The Effect of the Modulation Period on the Diffusion Intermixing and Magnetic Properties Behavior of Pt/Co Thin Films Induced by Ion Pre-irradiation

Editorial Board PCSS Journal; А. Орлов; Р. Педань; І. Круглов; Ю. Яворський; О. Дубіковський; О. Косуля; А. Боднарук; І. Владимирський

doi:10.15330/pcss.26.3.489-499

Автор(и)

А. Орлов Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», м. Київ, Україна
Р. Педань Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського, м. Київ, Україна
І. Круглов Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського, м. Київ, Україна https://orcid.org/0000-0003-2078-4159
Ю. Яворський Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського, м. Київ, Україна
О. Дубіковський Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського, м. Київ, Україна; Інститут фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова, Національна Академія Наук України, м. Київ, Україна
О. Косуля Інститут фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова, Національна Академія Наук України, м. Київ, Україна
А. Боднарук Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського, м. Київ, Україна; Інститут фізики, Національна Академія Наук України, м. Київ, Україна https://orcid.org/0000-0002-8280-0209
І. Владимирський Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського, м. Київ, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.26.3.489-499

Ключові слова:

Магнітні тонкі плівки, Іонне опромінення, Дифузія, Сплав Co-Pt, Інтерфейс3, Фазоутворення

Анотація

Досліджено вплив періоду модуляції та попереднього опромінення іонами N⁺ на перемішування шарів і модифікацію магнітних властивостей плівок Pt/Co та Pt/Co/Pt/Co. В роботі описано вплив флюенсу на кореляцію між структурними змінами та особливостями перемішування шарів. Експериментальний аналіз проводився з використанням РСФА, ВІМС та вібраційної магнітометрії. Спостерігалась нелінійна зміна намагніченості насичення для дво- та чотиришарових плівок. З результатів дослідження встановлено, що значне збільшення коерцитивної сили (498 Ое), при флюенсі 5 × 10¹⁴ іонів/см² у чотиришаровій плівці, пов’язано з іонно-індукованим колізійним змішуванням і більш вираженим утворенням структурних дефектів. Продемонстровано, що значне збільшення додаткових структурних дефектів і внутрішніх напружень призводить до розтягувавання кристалічної гратки фази

Посилання

T. Fan, N.H.D. Khang, S. Nakano, P.N. Hai, Ultrahigh efficient spin orbit torque magnetization switching in fully sputtered topological insulator and ferromagnet multilayers, Sci. Rep. 12, 2998 (2022); https://doi.org/10.1038/s41598-022-06779-3.

T. Lan, H. Jane, W. Ding, S. Huang, L. Fang, J. Wu, A. Sun, A Two-Dimensional Lamellar Membrane: MXene Nanosheet Stacks, J. Alloys Compd. 938, 168441 (2023); https://doi.org/10.1002/anie.201609306.

S. Qiu, T. Harumoto, Y. Nakamura, Effect of Temperature on Electrochemical and Magnetic Performance of CoPtMo Coating Electrodeposited on Monocrystalline Silicon, J. Shi, Surf. Coat. Technol. 436, 128312 (2022); https://doi.org/10.20964/2022.06.53.

Y.N. Dong, X.N. Zhao, W. Wang, Y.X. Chen, L.H. Bai, S.S. Yan, Y.F. Tian, Room temperature manipulation of exchange bias in magnetic heterojunctions, J. Magn. Magn. Mater. 559, 169546 (2022); https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2022.169546

S. Gupta, F. Rortais, R. Ohshima, Y. Ando, T. Endo, Y. Miyata, M. Shiraishi, Approaching barrier-free contacts to monolayer MoS2 employing [Co/Pt] multilayer electrodes, NPG Asia Mater. 13, 13 (2021); https://doi.org/10.1038/s41427-021-00284-1.

A. Mahendra, P. Gupta, S. Granville, J. Kennedy, Shaping Perpendicular Magnetic Anisotropy of Co2MnGa Heusler Alloy Using Ion Irradiation for Magnetic Sensor Applications, J. Alloys Compd. 910, 164902 (2022); https://doi.org/10.3390/s23094564.

Z.W. Li, J.Y. Jiao, Z. Luo, T.Y. Ma, L. Qiao, Y. Wang, T. Wang, F.S. Li, Microstructure and Magnetic Properties of Exchange-Coupled Co72Pt28/Pt/Co81Ir19 Composite Media for Perpendicular Magnetic Recording, J. Supercond. Nov. Magn. 32, 2229 (2019); https://doi.org/10.1007/s10948-018-4953-8.

W. Li, T. Harumoto, Y. Nakamura, J. Shi, Primitive exchange coupling in CoPt/MnN layered structures: Exchange coupling established during deposition, J. Magn. Magn. Mater. 538, 168331 (2021); https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2021.168331.

M. Liang, Y. Song, J. Yuan, H. Chen, J. Chen, R. Che, J. Zhang, Y. Wu, Y. Luo, N. Wang, Annealing temperature dependence of the bulk spin–orbit torque in CoPt film, Appl. Phys. Lett. 123, 232404 (2023); https://doi.org/10.1063/5.0174343

L. Liu, C. Zhou, T. Zhao, B. Yao, J. Zhou, X. Shu, S. Chen, S. Shi, S. Xi, D. Lan, W. Lin, Current-induced self-switching of perpendicular magnetization in CoPt single layer, Nat. Commun. 13, 3539 (2022); https://doi.org/10.1038/s41467-022-31167-w.

A. Erickson, Q. Zhang, H. Vakili, C. Li, S. Sarin, S. Lamichhane, L. Jia, I. Fescenko, E. Schwartz, S. Liou, J.E. Shield, G. Chai, A.A. Kovalev, J. Chen, A. Laraoui, Room Temperature Magnetic Skyrmions in Gradient-Composition Engineered CoPt Single Layers, ACS nano 18(45), 31261 (2024); https://doi.org/10.1021/acsnano.4c10145.

H. Berg, Long-range order and ordering kinetics in CoPt3, J. B. Cohen. Metall. Mater. Trans. B 3, 1797 (1972); https://doi.org/10.1007/BF02642563.

J. Szívós, S. Pothorszky, J. Soltys, M. Serényi, H.A.T. Gao, G. Sáfrán, CoPt/TiN films nanopatterned by RF plasma etching towards dot-patterned magnetic media, Appl. Surf. Sci. 435, 31 (2018); https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.11.062.

J. Ewing, Y. Wang, D.P. Arnold, High-current-density electrodeposition using pulsed and constant currents to produce thick CoPt magnetic films on silicon substrates, AIP Adv. 8, 056711 (2018); https://doi.org/10.1063/1.5007272.

R. Toyama, S. Kawachi, J. Yamaura, Y. Murakami, H. Hosono, Y. Majima, Ti underlayer effect on the ordering of CoPt in (Co/Pt)4 multilayer thin films on Si/SiO2 substrates, Jpn. J. Appl. Phys. 59, 075504 (2020); https://doi.org/10.35848/1347-4065/ab9627.

R. Toyama, S. Kawachi, S. Iimura, J. Yamaura, Y. Murakami, H. Hosono, Y. Majima, Formation of L10-ordered CoPt during interdiffusion of electron-beam-deposited Pt/Co bilayer thin films on Si/SiO2 substrates by rapid thermal annealing, Mater. Res. Express 7, 066101 (2020); https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab934a.

R. Toyama, S. Kawachi, J. Yamaura, T. Fujita, Y. Murakami, H. Hosono, Y. Majima, Nanostructure-induced L10-ordering of twinned single-crystals in CoPt ferromagnetic nanowires, Nanoscale Adv. 4, 5270 (2022); https://doi.org/10.1039/d2na00626j.

M. Li, Z. Liu, Y. Chen, H. Liang, Y. Liu, J. Jia, H. Shi, G. Yu, The effect of Al2O3 insertions on the thermal stability and microstructure of Co/Pt multilayers, J. Mater. Res. Technol. 26, 1375 (2023); https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.07.269.

M. Li, H. Liang, Y. Chen, Z. Liu, J. Jia, Y. Liu, H. Shi, G. Yu, Large modulation of perpendicular magnetic anisotropy by CoPt3 induction in Co/Pt multilayers with Fe2O3 inserting, J. Magn. Magn. Mater. 586, 171218 (2023); https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2023.171218.

M. Ohtake, D. Suzuki, M. Futamoto, Characterization of metastable crystal structure for Co-Pt alloy thin film by x-ray diffraction, J. Appl. Phys. 115, 17C116 (2014); https://doi.org/10.1063/1.4864139.

G.R. Harp, D. Weller, T.A. Rabedeau, R.F.C. Farrow, M.F. Toney, Magneto-optical Kerr spectroscopy of a new chemically ordered alloy: Co3Pt, Phys. Rev. Lett. 71(15), 2493 (1993); https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.71.2493.

P. Mazalski, I. Sveklo, Z. Kurant, K. Ollefs, A. Rogalev, F. Wilhelm, J. Fassbender, L.T. Baczewski, A. Wawro, A. Maziewski, XAS and XMCD studies of magnetic properties modifications of Pt/Co/Au and Pt/Co/Pt trilayers induced by Ga+ ions irradiation, J. Synchrotron Radiat. 22(3), 753 (2015); https://doi.org/10.1107/S1600577515002933.

K.A. Avchaciov, W. Ren, F. Djurabekova, K. Nordlund, Modification of Pt/Co/Pt film properties by ion irradiation, Phys. Rev. B. 92(10), 104109 (2015); https://doi.org/10.1103/PhysRevB.92.104109.

M.M. Jakubowski, M.O. Liedke, M. Butterling, E. Dynowska, I. Sveklo, E. Milińska, Z. Kurant, R. Böttger, J. von Borany, A. Maziewski, A. Wagner, A. Wawro, J. Phys. Condens. Matter 31(8), 185801 (2019); https://doi.org/10.1088/1361-648X/ab0351.

Patterned magnetic nanostructures and quantized magnetic disks S., On defects’ role in enhanced perpendicular magnetic anisotropy in Pt/Co/Pt, induced by ion irradiation, Chou. Proc. IEEE 85(4), 652 (1997); https://doi.org/10.1109/5.573754.

M. Abes, O. Ersen, D. Muller, M. Acosta, C. Ulhaq-Bouillet, A. Dinia, V. Pierron-Bohnes, Effect of ion irradiation on the structural and magnetic properties of sputtered CoPt alloy, Mater. Sci. Eng. C 23(1-2), 229 (2003); https://doi.org/10.1016/S0928-4931(02)00273-4.

S. Balaji, S. Amirthapandian, B.K. Panigrahi, S. Kalavathi, A. Gupta, K.G.M. Nair, Realization of magnetic anisotropy and L10 CoPt ordered phase by Pt+ ion irradiation on a Co/Pt bilayer film, J. Phys. Condens. Matter 19(35), 356211 (2007); https://doi.org/10.1088/0953-8984/19/35/356211.

T. Som, S. Ghosh, J. K. Tripathi, R. Grötzschel, M. Mäder, V. Ganesan, A. Gupta, D. Kanjilal, Tuning magnetic properties of Co/Pt thin films using energetic ions, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B: Beam Interact. Mater. At. 266(8), 1542 (2008); https://doi.org/10.1016/j.nimb.2007.11.066.

M.J. Bonder, N.D. Telling; P.J. Grundy, C.A. Faunce, T. Shen, V.M. Vishnyakov, Ion irradiation of Co/Pt multilayer films, J. Appl. Phys. 93, 7226 (2003); https://doi.org/10.1063/1.1557311.

C. Vieu, J. Gierak, H. Launois, T. Aign, P. Meyer, J.P. Jamet, J. Ferré, C. Chappert, T. Devolder, V. Mathet, H. Bernas, Modifications of magnetic properties of Pt/Co/Pt thin layers by focused gallium ion beam irradiation, J. Appl. Phys. 91(5), 3103 (2002); https://doi.org/10.1063/1.1427144.

A. Maziewski, P. Mazalski, Z. Kurant, M.O. Liedke, J. McCord, J. Fassbender, J. Ferré, A. Mougin, A. Wawro, L.T. Baczewski, A. Rogalev, F. Wilhelm, T. Gemming, Tailoring of magnetism in Pt/Co/Pt ultrathin films by ion irradiation, Phys. Rev. B - Condens. Matter Mater. Phys. 85(5), 054427 (2012); https://doi.org/10.1103/PhysRevB.85.054427.

D.W. Moon, Y.H. Ha, Y. Park, J.-W. Lee, J. Kim, S.-C. Shin, Atomic scale investigations of the Co/Pt(111) interface structure and magnetic properties, Appl. Phys. Lett. 79(4), 503 (2001); https://doi.org/10.1063/1.1388156.

Y.J. Chen, E.J. Hwang, C.-S. Shern, Annealing effects on surface structure and magnetic properties of ultrathin films Co on Pt(111), J. Appl. Phys. 103(7), 073102 (2008); https://doi.org/10.1063/1.2836409.

T. Das, P.D. Kulkarni, S.C. Purandare, H.C. Barshilia, S. Bhattacharyya, P. Chowdhury, Anomalous enhancement in interfacial perpendicular magnetic anisotropy through uphill diffusion, Sci. Rep. 4(1), 5328 (2014); https://doi.org/10.1038/srep05328.

D. Ravelosona, C. Chappert, V. Mathet, H. Bernas, Chemical order induced by ion irradiation in FePt (001) films, J. Appl. Phys. 87(9), 5771 (2000); https://doi.org/10.1063/1.125713.

T. Som, S. Ghosh, M. Mäder, R. Grötzschel, S. Roy, D. Paramanik, A. Gupta, Temperature-dependent changes in structural and magnetic properties of heavy ion irradiated nanoscale Co/Pt multilayers, New J. Phys. 9(6), 164 (2007). https://doi.org/10.1088/1367-2630/9/6/164.

S. Ghosh, M. Mäder, R. Grötzschel, A. Gupta, T. Som, Temperature-dependent changes in structural and magnetic properties of heavy ion irradiated nanoscale Co/Pt multilayers, Appl. Phys. Lett. 89, 104104 (2006); https://doi.org/10.1088/1367-2630/9/6/164.

R. Pedan, I. Kruhlov, P. Makushko, O. Dubikovskyi, O. Kosulya, A. Orlov, A. Bodnaruk, V. Golub, F. Munnik, R. Hübner, D. Makarov, I. Vladymyrsky, The Effect of Ar+ and N+ Ion Irradiation on the Thermally Induced Evolution of the Structural and Magnetic Properties of Co/Pt And Pt/Co Bilayered Stacks, Mater. Chem. Phys. 327, 129862 (2024); https://dx.doi.org/10.2139/ssrn.4832900.

E.R. Moog, J. Zak, S.D. Bader, Kerr effect from Pt/Co superlattices and the role of the magneto‐optic activity of Pt, J. Appl. Phys. 69(2), 880 (1991); http://dx.doi.org/10.1063/1.347327.

R. Pedan, P. Makushko, Y. Yavorskyi, O. Dubikovskyi, A. Bodnaruk, A. Burmak, V. Golub, S. Voloshko, R. Hübner, D. Makarov and I. Vladymyrskyi, Low-temperature diffusion in thin-film Pt-(Au-)-Co heterostructures: a structural and magnetic characterization, Nanotechnology 35, 195707 (2024); http://dx.doi.org/10.1088/1361-6528/ad22a8.

Y.C. Won, S.H. Lim, Interfacial properties of [Pt/Co/Pt] trilayers probed through magnetometry, Sci. Rep. 11(1), 10779 (2021); https://doi.org/10.1038/s41598-021-90239-x.

S. Kavita, V.R. Reddy, S. Amirthapandian, A. Gupta, B.K. Panigrahi, Si+ ion irradiation in a Co/Pt multilayer system, J. Phys. Condens. Matter 21(9), 096003 (2009); https://doi.org/10.1088/0953-8984/21/9/096003.

W. Szuszkiewicz, F. Ott, J. Kisielewski, I. Sveklo, E. Dynowska, R. Minikayev, Z. Kurant, R. Kuna, M. Jakubowski, A. Wawro, R. Sobierajski, A. Maziewski, Polarized neutron reflectivity and X-ray scattering measurements as tools to study properties of Pt/Co/Pt ultrathin layers irradiated by femtosecond laser pulses, Ph. Transit. 89(4), 328 (2016); https://doi.org/10.1080/01411594.2016.1156110.