WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

На правах рукописи

Маклаков Сергей Сергеевич

Микроволновые и структурные особенности тонких магнитных плёнок на основе Co и Fe70Co30, получаемых методом магнетронного распыления

01.04.13 – электрофизика, электрофизические установки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте теоретической и прикладной электродинамики РАН

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Рыжиков Илья Анатольевич

Официальные оппоненты: Перов Николай Сергеевич, доктор физико-математических наук, профессор физического факультета Московского государственного Университета им. М.В. Ломоносова Слепцов Владимир Владимирович, доктор технических наук, зав.

кафедрой радиоэлектроники, телекоммуникаций и нанотехнологии Российского государственного технологического университета им.

К.Э. Циолковского «МАТИ»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН

Защита состоится «23» мая 2012 г. в 11 часов 00 минут на заседании Диссертационного совета ДМ 002.262.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте теоретической и прикладной электродинамики РАН при участии Федерального государственного бюджетного учреждения науки Объединённого института высоких температур РАН по адресу: 125412, Москва, ул. Ижорская, 13, экспозал ОИВТ РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Объединённого института высоких температур РАН.

Автореферат разослан «18» апреля 2012 г.

Учёный секретарь диссертационного совета ДМ 002.262.кандидат физико-математических наук Кунавин А.Т.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Для развития электронной техники необходимо создание ферромагнитных материалов с высокой магнитной проницаемостью. Тонкие ферромагнитные плёнки являются перспективными объектами для решения данной задачи.

Данные материалы интенсивно исследуют в связи с созданием электрофизических устройств: средств для хранения информации высокой плотности, датчиков магнитного поля и приборов для СВЧ диапазона. Наиболее полно изучена взаимосвязь между структурой и статическими магнитными параметрами тонких плёнок. Установлены закономерности, позволяющие получать материалы с требуемым значением коэрцитивной силы, активно изучаются причины возникновения и способы изменения степени магнитной анизотропии. В то же время, взаимосвязь между структурой и динамическими магнитными свойствами тонких плёнок неизвестна. Необходимо исследование корреляций между структурными и высокочастотными магнитными параметрами тонких ферромагнитных плёнок.

Наиболее перспективными магнитомягкими материалами являются вещества на основе твёрдого раствора Fe1-xCox, обладающие максимальным значением намагниченности насыщения среди известных ферромагнетиков. При этом, для изучения магнитной анизотропии тонких плёнок целесообразно использование модельного магнитоодноосного материала Со.

Вакуумные методы нанесения тонких плёнок позволяют получать объекты высокой плотности, однородности и чистоты. Подбор условий роста тонких ферромагнитных плёнок позволяет получать материалы со специфическими характерным размером кристаллов ферромагнетика, распределением кристаллов по размерам и относительным содержанием фазы аморфного металла, что используют для управления магнитными свойствами тонких плёнок в широком диапазоне. При использовании вакуумных методов получения тонких плёнок существует возможность одновременного нанесения ферромагнитного и диэлектрического веществ, что приводит к формированию тонкоплёночных композиционных материалов. Совместимость технологических режимов нанесения металлических и диэлектрических веществ определяется конструкцией вакуумной установки; композиционные материалы с магнитным наполнителем дают дополнительную возможность управления магнитными свойствами тонких плёнок.

Магнетронное распыление на постоянном токе приводит к получению плёнок с размерами кристаллитов от единиц до десятков нм. В силу специфики процессов массопереноса и распыления, задача масштабирования технологических установок с использованием магнетронов постоянного тока облегчена. Разработка технологических подходов получения тонких ферромагнитных плёнок с использованием магнетронов постоянного тока, основанная на понимании взаимосвязи структура – магнитные свойства, актуальна для поиска и производства эффективных материалов – поглотителей электромагнитного излучения требуемого частотного диапазона.

Цель работы Целью данной работы являлось определение взаимосвязи между строением и динамическими магнитными параметрами тонких плёнок на основе Со и Fe70Co30 и изучение возможности управления высокочастотными магнитными свойствами тонкоплёночных материалов на основе Со и Fe70Co30 в частотном диапазоне 1 - 10 ГГц. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

Получение тонких плёнок Со магнетронным распылением на постоянном токе с использованием различных значений набора технологических параметров; изучение взаимосвязи между строением и магнитными параметрами плёнок Со.

Получение тонких плёнок твёрдого раствора Fe70Co30, выявление взаимосвязи структура – магнитные параметры для данных объектов.

Получение тонких плёнок композиционного материала Fe70Co30-SiOмагнетронным сораспылением в вакууме. Исследование взаимосвязи между высокочастотными магнитными свойствами и структурой композиционных плёнок на основе Fe70Co30.

Создание многослойных структур на основе металлических и композиционных плёнок Fe70Co30. Определение изменения высокочастотных магнитных параметров полученных объектов в зависимости от параметров многослойного материала.

Научная новизна Обнаружен и впервые опубликован способ управления частотой естественного ферромагнитного резонанса (е-ФМР) в плёнках Со в диапазоне 2,9 - 7,3 ГГц при помощи изменения скорости нанесения металла. Предложена модель, описывающая формирование кристаллитов определённого размера в плёнках Со, приводящее к изменению частоты е-ФМР. Подробно исследовано влияние кристаллической текстуры на магнитные свойства плёнок Со. Предложен способ изменения ориентации оси текстуры при помощи регулирования направления стока заряда, проходящего через ферромагнитную плёнку в процессе роста.

Установлено, что выявленные закономерности роста плёнок Со не работают при росте плёнок твёрдого раствора Fe70Co30. При этом, для плёнок Fe70Co30, зависимость частоты е-ФМР от размера кристаллитов аналогична зависимости, обнаруженной для плёнок Co. При формировании композиционного материала (Fe70Co30)1-x(SiO2)x частота е-ФМР уменьшается от 10,2 до 5,7 ГГц. Обнаружено, что уменьшение частоты е-ФМР и максимального значения ” при увеличении количества ферромагнитных слоёв для многослойного материала (Fe70Co30)97(SiO2)3-SiO2 происходит медленнее, чем для многослойного материала Fe70Co30-SiO2. Предложен новый подход к исследованию степени упорядочения в твёрдых растворах системы Fe1-xCox, основанный на изучении эффекта Мёссбауэра и оценке вероятности осуществления комбинаций относительного расположения атомов Fe и Со.

Показано, что твёрдый раствор Fe70Co30 обладает большей степенью упорядочения по типу CsCl в композиционных плёнках (Fe70Co30)95(SiO2)5 по сравнению с металлическими плёнками Fe70Co30.

Практическая значимость работы Разработанные способы формирования заданных магнитных параметров тонких ферромагнитных плёнок могут быть использованы при создании опытноконструкторских электрофизических установок по изготовлению материалов с интенсивным поглощением СВЧ излучения в частотном диапазоне современной сотовой связи. Результаты работы могут быть использованы для разработки новых магнитных материалов для СВЧ диапазона. Предложенный подход к созданию новых магнитных материалов, основанный на изучении строения тонких магнитных плёнок, применим для развития теоретических представлений о динамических магнитных свойствах вещества.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту 1. Частота естественного ферромагнитного резонанса fres плёнок кобальта монотонно возрастает от 2,9 до 7,3 ГГц при увеличении скорости нанесения от Vd = 4,3 до 7,0 нм/мин. Возрастание частоты коррелирует с возрастанием размера кристаллитов кобальта от 5 до 50 нм и шириной распределения кристаллитов Co по размерам от 5 до 70 нм.

2. Плёнки Со, полученные магнетронным распылением на постоянном токе, обладают одноосной текстурой. Ось текстуры изменяет ориентацию в зависимости от скорости нанесения кобальта. При скорости Vd = 4,3 нм/мин ось текстуры находится в плоскости плёнки и перпендикулярна оси лёгкого намагничивания. В случае Vd = 7,0 нм/мин ось текстуры перпендикулярна подложке. Изменение ориентации оси текстуры связано с направлением стока заряда, проходящего через металлическую плёнку при нанесении.

3. Предложена модель, объясняющая изменение частоты естественного ферромагнитного резонанса при изгибе ферромагнитных поликристаллических плёнок. В рамках предложенной модели, анализ значений частот fres, измеренных для изогнутых плёнок, показывает, что плёнки Со с частотой fres = 2,9 ГГц обладают большей свободной энергией, чем плёнки Со с частотой fres = 7,3 ГГц. Уменьшение свободной энергии связано с уменьшением объёма аморфного кобальта и переходом магнитных моментов в плоскость плёнки.

4. Структурные изменения при повышении скорости нанесения Vd вызваны увеличением поверхностной температуры подложки при росте плёнки.

Сравнение плёнок Со, полученных при минимальной и максимальной доступных скоростях нанесения показывает, что в случае Vd = 4,3 нм/мин доминирующий процесс при росте плёнки – зародышеобразование. Для Vd = 7,нм/мин становится возможным расширенный рост зародышей.

5. Частота fres понижается от 10,2 до 5,7 ГГц при формировании композиционных плёнок (Fe70Co30)94(SiO2)6 по сравнению с металлическими плёнками Fe70Co30. При этом происходит уменьшение коэрцитивной силы от 2до 20 Э. При содержании а композите с(SiO2) 21 об. % происходит переход плёнок в суперпарамагнитное состояние.

6. Изменение высокочастотных магнитных параметров при формировании десятислойного материала с прослойками SiO2 сильнее в случае использования Fe70Co30 по сравнению с (Fe70Co30)97(SiO2)3. Уменьшение частоты е-ФМР и максимального значения ” составляет fres = 2,4 ГГц, ” = 8 для Fe70Co30 и fres = 1 ГГц, ” = 10 для (Fe70Co30)97(SiO2)3.

7. Предложена модель, описывающая изменение распределения сверхтонкого поля на ядрах 57Fe в зависимости от атомной структуры твёрдого раствора Fe70Co30. Степень упорядочения Fe70Co30 по типу CsCl в композиционной плёнке (Fe70Co30)95(SiO2)5 выше, чем в плёнке Fe70Co30.

Упорядочение вызвано повышенной поверхностной температурой при росте плёнки за счёт сообщения энергии подложке потоком SiO2.

8. Разработан технологический подход, позволяющий получать методом магнетронного распыления плёнки на основе Co и Fe1-xCox с заданными высокочастотными свойствами.

Апробация результатов работы Основные результаты работы доложены на двенадцати международных и всероссийских конференция. Среди них: международная выставка-симпозиум Американского вакуумного общества «AVS-58» (Нэшвил, США, 2011); 20-я международная конференция, посвящённая магнитомягким материалам «SMM20» (Кос, Греция, 2011); Вторая Всероссийская научная конференция с международным участием «Успехи синтеза и комплексообразования» (Москва, 2012); VI Всероссийская конференции «Менделеев-2012» (Санкт-Петербург, 2012); Московский международный симпозиум по магнетизму «MISM-2011» (Москва, 2011); Ежегодная научная конференция ИТПЭ РАН (Москва, 2011, 2010, 2012); 5-я Всерос. конференция студентов и аспирантов «Химия в современном мире» (Санкт-Петербург, 2011); Междунар. Конфер. студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов» (Москва, 2012, 2011, 2010).

Публикации По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ. Среди них 3 статьи в зарубежном и отечественных реферируемых журналах из списка ВАК и тезисов докладов на научных конференциях.

Личный вклад автора Автором выполнена синтетическая часть работы: получены тонкоплёночные материалы, использованные для исследования. Осуществлена интерпретация результатов физико-химических исследований. Обнаружена кристаллографическая текстура плёнок Со и корреляция между строением и магнитными свойствами плёнок Со. Предложен способ описания состояния плёнок Со при помощи термодинамической функции состояния. Предложена модель, объясняющая сдвиг частоты естественного ферромагнитного резонанса при изгибе плёнок, основанная на использовании изменения свободной энергии.

Предложен способ исследования степени упорядоченности твёрдого раствора Fe1-xCox в тонких плёнках при помощи изучения эффекта Мёссбауэра.

Разработана качественная модель, описывающая изменение структуры плёнок Со и Fe70Co30 в зависимости от параметров нанесения вещества при магнетронном распылении.

Структура и объём работы Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и списка цитируемой литературы, содержащего 138 ссылок. Работа изложена на 106 страницах печатного текста и содержит 63 рисунка, 1 схему и 8 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель исследования и представлены основные результаты, выносимые на защиту.

Первая глава представляет собой обзор литературы, посвящённой тонким плёнкам Co и Fe1-xCox: описанию свойств и особенностей технологий изготовления.

В разделе § 1 описаны основные процессы, протекающие при магнетронном распылении на постоянном токе. Приведены данные о влиянии изменения параметров процесса на строение плёнок. Представлен современный подход к объяснению взаимосвязи между параметрами распыления и свойствами плёнок.

Раздел § 2 посвящён тонким плёнкам кобальта. Представлены известные данные о взаимосвязи между магнитными свойствами и строением плёнок кобальта. Представлена оценка данных о фазовом переходе fcc-hcp Co, часто упоминаемом в литературе по плёнкам кобальта. Представлены современные данные о текстуре плёнок кобальта и методах её создания.

Раздел § 3 посвящён тонким плёнкам на основе Fe1-xCox. Представлена диаграмма состояния бинарной системы Fe-Co. Рассмотрены известные данные об изучении фазового перехода типа порядок-беспорядок. Обоснован выбор состава твёрдого раствора для проведения эксперимента. Представлены магнитные свойства плёнок Fe1-xCox. Проведён анализ изменения магнитных свойств плёнок Fe1-xCox в зависимости от используемой подложки.

Раздел § 4 посвящён композиционным плёнкам (Fe1-yCoy)1-x(SiO2)x.

Описаны способы получения данных объектов, приведены основные структурные характеристики. Представлены способы определения состава композиционных плёнок. Приведены данные о статических и динамических свойствах композиционных плёнок в зависимости от состава композита.

Раздел § 5 посвящён теоретическим аспектам магнетизма тонких ферромагнитных плёнок. Представлены основные положения, рассматривающие динамические магнитные свойства ферромагнитных плёнок, опубликованные в течение последних десяти лет.

Во второй главе приведено описание оборудования, использованного для получения тонких плёнок Co и Fe1-xCox и структур на их основе. Описаны методики получения исследованных плёнок. Для распыления Со и Fe70Coиспользованы магнетроны постоянного тока. Распыление SiO2 осуществлялось при помощи ВЧ магнетрона (13,56 МГц). Разрежение в газовой камере создавалось при помощи криогенного вакуумного насоса.

Третья глава посвящена методикам исследования тонких плёнок.

Основные результаты работы получены при помощи измерений магнитной радиоспектроскопии, магнитостатических измерений, изучения интерференции на тонких плёнках, удельного электрического сопротивления плёнок, рентгеновской дифрактометрии, просвечивающей электронной микроскопии, сканирующей электронной микроскопии с локальным рентгеноспектральным анализом, и исследования эффекта Мёссбауэра.

В четвёртой главе приведены экспериментальные результаты и их обсуждение.

Тонкие плёнки кобальта Частота естественного ферромагнитного резонанса плёнок Со Кобальт был выбран в качестве модельного материала для экспериментов по определению возможности получения ферромагнитных плёнок с различной структурой и выявлению корреляций между строением и значением частоты еФМР плёнок. В качестве параметра, характеризующего процесс роста плёнки, выбрана скорость нанесения, измеряемая после окончания процесса. Плёнки Со получены магнетронным распылением мишени Со (99,95 %, = 6 см) на постоянном токе в атмосфере Ar. Поток частиц Со осаждался при комнатной температуре на прямоугольную подложку из полиэтилентерефталата размером 6 60 см, закреплённую на вращающемся металлическом барабане.

При нанесении Со, напряжение и ток газового разряда существенно зависят от давления внутри камеры. В качестве параметра, характеризующего процесс нанесения Со, была выбрана скорость нанесения Vd, нм/мин, определяемая после окончания процесса. Скорость нанесения Vd изменяется от 4,3 до 7,0 нм/мин при изменении мощность газового разряда от 336 до 770 Вт, что вызвано увеличением силы тока разряда от 0,4 до 0,95 А соответственно (табл. 1).

Обнаружено повышение частоты е-ФМР плёнок Со от 2,9 до 7,5 ГГц при повышении скорости нанесения от 4,3 до 7,0 нм/мин (рис. 1, табл. 1). Частота ФМР определялась как экспериментальное значение частоты при ’ = 1. Для проведения экспериментов были выбраны плёнки Со толщиной h = 30 ± 3 нм.

При h < 30 нм затруднительно исследование плёнок методом магнитной радиоспектроскопии, что связано с недостаточной чувствительностью частотного анализатора. При h > 30 нм наблюдается уширение полосы поглощения на кривой ”(f); металлические плёнки теряют прозрачность для электронного луча в просвечивающем электронном микроскопе.

Рис. 1. Частотные дисперсии (a) – действительной, (b) – мнимой частей магнитной проницаемости плёнок Со, полученных при разных скоростях нанесения Vd.

Частота е-ФМР определяется величиной внутреннего эффективного поля Heff (табл. 1); величину Heff рассчитывают по формуле Киттеля (1):

, где (1) намагниченность насыщения Co 4Ms = 18,188 кГс, магнитомеханическое отношение = 3,05 ГГц/кЭ.

Увеличение скорости нанесения приводит к росту коэрцитивной силы Hc плёнок Со от 25 до 125 Э (рис. 2, табл. 2). При этом наблюдается уменьшение параметра прямоугольности петли гистерезиса1 (табл. 1).

Рис. 2. Петли магнитного гистерезиса в Рис. 3. Планарные изображения просвечивающей направлении оси лёгкого намагничивания плёнок электронной микроскопии плёнок Со; (a), (c), (e), Со, полученных при разных скоростях нанесения (f) – изображения в режиме светлого поля; (b), (d) Vd. – изображения в режиме тёмного поля; (g), (h) – Нс монотонно увеличивается при увеличении Vd. изображения электронной дифракции.

Hegyi, I.J. // J. Appl. Phys. 1954 (25) 1Плёнки кобальта обладают нанокристаллическим строением с кристаллической модификацией -Со (рис. 3). Искажения кристаллической решётки по сравнению с табличными параметрами не обнаружено (a = 2,49(1) , c = 4,15(7) ; карточка ICDD № 05-0727). Присутствия кубической фазы кобальта, упоминаемой в литературе, не обнаружено.

Плёнки Со, полученные со скоростью Vd = 4,3 нм/мин обладают узким (D = 3 нм) распределением кристаллитов по размерам со средним размером кристаллитов D = 5 нм. Повышение скорости нанесения приводит к увеличению степени неоднородности плёнки и увеличению размеров кристаллитов Со (рис.

3, 4, табл. 1). При большом увеличении (рис. 3f) плёнки Со, полученные при скорости нанесения Vd = 7,0 нм/мин демонстрируют «полосатую» структуру с шириной полосы 2 нм. Данное изображение предположительно формируется по механизму образования Муарового узора в электронном пучке.

Таблица 1. Условия получения, магнитные свойства и структурные параметры плёнок Со.

Параметры газового разряда Частота ФМР U, P, мм fres, ГГц I, A V рт. ст.

4,3 840 0,40 2·10-4 2,9 50 5 5 25 48,5,3 830 0,55 5·10-4 5,3 170 20 40 63 11,6,6 825 0,75 7·10-4 6,5 245 30 60 90 4,7,0 810 0,95 10·10-4 7,3 320 50 70 125 1,Слабо выраженные линии Кикучи, наблюдаемые при электронной дифракции (рис. 3h) говорят о том, что кристаллиты Со в случае Vd = 7,0 нм/мин достаточно велики для дифракции неупруго рассеянных электронов.

Рис. 4. Распределение кристаллитов -Со по Рис. 5. (a), (b) – изображение просвечивающей размерам для плёнок, полученных при разных электронной микроскопии поперечного среза скоростях нанесения. плёнки Со; (с) – электронная дифракция с области, изображённой на рис. (а).

S c eff сила поле H, Э D, нм H, Э размер D, нм d Средний Скорость сть петли нанесения V, нм/мин гистерезиса Внутреннее по размерам эффективное кристаллитов кристаллитов Коэрцитивная Прямоугольно Распределение Изучение поперечных срезов плёнок Со показывает, что плёнки обладают сложным строением, состоящим из металла и полиэтилентерефталата (рис. 5a и 5b). Толщина металлосодержащего слоя на полимерной подложке увеличена до h = 100-150 нм по сравнению с толщиной металла h = 30 ± 3 нм, определённой при помощи интерференции на твёрдой подложке. Для плёнок, полученных при всех доступных скоростях нанесения обнаружено столбчатое расположение кристаллитов Со, что согласуется с приведёнными в литературе данными2.

Обнаружена корреляция между частотой е-ФМР и размером кристаллитов Со (рис. 6). Увеличение размера кристаллитов Со приводит к увеличению внутреннего эффективного поля Heff, коэрцитивной силы Hc и понижению прямоугольности петли гистерезиса S (рис. 7).

Структурные изменения, вызванные ростом скорости нанесения Со, предположительно, связаны с увеличением поверхностной температуры в процессе роста плёнки при разных режимах распыления. При повышении давления в вакуумной камере протекают конкурирующие процессы, отражающиеся на росте плёнки Со. За счёт термализации и перезарядки ионов Ar+ (Ar+ + Ar Ar + Ar+) кинетическая энергия частиц кобальта уменьшается.

При этом увеличивается количество частиц кобальта, оседающих на подложке в единицу времени. Поверхностная температура возрастает за счёт увеличения полной энергии, сообщаемой подложке в единицу времени3. Известно, что при магнетронном распылении рост плёнок металлов происходит по механизму Волмера-Вебера. Из анализа структуры плёнок следует, что при скорости нанесения Vd = 4,3 нм/мин доминирующим процессом при росте плёнки является зародышеобразование, что говорит о низкой поверхностной диффузии атомов Со. При Vd = 7,0 нм/мин поверхностная диффузия увеличивается, что приводит к образованию кристаллитов увеличенного размера4 (табл. 1).

Рис. 6. Зависимость частоты е-ФМР от среднего Рис. 7. Зависимость магнитных параметров размера кристаллитов Со. плёнок от среднего размера кристаллитов Со.

Anders, A. // Thin Solid Films. 2010 (518) 40 Jeon, G.H. // J. Phys. D. 2009 (42) 0430 Maklakov, S.S. et. al. // J. Magn. Magn. Mater. 2012 (324) 21Кристаллическая текстура плёнок Со При отсутствии искажений кристаллической решётки -Со ось симметрии шестого порядка совпадает с осью лёгкого намагничивания. Анализ результатов статических магнитных измерений и рентгеновской дифракции показывает присутствие одноосной кристаллической текстуры плёнок Со.

Плёнки, полученные при скорости нанесения Vd = 4,3 нм/мин, обладают магнитной анизотропией в плоскости плёнки (рис. 8a). На дифрактограмме наблюдается один рефлекс -Со 002 (рис. 8b). Ось текстуры для плёнок данного типа лежит в плоскости плёнки и параллельна оси трудного намагничивания (рис. 9b). Плёнки с Vd = 7,0 нм/мин магнитно изотропны в плоскости (рис. 8c) и не содержат рефлекса на дифрактограмме (рис. 8d). Ось текстуры в данном случае перпендикулярна плоскости плёнки (рис. 9d). Текстура плёнок Со предположительно связана с направлением стока заряда, проходящего через плёнку в процессе роста.

Рис. 8. (a), (с) – петли магнитного гистерезиса плёнок Со, полученные по взаимно перпендикулярным направлениям в плоскости плёнки; (b), (d) – дифрактограммы плёнок Со, полученные в режиме скользящего падения рентгеновского пучка (GIXD).

Рис. 9. Схематическое представление строения плёнок Со.

Для проведения измерений методом магнитной радиоспектроскопии необходимо достаточное количество магнитного материала, сформированного в тороидальной форме. Для этого из полученной плёнки вырезают узкую длинную (5 200 мм) полоску и скручивают в цилиндр. Значения магнитной проницаемости рассчитывают из коэффициента отражения электромагнитной волны от поверхности волновода после прохождения через образец. Возможно изготовление скрутки из полоски металлом «внутрь» и «наружу» (далее образцы «in» и «out» соответственно)5. Перед проведением измерений образцы размагничивают во внешнем поле.

Разница между частотами е-ФМР для образцов «in» и «out» плёнок, полученных при Vd = 4,3 нм/мин, составляет 1,9 ГГц. При Vd = 7,0 нм/мин fresout fresin = 0,6 ГГц (рис. 10, табл. 2).

Рис. 10. Частотные дисперсии (a) – действительной и (b) – мнимой частей магнитной проницаемости образцов из плёнок Со «in» и «out».

Внутреннее эффективное поле Heff определяется через плотность свободной энергии плёнки:

. (2) При изгибе полимерной подложки в металлической пленке возникает механическое напряжение. В этом случае можно представить полный термодинамический потенциал в виде:

, где (3) Felast - результирующее изменение внутренней упругой энергии пленки, энергии магнитоупругого взаимодействия и энергии внешних напряжений, которые связаны с магнитострикцией. В этом случае можно Heff можно представить в виде:

, где (4) Hinit – эффективное поле свободного состояния пленки, Helast – магнитоупругое поле. В предположении равенства величин возникающих напряжений в образцах «in» и «out» из табл. 2 имеем:

для образцов «in» (5) Iakubov, I.T. et. al. // J. Magn. Magn. Mater. 2009 (321) 7 для образцов «out». (6) Значения Hinit и |Helast|, полученные при решение системы уравнений (5) и (6) представлены в табл. 2. Сравнение равенств (4) и (5) даёт знак Helast < 0.

В силу эффекта Пуассона, пленка Co подвержена механическому сжатию при скрутке образца «in» и растяжению в образце «out». Величину Felast можно грубо оценить по формуле для плотности магнитоупругой энергии упруго деформированного ферромагнетика:

, где (7) Со = -31·10-6 – коэффициент магнитострикции Со, – напряжение и – угол между вектором намагниченности насыщения и осью напряжений. Felast < 0 при сжатии и Felast > 0 при растяжении. Учитывая, (8) магнитоупругая энергия Felast уменьшается c возрастанием магнитного момента. Можно предположить, что разница значений fres для скруток «in» и «out» уменьшится при измерении магнитной проницаемости в состоянии насыщения.

Таблица 2. Частота е-ФМР fres, эффективное внутреннее поле Heff, поле магнитной анизотропии Hinit, магнитоупругое поле Helast и истинная частота е-ФМР (fres)real в зависимости от скорости нанесения Vd пленок кобальта.

Vd, нм/мин скрутка fres, ГГц Heff, Э Hinit, Э Helast, Э (fres)real, ГГц «in» 2,4 4,3 70 37 3,«out» 4,3 1«in» 5,2 17,0 175 19 5,«out» 5,8 1Изменение энергии Гельмгольца неизогнутых плёнок Со при увеличении Vd от 4,3 и 7,0 нм/мин соответствует обнаруженным структурным изменениям.

. (9) Свободная энергия плёнок Со понижается при повышении скорости нанесения металла. Уменьшение внутреннего эффективного поля и свободной энергии пленки, по-видимому, связано с уменьшением площади границ раздела Соcryst - Coamorph, уменьшением объёма аморфного металла и поворотом магнитных моментов в плоскость пленки6. Различие значений Helast для плёнок, нанесённых с разной скоростью, вызвано различной текстурой пленок.

Известно, что механические напряжения, возникающие при пробоподготовке, приводят к инверсии лёгкой и трудно осей намагничивания для плёнок с плоскостной магнитной анизотропией7. В этом случае, для Vd = 4,3 нм/мин, большая часть магнитных моментов в плоскости пленки становится ортогональна оси напряжений (sin2 1) и вносит вклад в изменение магнитоупругой энергии. Дополнительный вклад вносят напряжения свободного состояния. В случае Vd = 7,0 нм/мин магнитные моменты направлены Агапонова А.В. и др. // ФТТ. 2011 (53) 9 Iakubov I.T. et. al // J. Magn. Magn. Mater. 2012. DOI: 10.1016/j.jmmm.2012.02.0статистически равномерно в плоскости пленки (sin2 1/2); изменение магнитоупругой энергии мало. Для оценки истинной резонансной частоты (fres)real может быть использовано значение Hinit (табл. 2)8.

Тонкие плёнки на основе Fe1-xCox Тонкие плёнки Fe70CoСостав Fe70Co30 был выбран для проведения экспериментов по изучению ВЧ магнитных свойств в связи с максимальной намагниченностью насыщения среди известных металлов и сплавов (Ms = 2,42 Т). Мишень из твёрдого раствора Fe70Co70 размером 11,2 22,7 см, полученная горячим прессованием, была распылена при помощи магнетрона постоянного тока. В случае распыления Fe70Co30 напряжение газового разряда слабо зависит от давления в вакуумной камере. Поэтому в качестве характеристики процесса росте плёнок Fe70Coбыло использовано значение давления.

Обнаружено, что частота fres не зависит от изменения параметров газового разряда (рис. 11), в отличие от изменения, обнаруженного для плёнок Со.

Частота fres = 9,9 ± 0,5 ГГц для плёнок Fe70Co30, полученных в диапазоне давлений 3 10-3 – 9 10-3 мм рт. ст.

Рис. 11. Частотные дисперсии (a) – действительной и (b) – мнимой частей магнитной проницаемости плёнок Fe70Co30.

Плёнки Fe70Co30 обладают нанокристаллической структурой со средним размером кристаллитов D = 4,1 нм и узким распределением кристаллитов Fe70Co30 размерам D = 1,9 нм (рис. 12). Твёрдый раствор кристаллизуется в виде кубической bcc модификации с параметром ячейки a = 2,861(4) . Размер кристаллитов D не изменяется при изменении параметров нанесения.

Неизменность частоты е-ФМР при отсутствии изменения размера кристаллитов D подтверждает корреляцию fres – D, обнаруженную для Co.

Маклаков, С.С. и др. // Российские нанотехнологии. 2012 (7) (в печати) Рис. 12. Планарное изображение просвечивающей Рис. 13. Электронная дифракция на плёнке электронной микроскопии плёнок Fe70Co30 и Fe70Co30.

распределение кристаллитов Fe70Co30 по размерам.

Композиционные плёнки (Fe70Co30)1-x(SiO2)x Тонкие плёнки композиционного строения были получены сораспылением при помощи магнетрона постоянного тока (Fe70Co30) и ВЧ магнетрона (SiO2). Угол между потоками частиц, создаваемых магнетронными устройствами, составляет 90°; потоки частиц не пересекаются. Мощность работы ВЧ магнетрона поддерживалась постоянной. Состав композита изменялся при помощи изменения мощности магнетрона постоянного тока (табл. 3). Количество ферромагнетика в плёнках поддерживалось постоянным за счёт изменения времени нанесения; контроль осуществлялся при помощи статических магнитных измерений. Определение состава композиционных плёнок осуществлялось при помощи локального рентгеноспектрального анализа (EDX).

Оценка правильности определения состава проведена при помощи анализа изображений электронной микроскопии, на основе толщин плёнок Fe70Co30 и SiO2, полученных при тех же режимах работы магнетронов, что и композиционные плёнки. Пересчёт между атомными, объёмными и массовыми процентами выполнен с использованием «правила смесей» для композиционных материалов:

, где (10) (Fe70Co30) = 8,025 г/см3, (SiO2) = 2,20 г/см3.

Таблица 3. Условия получения и состав плёнок (Fe70Co30)1-x(SiO2)x композиционного строения.

Время Электрическое Содержание Мощность Мощность Содержание Содержание нанесения сопротивление SiO2, PFe70Co30, Вт PSiO2, кВт SiO2, ат. % SiO2, об. % t, мин , мкОм·см масс. % 2352 1,20 4,0 88 3 3 600 1,20 15,5 804 5 5 375 1,20 24,5 8610 6 6 Введение SiO2 понижает частоту е-ФМР и увеличивает полуширину максимума поглощения на кривой ” (рис. 14). Данный эффект предположительно вызван увеличением расстояния между частицами ферромагнетика. Аналогичное явление описано в работе9.

Рис. 14. Частотные дисперсии (a) – действительной и (b) – мнимой частей магнитной проницаемости композиционных плёнок (Fe70Co30)1-x(SiO2)x.

Твёрдый раствор Fe70Co30 в композиционных плёнках находится в нанокристаллическом состоянии (рис. 15a). Средний размер металлических кристаллитов в композиционных плёнках составляет D = 3,5 нм, D = 1 нм.

Параметр кристаллической bcc ячейки a = 2,873(1) увеличен на 0,5 % по сравнению с металлическими плёнками (рис. 15c и 15d). На планарных изображениях композиционных плёнок светлые области поперечного размера до 50 нм, соответствующие аморфному SiO2, чередуются с тёмными областями поперечного размера до 100 нм, содержащими частицы металла. Картирование элементов Fe, Co и Si показывает однородное распределение по площади при масштабе более 1 мкм (рис. 15b).

Наблюдаемые структурные изменения сопровождаются снижением коэрцитивной силы от 200 до 20 Э. Плёнки на основе Fe70Co30 металлического и композиционного строения магнитно анизотропны в плоскости.

Рис. 15. (a) – планарное изображение электронной микроскопии, (b) – картирование элементов Fe, Co и Si и (d) электронная дифракция для плёнки (Fe70Co30)95(SiO2)5. (с) – дифрактограмма, полученная в режиме скользящего падения рентгеновского пучка для металлической и композиционной плёнок.

Исследование эффекта Мёссбауэра в плёнках Fe70Co30 и (Fe70Co30)95(SiO2)Мёссбауэровские спектры (57Fe) металлических и композиционных плёнок на основе Fe70Co30 представляют собой уширенные секстеты, которые могут быть Stashkevich, A.A. et. al. // J. Appl. Phys. 2008 (104) 0939разложены на четыре составляющих секстета (рис. 16). Разложение другим способом даёт суммарный спектр низкого качества. При разложении сохранялась постоянной ширина линии секстетов (0,30(3) мм/сек). Соотношение площадей линий секстетов составило 3:4:1:1:4:3, что даёт полярный угол = 90°;

съёмка проводилась в геометрии на пропускание, поток квантов падал под углом 90° к плоскости плёнки. Значение = 90° показывает расположение магнитных моментов в плоскости плёнки. Малая величина поглощения позволяет применить приближение тонкого слоя поглотителя. В этом случае площадь секстета пропорциональна содержанию Мёссбауэровских атомов.

Известно, что значение сверхтонкого поля на ядрах Fe составляет He = 330 кЭ для -Fe. Значение Не повышается при введении атомов Со и понижается при отсутствии ферромагнитных атомов в первой и второй координационных сферах реперного атома. Обнаружено дискретное увеличение значения He в металлических и композиционных плёнках с шагом He n·15 кЭ, где n = 1, (табл. 4). Для плёнок (Fe70Co30)95(SiO2)5 He достигает максимального значения He = 371 кЭ, не встречающегося в литературе.

Рис. 16. Мёссбауэровские спектры для металлической и композиционной плёнок на основе Fe70Co30.

Таблица 4. Сверхтонкое поле He на ядрах Fe и площадь секстетов Ssextet для Мёссбауэровских спектров, представленных на рис. 16.

Состав плёнки He ± 3, кЭ Ssextet, % 314 345 Fe70Co359 369 315 342 (Fe70Co30)95(SiO2)357 371 Можно предположить, что увеличение сверхтонкого поля на 15 кЭ вызвано замещением одного атома железа на кобальт в bcc ячейке. Это позволяет провести анализ частоты встречи атомных конфигураций при помощи оценки вероятности с использованием биномиального распределения:

, где (11) P(m) – вероятность состояния, в котором m атомов железа не замещено на атомы кобальта вокруг реперного атома железа при случайном распределении атомов в bcc ячейке; n – КЧ реперного атома; X – относительная доля замещённых атомов железа в твёрдом растворе. Величина P(m) представлена в виде графика на рис. 17. В случае полного упорядочения твёрдого раствора Fe1Cox по типу CsCl, происходит увеличение значений P(0) и P(8) и уменьшение x значений P(1) … P(7). Относительное содержание в плёнках наблюдаемых атомных конфигураций коррелирует со значением P(m), при этом плёнки находятся в промежуточном состоянии между полностью упорядоченным и полностью неупорядоченным состояниями. Сравнение величин P(m) и Ssextet позволяет приписать состояниям с He 315, 345, 360 и 370 кЭ атомные конфигурации c m = 8, 6, 5 и 4 соответственно. В рамках данного рассуждения состояния с m = 1, 2, 3 и 4 неразличимы, поскольку величина He не может превышать значение He 370 кЭ. При этом, нельзя исключить присутствия атомов Co в состоянии с He = 300 кЭ. Увеличение площади секстетов с He = 3кЭ и He = 370 кЭ и одновременное понижение площади секстетов c He = 360 кЭ и He = 345 кЭ говорит об увеличении степени упорядоченности и увеличение площади поверхности частиц твёрдого раствора Fe70Co30 в плёнках (Fe70Co30)95(SiO2)5 по сравнению с плёнками Fe70Co30. Обнаруженное явление, предположительно, формируется по механизму образования I зоны ГиньеПрестона.

Для системы Fe-Co максимальная величина He повышается c увеличением степени упорядоченности. Обнаруженное значение He = 371 кЭ, вероятно, вызвано необычным набором атомных конфигураций в исследованных плёнках.

Рис. 17. Вероятность P(m) окружения атома Fe m Рис. 18. Теоретические и экспериментальные атомами Со (m = 0 … 8), сверхтонкое поле He на значения параметра a bcc решётки твёрдого ядрах 57Fe и площадь секстетов Ssextet, раствора Fe70Co30.

составляющих Мёссбауэровский спектр плёнок на основе Fe70Co30.

Параметр решётки а в бинарной системе Fe-Co уменьшается при повышении содержания Со (рис. 18). Можно предположить, что понижение значения a = 2,859(1) относительно табличного значения a = 2,863 для плёнок Fe70Coвызвано понижением степени упорядоченности твёрдого раствора. Повышенное значение a = 2,873 для плёнок (Fe70Co30)95(SiO2)5 объясняется повышенной поверхностной энергией кристаллитов Fe70Co30, вызванной образованием границы раздела фаз Fe70Co30 – SiO2.

В предположении независимости работы магнетронных устройств обнаруженное изменение степени упорядоченности Fe70Co30 вызвано различием протекания поверхностных процессов при росте плёнок. Дополнительный поток SiO2 при нанесении композиционных плёнок по сравнению с нанесением металлических плёнок повышает поверхностную температуру, что отражается на увеличении упорядоченности твёрдого раствора. Присутствие частиц SiO2 на подложке во время роста композиционных плёнок понижает коэффициент поверхностной диффузии атомов Fe и Сo, что приводит к уменьшению среднего размера кристаллитов металла D на 0,5 нм по сравнению с металлическими плёнками.

Многослойные структуры на основе Fe70Co30 и SiOМногослойные структуры на основе ферромагнетиков используют для увеличения содержания магнитного вещества при сохранении объёма и магнитных свойств материала. Известно, что формирование многослойной структуры приводит к уменьшению частоты е-ФМР и уменьшению максимума поглощения на кривой ”(f). Получены многослойные структуры, содержащие десять слоёв ферромагнетика, разделённых слоями SiO2. Толщина диэлектрических прослоек составляла h 20 нм; в качестве ферромагнетиков использованы Fe70Co30 и (Fe70Co30)97(SiO2)3. Обнаружено, что в случае Fe70Coизменение магнитных (fres = 2,4 ГГц, ” = 8; рис. 19) параметров сильнее, чем в случае (Fe70Co30)97(SiO2)3 (fres = 1 ГГц, ” = 10; рис. 20).

Рис. 19. Частотные дисперсии (a) – действительной и (b) – мнимой частей магнитной проницаемости десятислойной структуры на основе Fe70Co30 и SiO2 и однослойной плёнки Fe70Co30.

Рис. 20. Частотные дисперсии (a) – действительной и (b) – мнимой частей магнитной проницаемости десятислойной структуры на основе (Fe70Co30)97(SiO2)3 и SiO2 и однослойной плёнки (Fe70Co30)97(SiO2)3.

Многослойные плёнки на основе Fe70Co30 и (Fe70Co30)97(SiO2)3 демонстрируют столбчатое расположение металлических кристаллитов (рис. 21). Размеры кристаллитов и параметр решётки металла, полученные для поперечных срезов многослойных плёнок, совпадают с величинами, определёнными в планарной геометрии.

Рис. 21. Изображения электронной микроскопии поперечного среза многослойных плёнок:

(a) - (Fe70Co30)97(SiO2)3 – SiO2, (b) - Fe70Co30 – SiO2.

Степень изменения магнитных параметров предположительно связана с магнитным взаимодействием между слоями, содержащими частицы Fe70Co30.

Граница между слоем диэлектрика и магнитным слоем обладает шероховатостью R 10 нм (рис. 21). На таких расстояниях взаимодействия между ферромагнитными частицами, принадлежащими разным слоям, могут оказывать существенное влияние на свойства системы в целом.

В случае многослойных плёнок композиционного строения в приповерхностном объёме границ раздела металл-диэлектрик содержится меньшее количество частиц Fe70Co30, чем в случае многослойных плёнок с металлическими слоями Fe70Co30. Магнитное взаимодействие между слоями ферромагнетика в многослойных плёнках (Fe70Co30)97(SiO2)3 – SiO2 меньше, чем в многослойных плёнках Fe70Co30 – SiO2, из-за дополнительного слоя оксида кремния. Понижение частоты е-ФМР для плёнок Fe70Co30 – SiO2 объясняется приближением магнитных свойств к объёмному «bulk» материалу.

Основные результаты и выводы 1. Частота естественного ферромагнитного резонанса плёнок Со повышается с ростом среднего размера кристаллитов металла. Размер кристаллитов увеличивается с ростом скорости нанесения Со.

2. Плёнки кобальта, полученные магнетронным распылением на постоянном токе, обладают одноосной кристаллической текстурой. Положение оси текстуры изменяется в зависимости от стока заряда при нанесении, что определяет магнитную анизотропию плёнок.

3. Повышение скорости нанесения снижает свободную энергию плёнок Со.

Явление объясняется уменьшением доли объёма аморфного металла и поворотом магнитных моментов в плоскость плёнки, что соответствует минимуму магнитной энергии.

4. Частота естественного ФМР композиционной плёнки (Fe70Co30)1-x(SiO2)x ниже, чем металлической. Уменьшение частоты естественного магнитного резонанса сопровождается увеличением статической магнитной проницаемости, что соответствует закону Снука.

5. Уменьшение частоты естественного ферромагнитного резонанса и максимального значения мнимой части магнитной проницаемости при формировании многослойного материала ферромагнетик-SiO2 более ярко выражено при использовании в качестве ферромагнетика слоёв Fe70Co30 по сравнению со слоями (Fe70Co30)1-x(SiO2)x.

6. Композиционные плёнки (Fe70Co30)1-x(SiO2)x демонстрируют более высокую степень упорядочения твёрдого раствора по сравнению с металлическими плёнками, что вызвано повышенной поверхностной температурой при росте плёнки.

Основные публикации по теме диссертации 1. Maklakov S.S., Maklakov S.A., Ryzhikov I.A., Rozanov K.N., Osipov A.V. Thin Co films with tunable ferromagnetic resonance frequency. // J. Magn. Magn.

Mater. 2012. V. 324. P. 2108-212. Маклаков С. С., Маклаков С.А., Рыжиков И.А., Розанов К.Н., Осипов А.В., Набоко А.C., Амеличев В.А., Куликов С.В. Структура и СВЧ магнитная проницаемость тонких пленок кобальта. // Российские нанотехнологии.

2012. Т. 7. (в печати) 3. Агапонова А.В., Быков И.В., Маклаков С.А., Маклаков С.С., Пухов А.А., Рыжиков И.А., Седова М.В., Шалыгина Е.Е., Якубов И.Т. Визуализация доменной структуры ферромагнитных плёнок с использованием магнетохимического эффекта. // Физика Твёрдого Тела. 2011. Т. 53. Вып.

5. С. 951-94. Маклаков С.С., Маклаков С.А., Рыжиков И.А., Розанов К.Н., Осипов А.В., Похолок К.В., Амеличев В.А., Лагарьков А.Н. Структура и магнитные свойства ферромагнитных плёнок Fe70Co30 и (Fe70Co30)1-x(SiO2)x, полученных методом магнетронного распыления. / Тез. XIII Ежегодной научной конференции ИТПЭ РАН при поддержке IEEE-APS-LEOSChapter. 2012. С. 16-5. Маклаков С.С. Исследование эффекта Мёссбауэра в ферромагнитных плёнках FeCo и FeCo-SiO2, полученных при помощи магнетронного распыления. / Тез. докл. VI Всерос. конфер. «Менделеев-2012». 2012.

Секция Физическая химия. С. 36. Маклаков C.C., Похолок К.В., Амеличев В.А. Исследование степени упорядочения твёрдого раствора в плёнках FeCo и FeCo-SiO2 при помощи эффекта Мёссбауэра. / Тез. докл. II Всерос. научн. конфер. с междунар.

участием «Успехи синтеза и комплексообразования». 2012. C. 27. Маклаков C.C., Амеличев В.А. Исследование степени упорядочения твёрдого раствора Fe70Co30 в тонких ферромагнитных плёнках при помощи эффекта Мёссбауэра. / Тез. докл. XIX Междунар. Конфер.

«Ломоносов-2012», секция фундам. материаловедение. 2012. С. 8. Maklakov S.S., Ryzhikov I.A., Rozanov K.N., Osipov A.V., Kasurkin O.Yu.

Microstructure, Static and Dynamic Magnetic Properties of Thin Co Films Obtained using DC-Magnetron Sputtering. / Book of abstr. of Intl. Symp.

Exhib. (AVS 58), 2011. P. 250, MI-ThP9. Maklakov S.S., Maklakov S.A., Ryzhikov I.A., Rozanov K.N., Osipov A.V., Kashurkin O.Yu., Amelichev V.A. Microstructure, static and dynamic magnetic properties of thin Co films obtained using DC-magnetron sputtering. / Book of abstr. of 20th Intl. Conf. Soft Magn. Mater. (SMM-20), 2011. P. 310. Maklakov S.S., Maklakov S.A., Ryzhikov I.A., Rozanov K.N., Osipov A.V., Kashurkin O.Yu., Amelichev V.A. Microstructure, static and dynamic magnetic properties of thin Co films. / Book of abstr. of Moscow Intl. Symp. Magn.

(MISM 2011), 2011. P. 375-376, 23OR-O-11. Амеличев В.А., Маклаков С.А., Маклаков С.С., Осипов А.В., Рыжиков И.А., Якубов И.Т. Исследование взаимосвязи между микроструктурой и магнитными свойствами плёнок Со, полученных магнетронным распылением. / Тез. XII Ежегодной научной конференции ИТПЭ РАН при поддержке IEEE-APS-LEOS-Chapter, 2011. C. 3-12. Маклаков С.С., Осипов А.В. Сравнительное исследование микроструктуры и динамических магнитных свойств тонких плёнок Со, полученных магнетронным распылением. / Тез. докл. V Всероссийской конференции студентов и аспирантов «Химия в современном мире», 2011. С. 213. Маклаков С.С., Осипов А.В., Амеличев В.А. Микроструктура и динамические магнитные свойства плёнок Со, полученных магнетронным распылением. / Тез. докл. XVIII Междунар. Конфер. «Ломоносов-2011», секция фундаментальное материаловедение, 2011. Т. 243, С. 14. Агапонова А.В., Маклаков С.А., Маклаков С.С., Рыжиков И.А., Седова М.В., Шалыгина Е.Е., Якубов И.Т. Магнитохимические эффекты, наблюдаемые на поверхности тонких плёнок железа, окисленных раствором слабой кислоты. / Тез. докл. XI ежегодн. научн. конфер. ИТПЭ РАН, 2010. С. 43-15. Маклаков С.С., Осипов А.В., Амеличев В.А. Влияние степени кристалличности и текстурирования на высокочастотные магнитные свойства плёнок кобальта. / Тез. докл. XVII Междунар. Конфер.

«Ломоносов-2010», секция фундам. материаловедение, 2010. С.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.