Исследователи Национального Института Стандартов и Технологии (National Institute of Standards and Technology – NIST) США обнаружили, что аккуратно собранный магнитный «сэндвич», представляющий собой магнитный материал с регулярно расположенными прослойками из серебра, может значительно (в отдельных случаях до 400 крат) увеличить чувствительность магнитных датчиков.

Такой материал может способствовать созданию нового поколения магнитных датчиков в широком спектре применений, начиная с обнаружения металлических изделий, например, оружия, а также задач неразрушающего контроля медицинских приборов и высокопроизводительный устройств памяти. Результаты работы опубликованы (W. F. Egelhoff, Jr., J. Bonevich, et al. 400-fold reduction in saturation field by interlayering, – J. Appl. Phys. 105, 013921 (2009); DOI:10.1063/1.3058673 (Published 13 January 2009).

Указанные приложения, а также и множество других основаны на использовании тонких пленок магнитных материалов, в которых направление магнетизации может быть переключено с одной ориентации на другую. Важной характеристикой магнитной пленки является ее параметр насыщения, то есть амплитуда приложенного магнитного поля, которое полностью намагничивает пленку в том же направлении, что и приложенное поле. При этом, важно то, что чем меньше параметр насыщения, тем больше чувствительность устройства.

Параметры насыщения магнитного поля очень часто определяются уровнем механических напряжений в пленке – атомы в напряженном состоянии более консервативны к перемене магнитной ориентации. Металлические пленки производят не как монолитный кристалл (например, алмаз), но, скорее как случайную мозаику микроскопических кристаллов, которые называют зернами. Атомы на границе двух различных зерен обычно имеют повышенный уровень внутренних напряжений, поэтому тонкозернистые пленки обычно находятся в более напряженном состоянии, чем пленки, имеющие крупное зерно. Напряженность обычно повышается при увеличении толщины пленки, что не очень удачно складывается для множества приложений, котоые требуют именно толстые пленки.

Исследовательская группа NIST обнаружила, что уровень внутренних механических напряжений магнитных пленок может быть существенно снижен введением дополнительного слоя металла, имеющего иную кристаллическую структуру или характеристическое расстояние в решетке. Такой дополнительный слой должен быть введен как промежуточный между слоями магнитного материала. Механизм явления пока не до конца понят, однако ученые имеют свое предположение. Инородные слои металла прерывают рост магнитной пленки, но при этом инициируют появление новых, более крупных, зерен магнитного материала, обладающих к тому же и большей скоростью роста.

Исследователи изготовили многослойные пленки со слоями из магнитного сплава никель-железо-медь-молибден толщиной 100 нм каждый, перемежающиеся слоями серебра толщиной 5 нм. Измерения показали, что уровень механических напряжений в пленках с прослойками вплоть до 200 раз меньше по сравнению с монолитными пленками равной толщины, что снижает параметр насыщения до 400 раз.

Евгений Биргер