Спосіб визначення спінової поляризації приповерхневих електронів провідності феромагнетиків

Изобретение относится к области анализа материалов путем измерения магнитных свойств образцов и может быть использовано при изучении тонкой структуры поверхностной намагниченности с пространственным разрешением, близким к атомарным. Известен способ определения спиновой поляризации приповерхностных электронов Моттовским анализатором [1]. Способ включает размещение исследуемой поверхности в высоком вакууме, облучение ее оптическим или электронным пучком, ускорение эмитировавших с поверхности электронов в электрическом поле и направление их на рассеивающую мишень. Электроны, рассеянные мишенью, регистрируются двумя детекторами, например, электронными умножителями. Из сравнения скоростей счета этих двух детекторов определяют поляризацию электронных потоков, эмитирующих с исследуемой поверхности. Недостатком такого способа является низкая точность определяемой характеристики вследствие анализа разностного сигнала рассеянных электронов, создаваемого эмитированным электронным потоком, который имеет низкую интенсивность. Способ непроизводителен и время исследования одной поверхности достигает нескольких минут, так как пространственное разрешение определяется размером пятна зондирующего излучения и дрейфом за время измерения и составляет не более десятков нанометров. В качестве прототипа выбран способ регистрации спин-поляризации приповерхностных электронов с помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) [2]. Способ включает регистрацию туннельного тока при приближении острия зонда, выполненного из ферромагнитного материала на основе переходных металлов, к исследуемой поверхности, затем перемагничивают острие зонда на противоположное направление и вновь измеряют туннельный ток значениям определяют поляризации электронов формуле где величина По полученным степень спиновой проводимости по туннельного тока до перемагничивания острия зонда, - после перемагничивания. Недостатком этого способа является наличие эффекта магнитострикции в процессе перемагничивания, что приводит к повышению гистерезисного шума, уменьшению резонансной частоты системы острие - пьезоперемещатель, то есть снижение точности измерения. В основу изобретения поставлена задача усовершенствовать способ измерения спиновой поляризации приповерхностных электронов проводимости ферромагнетиков, в котором изменение ферромагнитного состояния на парамагнитное острие зонда путем нагревания и охлаждения обеспечивает повышение точности измерения и за счет этого улучшение отношения сигнал/шум. Поставленная задача решается тем, что в способе измерения спиновой поляризации приповерхностных электронов проводимости ферромагнетиков, содержащем измерение туннельного тока электронов между исследуемой поверхностью и острием зонда, выполненного из ферромагнитного материала на основе переходных металлов, согласно изобретению, острие зонда, выполненное в виде участка пленки с углом острия меньшим 180°, укрепленной на держателе, нагревают или охлаждают до температуры измеряют туннельный ток, затем нагревают до температуры повторно измеряют туннельный ток и определяют степень спиновой поляризации электронов проводимости по формуле где - туннельный ток при температуре острия - туннельный ток при температуре - степень поляризации электронов острия. Держатель может быть выполнен в виде подложки и нагревание острия зонда осуществляют электромагнитным излучением с длиной волны При выполнении держателя в виде световода острие зонда нагревают электромагнитным излучением с длиной волны 50 - 0,5мкм, направляемым на острие зонда по световоду. Способ обеспечивает повышение точности определения спиновой поляризации приповерхностных электронов в ферромагнетиках. Это объясняется следующим. Туннельный ток СТМ зависит от расстояния острие-образец, значений работы выхода образца, острия, напряжения смещения острие образец, плотности электронных состояний вблизи уровня Ферми. В ферромагнитных материалах переходной группы металлов и их соединений ферромагнитные свойства объясняются обменным взаимодействием электронов; в результате этого взаимодействия возникает взаимная упорядоченность спинов и образец проявляет определенную намагниченность. Если рассматривать область одного домена, то в образце возникает выделенное направление направление намагниченности этой области. Электроны оболочки в переходных металлах являются также электронами проводимости и образуют зону, которую можно представить в виде 2 - х спиновых подзон для электронов со спином, направленным по направлению намагниченности и против. Обменное взаимодействие вызывает различие в энергии электронов с различным направлением спина, поэтому спиновые подзоны сдвинуты по энергии на измеримую величину (например, для десятые доли электрон-вольта). Из-за сдвига подзон оказывается, что плотность электронных состояний для электронов с различным направлением спина различна. При туннелировании электронов из острия в образец из-за этого различия туннельный ток оказывается частично поляризованным. Для регистрации степени поляризации туннельного тока применяется ферромагнитное острие СТМ. С помощью температуры можно управлять переходом острия из парамагнитного в ферромагнитное, если температура через точку Кюри При находится в ферромагнитном переходит образец состоянии, при - в парамагнитном. В парамагнитном состоянии 2 спиновые подзоны эквивалентны, в ферромагнитном - сдвинуты по энергии. В случае ферромагнитного острия туннельный ток будет пропорционален плотности состояний в соответствующих подзонах острия и образца. Используя приближение, что плотность состояний зоны много меньше, чем плотность состояний зоны определяют степень поляризации. Ток между острием ферромагнитном состоянии и образца. в Ток между острием в парамагнитном состоянии и образцом. Для малых расщеплений зоны где - ширина зоны. где - степень поляризации электронов острия, - степень поляризации электронов образца. Отсюда При подборе материала образца с т.е. при расщеплении зоны со спином вверх уходит под уровень Ферми, то В общем случае Способ реализуется следующим образом. Располагают острие зонда сканирующего туннельного микроскопа над исследуемым образцом. Зонд выполнен в виде участка ферромагнитной пленки на основе переходных металлов с углом меньше 180° укрепленного на держателе. Понижают или повышают температуру острия зонда до температуры и измеряют величину туннельного тока, затем нагревают до температуры и вновь измеряют величину туннельного тока. Степень спиновой поляризации электронов проводимости определяют по формуле. Модуляцию температуры ферромагнитного острия можно осуществить, если сформировать острийный зонд в виде отрезка световода, на кончик которого нанесена тонкая ферромагнитная пленка с резко обрывающимися краями, сходящимися под углом. Самая угловая часть пленки выступает в качестве туннельного зонда. Температура окружающего пространства поддерживается вблизи температуры Кюри По световоду пропускаются импульсы излучения с длиной волны 50 - 0,5мкм, поглощаемые пленкой, в результате чего после каждого импульса температура пленки повышается до и пленка переходит в парамагнитное состояние. Через некоторый промежуток времени пленка остывает до и опять переходит в ферромагнитное состояние. Измеряя туннельный ток при и по формуле определяют степень спиновой поляризации электронов проводимости. Модуляция температуры ферромагнитной пленки может быть осуществлена, если пленка нанесена на подложку, резонансно поглощающую электромагнитную энергию. В этом случае производится облучение электромагнитными импульсами с длиной волны все пространство туннельного промежутка, Электромагнитная энергия поглощается подложкой в течение действия импульса и происходит изменение температуры ферромагнитной пленки. Для сохранения направления намагниченности пленки после перехода из парамагнитного в ферромагнитное состояние пленка выполняется с анизотропией "легкая ось" или она может располагаться над ферромагнитным слоем, имеющем гораздо большую температуру Кюри и коэрцитивную сипу, который определяет преимущественное направление намагничивания. Пример реализации способа. Для изготовления острия берется подложка из лейкосапфира толщиной 300мкм. На эту подложку методом катодного распыления наносится пленка Возможные материалы пленок и их температуры Кюри приведены в таблице. Температура Кюри равна или 92°C. За счет подбора режимов напыления и за счет анизотропии формы достигают, что ось легкого намагничивания лежит в плоскости пленки. С обратной стороны подложки производят скрайбирование лейкосапфира и производят его скол в двух направлениях так, чтобы смежные края скола образовали угол меньше 180°. В качестве острия используется угловая часть пленки нанесенная на лейкосапфировую подложку. Полученная острийная сборка намагничивается до насыщения во внешнем магнитном поле, направленном параллельно подложке и перпендикулярно биссектрисе угла, образованного направлениями скола. Острийная сборка помещается в туннельный микроскоп и производится измерение туннельного тока для определенного расстояния образецострие. Производится нагрев или охлаждение всей системы до температуры Нагрев можно осуществить с помощью нагревательного элемента охлаждение - с помощью элемента Пельтье. С помощью элемента Пельтье можно также осуществлять нагрев всей системы, если изменить направление протекающего через него тока. После достижения температуры производят измерение туннельного тока, который оказывается равным Потом облучают острийную сборку электромагнитным излучением с длиной волны Электромагнитное излучение, поглощаясь в острийной сборке, преимущественно на поверхности и на краях ферромагнитной пленки, производит нагрев этих областей. При достижении температуры острийная часть ферромагнитного образца переходит в парамагнитную фазу, а остальная часть пленки остается ферромагнитной, так как ее температура не превосходит из-за теплоотвода в подложку и за счет скин-эффекта, благодаря которому излучение поглощается только приповерхностными участками. Производится измерение туннельного тока при том же туннельном промежутке, который оказывается равным Облучение острия электромагнитным излучением прекращают, он опять охлаждается до температуры за счет того, что вся пленка оставалась в ферромагнитной фазе (за исключением краев, втом числе и острийного края), в области острия формируется структура намагниченности с исходным направлением. Измерение можно производить многократно, а перемещая острие СТМ вдоль плоскости образца определять пространственное распределение степени поляризации. Расчет степени спиновой поляризации производят по формуле. Измерение тока производят с помощью аппаратных средств, входящих в состав СТМ или с помощью цифрового ампервольтметра В7 - 34. В качестве источника электромагнитного излучения может выступать генератор Г5 - 48 с или магнетрон с Диапазон частоты э.м. колебаний - от 100МГц - до оптического т.е. Для изготовления зонда пленку из тех же материалов можно напылять на торец световода. У самого торца световода снимают 2 лыски под углом, образуя участок пленки с углом меньше 180°C. Его используют в качестве острийного зонда СТМ. Так же, как и в предыдущем случае производят измерение туннельного тока и охлаждение или нагрев системы до Затем от источника оптического излучения, например, лазера на через световоды пропускают оптическое излучение с длиной волны 50 - 0,5мкм, которое поглощается на торце световода участком пленки и повышает температуру острия до Измеренные значения используются для расчета