Магнитные свойства и гигантский магнитный импеданс многослойных пленочных элементов на основе пермаллоя : диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук : 01.04.11

Тонкие магнитные пленки и многослойные пленочные структуры широко
используются в электронных устройствах и сенсорных системах, включая
робототехнику, приборы магнитного неразрушающего контроля и автоматики, а
также в сфере биомедицинских приложений. Разработка магнитных сенсорных
элементов нового поколения требует развития новых физических подходов к
созданию планарных наноструктур, совершенствования технологии их получения
и методов всестороннего исследования [1-2]. Данное научное направление
относится к группе приоритетных направлений развития науки, технологий и
техники в Российской Федерации, разряду критических технологий, таких как
индустрия наносистем, технологии наноустройств и микросистемной техники.
Функциональные пленочные структуры активно используются в качестве
сред для сенсорных устройств [3-4]. Тонкопленочные сенсорные элементы
хорошо совместимы с существующей полупроводниковой технологией
электронных схем и методами интеграции. Кроме того, они наиболее полно
соответствуют существующим требованиям миниатюризации в микро- и
наноэлектронике.
Структура и свойства тонких магнитных пленок могут существенно
отличаться от массивных аналогов соответствующего состава. Это обусловлено
спецификой процесса формирования пленочных структур путем конденсации
вещества на поверхности твердой или гибкой подложки. В научной литературе
нет единого мнения о том, что такое «тонкая магнитная пленка». Тонкой
магнитной пленкой называют слой магнитного материала толщиной от
нескольких ангстрем (Å) до 1000 нм, т.е. понятие «пленка» при данном подходе
связано с представлением о геометрических параметрах образца, один из
размеров которого много меньше двух других, а также с наличием подложки.
Также можно опираться на термин «размагничивающий фактор»: магнитные
плёнки характеризуются большим размагничивающим фактором в направлении
нормали к поверхности во всех точках, удалённых от края плёнки на расстояние,
равное её толщине или большее. Кроме того, существует подход, в рамках
которого магнитную плёнку считают тонкой, начиная с толщины, ниже которой в
ней реализуется сквозная доменная структура.
Магнитные плёнки можно классифицировать исходя из их наиболее общих
свойств: по агрегатному состоянию; по типу магнитного упорядочения; по
составу; по преобладающему типу анизотропии; по величине коэрцитивной силы
(магнитомягкие и магнитотвердые). Особый интерес с точки зрения нанофизики и
создания современных электронных устройств и сенсорных систем представляют
многослойные пленочные структуры с чередованием магнитных и немагнитных
слоев [5-6]. Подобные наноструктуры представляют основу для создания
функциональных сред различного назначения, таких как специализированные
детекторы малых полей, к которым относятся магнитные датчики давления и
биодатчики [7-8].
«Функциональные материалы» — это среды, обладающие «настраиваемыми»
физико-химическими и механическими свойствами, которые в совокупности
обеспечивают использование этих материалов в качестве рабочего элемента в
конкретном устройстве или конструкции [9]. Создание оптимального материала
предполагает усиление каких-либо свойств (например, индуцирование магнитной
анизотропии) в уже имеющемся материале, что требует привлечения
современных и создания новых экспериментальных и теоретических подходов.
К наиболее востребованным функциональным материалам следует отнести
среды для специализированных детекторов малых магнитных полей, в основе
действия которых могут лежать различные эффекты: эффект Холла, эффект
анизотропного магнитосопротивления, гигантский или туннельный
магниторезистивныe эффекты, гигантский магнитный импеданс и другие [1].
Ввиду очень высокой чувствительности по отношению к внешнему магнитному
полю гигантский магнитоимпедансный эффект (ГМИ) является особенно
перспективным для решения научной проблемы, связанной с увеличением
чувствительности магнитных сенсоров путем разработки новых технологий
создания пленочных детекторов, адаптированных к особенностям современной
полупроводниковой электроники.
Явление ГМИ заключается в изменении полного электрического
сопротивления ферромагнитного проводника при протекании по нему тока
высокой частоты и приложении внешнего магнитного поля. Явление ГМИ
описывается на основе изменения динамической магнитной проницаемости
магнитомягкого материала (μ) и величины скин-слоя в рамках классической
электродинамики [10]. В разделе 1.1 приведены физическое обоснование эффекта
и его исследование с исторической точки зрения. Этот эффект наблюдается в
аморфных и нанокристаллических ферромагнетиках в форме лент, проволок,
микропроводов в стеклянной оболочке и пленочных структур [11]. Высокий