ÉTUDE EN TEMPÉRATURE DES FILMS ÉPITAXIÉS DE PERMALLOY PAR RÉSONANCE D'ONDES DE SPIN

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Submitted on 1 Jan 1971

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ÉTUDE EN TEMPÉRATURE DES FILMS

ÉPITAXIÉS DE PERMALLOY PAR RÉSONANCE D’ONDES DE SPIN

A. Stankoff, A. Berteaud

To cite this version:

A. Stankoff, A. Berteaud. ÉTUDE EN TEMPÉRATURE DES FILMS ÉPITAXIÉS DE PERMAL- LOY PAR RÉSONANCE D’ONDES DE SPIN. Journal de Physique Colloques, 1971, 32 (C1), pp.C1- 562-C1-564. �10.1051/jphyscol:19711192�. �jpa-00214016�

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JOURNAL DE PHYSIQUE Colloque C 1, supplément au no 2-3, Tome 32, Février-Mars 1971, page C 1 - 562

ÉTUDE EN TEMPERATURE DES FILMS ÉPITAXIÉS DEj PERMALLOY PAR RÉSONANCE D'ONDES DE SPIN ^(*)

A. STANKOFF et A. J. BERTEAUD

Laboratoire de Magnétisme, C. N. R. S., 92 Bellevue, France

Résumé.

-

La constante d'échange D a été mesurée sur des a m s de permalloy de:composition 80 Ni-20 Fe entre 6 O K et 380 O R . Entre 380 ^O^Ket 200 O K , on observe la même variation proportionnelle à T2, dans les fifms polycristallins et dans les films épitaxiés. Aux températures inférieures, les films polycristallins suivent une loi en ^T3J2alors que les films épitaxiés évoluent progressivement vers une loi en Ts/2.

Les conditions aux limites évoluent peu avec la température pour les films épitaxiés. Par contre il apparaît un changement de nature dans le pinning des films polycristallins au voisinage de 50 OK, que nous attribuons àune couche superficielle devenant magnétique aux environs de cette température.

Abstract. - Exchange stiffness D in permalloy films of 80 % Ni-20, % Fe composition has been measured between 6 O K and 380 ^OK.Between 200 ^{O K}and 380 OK, D is found to be proportional to T2 where T is the temperature, for both polycrystalline and epitaxial films. At lower temperatures, D of polycrystalline sample follows a T 3 r Z Iaw while that of epitaxial ones follows a ^{T 5 / 2}law.

The boundary conditions of epitaxial films change little with temperature. However there is a change in the nature of pinning for polycrystalline samples near 50 OK corresponding to the transition temperature of a surface magnetic layer.

1. Introduction. Weber et Tannenwald [ I l ont interprété leurs résultats concernant la loi de dispersion des ondes de spin stationnaires et la variation thermique de la constante d'échange D, en considérant que l'interaction d'échange s'exerçait au-delà des premiers voisins. La théorie utilisée rend bien compte de ces deux aspects moyennant une certaine portée

< p2 > de l'interaction. Par contre la valeur de

< p2 > ainsi déterminée est beaucoup trop importante pour être en accord avec les mesures de Argyle [2], relatives à la variation thermique de l'aimantation d'un monocristal du même alliage. D'autres mesures effectuées par Phillips [3] sur des films de fer montrent une variation de D proportionnelle à T 2 de 40K à 80 ^{O K ,}et à T~~~ pour les températures supérieures.

Un calcul effectué à partir d'un modèle de bande donne le bon ordre de grandeur et le bon exposant pour la variation de D aux basses températures.

Nous présentons ici brièvement les résultats obtenus sur des films épitaxiés de permalloy et nous les compa- rons aux résultats obtenus sut un film polycristallin d u même alliage, dans le but de tenter de concilier les deux expériences précédentes. D'autre part nous analysons les conditions aux limites de l'aimantation observées à la surface de ces films et leur évolution en température, ce qui avait été négligé par les auteurs précédents.

II. Mesures. - L'appareillage de mesure utilisé se compose d'un cryostat régulé en température de 6 OK à 380 OK, utilisant l'hélium sous basse pression comme gaz d'échange et d'un spectromètre hyperfréquence fonctionnant à 17 600 MHz. L'étalonnage en tempé-

(*) Cette étude a été réalisée dans le cadre du contrat

DGRST no 67.00-811.

rature de la diode de régulation a été effectué à partir d'un thermocouple de référence. Les champs sont mesurés par résonance nucléaire. La désorientation du film ne dépasse pas quelques minutes d'arc ce qui correspond à une précision de 1 0 - ~ sur la valeur de D. La constante d'échange définie dans la relation de dispersion des ondes de spins E, = Dk2 est déterminée expérimentalement à l'aide d'une méthode de moindres carrés sur la position en champ des modes d'ordre élevé. On obtient ainsi une loi expérimentale

N N

H, = H , - ^{~ n '}

où 5 est proportionnel à la constante d'échange.

Cette méthode est valable pour nos films car le blocage des spins en surface est très faible ce qui correspond à des nombres d'ondes entiers au moins pour les modes d'ordre élevé.

Les écarts des modes d'ordre faible par rapport à cette loi moyenne sont caractéristiques des conditions aux limites. Un champ de résonance trop élevé pour ces modes indique un pinning dû à une anisotropie de surface ou à une couche magnétique d'aimantation distincte de celle du film. Un écart négatif indique un pinning «dynamique » dû à une inhomogénéité d'aimantation à travers l'épaisseur du film.

III. Résultats expérimentaux. - 1. FILMS ÉPITA- XIÉS. - Ces films sont obtenus par épitaxie d u permalloy (350 OC) sur une base d'or préalablement déposée sur une lame de mica. Les études en micro- scopie électronique montrent une bonne orientation des cristallites dont la taille moyenne est de l'ordre de 5 000 A. Les modes de résonance observés sur ces films sont faiblement excités (K,

-

0,05 erg/cm2) indi- quant un pinning peu important à l a surface. Les

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:19711192

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écarts des modes d'ordre faible par rapport à la loi de dispersion asymptotique suivie par les modes d'ordre élevé, varient peu avec la température (5 à 10 %). Les conditions aux limites sont donc stables avec la température et perturbent peu la variation de la constante d'échange mesurée. Entre 400K et 130 OK, la constante d'échange suit une loi :

avec b = 6,3 x IO-' o ~ - (Fig. 1). L'exposant a ~ / ~

bien la même valeur que dans [l], mais le coefficient de proportionnalité est deux fois et demie plus petit.

De 130 OK à 380 OK, D présente une variation proportionnelle à T 2 ce qui diffère des résultats mentionnés en [l] et [2] où D présentait une variation en T~~~

dans la plage de température correspondante.

Caimantation suit une loi de Bloch classique de O à 150 OK : M = Mo(l - C T ~ ' ~ ) avec c = 7'1 x

, T'K

10 20 50 100 150 200 300

FIG. 1. -Les O représentent la variation de D observée sur un film polycristallin de 3 600 A et les

+-

la variation observée sur un fiim épitaxié de 3 000 A. De 380 OKà 200 OKon observe la même variation pour les deux films. Aux basses températures, la pente change pour les deux films. Le fiim épitaxié a une pente voisine de 512 alors que le film polycristallin suit une pente 312.

2. FILMS POLYCRISTALLINS. - Ces films sont prépa- rés par évaporation du même alliage sur des substrats de verre (200 OC) en ultra-vide (IO-' torr pendant l'éva- poration). La taille moyenne des cristallites est de l'ordre de 100 A. A la température ambiante l'excita- tion des modes de résonance est du même ordre de grandeur que celle des modes observés sur les films épitaxiés. Par contre les écarts des modes d'ordre faible par rapport à la loi quadratique asymptotique sont négatifs (Fig. 2). Ceci indique que ces films sont légè- rement inhomogènes en volume. Un calcul supposant que le champ démagnétisant suit une loi parabolique à l'intérieur du film et que 17anisotropie de surface est nulle, conduit à une variation totale du champ déma- gnétisant de 2 % entre le centre et la surface du film.

Ces écarts augmentent progressivement quand la température décroît jusqu'à 80°K, puis décroissent rapidement et changent de signe. Nous attribuons cet effet à une couche superficielle (ferro ou anti-ferro) devenant magnétique en dessous d'une certaine tem- pérature, ajoutant ainsi un blocage analogue à un

pinning statique au pinning dynamique dû à l7inhomo- généité de champ interne et changeant le signe des écarts par rapport à la loi asymptotique 14, 51. Entre 380 OK et 200 OK la constante d'échange subit la même variation que dans les films épitaxiés (Fig. 1). Par contre en dessous de 2000K, nous observons une variation proportionnelle à T3l2.

+ mode 6

O mode 4

FIG. 2. - Variation en température dans un film polycristallin de l'écart des modes 4 et 6, par rapport a la loi quadratique asymptotique suivie par les modes d'ordre plus élevé (modes 8 à 16). On observe le changement de signe de l'écart de ces deux modes pour une température de 20 OKindiquant un changement de nature du pinning au voisinage de cette température.

IV. Discussion. - Nous avons donc observé deux comportements en température très différents sur des films du même alliage mais de structures différentes.

De 380 OK à 200 OK ces deux types de films présentent la même variation de D proportionnelle à T ~ . De 200 0K à 400K le film polycristallin suit une loi proportionnelle à T3I2 alors que le film épitaxié évolue

progressivement vers une loi proportionnelle à T ~ ~ ~ . Enfin les conditions aux limites évoluent lentement

avec la température dans le premier cas, perturbant peu la variation de D, alors que nous observons une perturbation assez importante de ces mêmes conditions pour le film polycristallin.

Un calcul montre que la variation d'inhomogénéité du champ démagnétisant conduisait à une variation totale de D de l'ordre de IOT4 entre O OK et 380 OK, ne pouvant expliquer la variation en T3I2 du film polycristallin. Par contre le fait que l'aimantation dépende du champ appliqué modifie le champ déma- gnétisant pour les différents modes et induit une variation thermique supplémentaire de la constante d'échange mesurée. En reprenant les calculs d'Argyle [3], nous avons obtenu un terme proportionnel à T dont l'importance n'est pas négligeable. A 100 OK ce terme introduit une perturbation de l'ordre de 10 %

de la variation thermique mesurée. Ce terme correcteur n'explique pas les différences observées, mais il n'est pas sûr que la dépendance en champ magnétique de l'aimantation soit la même pour un monocristal~massif

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et pour un film de structure différente. Mis à part la tallins. Dans ces films les modes d'ordre élevé suivent remarque précédente, .où nous ne disposons d'aucune une lai quadratique parfaite, contrairement à [l] et D indication précise, les films épitaxiés présentent un varie suivant une loi voisine de T~ sur une large gamme comportement moins perturbé que les films polycris- de température en accord avec le modEle de bande 161.

References

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