Russian MicroelectronicsRussian MicroelectronicsМикроэлектроника0544-12693034-5480The Russian Academy of Sciences69916610.7868/S3034548025060063NANOSTRUCTURESНАНОСТРУКТУРЫResearch ArticleINVESTIGATION OF THE MAGNETO-OPTICAL RESPONSE OF INDIVIDUAL LAYERS OF MULTILAYER MAGNETIC SYSTEMSИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТООПТИЧЕСКОГО ОТКЛИКА ОТДЕЛЬНЫХ СЛОЕВ МНОГОСЛОЙНЫХ МАГНИТНЫХ СИСТЕМProkaznikovA. VПроказниковА. В.prokaznikov@mail.ruPaporkovV. AПапорковВ. А.email@example.comLiakhM. AЛяхМ. А.email@example.comSelyukovR. VСелюковР. В.email@example.comNaumovV. VНаумовВ. В.email@example.comNRC “Kurchatov Institute” – Valley IPT, Yaroslavl BranchЦНИТ-Ярослаан, ОФТИ им. К.А. Валиева, НИЦ “Курчатовский институт”P.G. Demidov Yaroslavl State UniversityЯрославский Государственный Университет им. П.Г. Демидова15122025546VOL 54, NO6 (2025)ТОМ 54, №6 (2025)52854423122025Copyright ©; 2025, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2025, Российская академия наук2025Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/0544-1269/article/view/699166

In the integral magneto-optical response of the three-layer structure Co(6 nm)/Ru(10 nm)/Co(10 nm)/Si (100) the contributions of various individual cobalt layers have been identified. A method has been developed and described that allows the magnetic properties of individual magnetic layers in three-layer systems to be analyzed based on the analysis of magneto-optical dependencies, identifying the directions of magnetic anisotropy. The developed method allowed us to establish that the properties of the magnetic anisotropy of cobalt films in a multilayer structure depend on the properties of the buffer layer and the substrate, the interactions at the interfaces, and the mechanical stresses as well as to determine the directions of the magnetic anisotropy axes in each layer.

В интегральном магнитооптическом отклике трехслойной структуры Co(6 нм)/Ru(10 нм)/Co(10 нм)/Si (100) выделены вклады различных отдельных слоев кобальта. Разработан и описан метод, который позволяет на основе анализа закономерностей магнитооптических зависимостей анализировать магнитные свойства отдельных магнитных слоев трехслойных систем, выделяя направления магнитной анизотропии. Развитый метод позволил установить, что свойства магнитной анизотропии пленок кобальта в многослойной структуре зависят от свойств буферного слоя и подложки, взаимодействия на интерфейсах, механических напряжений, а также определить направления осей магнитной анизотропии в каждом из слоев.

magnetic propertiesmultilayer structuresmagneto-optical Kerr effectmagnetic anisotropyinterfacesмагнитные свойствамногослойные структурымагнитооптический эффект Керрамагнитная анизотропияграницы разделаРабота проведена в рамках выполнения государственного задания НИЦ «Курчатовский институт» на оборудовании центра коллективного пользования научным оборудованием “Диагностика микро- и наноструктур” Ярославского Государственного Университета им. П. Г. Демидова.Hellwig O., Fallarino L. Coupled systems with ferromagnetic and antiferromagnetic exchange interactions. In: 2025 Roadmap on 3D Nano-magnetism. J. Phys.: Cond. Matt. 2025. V. 37. P. 143502. DOI: 10.1088/1361-648X/ad9655Dennis C.L., Borges R.P., Buda L.D., Ebels U., Gregg J.F., Hehn M., Jouguelett E., Ounadjela K., Petej I., Prejbeanu I.L., Thornton M.J. The defining length scales of mesomagntism: a review. J. Phys.: Cond. Matt. 2002. V. 14. P. R1175–R1262. DOI: 10.1088/0953-8984/14/49/201Kaloyeros A.E., Pan Y., Goff J., Arkles B. Cobalt thin films: trends in processing technologies and emerging applications. // ECS J. Sol. State Sci. Techn. 2019. V. 8(2). P. 119–152. DOI:10.1149/2.0051902jssDinia A., Ounadjela K., Arbaoui A., Suran G., Muller D., Panissod P. Perpendicular anisotropy in Co/Ru epitaxial superlattices. J. Magn. Magn. Mater. 1992. V. 104–107 P. 1871–1872. DOI: 10.1016/0304-8853(92)91584-GLi Z., Skomsky R., Liou S.-H., Michalski S., Chipara M., Kirby R.D. Magnetization precession and domain-wall structure in cobalt-ruthenium-cobalt trilayers. J. Appl. Phys. 2011. V. 109. P. 07C113. DOI: 10.1063/1.3540406Girt E., Huttema W., Mryasov O.N., Montoya E., Kardasz B., Eyrich C., Heinrich B., Dobin A.Yu., Karis O. A method for measuring exchange stiffness in ferromagnetic films. J. Appl. Phys. 2011. V. 109. P. 07B765. DOI: 10.1063/1.3565203Kolesnikov A.G., Stebliy M.E., Ognev A.V., Fedorets A.N., Plotnikov V.S., Samardak A.S., Xiufeng Han, Chebotkevich L.A. Enhancement of perpendicular magnetic anisotropy and coercivity in ultrathin Ru/Co/Ru ilms through the buffer layer engineering. J. Phys. D: Appl. Phys. 2016. V. 49. P. 425302. DOI: 10.1088/0022-3727/49/42/425302Kolesnikov A.G., Ognev A.V., Stebliy M.E., Chebotkevich L.A., Gerasimenko A.V., Samardak A.S. Nanoscale control of perpendicular magnetic anisotropy, coercive force and domain structure in ultrathin Ru/Co/W/Ru films. J. Magn. Magn. Mater. 2018. V. 454. P. 78–84. DOI: 10.1016/j.jmmm.2018.01.056Zhang J., Cros V., Hoffmann A. (eds). Topology in magnetism. Springer Nature Switzerland AG. 2018. DOI: 10.1007/978-3-319-97334-0Parhtenopoulos D.A., Rentzepis P.M. Three-dimensional optical storage memory. Science. 1989. V. 245. P. 843–845. DOI: 10.1126/science.245.4920.843Kawata S., Kawata Y. Three-dimensional optical storage memory using photochromic materials. Chem. Rev. 2000. V. 100. P. 1777–1788. DOI: 10.1021/cr980073pKurant Z., Gieniusz R., Maziewski A., Tekielak M., Stefanowicz W., Sveklo I., Zablotskii V., Petroutchik A., Baczewski L.T., Wawro A. Changes in magnetic properties of ultrathin cobalt films as induced by Mo, V, Au overlayers. J. Magn. Magn. Mater. 2007. V. 316. P. e511–e514. DOI: 10.1016/j.jmmm.2007.03.003Lissberger P.H. Optical applications of dielectric thin films. Rep. Prog. Phys. 1970. V. 33. P. 197–268. DOI: 10.1088/0034-4885/33/1/305Saito N., Sato R., Kawamura N., Kajiura M. MultiValued Magneto-Optical Recording in TbFe/SiO Compositionally Modulated Films. Jpn. J. Appl. Phys. 1989. V. 28. P. 343–347. DOI: 10.7567/JJAPS.28S3.343Atkinson R., Kubrakov N.F., Utochkin S.N., Zvezdin A.K. Magneto-optical properties and magnetization processes in superlattices. J. Appl. Phys. 1994. V. 75(10), P. 6786–6788. DOI: 10.1063/1.356830Gamble R., Lissberger P.H. Electromagnetic field distributions in multilayer thin films for magneto-optical recording. J. Opt. Soc. Am. A. 1988. V. 5, No. 9. P. 1533–1542. DOI: 10.1364/JOSAA.5.001533Hamrle J., Ferre J., Nyvlt M., Visnovsky S. In-depth resolution of the magneto-optical Kerr effect in ferromagnetic multilayers. Phys. Rev. B. 2002. V. 66. P. 224423. DOI: 10.1103/PhysRevB.66.224423Tsema Yu., Savoini M., Tsukamoto A., Kimel A.V., Kirilyuk A., Rasing Th. Layer-sensitive magneto-optical spectroscopic study of magnetization dynamics in multilayered RE-TM structures. Appl. Phys. Lett. 2016. V. 109. P. 172403. DOI: 10.1063/1.4966183Ignatyeva D.O., Davies C.S., Sylgacheva D.A., Tsukamoto A., Yoshikawa H., Kapralov P.O., Kirilyuk A., Belotelov V.I., Kimel A.V. Plasmonic layer-selective all-optical switching of magnetization with nanometer resolution. Nature Commun. 2019. 10:4786. DOI: 10.1038/s41467-019-12699-0Borovkova O.V., Ignatyeva D.O., Belotelov V.I. Layerselective magnetization switching in the chirped photonic crystal with GdFeCo. Sci. Rep. 2021. 11:2239. DOI: 10.1038/s41598-021-81887-0Zvezdin A.K., Kotov V.A. Modern Magnetooptics and Magnetooptical Materials. Institute of Physics Publishing. Bristol, Philadelphia. 1997. ISBN0 7503 0362 XOblak E., Riego P., Fallarino L., Martínez-de-Guerenu A., Arizti F., Berger A. J. Phys. D: Appl. Phys. Ultrasensitive transverse magneto-optical Kerr effect measurements of effective polarization change detection. 2017. V. 50. P. 23LT01. DOI: 10.1088/1361-6463/aa6df2Vaganova E.I., Mironenko A.A., Paporkov V.A., Rud N.A., Rudyi A.S., Prokaznikov A.V. Increasing the Efficiency of Photoelectric Cells by Nanostructuring Their Surface. Russ. Microelectron. 2011, V. 40, No. 1. P. 31–39. DOI: 10.1134/S1063739711010070Zvezdin N.Yu., Paporkov V.A., Prokaznikov A.V., Tsarev I.S. Analysis of Different Contributions into the Magnetooptical Signal of Magnetophotonic Crystal Type Three-Dimensional Structures. Tech. Phys. 2018. V. 63, No. 6. P. 866–875. DOI: 10.1134/S1063784218060269Paporkov V.A., Prokaznikov A.V. Magnetooptical Response of Metallized Nanostructural Arrays with a Complex Relief on the Surface of Silicon Wafers. Russ. Microelectron. 2019. V. 1. No. 48. P. 61–76. DOI: 10.1134/S1063739719010086Prokaznikov A.V., Paporkov V.A. A Study of the Magneto-Optical Properties of Structures on Curved Surfaces for Creating Memory Elements on Magnetic Vortices. Russ. Microelectron. 2020. V. 49. No. 5. P. 358–371. DOI: 10.1134/S1063739720040071Buchin E.Yu., Vaganova E.I., Naumov V.V., Paporkov V.A. Prokaznikov A.V. Tech. Phys. Lett. 2009. V. 35 (7). P. 589. DOI: 10.1134/S1063785009070025Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Наука. 1976.Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. Т. 8. М.: Наука. 1982. ISBN5-9221-0123-4Кринчик Г.С. Физика магнитных явлений. М.: Изд. МГУ. 1976. 367 с.Соколов А.В. Оптические свойства металлов. М.: Физ.-мат. лит. 1961. 461 с.Caray R., Newman D.M., Thomas B.W.J. Thickness dependence of the transverse Kerr effect in thin ferromagnetic films. J. Phys. D.: Appl. Phys. 1977. V. 10. P. L131–L134. DOI:10.1088/0022-3727/10/10/002Золотарев В.М., Морозов В.Н., Смирнова Е.В. Оптические постоянные природных и технических сред. Справочник. Л.: Химия. 1984. 216 с.Caray R., Thomas B.W.J., Newman D.M. The optical properties of thin cobalt films by a self-consistent photometric technique. Thin Solid Films. 1980. V. 66. P. 139–149. DOI: 10.1016/0040-6090(80)90314-4Kovalenko S.A. Optical properties of metal films. Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. 1999. V. 2. No 3. P. 13–20. DOI: 10.15407/SPQEO2.03.013Libowitzky E. A reflected light investigation of ruthenium. TMPM Tschernaks Min. Petr. Mitt. 1986. V. 35. P. 27–32. DOI: 10.1007/BF01081916Cox J.T., Hass G., Ramsey J.B., Hunter W.R. Reflectance and optical constants of evaporated ruthenium in the vacuum ultraviolet from 300 to 2000 A. J. Opt. Soc. Am. 1974.V. 64. No 4. P. 423–428. DOI: 10.1364/JOSA.63.000435Windt D.L., Cash W.C., Jr., Scott M., Arendt P., Newnam B., Fisher R.F., Swartzlander A.B. Optical constants for thin films of Ti, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, W, Re, Ir, Os, Pt, and Au from 24 A to 1216 A. Appl. Opt. 1988. V. 27. No 2. P. 246–278. DOI: 10.1364/AO.27.000246Rytov R.A., Usov N.A. A shape visualization of a magnetic anisotropy energy density of single-domain magnetic nanoparticles. Sci. Visualization. 2020. V. 12. No 3. P. 26–37. DOI: 10.26583.sv.12.3.03Cullity B.D., Graham C.D. Introduction to Magnetic Materials. IEEE Press. John Wiley & Sons, Inc., Publication. 2009. Hoboken, New Jersey. Wiley. ISBN978-0-471-47741-9Prokaznikov A.V., Paporkov V.A., Selyukov R.V., Vasi-lev S.V., Savenko O.V. Magneto-Optical Properties of Multilayer Structures Based on Cobalt and Chromium-Group Metals for Magnetic Memory Elements. Russ. Microelectron. 2022. V. 51. No. 6. P. 454–464. DOI: 10.1134/S1063739722700184Leliaert J., Dvornik M., Mulkers J., De Clercq J., Milošević M.V., Van Waeyenberge B. Fast micromagnetic simulations on GPU – recent advances made with mumax3. J. Phys. D: Appl. Phys. 2018. V. 51. P. 123002. DOI: 10.1088/1361-6463/aaab1cБорисов А.Б., Киселев В.В. Квазиодномерные магнитные солитоны. Т. 1. М.: Физматлит. 2014. 520 с. ISBN978-5-9221-1590-2Борисов А.Б., Киселев В.В. Нелинейные волны, солитоны и локализованные структуры в магнетиках. Т. 2. Топологические солитоны, двумерные и трехмерные «узоры». Екатеринбург. УрО РАН. 2011. ISBN978-5-7691-2232-3Гумеров А.М. Резонансная динамика солитонов в модели синус-Гордона с притягивающими примесями. Дисс. на соиск. уч. степени к. ф.– м. н. Уфа. 2013.Cuevas-Maraver J., Kevrekidis P.G., Williams F. Editors. The sine-Gordon Model and its Applications. From Pendula and Josephson Junctions to Gravity and High-Energy Physics. Springer. 2014. Cham, Heidelberg, NY, Dordrecht, London. DOI: 10.1007/978-3-319-06722-3Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1973Mayerhöfer T.G., Pahlow S., Popp J. The Bouguer-Beer-Lambert law: Shining light on the obscure. ChemPhysChem. Wiley-VCH. 2020. DOI: 10.1002/cphc.202000464Fan H.Y. Effects of charge carriers on the optical properties. In: Semiconductors and Semimetals. Ed. by R. K. Willardson, A. C. Beer. NY, London. 1967. V. 3. Chap. 9. P. 405–419.Ансельм А.И. Введение в теорию полупроводников. М.: Наука. 1978.Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т. 4. Оптика. М.: Физматлит. 2005. 792 с. ISBN5-9221-0228-1Ignatovich F.V., Ignatovich V.K. Optics of anisotropic media. Physics Uspekhi. 2012. V. 55(7). P. 709–720. DOI: 10.3367/UFNe.0182.201207f.0759Yurakova O.Yu., Baulin R.A., Andreeva M.A. Theory of Grazing Incidence X-Ray Scattering by Nanocomposite Structures Moscow University Physics Bulletin, 2025. V. 80. No. 1. P. 127–133. DOI:10.3103/S0027134925700171Бухарев А.А., Звездин А.К., Пятаков А.П., Фетисов Ю.К. Стрейнтроника – новое направление микро- и наноэлектроники и науки о материалах. УФН. 2018. Т. 188. № 12. С. 1288–1330. DOI: 10.3367.UFNe.2018.01.038279