Magnetic and Magnetoresistive Properties of Thin Film Alloys Based on Cobalt and Copper

Abstract

У даній роботі представлені результати дослідження впливу розмірного та концентраційного ефектів на структурно-фазовий стан, магніторезистивні та магнітні властивості відпалених при TВ = 700 K зразків тонкоплівкових сплавів на основі Co і Cu товщиною d = 40 нм у широкому діапазоні загальних концентрацій Co (18 ≤ cCo ≤ 69 ат. %). Зразки отримували методом одночасного випаровування у вакуумі з використанням двох незалежних електронних гармат. Встановлено, що зразки тонкоплівкових сплавів із загальною концентрацією кобальту cCo ≤ 22 ат. % характеризуються переважно суперпарамагнітним станом, при якому гранули ГЩП-Co розміром L = 5÷12 нм були розміщені в матриці твердого розчину (т.р.) Cu(Co) на основі ГЦК-Cu. Збільшення загальної концентрації Co у плівковому сплаві до cCo = 37 ат. % призвело до збільшення розмірів магнітних гранул до L = 7÷20 нм та зменшення відстані між ними. У зразках плівкових сплавів з концентрацією кобальту 56 ≤ cCo ≤ 69 ат. % гранули ГЩП-Co розміром L = 8÷25 нм об’єднувалися у феромагнітні кластери, а об’єм між кластерами був заповнений т.р. ГЦК-Cu(Co). Максимальні значення ГМО, виміряні у зовнішньому магнітному полі Hмакс = 15 кЕ при кімнатній температурі, було отримано для зразка з загальною концентрацією кобальту cCo = 22 ат.%. Амплітуда значень ГМО при цьому становила 3.8 % та 4.1 % у перпендикулярній та поздовжній геометріях вимірювання відповідно. Плівкові сплави з загальною концентрацією кобальту 18 ≤ cCo ≤ 22 ат. % характеризувалися ізотропним магнітоопором. Зростання загальної концентрації кобальту у плівковому сплаві до cCo ≥ 28 ат. % призвело до виникнення магнітної анізотропії та анізотропного магнітоопору. Це може бути пов’язано з появою феромагнітних взаємодій між гранулами кобальту. Низькотемпературні вимірювання магнітоопору при Твим = 5 К зразка плівкового сплаву з загальною концентрацією кобальту cCo = 18 ат. % показали зростання амплітуди ГМО в 2,1 рази (ГМО = 11.1 %) порівняно з амплітудою ГМО = 5.18 %, виміряною при кімнатній температурі у зовнішньому магнітному полі Hмакс = 90 кЕ. При збільшенні температури вимірювання до Твим = 350 K амплітуда ГМО зменшилася і становила 4,5 %. Це пов’язано із збільшенням розсіювання електронів на фононах з ростом температури.

This work presents the results of a study of the influence of dimensional and concentration effects on magnetoresistive and magnetic properties and structural-phase state of annealed at Ta = 700 K samples of thin film alloys based on Co and Cu with thickness d = 40 nm in a wide range of total concentrations of Co (18 ≤ cCo ≤ 69 at. %). The samples were obtained by the method of co-evaporation in vacuum using two independent electron guns. It was found that samples of thin film alloys with a total concentration of cobalt cCo ≤ 22 at. % are characterized mainly by a superparamagnetic state in which hcp-Co granules with size L = 5÷12 nm were placed in a matrix of Cu(Co) solid solution (s.s.) based on fcc-Cu. The increase in the total concentration of Co in thin film alloys to cCo = 37 at. % led to an increase in the size of the magnetic granules to L = 7÷20 nm and a decrease in the distance between them. In samples of thin film alloys with a cobalt concentration of 56 ≤ cCo ≤ 69 at. %, hcp-Co granules with size L = 8÷25 nm were combined into ferromagnetic clusters, and the volume between the clusters was filled with fcc-Cu(Co) s.s.. The maximum giant magnetoresistance (GMR) values, measured in an external magnetic field Hmax = 15 kOe at room temperature, were obtained for a sample with a total concentration of cobalt cCo = 22 at. %. The amplitude of GMR values was 3.8 % and 4.1 % in the perpendicular and longitudinal measurement geometries, respectively. Thin film alloys with a total cobalt concentration of 18 ≤ cCo ≤ 22 at. % were characterized by isotropic magnetoresistance. The increase in the total concentration of cobalt in thin film alloys to cCo ≥ 28 at. % led to the emergence of magnetic anisotropy and anisotropic magnetoresistance. This may be due to the appearance of ferromagnetic interactions between cobalt granules. Low-temperature measurements of magnetoresistance at Тmeas = 5 K of the sample with a total cobalt concentration cCo = 18 at. % showed an increase in the amplitude of GMR by 2.1 times (GMR = 11.1 %) compared with the amplitude of GMR = 5.18 % measured at room temperature in an external magnetic field Hmax = 90 kOe. With increasing measurement temperature to T = 350 K the amplitude of GMR decreased and amounted to 4.5 %. This is due to the increase in electron scattering by phonons with increasing temperature.