Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Данный проект ставит своей целью разработку новой и эффективной среды с магнитным смещением на основе антиферромагнетика Cr-Mn. В рамках отчётного года основное внимание при реализации проекта было сосредоточено на нахождение условий образования и разносторонней характеристике антиферромагнитного упорядочения в плёнках системы Cr-Mn. В частности, выполнены следующие конкретные исследовательские работы: 1. Адаптация методики магнетронного сораспыления компонентов для получения плёнок системы Cr-Mn на стеклянных подложках с контролируемыми составом и толщиной. Для получения экспериментальных плёночных образцов применялся метод магнетронного распыления, реализованный на установке Orion-8. Плёнки формировались на покровных стёклах Corning в условиях вращения подложкодержателя и наличия на нём электрического и магнитного смещения. В технологическом процессе было задействовано от трёх до пяти магнетронов, что позволяло формировать плёночные структуры, содержащие слои Ta, Fe, W, Cr, Fe20Ni80, а также бинарной системы Cr-Mn, состав которой варьировался с использованием методики сораспыления однокомпонентных мишеней. В целом, проведённое физико-технологическое исследование позволило установить и количественно описать закономерности формирования плёночных структур на основе системы Cr-Mn с контролируемыми параметрами. 2. Исследование влияния состава на кристаллическую структуру и температурные зависимости электрических и магнитных свойств плёнок типа Cr-Mn. На образцах типа Ta/Cr(100-x)Mn(x)/Ta выполнен значительный объём рентгеноструктурных исследований, который показал, что все плёнки являются нанокристаллическими, средний размер зёрен в них варьируется от ~10 нм для области составов богатых Cr до единиц нм в области составов богатых Mn. При x ≤60 реализуется объёмно-центрированная кубическая (ОЦК) структура, которая при x ≤40 имеет склонность к текстурированию по типу (110). Область, богатая Mn, характеризуется неоднофазностью и, вероятно, наряду с бинарной составляющей содержит структурные модификации Mn. Одной из задач проекта является установление условий реализации антиферромагнитного упорядочения в системе Cr-Mn. Эксперимент показал, что традиционные методики идентификации антиферромагнитного состояния, такие как анализ температурной зависимости магнитной восприимчивости или электросопротивления, в данном случае неэффективны. В этой связи нами был опробован альтернативный способ, основанный на анализе гистерезисных свойств ферромагнитного индикаторного слоя (Fe20Ni80), осаждённого непосредственно на слой Cr-Mn. Основная идея состоит в том, что наличие антиферромагнетизма при условии межслойной обменной связи приводит к повышенному уровню магнитного гистерезиса в индикаторном слое. Соответствующее исследование, выполненное на образцах типа Ta/Cr(100-х)Mn(x)/Fe20Ni80/Ta, показало, что в концентрационной области 10≤х≤50 при комнатной температуре слой Cr-Mn с большой вероятностью является антиферромагнитным. Причём в более богатой Mn области температура Нееля достигает 550 К. 3. Влияние нагрева подложки и электрического смещения подложки на кристаллическую структуру и магнитные свойства плёнок системы Cr-Mn. Исследование выполнено на образцах со структурой Ta/Cr70Mn30/Fe20Ni80/Ta при варьировании температуры подложки в интервале 200-500 ºС. Установлено, что для пленок, полученных без нагрева, характерны либо нетекстурованная, либо частично текстурованная по типу (110) и (200) структурные модификации. Нагрев подложки способствует лучшей воспроизводимости структурного состояния, а при температурах более 100 ºС приводит к усилению и, в конечном счёте, доминированию текстуры типа (200). Анализ гистерезисных свойств слоя пермаллоя (Fe20Ni80) в рамках методических аспектов, описанных выше, позволил установить, что слой Cr-Mn во всём диапазоне температур подложки, скорее всего, антиферромагнитен. Ещё одним фактором воздействия на микроструктуру и свойства плёнок является электрическое смещение на подложке. Соответствующий эксперимент показал, что в структурном отношении образцы, полученные при наличии и в отсутствие электрического смещения достаточно близки. Однако по уровню магнитного гистерезиса плёнки Ta/Cr70Mn30/Fe20Ni80/Ta, сформированные без смещения, значительно превосходят свои стандартные аналоги, что рассматривается как следствие повышенной неоднородности микроструктуры. 4. Влияния буферных покрытий на кристаллическую структуру и магнитные свойства плёнок системы Cr-Mn. В рамках данного проекта осуществляется поиск условий образования анитиферромагнитного упорядочения в плёнках системы Cr-Mn и закономерностей варьирования их кристаллической структуры при наличии простого (Та) или составных (Ta/Cr, Ta/Fe, Ta/W) буферных покрытий. Исследовались образцы со слоистой структурой типа В/Cr80Mn20/Fe/Ta, где В – буферное покрытие. Их рентгеновская дифрактометрия показала, что при наличии покрытия Та в слое Cr80Mn20 могут реализовываться как текстурованное, так и нетекстурованное структурные состояния. В других случаях плёнкам была свойственна текстура типа (110). Анализ гистерезисных свойств слоя Fe, присутствовавшего во всех образцах, предположительно показал наличие антиферромагнетизма в слое Cr80Mn20 независимо от состава буферного слоя. В целом, результаты, полученные в ходе выполнения проекта, приводят к заключению, что система Cr-Mn отличается повышенной нестабильностью в реализации структурного состояния, что усложняет процесс исследования и придаёт ему вероятностный характер. Тем не менее определённые обобщающие выводы по проделанной работе сделать можно. Они состоят в следующем: 1) в рамках метода магнетронного распыления отработана методика получения многослойных плёнок, включающих слои Cr, Fe, Ta, W, Fe20Ni80 и системы Cr(100-x)Mn(x) (0≤x≤100) с контролируемыми составом и толщиной; 2) слои Cr(100-x)Mn(x) в составе плёночных образцов Ta/Cr(100-x)Mn(x)/Ta являются нанокристаллическими. При x≤40 они имеют ОЦК кристаллическую решётку и, как правило, характеризуются кристаллической текстурой двух типов – (110) или (200); Mn-обогащённые слои отличатся пониженной воспроизводимостью структурного состояния и наряду со следами вышеуказанных фаз могут содержать выделения дельта-Mn или гамма-Mn; 3) предложена методика индикаторного ферромагнитного слоя, с использованием которой показано, что при 10≤х≤40 бинарной системе с большой вероятностью присущ антиферромагнитный порядок, который может сохраняться до температур превышающих 500 К; 4) на примере плёнок Ta/Cr70Mn30/Fe20Ni80/Ta показано, что нагрев подложки до температур 200-400 ºС способствует повышению воспроизводимости структурного состояния бинарного слоя с кристаллической текстурой типа (200), при сохранении в нём признаков антиферромагнитного упорядочения; 5) определены тенденции в изменении структурного состояния и магнетизма плёнок типа B/Cr80Mn20/Fe/Ta, где B= Та, Ta/Cr, Ta/Fe, Ta/W. Показано, что состав буферного слоя отражается на кристаллической текстуре, но не оказывает существенного влияния на антиферромагнетизм бинарного слоя при комнатной температуре.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Научное исследование, реализованное в рамках данного проекта, ориентировано на создание физических основ синтеза новых и эффективных плёночных сред, проявляющих обменное смещение. При этом в качестве антиферромагнитной основы выбран мало исследованный сплав Cr-Mn, температура Нееля которого в массивном состоянии значительно превышает комнатную температуру (~600 K). На данном этапе основной задачей проекта являлась оптимизация композиционно-структурного состояния Cr-Mn как источника обменного смещения в плёночных структурах типа антиферромагнетик/ферромагнетик. Для её решения поставлен ряд целенаправленных экспериментов и разработана компьютерная модель указанной среды. Получены следующие основные результаты. На примере многослойных плёнок glass/B/Cr80Mn20(L)/Fe/Ta определены закономерности влияния различных буферных покрытий (B = Ta, Ta/Сr, Ta/Fe, Ta/W) на структуру и гистерезисные свойства данных композитов. С помощью рентгеновской дифрактометрии показано, что в зависимости от материала буферного покрытия в поликристаллических слоях Cr-Mn возможно несколько вариантов структурного состояния: изотропное распределение кристаллитов, состояние с высокой степенью текстуры типа (110), и неоднофазные состояния, включающие как изотропную, так и текстурованную составляющие по типу (110) или по типу (200). Наиболее вероятной причиной такого разнообразия является различие в соотношении между параметрами кристаллических решёток буферных покрытий и слоя Cr-Mn. На основании косвенных данных сделано заключение, что независимо от характера структуры слоям Cr-Mn свойственен антиферромагнетизм. Однако он воплощается в эффект обменного смещения в прилегающих ферромагнитных слоях только при достаточно большой толщине L антиферромагнитного слоя. Если же обменное смещение присутствует, то его величина проявляет определённую связь с состоянием структуры Cr-Mn. Наибольшее значения поля обменного смещения Hex в слое Fe получено для плёнки на Та, в которой нет кристаллической текстуры. Проанализирована эффективность антиферромагнетика Cr-Mn как источника обменного смещения в связи с составом прилегающих ферромагнитных слоёв. Установлено, что возникновение данного эффекта в разных ферромагнетиках происходит при разной толщине антиферромагнитного слоя. В частности, в ряду Fe20Ni80, Fe, Fe48Co32B20, Fe10Co90 величина L возрастает от 50 до 300 нм. При этом варьируется и величина константы межслойной обменной связи Кe. Максимального значения (Кe=0,05 эрг/см^2) она достигает в паре Cr70Mn30/Fe, что можно рассматривать как следствие сходства кристаллических структур этих материалов и соответственно более регулярного структурного сочленения слоёв. В целом полученная экспериментальная информация показывает, что Cr-Mn существенно отличается от других антиферромагнетиков, использующихся в структурах с обменным смещением, для которых типичные значения L составляют ~20 нм, а Кe многократно выше. Вероятной причиной указанного расхождения может быть низкая константа анизотропии материала К и соответственно низкая энергия магнитной анизотропии отдельных кристаллитов, которая и определяет их устойчивость к переключению под действием обменной связи с ферромагнитным слоем. Выполнены эксперименты по модификации интерфейса между ферромагнитным и антиферромагнитными слоями за счёт изменения шероховатости поверхностей слоёв и путём введения между слоями прослойки Mn. Согласно литературным данным, тот и другой факторы могут существенно влиять на эффективность межслойной обменной связи. В наше случаем шероховатость S, определённая на поверхности плёнок glass/B/Cr80Mn20/Fe/Ta, варьировалась при изменении состава буферных слоёв В от 0,2 нм для В=Ta/Cr до 0,4 нм для В=Ta/W. Однако корреляция между величиной S и полем обменного сменщения не обнаружилась. Введение прослойки Mn толщиной до 1 нм в структуру Cr70Mn30/Mn(L)/Fe20Ni80 также не дало желаемого результата. В пределах естественной погрешности в воспроизводимости свойств образцов их гистерезисные характеристики оказались неизменными: Hex = (20 ± 3) Э, Hc = (15 ± 2) Э. Установлены закономерности изменения магнитных свойств композитов типа (Cr-Mn)/(Gd-Co), в которых аморфный ферримагнитный слой Gd-Co характеризуется перпендикулярной магнитной анизотропией. Эксперимент выполнен на образцах glass/Ta/Gd21.5Co78.5/Ta и glass/Ta/Cr70Mn30(L)/Gd21.5Co78.5/Ta, первый из которых в интервале температур 5<Т<400 К обладает перпендикулярной анизотропией и в котором около Т=280 К реализуется магнитная компенсация. Однако в композитах независимо от толщины антиферромагнитного слоя (40<L<200 нм) полная магнитная компенсация не наблюдается, а минимум на температурной зависимости намагниченности сдвигается в область низких температур (T~50 K). Кроме того, в композитах при комнатной температуре реализуется так называемое «закритическое» магнитное состояние. Дана трактовка наблюдаемым изменениям, которая исходит из частичной и неоднородной по толщине магнитной дезактивации Gd за счёт диффузии в аморфный слой атомов Mn из слоя Cr-Mn. В программном пакете Mumax3 разработана микромагнитная модель перемагничивания двухслойной плёночной структуры типа ферромагнетик/антиферромагнетик. При построении модели антиферромагнитный слой представлен как поликристаллическая ферромагнитная среда, в которой отключены обменная и магнитостатическая связи между кристаллитами, а также взаимодействие с внешним магнитным полем. Кроме того, температурные флуктуации магнитных моментов представлены как результат действия случайного импульсного магнитного поля, поликристаллическая структура задана как совокупность сквозных многогранников Воронова, а объёмное различие кристаллитов по энергии магнитной анизотропии представлено на языке дисперсии константы магнитной анизотропии. Модель протестирована на зависимости поля обменного смещения от толщины антиферромагнитного слоя в структуре типа Cr70Mn30/Fe20Ni80. При этом использованы реальные магнитные и структурные параметры слоистых составляющих данного композита. Установлено, что рассчитанная зависимость Hex(L) достаточно хорошо воспроизводит характерные особенности соответствующей экспериментальной зависимости, но в области больших L приводит к существенно большим значениям Hex. Сделано заключение о необходимости доработки модели на пути поиска более адекватного соотношения как магнитных, так и структурных параметров. В целом изложенные результаты подводят итог двухлетнего исследования потенциала сплава Cr-Mn как источника обменного смещения в плёночных структурах типа ферромагнетик/антиферромагнетик. Для этого были поставлены многочисленные эксперименты по изучению влияния элементного состава и толщины Cr-Mn, состояния его поверхности, состава контактирующих с ним ферромагнитных и ферримагнитных слоёв, а также ряда технологических приёмов на кристаллическую структуру и гистерезисные свойства плёнок типа (Cr-Mn)/ферромагнетик. Полученные закономерности позволяют сделать следующее обобщение. Высокотемпературный антиферромагнетизм присущ плёнкам Cr-Mn при содержании марганца в диапазоне от 10 до 50 ат % Mn, а слои этого сплава способны поддерживать обменное смещение в прилегающих ферромагнитных слоях вплоть до температур ~550 K. Наряду с этим антиферромагнитные слои, имеющие ОЦК структуру, характеризуются относительно низкой магнитной анизотропией, что негативно сказывается на устойчивости антиферромагнитных кристаллитов к переключению под действием прилегающих ферромагнитных слоёв. Это, в свою очередь, приводит к высокой чувствительности гистерезисных свойств двухслойных композитов к состоянию микроструктуры, нюансы которой могут варьироваться под действием неконтролируемых технологических факторов. Таким образом, несмотря на относительно высокий уровень температур блокировки, который генерирует Cr-Mn, его функциональность требует совершенствования, как минимум, в части магнитной анизотропии, для поиска путей повышения которой нужно специальное исследование.