WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ

им. Б.П.КОНСТАНТИНОВА

УДК 539.125.5.172 На правах рукописи

ПЛЕШАНОВ

Николай Константинович

исследование несовершенств структуры

и РАЗРАБОТКА нейтронных поляризующИХ

суперзеркал CoFe(V)/TiZr

01.04.01 – приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Гатчина

2007

Работа выполнена в Петербургском институте ядерной физики

им. Б.П. Константинова РАН.

Научный руководитель: кандидат технических наук, старший

научный сотрудник А.Ф. Щебетов.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

старший научный сотрудник

С.Б. Вахрушев;

доктор физико-математических наук

К.М. Подурец.

Ведущая организация: Лаборатория нейтронной физики,

Объединенный институт ядерных исследований.

Защита диссертации состоится «_____» _________ 2007 г. в ___ часов

на заседании диссертационного совета Д 002.115.01 при Петербургском институте ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН по адресу: 188300, Ленинградская обл., г. Гатчина, Орлова роща

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ПИЯФ РАН.

Автореферат разослан: «_____» _________ 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета И.А. Митропольский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

Поляризованные нейтроны играют все более важную роль в различных областях физики, а также в исследованиях на стыке таких областей естествознания, как физика, химия и биология, где можно ожидать дальнейших прорывов в понимании природных закономерностей (мягкие и комплексные твердотельные соединения, биофизика мембран, протеины, стекла, наноструктуры, квантовые жидкости, сверхпроводники, многослойные магнитные структуры и т.д.).

Развитие поляризационной нейтронной техники означает расширение возможностей получения уникальной информации о материалах или физических явлениях, часто не доступной другим методам исследования. Получению более достоверной и точной информации в экспериментах со спин-зависимым нейтронным рассеянием способствует, прежде всего, увеличение пропускной способности и поляризующей эффективности нейтронных поляризаторов и анализаторов. Основным методом получения пучков поляризованных нейтронов и поляризационного анализа была поляризационная нейтронная оптика, и ее развитие являлось актуальнейшей задачей. Лишь в последние несколько лет несомненные успехи достигнуты также с гелиевыми поляризаторами, т.н. 3He спиновыми фильтрами. Однако, в виду их малой пропускной способности (особенно для более холодных нейтронов – 10-20%), дрейфа во времени пропускной и поляризующей способности, а также значительных финансовых затрат не только на установку, но и на обслуживание, нейтронно-оптические поляризаторы остаются приемлемыми и часто оказываются эффективнее гелиевых.

Для увеличения угловой приемной способности нейтронно-оптичес-ких поляризаторов и анализаторов используются суперзеркала, состоящие из множества слоев различной толщины, порядка 10 нм (из чередующихся магнитных и немагнитных нанослоев). Поэтому исследование влияния структурных несовершенств на отражательную способность и поляризующую эффективность суперзеркал с целью их улучшения весьма актуально.

В данной работе также развиваются методы использования зеркального отражения нейтронов для изучения особенностей роста и строения многослойных наноструктур, в том числе магнитных, для определения параметров приграничных областей, которые нередко задают новые свойства материалов на основе наночастиц. Подобные методы становятся в последнее время все более актуальными в связи с бурным развитием нанотехнологий.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧА РАБОТЫ

Целью диссертационной работы является исследование структурных особенностей и их учет при разработке высокоэффективных поляризующих нейтронных суперзеркал CoFe(V)/TiZr с антиотражающим подслоем TiZrGd. Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

  • Исследование возможностей зеркального отражения нейтронов для изучения структурных несовершенств (поверхностное окисление, межслойная шероховатость, взаимная диффузия на границах нанослоев, приграничные области с нулевой намагниченностью), влияющих на рабочие характеристики нейтронно-оптических поляризующих покрытий, а также для изучения процесса перемагничивания магнитных нанослоев в составе таких покрытий.
  • Анализ зеркального отражения нейтронов от сильно поглощающих сред; экспериментальное исследование отражения тепловых нейтронов от Gd-содержащих сред с учетом резонансной зависимости длины когерентного рассеяния; создание антиотражающего подслоя, отвечающего технологии изготовления суперзеркал CoFe(V)/TiZr.
  • Исследование особенностей роста нанослоев в многослойках CoFe(V)/TiZr.
  • Разработка алгоритма проектирования суперзеркал, в котором учитывались бы законы роста и отражательные свойства реальной слоистой структуры.
  • Создание поляризующих суперзеркал CoFe(V)/TiZr на подслое TiZrGd с использованием нового алгоритма проектирования суперзеркал и режимов напыления, обеспечивающих максимальную отражательную способность нанослоев.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ

Средний потенциал слоев в существовавших поляризующих суперзеркалах (Fe/Ag и Co/Ti) был ненулевым, но, как известно, даже от границы с отрицательным потенциалом нейтроны испытывают значительное отражение на малых переданных импульсах. В принципе, суперзеркало с максимальной поляризующей эффективностью, т.е. с минимальным отражением нейтронов со спином против поля, можно получить при использовании слоев с близким к нулю потенциалом для этих нейтронов и при наличии эффективного подслоя. Впервые работа над таким суперзеркалом (CoFe(V)/TiZr на подслое TiZrGd) была начата автором в ПИЯФ в начале 90-х. Примененная нами магнетронная технология позволила распылять сплавы, состав которых можно варьировать, – отсюда появилась дополнительная возможность точного согласования магнитных и немагнитных нанослоев.

Детальных исследований влияния структурных несовершенств на зеркальное отражение нейтронов от поляризующих суперзеркал не существовало, поэтому удовлетворительной и взаимосогласованной подгонки коэффициентов отражения нейтронов со спином по полю и со спином против поля не было ни в одной из работ. В данном исследовании этот пробел был в полной мере восполнен. Оригинальные методы использования зеркального отражения нейтронов для изучения особенностей строения многослойных структур, процесса перемагничивания различных магнитных нанослоев в апериодических структурах (послойная нейтронная магнитометрия), межслойной диффузии, а также латеральной подвижности атомов при осаждении представляют интерес при решении многих задач, в которых объектами исследования или применения являются слоистые наноструктуры.

Происхождение приграничных областей в ферромагнитных слоях поляризующих покрытий ранее связывали с диффузией атомов немагнитных слоев в магнитные – отсюда прежнее название: «магнитно мертвые области». В данной работе установлена связь происхождения этих областей с ориентационным магнитным беспорядком, уменьшающим энергию магнитных зарядов на шероховатой границе. Уменьшенная магнитная шероховатость трудно намагничиваемых областей связана с сильным обменным взаимодействием, стремящимся выстроить спины по направлению средней намагниченности ферромагнитного слоя. С быстро растущим числом применений магнитных слоистых наноструктур чрезвычайно важно правильное понимание связи между беспорядком на границах и магнитными свойствами. Именно магнитная шероховатость определяет величину эффекта гигантского магнитосопротивления, а также, по-видимому, участвует в эффекте обменного подмагничивания в системах из бислоев ферромагнетик-антиферромагнетик.

Используемый до сих пор чисто эмпирический подход не гарантировал оптимизацию антиотражающего подслоя и технологических режимов его изготовления. Полученные формулы для расчета оптимального состава и толщины подслоя позволили разработать подслой, не ухудшающий поляризующую эффективность суперзеркал CoFe/TiZr.

Все известные алгоритмы построения суперзеркал были сформулированы для совершенных слоев. С другой стороны, несовершенства структуры – прежде всего шероховатость – существенно влияют на отражательную способность суперзеркал. Поэтому был разработан алгоритм, в котором учитываются особенности реальной структуры суперзеркал. Возможность учитывать факторы, которые влияют на отражательную способность слоев, на стадии проектирования суперзеркал выгодно отличает новый алгоритм от других алгоритмов. Экспериментальные результаты подтвердили возможность использования этого алгоритма для проектирования суперзеркал с прогнозируемой отражательной способностью.

На основе проведенных исследований особенностей структуры при использовании нового алгоритма проектирования суперзеркал в ПИЯФ разработаны суперзеркала CoFe(V)/TiZr на подслое TiZrGd с высокой поляризующей эффективностью и угловой приемной способностью m до 2.5, которые нашли применение в более чем 30 поляризаторах и анализаторах на приборах в ведущих нейтронных центрах России (Гатчина-ПИЯФ и Дубна-ОИЯИ), Австрии (Wien-IKP), Германии (Berlin-HMI), Голландии (Delft-IRI/TU), Индии (Mumbai-BARC), Франции (Saclay-LLB) и Швейцарии (Villigen-SINQ/PSI). Из сравнения с зарубежными аналогами следует, что наши суперзеркала являются лучшими по поляризующей эффективности, но несколько уступают по отражательной способности. Нет сомнения, что при благоприятном финансировании отражательная способность суперзеркал CoFe(V)/TiZr также могла бы быть увеличена.

Проведенные исследования легли в основу ряда предложений автора по существенному улучшению нейтронных поляризующих покрытий в будущем. Проведенные расчеты подтверждают ожидаемую высокую эффективность от использования антибарьерных нанослоев (прослоек Ti, Co) для подавления зеркального и незеркального отражения нейтронов с нежелательным спином.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

  • Исследование зеркального отражения тепловых нейтронов от слоев TiGd, используемых в поляризующих покрытиях, с учетом резонансной зависимости нейтронной длины когерентного рассеяния Gd.
  • Методика расчета оптимального состава и толщины подслоя; разработка эффективного антиотражающего подслоя для суперзеркал CoFe(V)/TiZr.
  • Использование метода нейтронной рефлектометрии для исследования окисления на воздухе при различных температурах тонких (около
    100 нм) пленок материалов Fe, Co, CoFe и Ti, используемых в нейтронно-оптических покрытиях.
  • Оригинальный метод изучения межслойной шероховатости, диффузии и (в магнитных слоях) приграничных областей в многослойных покрытиях, основанный на использовании зеркального отражения нейтронов от апериодических (суперзеркала, бихроматоры) наноструктур.
  • Оригинальный метод изучения латеральной подвижности атомов при их осаждении, основанный на изучении скорости роста шероховатости с толщиной покрытия.
  • Оригинальный метод использования зеркального отражения нейтронов для изучения процесса перемагничивания различных магнитных нанослоев в апериодических структурах (послойная нейтронная магнитометрия).
  • Исследование многослойных структур CoFe(V)/TiZr: установление 3 стадий линейного роста межслойной шероховатости с толщиной (от слоя к слою); оценка радиуса латеральной подвижности атомов при осаждении слоев на каждой стадии; изучение особенностей перемагничивания магнитных слоев различной толщины; уточнение толщины трудно намагничиваемых областей вблизи границ магнитных слоев; установление отличия магнитной шероховатости от структурной; установление связи происхождения приграничных областей с индуцированным шероховатостью ориентационным магнитным беспорядком.
  • Удовлетворительная и взаимосогласованная подгонка коэффициентов отражения нейтронов со спином по полю и против поля от периодических структур и суперзеркал CoFe(V)/TiZr; уточнение влияния структурных несовершенств на рабочие характеристики этих суперзеркал.
  • Разработка алгоритма проектирования суперзеркал, позволяющего учитывать законы роста и отражательные свойства реальной слоистой наноструктуры.
  • Разработка суперзеркал CoFe(V)/TiZr на антиотражающем подслое TiZrGd с высокой поляризующей эффективностью и угловой приемной способностью m до 2.5.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 12 статьях в реферируемых журналах, 3 препринтах ПИЯФ и докладывались на следующих российских и международных конференциях: Surface X-ray and Neutron Scattering (Россия, Дубна, 1993), Advance in Neutron Optics and Related Research Facilities (Япония, Куматори, 1996), European Conference on Neutron Scattering (Швейцария, Интерлакен, 1996), Национальная конференция по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов (Россия, Дубна, 1997), Polarized Neutrons for Condensed Matter Investigations (Россия, Гатчина, 2000), International Conference on Neutron Scattering (Австралия, Сидней, 2005), Polarized Neutrons for Condensed Matter Investigations (Германия, Берлин, 2006).

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ

Диссертационная работа состоит из введения, 9 глав, 3 приложений, заключения и списка цитируемой литературы. Первые 4 главы носят обзорный и вводный характер; основной материал изложен в последующих главах и приложениях. Работа изложена на 160 страницах и включает 91 рисунок, 2 таблицы и список литературы из 165 ссылок.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко обоснована актуальность темы. Представлено резюме основных результатов, полученных по исследованию поляризующих суперзеркал до начала данной работы. Отмечены пробелы, которые необходимо было восполнить. Ставится цель и задача работы, дается краткая характеристика научной новизны и практической ценности полученных результатов.

Pages:     || 2 | 3 | 4 |






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