Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Разработана и отлажена лабораторная технология, позволяющая получать многослойные магнитные системы методом ионно-плазменного распыления мишеней соответствующих составов с регулируемой относительной ориентацией осей наведенной магнитной анизотропии в слоях на базе двух напылительных установок: УРМ3.279 и ORION 8 UHV. Показано, что наклонное напыление не вносит заметных изменений в особенности кристаллической структуры пленок в сравнении со структурой пленок, полученных вертикальным напылением. При этом в микроструктуре образцов, напыленных различными способами, имелись отличия. В частности, среднеквадратичная шероховатость пленок FeNi, полученных наклонным напылением, примерно в два раза превышает аналогичную величину для пленок, приготовленных вертикальным напылением. Кроме того, изображения поверхности образцов, полученные с помощью атомного силового микроскопа, свидетельствуют о том, что в пленках, полученных наклонным напылением, формируется дополнительный «полосовой» рельеф, интенсивность которого возрастает с увеличением толщины пленки. Наличие магнитного поля во время осаждения пленки также не оказывает влияния на структурное состояние пленок. Установлено, что для пленок, полученных ионно-плазменным напылением в присутствии магнитного поля, вне зависимости от их состава и кристаллической структуры, ось наведенной магнитной анизотропия в плоскости совпадает с осью этого магнитного поля. Исключение составляют пленки с большой кристаллографической магнитной анизотропией. Данные факты укладывается в рамки модели так называемой M-наведенной анизотропии, в которой намагниченность образца и ее ориентация в процессе осаждения пленки рассматривается как причина возникновения магнитной анизотропии. Для магнитомягких пленок пермаллоя обнаружено, что поле наведенной магнитной анизотропии уменьшается примерно в два раза при напылении во вращающемся магнитном поле с частотой 60 об./мин в сравнении с пленками, осажденными в стационарном магнитном поле. Для пленок FeNi, полученных наклонным напылением, обнаружена немонотонная зависимость поля наведенной магнитной анизотропии от толщины пленок, обусловленная изменениями микроструктуры и типа доменной структуры пленок при изменении толщины. Установлено, что при напылении пленок в условиях наличия двух источников наведенной магнитной анизотропии (магнитного поля, параллельного плоскости подложки и наклонного напыления) основным фактором, определяющим ориентацию оси наведенной магнитной анизотропии пленок, является магнитное поле, приложенное в процессе осаждения. Источником перпендикулярной магнитной анизотропии в исследованных пленках FeNi, полученных магнетронным распылением, является столбчатая микроструктура пленок. Экспериментально установлено, что толщинная зависимость поля наведенной магнитной анизотропии таких пленок описывается формулой Мураямы. При этом величина константы перпендикулярной магнитной анизотропии не зависит от толщины пленки. Наноструктурирование относительно толстых «закритических» пленок FeNi прослойками Fe и Co обладающими отличной от пермаллоя кристаллической структурой приводит к предотвращению перехода пленки в «закритическое» состояние только для прослоек Co толщиной более 50 нм. При этом наблюдается значительное увеличение коэрцитивной силы многослойного образца. Обнаружено, что четырехслойные пленки FeNi, в которых ОЛН соседних слоев ортогональны, обладали эффективной магнитной анизотропией, ОЛН которой ориентирована под углом 45° к ОЛН индивидуальных слоев. Сделана оценка величины константы межслойной связи таких пленок (103 эрг/см2). Величина поля магнитной анизотропии такого образца оказалась меньше, чем у однослойной пленки, толщина которой равна толщине слоя многослойного образца. Этот результат дает перспективу получения квази-изотропных многослойных пленок путем увеличения количества слоев и уменьшения угла между осями магнитной анизотропии соседних слоев. Для пленок типа Co/W/Co обнаружена немонотонная зависимость поля насыщения Hs от толщины прослойки W. Определена величина константы межслойного обменного взаимодействия (J = 0,1 эрг/см2), соответствующая первому антиферромагнитному максимуму на зависимости Hs от толщины прослойки W. Данная величина хорошо соотносится с величиной J, наблюдаемой в системе Co/Cu/Co. Тенденция Hs к уменьшению с ростом толщины прослойки W описывается функцией, обратно пропорциональной квадрату толщины прослойки, что является признаком межслойного взаимодействия по типу RKKI. Рост Hs при толщине прослойки более 3 нм, скорее всего, связан со структурными изменениями в прослойке W, с ростом толщины которой наблюдался переход -фазы (структура типа A15) в а-фазу W. Изменение структуры прослойки может сопровождаться изменением как структуры слоев Co, так и шероховатости межслойных границ вплоть до образования областей высококоэрцитивного твердого раствора CoW, что, в свою очередь, приводит к росту величины Hs. Для многослойных пленок Co с прослойкой Gd не было отмечено изменения структуры образцов при изменении толщины прослойки. Установлено, что при толщине прослойки меньше 3 нм система Co/Gd/Co перемагничивается как единое целое, а при больших толщинах прослойки происходит послойное перемагничивание образца. Резкая смена вида доменной структуры, полученной с помощью магнитооптического микроскопа, в диапазоне толщин прослойки 2-3 нм служит подтверждением данного факта. Для многослойных пленок FeNi/Cr методом рентгеновской рефлектометрии показано, что введение даже ультратонких (менее 1 нм) прослоек Cr обеспечивает формирование четких межслойных границ между слоями FeNi. При наклонном напылении и при повороте подложкодержателя перед напылением каждого последующего слоя пермаллоя на 90 градусов при толщине прослоек Cr более 2 нм в каждом отдельном слое FeNi формируется индивидуальная ось легкого намагничивания. При меньших толщинах прослойки в многослойных пленках формируется сложная система локальных осей анизотропии. Показана возможность выявления и анализа неоднородности магнитной анизотропии в пленках методом высокочастотных измерений (ФМР). Часть результатов, полученных в ходе выполнения проекта, нашли отражение в статье, опубликованной в газете Сибирского отделения Российской академии наук «Наука в Сибири» (https://www.sbras.info/sites/default/files/2022-07/28.pdf).

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Исследованные в отчетный период однослойные пленки и многослойные магнитные системы были осаждены на стеклянные подложки методом ионно-плазменного распыления мишеней соответствующих составов. Магнитная анизотропия в плоскости слоев наводилась присутствующим в процессе осаждения пленки внешним магнитным полем или за счет наклонного напыления пленок. Структура пленок исследовалась методом рентгеновской дифракции. Магнитные свойства образцов исследовались с помощью различных вибромагнитометров и магнитооптического Керр-микроскопа. В пленочных элементах Fe20Ni80 диаметром от 3 до 7 мм, полученных магнетронным напылением в присутствии постоянного магнитного поля различной конфигурации, возникает наведенная магнитная анизотропия в плоскости образцов. Ориентация оси легкого намагничивания определяется ориентацией намагниченности пленки в процессе ее осаждения (M-наведенная анизотропия). Наличие поля, создаваемого постоянным магнитом цилиндрической формы, намагниченность которого ориентирована перпендикулярно плоскости подложки, приводит к формированию в плоскости пленки радиального распределения осей легкого намагничивания, что способствует формированию в элементе вихреподобной магнитной структуры. При этом величина магнитного поля в диапазоне полей, создаваемых постоянными магнитами, практически не оказывает влияния на особенности формируемой в элементе магнитной структуры. Единственным ограничением является величина плоскостной составляющей поля магнита в области подложки, которая должна быть больше поля магнитной анизотропии напыляемой пленки. Изменяя расстояние между магнитом и подложкой, можно варьировать диаметр элемента, в котором реализуется радиальная (вихреподобная) магнитная структура. Для многослойных пленочных систем, в которых магнитная анизотропия наводилась за счет наклонного напыления, установлено, что уменьшение угла между осями магнитной анизотропии соседних слоев (сопровождающееся увеличением количества слоев) способствует формированию в образце винтовой магнитной анизотропии вдоль толщины образца. На основе анализа магнитных свойств пленочных систем FeNi/NiCu/FeNi, в которых интенсивность обменного взаимодействия между ферромагнитными слоями FeNi варьировалась за счет изменения химического состава сплава NiCu или температуры, было установлено, что при номинально парамагнитном состоянии прослойки NiCu трехслойная система с параллельными осями магнитной анизотропии в слоях FeNi ведет себя как единое целое, при этом ее коэрцитивная оказывается меньше, чем у однослойной пленки FeNi, толщина которой равна толщине слоя FeNi в трехслойной системе. Перемагничивание образца с ортогональными осями анизотропии слоев FeNi происходит сложным образом, что, скорее всего, является проявлением неоднородной магнитной структуры по толщине образца, сформированной под влиянием магнитной анизотропии индивидуальных слоев FeNi и межслойного взаимодействия через слабомагнитную прослойку NiCu, причем анизотропия индивидуальных слоев оказывает большее влияние на характер перемагничивания образца, чем межслойное взаимодействие. На примере четырехслойных пленок пермаллоя, содержащих слои FeNi(40 нм) с ортогональной ориентацией осей анизотропии, разделенных немагнитными прослойками Cr, толщина которых изменялась в интервале от 0,2 нм до 5 нм, было продемонстрировано влияние интенсивности прямого обменного взаимодействия между ферромагнитными слоями на формирование эффективной магнитной анизотропии многослойных систем. Интенсивность прямого обменного взаимодействия варьировалась за счет изменения толщины прослойки Cr, при этом изменялась как степень сплошности прослойки (площади прямого контакта между ферромагнитными слоями), так и вероятность формирования тройного ферромагнитного сплава FeNiCr переменного состава. Было обнаружено, что при уменьшении интенсивности прямого обменного взаимодействия эффективная анизотропия многослойной системы формируется под воздействием совокупности межслойных взаимодействий: прямого обменного, магнитостатического взаимодействия вследствие шероховатости межслойных границ и взаимодействия по типу РККИ. Результатом этого является немонотонная зависимость особенностей магнитной анизотропии многослойной системы от толщины прослойки Cr. В процессе работы над проектом магнитные свойства одно- и многослойных образцов многослойных структур с параллельными и разнонаправленными ОЛН индивидуальных слоев были приготовлены в виде прямоугольников и квадратов с длиной стороны, варьируемой в интервале от 3 мм до 22 мм, полосок длиной от 5 мм до 10 мм и шириной от 0,5 мм до 2 мм, кругов диаметром от 3 мм до 7 мм. Форма и размеры образцов задавались как использованием подложек различных размеров, так напылением через маски, а также использованием метода оптической литографии. Сравнительный анализ магнитных и высокочастотных свойств, доменной структуры как однослойных пленок и многослойных элементов показал, что магнитная анизотропия формы образца многослойной пленочной системы как дополнительного параметра оказывает слабое влияние на возможное формирование киральной магнитной структуры. Основную роль в этом играют магнитная анизотропия индивидуальных слоев и интенсивность межслойного взаимодействия. Сравнительный анализ результатов высокочастотных свойств (ферромагнитного резонанса, спин-волнового резонанса и магнитного импеданса) анизотропных многослойных систем показал, что, многослойную пленочную систему можно рассматривать как эффективную среду с определенной дисперсией средних параметров, при этом саму дисперсию параметров в столь сложной слоистой структуре следует рассматривать как нечто естественное и неизбежное. Совокупность полученных в результате работы над проектом результатов показывает перспективность создания многослойных пленочных систем с киральной (винтовой) магнитной структурой путем варьирования анизотропных свойств индивидуальных слоев, полученных наклонным напылением, и межслойного взаимодействия.