Badanie uporządkowania magnetycznego w ultracienkich warstwach kobaltu w pobliżu reorientacji spinowej.

Transkrypt

1 Tel.: , Fax: Zakład Fizyki Magnetyków Uniwersytet w Białymstoku Ul.Lipowa 41, Białystok vstef@uwb.edu.pl Praca magisterska Badanie uporządkowania magnetycznego w ultracienkich warstwach kobaltu w pobliżu reorientacji spinowej. W. Stefanowicz Promotor prof. dr hab. A. Maziewski

2 Plan Wstęp obiekty badań Część teoretyczna : Symulacje rozkładów namagnesowania, procesów magnesowania, Model struktury domenowej w pobliżu reorientacji spinowej Teoretyczne obliczenia parametrów magnetooptycznych wielowarstw Część eksperymentalna: Magnetooptyczna mili-magnetometria Magnetooptyczna mikro-magnetometria Podsumowanie

3 Obiekt badań Ultracienka warstwa kobaltu ( płaska ) 8nm Ultracienka warstwa kobaltu ( klin ) 8nm Au d nm Au 2nm Co 2nm Co 2nm Au 2nm Au 2nm 1mm szafir Mo 1mm 1mm szafir Mo 1mm Podobne warstwy badano: M. Kisielewski, A. Maziewski, M. Tekielak, A. Wawro, T. Baczewski, Phys. Rev. Lett. 89 (22)

4 MBE z Instytutu Fizyki PAN w Warszawie Molecular Beam Epitaxy MBE (Riber EVA 32) Badane w pracy próbki wytworzono w IFPAN z Warszawy i w Orsay

5 Wpływ grubości Co oraz struktury warstw sąsiadujących na właściwości magnetyczne Energia anizotropii magnetycznej: θ M S E a = K 1eff sin 2 θ+k 2 sin 4 θ oś łatwego magnesowania Co Reorientacja spinowa M -2πM S 2 + K 1V + (K 1Sg + K 1Sd ) / d anizotropia objętościowa anizotropia powierzchniowa M d grubość warstwy łatwa oś K 1eff > mała grubość d 2nm duża grubość K 1eff < łatwa płaszczyzna

6 Symulacje numeryczne rozkładu namagnesowania w zerowym polu magnetycznym w pobliżu reorientacji spinowej z uwzględnieniem pierwszej stałej anizotropii Geometria badanej próbki M M m = M M S m 1 a) H= Oe d=1.72nm 1 a) H= Oe d=1.79nm,5 m -, x [nm ] -1 x [nm ] 1 a) H= Oe d=1.86nm a) H= Oe d=1.9nm m 3 m 3-1 x [nm ] -.5 x [nm] W symulacjach wykorzystano program OOMF W.Stefanowicz, M.Kisielewski, A. Maziewski. Molecular Phys. Rep (24) Prezentacja w postaci posteru na School on NANOSTRUCTURED SYSTEMS Będlewo 24

7 1 1 a) H= Oe 1 d=1.79nm b) H=1 Oe <m > m 3 m 3-1 x [nm] -1 x [nm] 1 d) H=9 Oe m x [nm] 1 c) H=4 Oe m H [Oe] Zależność wartości średniej składowej namagnesowania <m > od pola zewnętrznego, dla próbki d=1.79nm. Wstawki a)-d) pokazują rozkład namagnesowania m (x) dla różnych pól. -1 x [nm]

8 Model sinusoidalny uporządkowania magnetycznego w pobliżu reorientacji spinowej ( dθ sin ( ( )) K sin ( ( x)) sin( ( )) cos( ( )) y θ θ θ θ S S D p /2 )2 2 4 E = L d A + K x + M H x + M H x dx + E 1 2 // dx z M θ y m(x) = Θ sin(2πx/p) p x p = 2 π (8(1 1 Θ ) + Θ d l ex 2 l Θ 2 d 2 ex Minimalny period struktury domenowej wynosi 8πl ex przy d = 2l ex. p l ex * = 8πl d ex + 2π d l ex Rozwinięcie modelu z pracy M. Kisielewski et al. Phys.Rev. B (24)

9 Zależność periodu struktury domenowej i podatności magnetycznej od grubości próbki d 1 d* * podatność otrzymana w wyniku symulacji numerycznych rozkładów namagnesowania period obliczony, używając model sinusoidalny podatność otrzymana w wyniku symulacji numerycznych rozkładów namagnesowania podatność obliczona, dla struktury monodomenowej

10 Opis efektu Kerra z wykorzystaniem formalizmu Yeh a* rozwiązanie równań Maxwell a lub równań falowych dla każdej warstwy, uwzględnienie warunków brzegowych na granicach międzywarstwowych, wyliczenie współczynników odbiciowych i stałych magneto-optycznych. * Składam serdeczne podziękowania Dr. K. Postava (realizującego projekt NANOMAG-LAB za okazaną pomoc w opanowaniu tego modelu teoretycznego

11 Opis efektu Kerra z wykorzystaniem formalizmu Yeh a

12 Opis efektu Kerra z wykorzystaniem formalizmu Yeh a

13 Opis efektu Kerra z wykorzystaniem formalizmu Yeh a

14 Opis efektu Kerra z wykorzystaniem formalizmu Yeh a Wynik uzyskany przy pomocy programu przygotowanego w środowisku Mathematica dla następującej struktury Szafir\Mo(2nm)\Au(2nm)\Co(dnm)\Au(8nm) przy długości fali padającej λ=64 nm i kącie padania wiązki światła ϕ =5 o Zależność parametrów magnetooptycznych od grubości próbki d dla wektora magnetyzacji: (i) prostopadłego do powierzchni próbki (rys. z lewej) i (ii) w płaszczyźnie próbki w płaszczyźnie padania światła (rys. z prawej)

15 Magnetooptyczny mili-magnetometr. Schemat układu pomiarowego

16 Magnetooptyczna mili-magnetometria. Pomiar krzywych histerez. d=1.6nm d=1.67m d=1.74nm d=1.86nm d=2nm d=2.2nm Kąt skręcenie Kerra w funkcji amplitudy pola magnetycznego, przyłożonego prostopadłe do płaszczyzny próbki Co o grubości d.

17 Magnetooptyczna mili-magnetometria. Analiza krzywych histerez. θ Ks Mr Hc

18 Magnetooptyczna mili-magnetometria. Obliczenia stałych anizotropii H 1 i H 2. z doświadczenia: φ cos( θ ) = φ kerr max z analizy teoretycznej: K H = M S 2 K1 H = EA( θ) = K1 sin ( θ) + K2 sin ( θ) H MS cos( θ) M S d=2,1 nm krzywa teoretyczna dopasowana przy H 1 =21 Oe i H 2 =12 Oe d 1 d* punkty doświadczalne

19 Magnetooptyczny mikro-magnetometr. interfejs CCD Kamera polaryzatory lampa halogenowa Rejestracja obrazu Obraz A : zrobiony w stanie pozostałościowym po nasyceniu próbki polem -H IBM PC beam-splitter obiektyw H H Zasilacz pola H I + (i,j) cewka H próbka Obraz B : zrobiony w stanie pozostałościowym po nasyceniu próbki polem +H H czas I - (i,j) Obróbka obrazów: I + (i,j) - I - (i,j) I (i,j) = Φ I + (i,j) + I - (i,j) MAX m r Obraz B - A : różnica pomiędzy obrazem B oraz obrazem A

20 Wstępne obserwacje struktury domenowej podczas procesu magnesowania próbki Au/Coklin/Au H =165Oe H =168Oe H =171Oe H =173Oe H =175Oe,5 mm

21 Podsumowanie Co zostało zrealizowane 1. Wykonano symulacje rozkładu namagnesowania oraz procesów namagnesowania w pobliżu reorientacji spinowej 2. Rozwinięto model teoretyczny sinusoidalnej struktury domenowej w pobliżu reorientacji spinowej (uwzględniono drugą stałą anizotropii) 3. Opracowano program komputerowy do wyliczenia parametrów magnetooptycznych z wykorzystaniem formalizmu Yeh a 4. Wykonano wstępne pomiary magnetooptycznym milimagnetometrem klina ultracienkiego kobaltu (wyznaczono zależność stałych anizotropii od grubości 5. Wykonano wstępne wizualizacje struktury domenowej w ultracienkiej warstwie kobaltu (zarejestrowano w pobliżu reorientacji spinowej) Co jest planowane 1. Analiza obrazów struktury domenowej w pobliżu reorientacji spinowej 2. Przeanalizowanie rozkładów magnetyzacji w pobliżu reorientacji z uwzględnieniem stałej anizotropii K 2 3. Porównanie wyników doświadczalnych z teorią, symulacjami