WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

В первой главе, состоящей из пяти частей, представлены физические принципы зеркального отражения нейтронов и приближения, принятые при рассмотрении отражения поляризованных нейтронов от магнитных слоистых структур. В первой части даются основы квантово-механического описания рассеяния нейтронов. Во второй части на основе квантово-механической теории рассеяния на множестве рассеивающих центров вводится эффективный континуальный (оптический) потенциал, который описывает рассеяние нейтронов с малыми переданными импульсами. В частности, зеркальное и незеркальное рассеяние нейтронов от многослойных структур значительно лишь при малых переданных импульсах и описывается нейтронно-оптическим потенциалом. В этом приближении множество рассеивающих центров (ядра и электроны) заменяются сплошной средой, причем ее рефракционные свойства определяются нейтронно-оптическим потенциалом. Поскольку нейтрон обладает спином 1/2 и магнитным моментом, показатели преломления для состояний нейтрона с противоположными проекциями спина на вектор магнитной индукции среды отличаются. В третьей части главы приближение сплошной среды использовано для рассмотрения взаимодействия нейтрона со слоистыми намагниченными структурами в пренебрежении незеркальным рассеянием. Показано, что решение задачи зеркального отражения от намагниченных структур сводится к двум независимым одномерным уравнениям Шредингера, соответственно, для верхней и нижней спиновых компонент нейтронной волновой функции. В общем случае для решения этих уравнений, в принципе, с любой точностью, используются численные методы. Один из таких методов – матричный метод – использован при расчетах коэффициентов отражения, поэтому он рассмотрен подробно в четвертой части главы. Отличие показателей преломления магнитных слоев для нейтронов со спинами «вверх» и «вниз» является основой для создания поляризующих покрытий нейтронных зеркал и суперзеркал. В пятой части вводятся основные характеристики поляризующих покрытий (отражательная способность, критический угол отражения, критический переданный импульс, характеристическая длина волны, угловая приемная способность, поляризующая эффективность, флип-отношение).

Во второй главе, состоящей из четырех частей, представлены физические принципы, лежащие в основе работы поляризующих покрытий, и дана ретроспектива поляризующих зеркал и суперзеркал, созданных до первого практического использования суперзеркала CoFe(V)/TiZr, разработка которого является одним из основных результатов данной диссертационной работы. В первой части рассматриваются конструктивные особенности нейтронно-оптических поляризаторов и анализаторов, основой которых являются поляризующие зеркала и суперзеркала. Далее представлен обзор поляризующих покрытий – зеркал (вторая часть), монохроматоров (третья часть) и суперзеркал (четвертая часть); рассмотрены особенности отражения нейтронов, приведены основные формулы, используемые при расчете покрытий, а также известные приемы, позволяющие улучшать характеристики покрытий. В четвертой части также дан обзор существовавших алгоритмов построения суперзеркал и приведены характеристики поляризующих суперзеркал, разработанных с помощью этих алгоритмов в других лабораториях.

В третьей главе, состоящей из двух частей, представлены физические основы метода напыления нанослоев (первая часть) и дано краткое описание магнетронной напылительной установки ДИОГЕН (вторая часть), использованной для изготовления суперзеркал CoFe(V)/TiZr.

В четвертой главе, состоящей из трех частей, представлены основные экспериментальные методы, использованные в работе. В первой части рассматриваются конструктивные особенности рентгеновского рефлектометра. Основным методом исследования являлась рефлектометрия поляризованных нейтронов. Во второй части приведены схема и основные параметры нейтронного рефлектометра НР-4М (ПИЯФ). В третьей части рассмотрены вопросы, связанные с обработкой данных нейтронной рефлектометрии: расчет экспериментальных коэффициентов отражения и статистических ошибок, учет приборного разрешения, коррекция коэффициентов отражения на поляризацию прямого пучка и эффективность флиппера.

В пятой главе, состоящей из семи частей, предложены и тестированы новые возможности использования зеркального отражения нейтронов для изучения несовершенств структуры нейтронных покрытий. В этих исследованиях отработана модель многослойной структуры, включающая статистически растущую эффективную шероховатость (первая, вторая и третья части), наличие окисного слоя на поверхности (четвертая часть) и приграничных областей в магнитных слоях (пятая часть).

В данной модели шероховатость и межслойная диффузия, сглаживающие профиль потенциала на границах, учитываются эффективной шероховатостью; для j–й границы, где 0 – начальная шероховатость, d – глубина диффузии, zj – полная толщина нижележащих слоев; параметр h задает скорость роста шероховатости от слоя к слою. В простейшей модели роста получена связь между параметром h и, радиусом латеральной подвижности атомов при их осаждении (средней величиной латеральной компоненты перемещения атома от точки падения на поверхность). Было показано, что экспериментальное определение параметров 0 и h возможно из данных по отражению не только от суперзеркал, но и «бихроматоров» – структур в виде двух многослоек с разными периодами, напыленных одна на другую.

Рис. 1. Коэффициенты отражения R суперзеркала Cu/Ti (20 бислоев) в зависимости от до (1) и после отжига: (2) в течение 4 ч при 300°C; (3) в течение 2.5 ч при 350°C. Кривыми представлены тео-ретические коэффициенты отражения, рассчитанные с 0 = 0.5 нм, h = 0.08 нм и d = 0 (1), 1.8 нм (2), 3.4 нм (3)

На примере пары Cu/Ti продемонстрирована возможность исследования межслойной диффузии материалов нанослоев с помощью апериодической (суперзеркальной) структуры (Рис. 1); установлено, что при напылении бислоев Cu/Ti диффузия незначительна (d = 0); после отжигов, в течение 4 ч при 300°C и 2.5 ч при 350°C, глубина диффузии d составила, соответственно, 1.8 и 3.4 нм. После второго отжига толщина всех бислоев уменьшилась примерно на 0.35 нм, скорее всего за счет диффузии Ti в медь – подобное уплотнение слоев Ni и Co наблюдалось другими авторами в многослойках Ni/Ti и Co/Ti.

На примере пары Fe/Zr продемонстрирована возможность наблюдения приграничных «магнитно мертвых» слоев с помощью зеркального отражения поляризованных нейтронов от периодической структуры. Теоретически потенциал Zr почти равен потенциалу Fe для нейтронов со спином против поля; потенциал приграничных областей толщиной близок к ядерному потенциалу железа, поэтому он заметно выше, и профиль потенциала периодической структуры представляет собой последовательность барьеров. Наблюдаемый брэгговский пик зеркального отражения нейтронов со спином против поля (R) для подобной структуры (Рис. 2) является прямым доказательством существования приграничных областей в слоях Fe – без них отражение было бы ниже фона. Из подгонки = 1.2±0.2 нм.

Рис. 2. Экспериментальный (.) и теоретический (кривая) коэффициенты отражения нейтронов со спином «вниз» (R) для периодической структуры Fe/Zr, 10x(10.0/9.4) нм, в зависимости от. Кривая – расчет R с приграничными слоями толщиной = 1.2 нм. R+ – экспериментальный коэффициент отражения нейтронов со спином «вверх»

С помощью метода поляризационной нейтронной рефлектометрии получены экспериментальные данные об окислении на воздухе, без отжига и с отжигом при различных температурах, тонких (около 100 нм) пленок материалов Fe, Co и CoFe, используемых в нейтронных поляризующих покрытиях. Осцилляции коэффициентов отражения нейтронов со спином по полю (R+) и против поля (R) связаны с интерференцией волн, отраженных от границ пленок. С температурой отжига окисный слой становится толще за счет металлического слоя – при этом их суммарная толщина растет, максимумы и минимумы сдвигаются по q; кроме того, становится заметной модуляция осцилляций, частота которой обратно пропорциональна толщине окисного слоя. При дальнейшем росте температуры размах осцилляций уменьшается из-за разрыхления окисного слоя с увеличением его шероховатости и из-за размытия границы между окислом и металлом. Наконец, R+ и R сравниваются, значит, пленка насквозь окислилась и стала немагнитной. Деградация намагниченности с ростом температуры отжига видна также из прямых магнитных измерений гистерезисов; магнитная жесткость растет с уменьшением толщины неокисленной, остающейся магнитной, части пленки. Из исследованных пленок Fe, Co, CoFe наиболее устойчивы к окислению пленки CoFe.

Еще устойчивее к окислению пленки Ti той же толщины (Рис. 3). Так, отжиг в течение часа при 150°С не изменил параметры окисного слоя TiO2. С температурой отжига шероховатость окисного слоя растет медленнее, чем толщина, значит, окисный слой не разрыхляется и сохраняет свои защитные свойства. Однако, как и в случае ферромагнитных пленок, двухслойная модель (слой окисла на слое металла) имеет ограниченное применение (при отжиге в течение 30 мин – до температур 350–400°С).

Рис. 3. Экспериментальные (точки) и теоретические (кривые) коэффициенты отражения нейтронов R в зависимости от для пленок Ti толщиной 100 нм без отжига (a) и с отжигом 60 мин при 150°C (b), 30 мин при 200°C (c), 20 мин при 250°C (d), 15 мин при 300°C (e) и 15 мин при 350°C (f). На вставке: сравнение расчетов для подложки без переходного приповерхностного слоя (1) и с переходным слоем глубиной 110 нм (2). Полученные из подгонки толщина
d [нм] и шероховатость [нм] окисного слоя:

(a) (b) (c) (d) (e) (f)

d = 2.6±0.6 2.6±0.6 3.8±0.6 5.2±0.6 6.8±0.6 9.6±0.6

= 3.6±0.2 3.6±0.2 3.8±0.2 3.8±0.2 4.4±0.4 4.6±0.4

В шестой части пятой главы продемонстрирована уникальная возможность использования поляризованных нейтронов для послойной магнитометрии. Возможность наблюдать за перемагничиванием в суперзеркале отдельных групп магнитных слоев, близких по толщине, связана с тем, что эти группы определяют отражение нейтронов на разных q. Поляризующая эффективность слоев P увеличивается с ростом параллельной внешнему полю компоненты намагниченности, поэтому зависимость P(H) для данного q характеризует перемагничивание магнитных слоев с оптическими толщинами, близкими по величине к /q (учтена четвертьволновость слоев). Так, для суперзеркала CoFeV/TiZr установлено (Рис. 4), что перемагничивание магнитных слоев различной толщины носит гистерезисный характер и начинается с более тонких магнитных слоев; все магнитные слои намагничиваются практически до насыщения в поле 400 Э; при убывании поля, параллельного легкой оси, до 0 намагниченность слоев меняется незначительно; остаточная намагниченность сохраняется в полях до 30 Э.

Рис. 4. Относительная поляризую-щая эффективность слоев P/Pmax для различных групп слоев (на вставке указаны средние значения толщин магнитных слоев в группах) в суперзеркале CoFeV/TiZr (m=2) в зависимости от внешнего поля H, приложенного параллельно легкой оси образца

В седьмой части пятой главы представлены результаты исследования зеркального отражения нейтронов, полученные ранее для суперзеркал CoFeV/TiZr (m=2). В следующих главах эти результаты уточнены на основе более полной модели и более детального изучения роста многослойной наноструктуры.

В шестой главе, состоящей из четырех частей, представлено наиболее полное исследование зеркального отражения нейтронов от Gd-содержа-щих покрытий, используемых в нейтронной поляризационной оптике в качестве антиотражающего подслоя. В первой части на основе последних данных о резонансной зависимости длин когерентного рассеяния нейтронов на ядрах представлены потенциалы Cd и Gd в тепловой области нейтронных энергий.

Во второй части проведено экспериментальное исследование отражения тепловых нейтронов от слоев TiGd. Экспериментальные исследования выявили большой разброс коэффициентов отражения нейтронов от покрытий TiGd одинаковой толщины, приготовленных в различных режимах, а также тенденцию к уменьшению отражения с ростом толщины покрытия. Предложенная модель раздельных поверхностей, согласно которой на малых масштабах материал пленки разделяется по фазам, объяснила особенности отражения нейтронов. Из-за разницы коэффициентов увеличения объема при окислении и разной глубины окисления границы окисного слоя на Ti оказываются сдвинутыми по высоте относительно соответствующих границ окисного слоя на Gd. Шероховатость поверхности заметно уменьшает, а окисление, наоборот, значительно усиливает отражение нейтронов.

Из анализа отражения от сильно поглощающих слоев следовало, что эффективность подслоя TiGd может быть улучшена добавлением элемента с положительной длиной когерентного рассеяния. Такой антиотражающий подслой (Ti55Zr15Gd30, 225 нм) для суперзеркал CoFe/TiZr был разработан. В третьей части шестой главы исследовано отражение от слоев TiZrGd. Экспериментальные исследования выявили, что данный подслой не ухудшает поляризующую эффективность, поскольку отражение нейтронов с нежелательным спином от несовершенств напыляемого на подслой суперзеркала CoFe/TiZr заметно выше отражения от (неокисленного) подслоя (Рис. 5).

Рис. 5. Экспериментальный коэффициент отражения R от слоя Ti55Zr15Gd30 в зависимости от q. Кривая (a) – теоретический коэффициент отражения, полученный в результате подгонки по двухслойной модели (справа). Подгоночные параметры: d1 = 224±5 нм, 1 = 1.2±0.3 нм,
d2 = 5.2±0.1 нм, 2 = 3.0±0.8 нм, = 0.22±0.04 мрад, s = 0.7±0.4 нм. Кривая (b) – восстановленный коэффициент отражения для покрытия без окисной пленки (d2=0)

В четвертой части шестой главы на основе анализа отражения нейтронов от сильно поглощающих сред и проведенных экспериментальных исследований представлен алгоритм выбора состава и толщины подслоя.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |






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