ИСТИНА

Целью исследований является определение послойной атомной и магнитной структуры в кластерно-слоистых наноматериалах Fe-Cr с Кондо-подобным поведением электросопротивления и гигантским магниторезистивным (ГМР) эффектом. Эту задачу планируется выполнить на классической системе сверхрешеток 57Fe/Cr с различной толщиной слоев 57Fe (от 1 A – кластерно-слоистые наноструктуры, до 15 A – типичные сверхрешетки с ГМР эффектом), полученных в сверхвысоком вакууме методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Исследования физических свойств наноструктур 57Fe/Cr будут выполнены на современном научном оборудовании ИФМ УрО РАН, а также с использованием возможностей Курчатовского центра Синхротронного излучения и нанотехнологии (Москва) и Мессбауэровской станции ID18 в Европейском центре синхротронного излучения (Гренобль, проект № 34523).

An experimental depth-resolved method for analyzing the local atomic structure of low-contrast multilayered thin films is presented in this work. A combination of X-ray reflectometry and angle-resolved EXAFS spectroscopy is considered. The following methods for solving ill-posed inverse problems are used to determine structural characteristics: the Tikhonov regularization method (for linear integral equations) and the Levenberg–Marquardt algorithm (for nonlinear equations). The proposed algorithms do not require information on the studied system such as the interface width and shape, the thickness of layers of specific elements and the depth at which they are located, and the atomic structure. This allows one to retrieve data on the local atomic structure of individual interface layers and the surface. Model numerical experiments for a Cr/Fe/Cr/Fe/Cr sample were conducted to assess the potential of this method.

Переход от антиферромагнитного обменного взаимодействия слоев Fe в суперпарамагнитное состояние наноструктур Fe/Cr будет исследован экспериментально с разрешением по глубине на уровне локальной атомной и магнитной структуры, что позволит связать локальные характеристики с такими макроскопическими величинами, как магнетосопротивление и намагниченность. Мы собираемся получить ответы на следующие вопросы: а) Какой средний размер магнитных кластеров в кластерно-слоистых [Fe/Cr] мультислойных структурах, какое распределение кластеров по размерам и как меняются эти параметры от образца к образцу? б) Какова величина эффективного магнитного момента и как он меняется с температурой? в) Является ли Кондо-подобное поведение следствием антиферромагнитного межслойного взаимодействия в кластерно-слоистых [Fe/Cr] мультислойных структурах или оно вызвано возникновением немагнитных фаз в нанокластерах? Такое комплексное исследование будет проведено впервые. 2. Будут выполнены модельные численные эксперименты для кластерно-слоистых Fe/Cr наноструктур, которые позволят судить о разрешающей способности в реальном пространстве разработанных методов обработки экспериментальных данных, их устойчивости к экспериментальным погрешностям и о степени достоверности получаемых результатов. 2016 год 1. Предлагается новый подход к решению фазовой проблемы рентгеновской рефлектометрии. Будет рассмотрен итерационный алгоритм Левенберга — Марквардта для решения нелинейного интегрального уравнения Фредгольма, описывающего интенсивность зеркального отражения рентгеновских лучей от поверхности образца. Обратная некорректная задача по определению концентрационного профиля предполагается решить методом регуляризации. Эффективность предлагаемого метода будет подтверждена модельными расчѐтами, выполненными для тонкой пленки Cr, нанесѐнной на подложку Al2O3. Предполагается провести сравнение результатов обработки экспериментальных данных, выполненных в модели Парратта, безмодельным подходом восстановления фазы рассеяния и настоящим методом. 2. На основе предложенного нового безмодельного метода определения концентрационного профиля элементов металлических многослойных наногетероструктур по данным рентгеновской рефлектометрии предполагается построить 3-d модель мультислойной структуры с учетом шероховатости межслойных границ и разработать метод решения обратной некорректной трехмерной задачи. Аналогичная задача была решена для обратной задачи гравиметрии [В.В. Васин, Г.Я. Пересторонина, И.Л. Пруткин, Л.Ю. Тимерханова. Решение трехмерных обратных задач гравиметрии и магнитометрии для трехслойной среды // Математическое моделирование, 2003, т.15, № 2, с.69-76]. Указанные выше задачи ранее не решались и не имеют аналогов в мировой практике.

У коллектива авторов заявляемого проекта имеется многолетний опыт как по синтезу магнитных мультислойных наноструктур с гигантским магниторезистивным эффектом, так и комплексному исследованию их атомной структуры, магнитных, электрических, магнитотранспортных свойств. При исследовании магнитотранспортных свойств эпитаксиальных сверхрешеток Fe/Cr, отличающихся толщиной слоев Fe, было обнаружено Кондо-подобное поведение электросопротивления у наноструктур, содержащих ультратонкие (кластерные) слои Fe. Показано, что такие кластерно-слоистые наноструктуры проявляют суперпарамагнитные свойства и имеют при низких температурах многократное увеличение магниторезистивного эффекта, не зависящего от направления внешнего магнитного поля, что особо ценно в практическом аспекте. Установлено, что в области гелиевых температур эти наноструктуры имеют спин-стекольное состояние. Важной задачей данного проекта является детальные исследования зависимости уникальных магнитотранспортных свойств кластерно-слоистых наноструктур от их атомной и магнитной структуры. Развит новый метод, который сочетает две методики: рентгеновская рефлектометрия (РР) и EXAFS спектроскопия с угловым сканированием. Этот метод позволяет определить для многослойных наногетероструктур селективный концентрационный профиль и парциальные межатомные расстояния на любой заданной глубине от поверхности образца. Метод не имеет аналогов в мировой практике применения EXAFS спектроскопии. Разработана и экспериментально апробирована методика определения локальных искажений кристаллической решетки в металлических мультислойных наногетероструктурах по данным EXAFS - спектроскопии, в том числе в системах с перекрывающимися координационными сферами. Разработано программное обеспечение. Не имеет аналогов.

При выполнении данного проекта по плану 2015 года был проведен синтез серии мультислойных наноструктур сверхрешеток Fe/Cr c антиферромагнитным упорядочением: Al2O3/Cr(70A)/[57Fe(tFe)/Cr(10.5A)]30/Cr12A с различной толщиной слоев 57Fe (tFe=1,2 A, 2.1 A, 8 A) и образец с ферромагнитным упорядочением Al2O3/Cr(70A)/[57Fe( 8 A )/Cr(20A)]30/Cr12A) на модернизированной высоковакуумной установке молекулярно-лучевой эпитаксии «Катунь-С». При этом были получены наряду с классическими сверхрешетками Fe/Cr, обладающими ГМР эффектом (при tFe=8 A), сверхрешетки с ультратонкими (кластерными) слоями Fe (кластерно-слоистые наноструктуры, tFe=1,2 A), обладающие суперпарамагнетизмом и Кондо-подобным поведением электросопротивления. Вариация толщины слоя 57 железа позволило проследить за изменением как атомной, так и магнитной структуры. - Структурная характеризация магнитных сверхрешеток была проведена в ИФМ УрО РАН с использованием специализированного рентгеновского дифрактометра «Empyrean», просвечивающего электронного микроскопа «JEM-200CX» и сканирующего мультимикроскопа СММ-2000ТА, работающего в режимах: СТМ – сканирующего туннельного микроскопа и АСМ – атомно-силового микроскопа.- Измерения изотерм намагниченности синтезированных наноструктур и петель магнитного гистерезиса пролведены на SQUID-магнитометре (Quantum Design) в полях до 50 кЭ и в интервале температур от 4.2 до 300 K. - Измерения электросопротивления и магниторезистивных характеристик в магнитных полях до 90 кЭ и в интервале температур от 4.2 до 300 K. Эти исследования выполнены на специализированной установке для исследований физических свойств PPMS-9T (Quantum Design). –В рамках заявки MA-2391 на станции ID18 Европейского источника синхротронного излучения (ESRF, Гренобль, Франция) проведены измерения ядерно-резонансного отражения и Мессбауэровских спектров для 4х образцов. Измерения проведены при гелиевых температурах и при различных приложенных магнитных полях (до 4 Т). Обнаружены сильные изменения в спектрах при температурах и полях, которые соответствуют значениям Кондо-подобного поведения электросопротивления.