrMn). Зависимость намагниченности в промежуточном состоянии от температуры обработки имела резкий, пороговый характер, напоминающий перколяционные процессы – когда отдельные измененные элементы (в данном случае, возможно, магнитные зерна на границе раздела) начинают объединяться в связанную сетку, меняя свойства всей системы. Величина внешнего магнитного поля и время выдержки при статической обработке влияли на соотношение амплитуд подпетель, но главным «переключателем» служила именно температура обработки.
Нагрев образцов до температур выше ~300-330°C (близких к температуре Нееля и выше) приводил к необратимым изменениям. Обменное смещение HB значительно уменьшалось, а коэрцитивная сила HC, наоборот, возрастала. Эти эффекты были особенно выражены в структуре с медной прослойкой (NiFe/Cu/IrMn). Анализ показал, что это связано не только с прохождением магнитных фазовых переходов в IrMn, но и с процессами взаимной диффузии атомов на границах раздела (например, Mn в NiFe, Cu в NiFe/IrMn), которые изменяют структуру и магнитные свойства интерфейса. При этом сам слой NiFe, без соседства с IrMn, оставался стабильным при таких нагревах.
Исследователи также показали, что сам процесс последовательных измерений M(H) при разных температурах может непреднамеренно изменить свойства образца. Если магнитное поле не выключать между измерениями при разных температурах, образец может охладиться в поле, оставшемся от последнего шага предыдущего измерения. Если это поле было направлено против исходного обменного смещения, это эквивалентно динамической обработке и может заметно изменить HB и HC для последующих измерений при более низких температурах. Это значит, что при измерениях следует выключать поле при смене температуры и измерять температурные зависимости намагниченности M(T) в режиме нагрева.
Главный результат работы – продемонстрирована возможность прецизионного контроля не только величины, но и формы петли гистерезиса в структурах с обменным смещением путем тщательного выбора протокола термомагнитной обработки (статический или динамический режим) и его параметров, причем даже при температурах ниже температуры Нееля антиферромагнетика. Это открывает путь от эмпирического подбора к целенаправленному «дизайну» магнитных свойств.
Рисунок 8. Возможные механизмы вращения намагниченности интерфейса во время динамического термического воздействия. Локальные намагниченности зерен интерфейса (короткие стрелки) могут вращаться как когерентно, так и некогерентно. Результирующие изменения усредненного поля обменного смещения HB показаны жирными стрелками. Когерентный процесс изменяет ориентацию HB, тогда как напряженность поля HB (соответствует длине жирных стрелок) остается прежней. Некогерентный процесс уменьшает напряженность поля HB, тогда как ориентация HB остается неизменной, когда локальные вращения намагниченности в зернах компенсируются. Источник: Journal of Applied Physics.
Рисунок 9. Доменный механизм для установки двухступенчатого гистерезиса после статических экспозиций. F, ферромагнетик; AF, антиферромагнетик; I, несколько атомных слоев слоя AF на границе F/AF. Температура обработки управляет эволюцией доменных структур (состояния A и B) в ферромагнитном (F) и интерфейсном (I) слоях в нагретом образце. Будучи напрямую связан с F, слой I сохраняет доменную структуру во время охлаждения образца (состояние C), приводя к положительно и отрицательно обменно-смещенным доменам при комнатной температуре (состояния D, E и F). Источник: Journal of Applied Physics.
Рисунок 10. Механизм, управляемый зернами, для установки двухступенчатого гистерезиса при статическом воздействии. Увеличение температуры воздействия активирует локальное переключение намагниченности в большем количестве интерфейсных зерен. Как только ансамбль обращенных зерен образует непрерывную сеть, она становится стабильной из-за связи на интерфейсах между соседними зернами. Источник: Journal of Applied Physics.
«Наше исследование показывает, что термомагнитная обработка — это не просто ‘нагрев и охлаждение в поле’, а тонкий инструмент настройки, — рассказал Александр Чернов, заведующий лабораторией физики магнитных гетероструктур и спинтроники для энергосберегающих информационных технологий МФТИ. — Мы традиционно думали о термомагнитной обработке как о способе ‘задать’ или ‘стереть’ обменное смещение, обычно требующем нагрева системы выше критической температуры Нееля антиферромагнетика. Однако наше исследование показывает, что реальность гораздо сложнее и интереснее, предлагая намного более тонкий и многогранный инструмент управления. По сути, мы продемонстрировали возможность не просто смещать магнитную характеристику, но и целенаправленно ее изменять. Это открывает захватывающие перспективы: от разработки многоуровневых ячеек магнитной памяти, где эти промежуточные состояния могут кодировать дополнительную информацию, увеличивая плотность записи, до прецизионной настройки рабочих характеристик магнитных датчиков под конкретные задачи, например, позволяя независимо оптимизировать чувствительность и стабильность за счет развязывания обычно связанных параметров, таких как поле смещения и коэрцитивность. Фактически, мы переходим от эмпирического подбора условий обработки к более осмысленному дизайну функциональных магнитных наноструктур, что крайне важно для дальнейшего прогресса спинтроники и поиска новых вычислительных парадигм, включая нейроморфные системы».
«Интерес к исследуемым системам подогревается еще и тем обстоятельством, что действующим объектом является не ферромагнетик, свойства которого хорошо известны, и не антиферромагнетик, хорошо изученный в течение многих десятилетий, а именно интерфейс – граница между этими материалами, — полагает профессор Роман Моргунов, старший научный сотрудник РКЦ и ФИЦ. — Мы имеем дело с необычными структурами, зажатыми между двумя типами магнетиков и управляемо эволюционирующими от отдельных атомов, к островкам, от них к перколяционной сетке, в которой островки соединены мостиками, далее к сплошной пленке одноатомной толщины, которая является по сути двумерным магнетиком, и, наконец, к все более толстым пленкам, состоящих сначала из нескольких атомных слоев меди до очень толстых до 100 нм прослойкам. Все эти структуры топологически не эквиваленты и по-разному выполняют свою роль «магнитного изолятора», разделяющего ферро- и антиферромагнетик. Несмотря на стохастичность процесса перехода от островков к сплошной разделительной пленке, результаты всегда получаются в среднем в большой статистике островков одинаковыми. И это приводит к новому пониманию магнито-перколяционного перехода, в котором участвуют магнитные структуры дробной размерности. Необходимо отметить, что идеализированные модели двумерных магнитных структур отнюдь не позволяют получать те экзотические спиновые состояния, которые достигаются в несплошных перколяционных магнитных пленках. Это представляет фундаментальный интерес и новый способ создания магнетиков дробной размерности.»
Открытые механизмы управления гистерезисом имеют большой потенциал для практического применения.
Возможность точно настраивать намагниченность позволяет оптимизировать чувствительность, рабочий диапазон и стабильность магниторезистивных датчиков (используемых в автомобилях, промышленной автоматике, биомедицине, считывающих головках жестких дисков). Например, можно создавать датчики, точно настроенные на детекцию очень слабых полей или работающие в широком угловом диапазоне. Создание стабильных состояний с двухступенчатой петлей гистерезиса открывает путь к разработке многоуровневых ячеек памяти (MRAM), способных хранить больше одного бита информации в одной ячейке, что увеличит плотность хранения данных. Такие элементы с управляемым состоянием могут быть востребованы и в нейроморфных вычислениях, имитирующих работу синапсов мозга. Понимание роли каждого этапа термомагнитной обработки позволит разработать более надежные и воспроизводимые технологические процессы для изготовления спинтронных устройств, компенсируя возможные отклонения в параметрах оборудования.
Научная работа российских ученых открывает несколько новых направлений для дальнейших исследований. Это использование методов магнитной микроскопии и микроскопии Керра для прямого наблюдения за перестройкой магнитных доменов и переключением интерфейсных зерен во время статической и динамической выдержки образца в поле. Возможно исследование других материалов: применение разработанных протоколов к другим популярным похожим системам (например, CoFeB/PtMn, CoFe/IrMn) для проверки универсальности обнаруженных эффектов. Построение точных количественных моделей и фазовых диаграмм, которые могли бы предсказывать итоговое магнитное состояние для целенаправленного проектирования свойств, также является предметом будущих научных исследований. На основе проведенной работы возможно и непосредственное создание новых устройств, разработка и тестирование прототипов сенсоров или ячеек памяти на основе пленок с термомагнитно настроенным гистерезисом.
Исследование вносит значительный вклад в фундаментальное понимание магнетизма на наноуровне и одновременно предоставляет практические инструменты для развития передовых магнитных технологий.В работе принимали участие исследователи из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН, Первого Московского государственного медицинского университета им. И.М. Сеченова и Российского квантового центра.
