{"id":48,"date":"2019-10-18T11:03:03","date_gmt":"2019-10-18T09:03:03","guid":{"rendered":"http:\/\/labfiz.uwb.edu.pl\/lab\/and\/?page_id=48"},"modified":"2019-10-18T12:52:43","modified_gmt":"2019-10-18T10:52:43","slug":"nanomagnetyzm","status":"publish","type":"page","link":"http:\/\/labfiz.uwb.edu.pl\/lab\/and\/pl\/badania\/nanomagnetyzm\/","title":{"rendered":"Nanomagnetyzm"},"content":{"rendered":"

Nanostruktury magnetyczne na pod\u0142o\u017cach ze z\u0142aman\u0105 symetri\u0105 translacyjn\u0105<\/strong>
\n<\/strong><\/p>\n

 <\/p>\n

Wst\u0119p<\/strong>  <\/p>\n

Naruszenie symetrii translacyjnej powierzchni pod\u0142o\u017ca,  prowadzi do modyfikacji struktury elektronowej, co w efekcie istotnie zmienia w\u0142a\u015bciwo\u015bci magnetyczne. Jest to szczeg\u00f3lnie widoczne w uk\u0142adach niskowymiarowych, gdzie wp\u0142yw powierzchni, a zw\u0142aszcza niemagnetycznego pod\u0142o\u017ca, odgrywa cz\u0119sto decyduj\u0105c\u0105 rol\u0119. Jednym z rodzaj\u00f3w obiekt\u00f3w o obni\u017conej wymiarowo\u015bci s\u0105 ultracienkie warstwy magnetyczne. W fizyce materii skondensowanej poj\u0119cie ultracienkiej warstwy oznacza warstw\u0119 o grubo\u015bci kilku odleg\u0142o\u015bci mi\u0119dzyatomowych [9]. Warstwy te posiadaj\u0105 wiele interesuj\u0105cych w\u0142asno\u015bci [10], kt\u00f3re istotnie r\u00f3\u017cni\u0105 si\u0119 od odpowiednich w\u0142asno\u015bci cienkich warstw o rozmiarach mikronowych, czy te\u017c materia\u0142\u00f3w litych.<\/p>\n

\"\"<\/p>\n

Rys. 1 Ultracienkie struktury magnetyczne <\/p>\n

Wiele interesuj\u0105cych zjawisk fizycznych w \u015bwiecie rozwoju nanotechnologii obiekt\u00f3w magnetycznych odkryto w ci\u0105gu ostatnich kilkunastu lat. We wsp\u00f3\u0142czesnej fizyce, ogromne znaczenie poznawcze takich obiekt\u00f3w jest zwi\u0105zane z odkryciami wielu ciekawych efekt\u00f3w, jak chocia\u017cby zjawisko gigantycznego magnetooporu (uhonorowane nagrod\u0105 Nobla w 2007r.), kwantowe efekty tunelowania, procesy zachodz\u0105ce w uk\u0142adach spintronicznych, czy te\u017c nowe \u017ar\u00f3d\u0142a anizotropii magnetycznej. Post\u0119p technologii oraz nowe odkrycia prowadz\u0105 r\u00f3wnie\u017c do zastosowania nanouk\u0142ad\u00f3w w produkcji magnetycznych czujnik\u00f3w (np. w tomografii rezonansowej) oraz system\u00f3w informacyjnych (np. w pami\u0119ciach MRAM \u2013 ang. Magnetoresistive Random Access Memory) z ci\u0105gle malej\u0105c\u0105 aktywn\u0105 powierzchni\u0105 no\u015bnik\u00f3w oraz wzrastaj\u0105c\u0105 g\u0119sto\u015bci\u0105 zapisu bitowego. Wytworzenie warstw o grubo\u015bci kilku nanometr\u00f3w nie jest mo\u017cliwe bez odpowiedniego pod\u0142o\u017ca, kt\u00f3rego wyb\u00f3r cz\u0119sto decyduje o jako\u015bci tych warstw oraz ich w\u0142a\u015bciwo\u015bciach. W nanostrukturach magnetycznych wytwarzanych na odpowiednio \u201estrukturyzowanych\u201d powierzchniach schodkowych (ang. vicinal surface), w postaci taras\u00f3w rozdzielaj\u0105cych monoatomowe schodki, wyst\u0119puje zmiana symetrii otoczenia jonu magnetycznego na powierzchni oraz na kraw\u0119dzi schodk\u00f3w w por\u00f3wnaniu z symetri\u0105 w obj\u0119to\u015bci warstwy. W przypadku pod\u0142o\u017ca schodkowego, z\u0142amanie symetrii translacji powoduje zmniejszenie koordynacji s\u0105siednich atom\u00f3w powierzchniowych na kraw\u0119dziach schodk\u00f3w, spowodowanej zerwaniem ich wi\u0105za\u0144 chemicznych. Naruszenie wi\u0105za\u0144 prowadzi do redukcji symetrii w ultracienkiej warstwie magnetycznej ze znacz\u0105cym wk\u0142adem powierzchniowym do anizotropii magnetycznej, zgodnie z modelem par spinowych N\u00e9el\u2019a [11]. Za\u0142o\u017cenie teoretyczne w tym modelu polega\u0142o na uwzgl\u0119dnieniu z\u0142amania symetrii nie tylko w kierunku prostopad\u0142ym (wzrostu), ale r\u00f3wnie\u017c r\u00f3wnoleg\u0142ym w p\u0142aszczy\u017anie warstwy. Pierwsze eksperymentalne potwierdzenie tej magnetycznej anizotropii by\u0142o uzyskane w zespole Gradmann\u2019a w latach sze\u015b\u0107dziesi\u0105tych XX wieku [12]. Bardzo interesuj\u0105cym przypadkiem modyfikacji anizotropii powierzchniowej jest mo\u017cliwo\u015b\u0107 indukowania struktur\u0105 schodkow\u0105 dodatkowej anizotropii magnetycznej w p\u0142aszczy\u017anie warstwy, kt\u00f3rej istnienie po raz pierwszy by\u0142o zaobserwowane oko\u0142o 30 lat p\u00f3\u017aniej [13]. Prze\u0142omem w badaniach nanostruktur magnetycznych by\u0142 burzliwy rozw\u00f3j technologii wytwarzania ultracienkich warstw w warunkach ultrawysokiej pr\u00f3\u017cni, powstaniem nowych metod charakteryzacji powierzchni oraz bada\u0144 magnetycznych i magnetooptycznych. W pracach [14,15], kt\u00f3re s\u0105 cz\u0119sto cytowane, by\u0142 zaobserwowany in-situ<\/em> w temperaturze 150 K wp\u0142yw pod\u0142o\u017ca schodkowego na spinow\u0105 reorientacj\u0119 oraz anizotropi\u0119 magnetyczn\u0105 w uk\u0142adzie Fe\/Ag. Zmiana krytycznej grubo\u015bci tej reorientacji wynosi\u0142a najwy\u017cej wielko\u015b\u0107 grubo\u015bci jednowarstwowej, co stanowi\u0142o wzrost zaledwie o ok. 15% grubo\u015bci krytycznej dla p\u0142askiego pod\u0142o\u017ca. W uk\u0142adach Co\/Au [16] obserwowano in-situ<\/em> r\u00f3wnie\u017c niewielk\u0105 zmian\u0119 zakresu spinowej reorientacji, przy czym grubo\u015b\u0107 krytyczna by\u0142a nawet mniejsza w por\u00f3wnaniu z grubo\u015bci\u0105 dla pod\u0142o\u017ca p\u0142askiego. W\u015br\u00f3d interesuj\u0105cych niskowymiarowych obiekt\u00f3w badanych nale\u017cy wymieni\u0107:  uzyskane samoorganizacje atomowych \u0142a\u0144cuch\u00f3w Co na pod\u0142o\u017cu schodkowym Pt [17], ultracienkie paski atom\u00f3w Fe [18], matryce uporz\u0105dkowanych klaster\u00f3w Co [19], itd. Z przegl\u0105du literatury, dotycz\u0105cego bada\u0144 wp\u0142ywu pod\u0142o\u017ca na magnetyzm nanoszonych na nie nanostruktur, mo\u017cna zauwa\u017cy\u0107, i\u017c istotna cz\u0119\u015b\u0107 bada\u0144 magnetycznych zosta\u0142a przeprowadzona w warunkach ultawysokiej pr\u00f3\u017cni, a wi\u0119c in-situ<\/em>, a najbardziej znacz\u0105ce wyniki by\u0142y uzyskane przy bezpo\u015brednim wzro\u015bcie nanostruktur magnetycznych na monokryszta\u0142ach, takich jak Ag, Au, Cu, Pt itp. Oczywi\u015bcie takie podej\u015bcie daje jako\u015bciowo dobre warunki wzrostu warstw magnetycznych, ale r\u00f3wnie\u017c stanowi szereg istotnych ogranicze\u0144, np. w zakresie modyfikacji anizotropii magnetycznej, energii powierzchniowej, struktury krystalograficznej warstw, jak te\u017c w aplikacjach.<\/p>\n

Wyniki<\/b><\/p>\n

Tematyka bada\u0144 obejmuje kompleksowe badania nanostruktur magnetycznych na powierzchniach ze z\u0142aman\u0105 symetri\u0105 translacyjn\u0105. G\u0142\u00f3wna idea bada\u0144 polega\u0142a na wykorzystaniu pod\u0142o\u017ca (Al2<\/sub>O3<\/sub>, Mo, W, Si) ze struktur\u0105 schodkow\u0105 (schodki monoatomowe oraz grupy schodk\u00f3w) w postaci szablonu, na kt\u00f3ry przed wytworzeniem warstwy magnetycznej, nanoszona by\u0142a warstwa buforowa (Mo, Cu, Au).<\/p>\n

\"\"<\/p>\n

Rys. 2 Pod\u0142o\u017ca schodkowe o r\u00f3\u017cnycm nachyleniu oraz morfologii<\/p>\n

 
\nW kolejnym kroku wszystkie pr\u00f3bki zosta\u0142y zabezpieczone (przed utlenianiem) cienk\u0105 warstw\u0105 Au w celu przeprowadzenia bada\u0144 ex-situ. Badane pr\u00f3bki zosta\u0142y przygotowane z wykorzystaniem techniki epitaksji z wi\u0105zek molekularnych (MBE) w warunkach ultrawysokiej pr\u00f3\u017cni (UHV). Badania powierzchni oraz parametr\u00f3w strukturalnych warstw wykonano przy pomocy technik in-stu takich jak dyfrakcja elektronowa (RHEED i LEED) oraz skaningowa mikroskopia tunelowa (STM). Stwierdzono bardzo silny wp\u0142yw struktury pod\u0142o\u017ca oraz warstw buforowych na uporz\u0105dkowanie magnetyczne ultracienkiej warstwy kobaltu. G\u0142\u00f3wne pomiary magnetyczne i optyczne zosta\u0142y przeprowadzone przy wykorzystaniu technik rezonansu ferromagnetycznego (FMR) w pa\u015bmie X, magnetometrii i mikroskopii magnetooptycznego efektu Kerra (MOKE) oraz magnetooptycznej spektroskopii generacji drugiej harmonicznej (MSHG). G\u0142\u00f3wne kierunki badawcze by\u0142y zwi\u0105zane z: – modyfikacj\u0105 zar\u00f3wno anizotropii magnetokrystalicznej jak te\u017c i magnetycznej anizotropii indukowanej powierzchni\u0105 schodkow\u0105 oraz powierzchni\u0105 warstw buforowych w uk\u0142adach Co\/Si, Co\/Au i Co\/Cu,. <\/p>\n

\"\"<\/p>\n

Rys. 3 Modyfikacja anizotropii magnetycznej [1,5,7]<\/p>\n

– indukowaniem prostopad\u0142ej sk\u0142adowej magnetyzacji oraz spinowej reorientacji, od kierunku prostopad\u0142ego wzgl\u0119dem powierzchni warstwy do kierunku w p\u0142aszczy\u017anie, w szerokim zakresie (1-8 nm) grubo\u015bci warstwy kobaltu oraz r\u00f3\u017cnej geometrii pod\u0142o\u017ca W i Mo.<\/p>\n

\"\"<\/p>\n

Rys. 4 Indukowanie spinowej reorientacji w nanostrukturach kobaltu [4,6]<\/p>\n

– do opisu anizotropii magnetycznej warstw Co zaproponowano model fenomenologiczny, uwzgl\u0119dniaj\u0105cy jedynie parametry magnetyczne dla warstw na referencyjnym pod\u0142o\u017cu p\u0142askim oraz czynnik geometryczny zwi\u0105zany z nachyleniem pod\u0142o\u017ca schodkowego,<\/p>\n

\"\"<\/p>\n

Rys. 5 Model anizotropii magnetycznej warstw Co na pod\u0142o\u017cach schodkowych [2,6,7]<\/p>\n

– modyfikacj\u0105 tensora oddzia\u0142ywa\u0144 wymiennych w obszarze kraw\u0119dzi schodk\u00f3w z anizotropi\u0105 dynamiki \u015bciany domenowej. W szczeg\u00f3lno\u015bci, zaobserwowano wzrost pr\u0119dko\u015bci \u015bciany domenowej o oko\u0142o dwa rz\u0119dy wielko\u015bci dla warstw Au\/Co\/Au na pod\u0142o\u017cu Si z grupami schodk\u00f3w.<\/p>\n

\"\"
\nRys. 6 Anizotropia dynamiki \u015bciany domenowej [3,8]<\/p>\n

– mo\u017cliwo\u015b\u0107 \u201estrukturyzacji\u201d niemagnetycznej powierzchni pod\u0142o\u017ca w celu uzyskania samoorganizacji z obni\u017ceniem wymiarowo\u015bci nanoszonych na nie obiekt\u00f3w magnetycznych (np. druty, klastery, kropki). W pracy \u200e[20] zaprezentowano mo\u017cliwo\u015b\u0107 uzyskiwania na powierzchni schodkowej Si(111) regularnych kropek kobaltowych o g\u0119sto\u015bciach do Tbit\/in2<\/sup> (je\u017celi za\u0142o\u017cymy, \u017ce odpowiednikiem kropki jest bit).<\/p>\n

\"\"
\nRys. 7 Magnetyczna strukturyzacja<\/p>\n

Podsumowanie<\/b> <\/p>\n

Uzyskane wyniki mog\u0105 by\u0107 wykorzystane do tworzenia nowych system\u00f3w o zadanych w\u0142a\u015bciwo\u015bciach magnetycznych oraz redukcji wymiarowo\u015bci w skali atomowej. Szczeg\u00f3lnie interesuj\u0105ce s\u0105 po\u0142\u0105czenia magnetycznych nanostruktur metalicznych z p\u00f3\u0142przewodnikowym pod\u0142o\u017cem schodkowym, kt\u00f3re mog\u0105 by\u0107 kluczem do tworzenia urz\u0105dze\u0144 spintronicznych jak r\u00f3wnie\u017c strukturyzowanych uk\u0142ad\u00f3w magnetycznych.<\/p>\n

Literatura <\/strong><\/p>\n

    \n
  1. A. Stupakiewicz, Z. Kurant, A. Maziewski, L.T. Baczewski A. Maneikis, A.Wawro, J. Magn. Magn. Mater. 290-291, 242 (2005).<\/li>\n
  2. A. Stupakiewicz, R. Gieniusz, A. Maziewski, K. Postava, A. Wawro, L.T. Baczewski, phys. stat. sol. (b) 243, 202 (2006).<\/li>\n
  3. A. Stupakiewicz, M. Tekielak, A. Maziewski, V. Zablotskii, L.T. Baczewski, A. Wawro, J. Magn. Magn. Mater. 316, e136 (2007).<\/li>\n
  4. A. Stupakiewicz, A. Maziewski, M. \u015al\u0119zak, T. \u015al\u0119zak, M. Zaj\u0105c, K. Matlak, J. Korecki, J. Appl. Phys. 103, 07B520 (2008).<\/li>\n
  5. A. Stupakiewicz, A. Fleurence, A. Maziewski, T. Maroutian, P. Gogol, B. Bartenlian, R. M\u00e9gy, P. Beauvillain, IEEE Trans. Magn. Vol. 44, 11, 2887 (2008).<\/li>\n
  6. A. Stupakiewicz, A. Maziewski, K. Matlak, N. Spiridis, M. \u015al\u0119zak, T. \u015al\u0119zak, M. Zaj\u0105c, J. Korecki, Phys. Rev. Lett. 101, 217202 (2008).<\/li>\n
  7. A. Stupakiewicz, A. Kirilyuk, A. Fleurence, R. Gieniusz, T. Maroutian, P. Beauvillain, A. Maziewski, Th. Rasing, Phys. Rev. B 80, 094423 (2009).<\/li>\n
  8. A. Stupakiewicz, E. Vedmedenko, A. Fleurence, T. Maroutian, P. Beauvillain, A. Maziewski, R. Wiesendanger,  Phys. Rev. Lett. 103, 137202 (2009).<\/li>\n
  9. Ultrathin Magnetic structures red. J.A.C. Bland and B. Heinrich, Springer, Berlin, 1994<\/li>\n
  10. F.J. Himpsel, J.E. Ortega, G.J. Mankey, R.F. Willis, Advances in Physics 47, 511 (1998).<\/li>\n
  11. L. N\u00e9el, J. Phys. Rad. 15, 225 (1954).<\/li>\n
  12. U. Gradmann, J. M\u00fcller, Phys. Status Solidi 27, 313 (1968).<\/li>\n
  13. B. Heinrich, S.T. Purcell, J.R. Dutcher, K.B. Urquhart, J.F. Cochran, A.S. Arrott, Phys. Rev. B 38, 12879 (1988).<\/li>\n
  14. R.K. Kawakami, E.J. Escorcia-Aparicio, Z.Q. Qiu, Phys. Rev. Lett. 77, 2570 (1996).<\/li>\n
  15. R.K. Kawakami, M.O. Bowen, H.J. Choi, E.J. Escorcia-Aparicio, and Z.Q. Qiu, Phys. Rev. B 58, R5924 (1998).<\/li>\n
  16. G. Rodary, V. Repain, R.L. Stamps, Y. Girard, S. Rohart, A. Tejeda, and S. Rousset, Phys. Rev. B 75, 184415 (2007).<\/li>\n
  17. P. Gambardella, A. Dallmeyer, K. Maiti, M. C. Malagoli, W. Eberhardt, K. Kern, and C. Carbone, Nature, 416, 301 (2002).<\/li>\n
  18. O. Pietzsch, A. Kubetzka, M. Bode, and R.Wiesendanger, Phys. Rev. Lett. 84, 5212 (2000).<\/li>\n
  19. S. Rousset, V. Repain, G. Baudot, Y. Garreau, and J Lecoeur, J. Phys.: Condens. Matter 15, S3363 (2003).<\/li>\n
  20. E. Moyen, M. Mac\u00e9, G. Agnus, A. Fleurence, T. Maroutian, F. Houz\u00e9, A.Stupakiewicz, L. Masson, B. Bartenlian, W. Wulfhekel, P. Beauvillain and M. Hanb\u00fccken, Appl. Phys. Lett., 94, 233101 (2009).<\/li>\n<\/ol>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

    Nanostruktury magnetyczne na pod\u0142o\u017cach ze z\u0142aman\u0105 symetri\u0105 translacyjn\u0105   Wst\u0119p   Naruszenie symetrii translacyjnej powierzchni pod\u0142o\u017ca,  prowadzi do modyfikacji struktury elektronowej, co w efekcie istotnie zmienia w\u0142a\u015bciwo\u015bci magnetyczne. Jest to szczeg\u00f3lnie widoczne w uk\u0142adach niskowymiarowych, gdzie wp\u0142yw powierzchni, a zw\u0142aszcza … Czytaj dalej →<\/span><\/a><\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":0,"parent":23,"menu_order":0,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","template":"","meta":{"ngg_post_thumbnail":0,"footnotes":""},"categories":[],"tags":[],"class_list":["post-48","page","type-page","status-publish","hentry"],"_links":{"self":[{"href":"http:\/\/labfiz.uwb.edu.pl\/lab\/and\/wp-json\/wp\/v2\/pages\/48","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"http:\/\/labfiz.uwb.edu.pl\/lab\/and\/wp-json\/wp\/v2\/pages"}],"about":[{"href":"http:\/\/labfiz.uwb.edu.pl\/lab\/and\/wp-json\/wp\/v2\/types\/page"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"http:\/\/labfiz.uwb.edu.pl\/lab\/and\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"http:\/\/labfiz.uwb.edu.pl\/lab\/and\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=48"}],"version-history":[{"count":1,"href":"http:\/\/labfiz.uwb.edu.pl\/lab\/and\/wp-json\/wp\/v2\/pages\/48\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":61,"href":"http:\/\/labfiz.uwb.edu.pl\/lab\/and\/wp-json\/wp\/v2\/pages\/48\/revisions\/61"}],"up":[{"embeddable":true,"href":"http:\/\/labfiz.uwb.edu.pl\/lab\/and\/wp-json\/wp\/v2\/pages\/23"}],"wp:attachment":[{"href":"http:\/\/labfiz.uwb.edu.pl\/lab\/and\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=48"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"http:\/\/labfiz.uwb.edu.pl\/lab\/and\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=48"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"http:\/\/labfiz.uwb.edu.pl\/lab\/and\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=48"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}