Effect of Magnetic Field on the Morphology and Structural Characteristics of Cobalt-based Thin Film Systems as Sensitive Sensor Elements

Abstract

У роботі представлені результати досліджень впливу зовнішнього магнітного поля на морфологію поверхні трьох різних плівкових магнітних структур: одношарової плівки Со, гранульованого сплаву на основі Co і Ag та тришарової плівки Co/Gd/Co. Дослідження методом атомно-силової мікроскопії при кімнатній температурі показали суттєвий вплив магнітного поля на морфологію поверхні плівок та на структурні характеристики (середню арифметичну Ra, середню квадратичну шорсткість Rq, структурну ентропію S). При першому включенні магнітного поля (при H = 0.01 T) для всіх систем спостерігалося зменшення шорсткості поверхні (Ra, Rq), що зумовлено розпадом системи дефектів у плівкових зразках та переходом структури у новий стан. Причому найбільше зменшення шорсткості Ra на 19 % і Rq на 16% спостерігалось у гранульованих магнітних плівкових сплавах на основі Co-і Ag. Подальше збільшення магнітного поля практично не впливало на структурні характеристики, які залишалися сталими і після релаксації протягом 18 годин. У свою чергу, в одношарових плівках Со, при подальшому збільшенні величини магнітного поля H до 0.05 Т значення структурних характеристик (Ra, Rq, S) монотонно збільшувалось. Подальше збільшення напруженості магнітного поля до 0.1 Т майже не впливало на Ra, Rq, S. У тришаровій плівковій системі Co/Gd/Co подальше збільшення напруженості магнітного поля до 0.1 Т спричинило зростання параметрів шорсткості Ra та Rq за рахунок виникнення додаткових напружень у верхньому шарі Co. Такий ефект виникає за рахунок меншої коерцитивної сили нижнього шару Co, порівняно з верхнім шаром Co. В результаті цього нижній шар Co перемагнічується в менших магнітних полях порівняно з верхнім шаром, що додатково підвищує шорсткість поверхні плівкового зразка.

This work presents the results of a study of the influence of an external magnetic field on the surface morphology of three different thin-film magnetic structures were presented: a single-layer Co film, a granular film alloy based on Co and Ag, and a trilayer Co/Gd/Co film. Atomic force microscopy investigations at room temperature revealed a significant influence of the magnetic field on the surface morphology of the films and their structural characteristics (arithmetic mean Ra, root mean square Rq, structural entropy S). After the initial application of the magnetic field (at H = 0.01 T), a decrease in the surface roughness (Ra, Rq) was observed for all systems, which is associated with the destruction of the system of defects in the film samples and the transition of the structure to a new, more stable state. The most substantial reduction in roughness, with Ra decreasing by 19% and Rq by 16 %, was observed in the granulated magnetic films based on Co and Ag. Further increases in the magnetic field practically had no effect on the structural characteristics, which remained constant even after relaxation over 18 hours. In the case of the single-layer Co films, with a subsequent increase in the magnetic field strength to 0.05 T, the values of structural characteristics (Ra, Rq, S) monotonously increased. Further intensification of the magnetic field to 0.1 T almost did not affect Ra, Rq, S. For the trilayer Co/Gd/Co film system, further increasing the magnetic field intensity to 0.1 T led to an increase in the roughness parameters Ra and Rq, due to additional stresses in the upper Co layer. This effect was a result of the lower coercive force in the bottom Co layer compared to the upper Co layer. As a result, the lower Co layer magnetized at lower magnetic fields compared to the upper layer, which further increased the roughness of the film's surface.