WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 |

В седьмой главе, состоящей из трех частей, представлен алгоритм, в котором учитываются особенности реальной структуры суперзеркал, и продемонстрированы его преимущества и возможности. Все известные алгоритмы были сформулированы для совершенных слоев. С другой стороны, известно, что несовершенства структуры – прежде всего шероховатость – существенно влияют на отражательную способность суперзеркал. Поэтому представлял интерес и был разработан алгоритм, в котором учитываются особенности реальной структуры суперзеркал. Блок-схема алгоритма КСУРС (Конструирование Суперзеркала с Учетом Реальной Структуры) и необходимые пояснения даны в первой части. Отличительные особенности нового алгоритма: учет законов роста реальной слоистой структуры (можно встроить все, что влияет на отражение нейтронов) и использование точных численных методов расчета коэффициентов отражения.

Количественное сравнение алгоритмов затруднено из-за разных приближений, принятых в этих алгоритмах. Во второй части предложен принцип сравнения различных алгоритмов построения суперзеркал, показана эквивалентность алгоритма Гукасова–Рубана–Бедризовой и наиболее используемого в настоящее время алгоритма Хейтера–Мука с алгоритмом КСУРС в случае идеальных межслойных границ, продемонстрирована бльшая эффективность алгоритма КСУРС в случае шероховатых слоев. Возможность учитывать факторы, которые влияют на отражательную способность слоев, на стадии проектирования суперзеркал выгодно отличает новый алгоритм от других алгоритмов.

В третьей части седьмой главы рассмотрено влияние ошибок в толщинах слоев на отражающую способность суперзеркал, предложена формула для оценки допустимых ошибок напыления слоев.

В восьмой главе, состоящей из трех частей, исследованы структурные особенности и разработаны суперзеркала CoFe(V)/TiZr с m>2.

В первой части исследован закон роста шероховатости от слоя к слою. Для использования алгоритма КСУРС требуется знание законов роста слоев и, прежде всего, роста шероховатости от слоя к слою. Исследования выявили, что рост шероховатости в многослойных наноструктурах CoFe/TiZr не описывается статистическим законом. Из послойных подгонок установлены 3 стадии линейного роста шероховатости с толщиной (от слоя к слою): быстрый (5–6 нм/мкм) рост до величины 2–2.5 нм, затем замедленный (0.5–0.6 нм/мкм) рост – примерно до величины 5 нм, и далее – усиленный (14 нм/мкм) рост. Характерный размер 5 нм, возможно, связан с размером кристаллитов в слоях CoFeV (5–7 нм по данным рентгеновской дифракции). Также был оценен радиус латеральной подвижности осаждаемых атомов на каждой стадии роста шероховатости: на 1-й стадии около 0.1 нм, на 2-й стадии возрастает до 0.3 нм и медленно уменьшается до
0.2 нм, на 3-й стадии падает до 0.03 нм.

Закон роста межслойной шероховатости был встроен в алгоритм КСУРС, что позволило создать суперзеркало с m=2.5. Экспериментальные результаты подтвердили возможность использования нового алгоритма для проектирования суперзеркал с прогнозируемой отражательной способностью. Наличие стадии быстрого роста шероховатости (1-я стадия) сделало невозможным создание эффективного суперзеркала с m>2.5.

Во второй части восьмой главы изучается влияние структурных несовершенств на отражение нейтронов со спином против поля (R), т.е., в конечном счете, на поляризующую эффективность суперзеркал. Удовлетворительно описать зависимость R(q) не удалось никакими изменениями параметров использованной ранее модели. Несоответствие между экспериментом и теорией для R(q) были устранены при дополнительном предположении, что ядерная (т.е. структурная) и магнитная шероховатости отличаются. В уточненной модели каждая приграничная область имеет две границы – «структурную» и «магнитную». По определению, структурная шероховатость характеризует границу между химически различными областями, магнитная – границу между магнитно различными областями. Из подгонки (Рис. 6): средняя толщина приграничной области (между «структурной» и «магнитной» границами) = 0.55±0.03 нм; магнитная шероховатость меньше структурной на nm = 0.22 ±0.02 нм.

Рис. 6. Экспериментальные коэффициенты отражения нейтронов со спином «вверх» (R+) и «вниз» (R) от суперзеркала CoFe/TiZr (m=2.35) из 142 бислоев на подслое TiZrGd. Кривые 1 и 2 – теоретические коэффициенты отражения, рассчитанные с лучшими подгоночными параметрами и = 0.55±0.03 нм,
nm = 0.22±0.02 нм. Штрихованные кривые рассчитаны с nm = 0.15 нм (3) и nm = 0.3 нм (4)

Существующая версия, что приграничные области с нулевой средней намагниченностью возникают из-за диффузии атомов немагнитного материала, не согласуется с тем экспериментальным фактом, что магнитная шероховатость меньше структурной – ведь градиент концентрации в диффузионной области должен увеличивать магнитную шероховатость, делая ее выше структурной. Был сделан вывод, что природа приграничных областей связана с индуцированными структурной шероховатостью магнитными неоднородностями. Структурная шероховатость приводит к появлению поверхностных магнитных зарядов. В результате конкуренции энергии дипольного взаимодействия с обменным взаимодействием и энергией анизотропии возникает соответствующая наименьшей полной энергии конфигурация приграничных спинов, которые уже не параллельны спинам в основном слое ферромагнетика. Поскольку обменное взаимодействие в CoFe является доминирующим, оно уменьшает ориентационный магнитный беспорядок и приводит к магнитной шероховатости меньшей, чем структурная (и, соответственно, ядерная) шероховатость.

Хотя структурная шероховатость границ в многослойке CoFe/TiZr меняется от 1 до 4.5 нм, вполне удовлетворительная подгонка получается при одинаковой для всех границ разности структурной и магнитной шероховатости, 0.22 нм. Ранее другими авторами получены (методом зеркального отражения мягкого поляризованного рентгеновского излучения) данные для слоев Co95Fe5 толщиной 5 нм, из которых следует, что nm линейно растет с ростом структурной шероховатости. Чтобы понять причину разногласия, требуются более тщательные исследования, не только экспериментальные, но и теоретические. Эти исследования представляют интерес, поскольку 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 (“exchange bias”) в системах из бислоев ферромагнетик-антиферромагне-тик.

В результате проведенных детальных исследований уточнено влияние структурных несовершенств на рабочие характеристики суперзеркал CoFe(V)/TiZr. Как следствие, была получена удовлетворительная и взаимосогласованная подгонка коэффициентов отражения нейтронов со спином по полю (R+) и против поля (R) от периодических структур и суперзеркал.

В третьей части восьмой главы для сравнения с характеристиками разработанных в ПИЯФ суперзеркал CoFe(V)/TiZr приведены данные о поляризующих суперзеркалах, производимых в других лабораториях. Сделан вывод, что суперзеркала CoFe(V)/TiZr являются лучшими по поляризующей эффективности, но несколько уступают по отражательной способности, как было выяснено выше, из-за неблагоприятного роста шероховатости у первых десятков слоев.

В девятой главе, состоящей из четырех частей, приведен список нейтронно-оптических устройств и систем, в которых нашли применение разработанные суперзеркала CoFe(V)/TiZr с подслоем TiZrGd; некоторые из них рассмотрены подробно. В первой части описана конструкция первого многоканального поляризатора на основе суперзеркал CoFeV/TiZr и приведены результаты его тестирования на нейтронном приборе “Spiegelpolarimeter” (IRI, Делфт, Нидерланды). В дальнейшем поляризующая эффективность суперзеркальных покрытий была увеличена, что позволило улучшить поляризаторы при модернизации этого прибора (вторая часть). В третьей части представлены результаты испытаний веерного анализатора, сконструированного и произведенного в ПИЯФ для нейтронного спектрометра REMUR на реакторе ИБР-2 (ОИЯИ). В четвертой части приведены результаты тестирования и калибровки поляризатора белого пучка для нейтронного рефлектометра НР-4М на 13-м пучке реактора ВВР-М (ПИЯФ). Из эксперимента установлено, что поляризующая эффективность этого поляризатора очень высока (флип-отношение достигает значения 600).

В Приложениях дается детальный анализ отражения нейтронов от сильно поглощающих сред (Приложение A), который применен к решению задачи оптимизации состава (Приложение B) и толщины (Приложение C) антиотражающего подслоя.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

  1. Проведено наиболее подробное исследование зеркального отражения тепловых нейтронов от слоев TiGd, используемых в поляризующих покрытиях в качестве подслоя, с учетом резонансной зависимости длины когерентного рассеяния Gd. Предложена модель раздельных поверхностей, объясняющая поведение коэффициента отражения в широком диапазоне переданных импульсов.
  2. Получены формулы для расчета оптимального состава и толщины подслоя; в результате разработан эффективный антиотражающий подслой Ti55Zr15Gd30 (225 нм) для суперзеркал CoFe(V)/TiZr.
  3. Развит оригинальный метод изучения структурных особенностей (межслойная шероховатость, межслойная диффузия, приграничные области в магнитных слоях) многослойных покрытий, основанный на использовании зеркального отражения нейтронов не только от периодических, но и апериодических (суперзеркала, бихроматоры) структур. В простой модели найдена связь скорости роста шероховатости с латеральной подвижностью атомов при их осаждении.
  4. С помощью метода нейтронной рефлектометрии получены новые экспериментальные данные об окислении на воздухе тонких (около 100 нм) пленок Fe, Co, CoFe и Ti, используемых в нейтронно-оптических покрытиях, без отжига и с отжигом при различных температурах. Установлено, что CoFe и Ti наиболее устойчивы к окислению; двухслойная модель (слой окисла на слое металла) имеет ограниченное применение (при отжиге в течение 30 мин – до температур 350–400°С). Магнитная жесткость растет с уменьшением толщины неокисленной, остающейся магнитной, части пленок Fe, Co и CoFe.
  5. С помощью метода поляризационной нейтронной рефлектометрии получены новые экспериментальные данные о межслойной шероховатости и о трудно намагничиваемых областях вблизи границ магнитных нанослоев в суперзеркалах CoFe(V)/TiZr, в частности:
  • установлены 3 стадии линейного роста шероховатости с толщиной (от слоя к слою): быстрый (5–6 нм/мкм) рост до величины
    2–2.5 нм, затем замедленный (0.5–0.6 нм/мкм) рост – примерно до величины 5 нм, и далее – усиленный (14 нм/мкм) рост;
  • оценен радиус латеральной подвижности осаждаемых атомов на каждой стадии роста шероховатости: на 1-й стадии около 0.1 нм, на 2-й стадии возрастает до 0.3 нм и медленно уменьшается до 0.2 нм, на 3-й стадии падает до 0.03 нм;
  • уточнена толщина трудно намагничиваемых приграничных областей 0.55±0.02 нм; установлено, что магнитная шероховатость меньше структурной на 0.22±0.02 нм;
  • происхождение трудно намагничиваемых приграничных областей в многослойках CoFe(V)/TiZr связано с ориентационным магнитным беспорядком, уменьшающим энергию магнитных зарядов на шероховатой границе; уменьшенная магнитная шероховатость – с сильным обменным взаимодействием, стремящимся выстроить спины по направлению средней намагниченности ферромагнитного слоя.
  1. Впервые продемонстрирована уникальная возможность использования зеркального отражения нейтронов для изучения процесса перемагничивания различных магнитных нанослоев в апериодических структурах (послойная нейтронная магнитометрия). Для суперзеркала CoFeV/TiZr установлено, что
    • перемагничивание магнитных слоев различной толщины носит гистерезисный характер;
    • перемагничивание 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 даже в полях до 30 Э.
  1. В результате детальных исследований влияния структурных особенностей на зеркальное отражение нейтронов получена удовлетворительная и взаимосогласованная подгонка коэффициентов отражения нейтронов со спином по полю (R+) и со спином против поля (R) от периодических структур и суперзеркал CoFe(V)/TiZr. Уточнено влияние структурных несовершенств на рабочие характеристики этих суперзеркал.
  2. Разработан алгоритм проектирования суперзеркал, позволяющий учитывать законы роста и отражательные свойства реальной слоистой структуры. Показано, что новый алгоритм эффективнее существующих, причем его эффективность возрастает с ростом проектируемой угловой приемной способности m. Экспериментально подтверждена возможность оптимизации и проектирования суперзеркал с прогнозируемой отражательной способностью.
  3. На основе проведенных исследований особенностей структуры и нового алгоритма проектирования суперзеркал 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).

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Pages:     | 1 | 2 || 4 |






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