WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |

В данной части работы, помимо традиционных методик, исследования проводились с привлечением ядерного магнитного резонанса. Порядок превращений метастабильных карбидных фаз кобальта и эвтектических смесей оформлен в виде схемы (последовательность 6).

Схема фазовых превращений в пленках, полученных совместным распылением Со и графита (последовательность 6).

(Система Со + (исходное состояние (кристаллич. фазы) (кристаллич.

графит, ат.%) нанокристал.) эвтектика) Тотж = 48O-530 730-880 К Со + 30 ат.% С Co(C) + Со3С ГПУ-Co(C) + ГЦК-Co(C) ГЦК-Со + С 480-680 730-880 К Со + 40 ат.% С Со2С + Co3C ГПУ-Со(С) + ГЦК-Со(С) ГЦК-Со + С 680-830 730-880 К Со + 80 ат.% С Со2С ГПУ-Со(С) + ГЦК-Со(С) ГЦК-Со + С В зависимости от состава пленки Со-С в исходном положении имеют различный фазовый состав, в основном состоящий из смеси метастабильных карбидов. В дальнейшем уже при первичном отжиге (для разных составов температура превращений меняется от 480 до 830 К) система переходит в смесь пересыщенных растворов углерода в кобальте с разной кристаллографической сингонией. Соотношение гексагональной фазы к кубической меняется в сторону увеличения при увеличении содержания углерода.

Поскольку гексагональная фаза из-за высокой кристаллографической анизотропии обладает повышенной коэрцитивностью, то, меняя объемный вес углерода в системе, можно изменять соотношения высоко- и низкокоэрцитивной фаз (рис.17).

Отжиг при температуре от 730 до 880 К переводит систему в эвтектичскую, равновесную смесь кубического кобальта и графита.

Кроме выше перечисленных фазовых превращений в разделе приведены структурные, электрические и магнитные свойства образованных метастабильных фаз карбидов железа и кобальта, которые в виде итоговой таблицы представлены в диссертации.

Коэрцитивная сила в зависимости от температуры отжига в пленке системы Со – 30 ат.% С:

1 – низкокоэрцитивная;

2 – высококоэрцитивная фаза 0 200 400 600 Рис Темп. отжига, град Коэрц. сила (Э) Шестой раздел посвящен изучению нанокристаллических пленок железоазотистых и никель-азотистых соединений. Соединения 3d-металл-азот представляют интерес в плане поиска новых магнитопленочных материалов. В таких соединениях чаще всего улучшаются магнитные, механические, устойчивость к коррозии и другие характеристики. В настоящее время проводятся исследования в основном на порошках, которые после их осаждения на подложку помещают в атмосферу азотистых соединений, при этом химическая активность этих материалов сильно зависит от размеров кристаллитов. В результате получаются сложные композитные образования с интересными физическими свойствами. Однако в практическом плане более интересны непрерывные конденсированные среды с высокими реактивными и каталитическими способностями.

Используя технологические возможности, были изготовлены в среде газообразного азота несколько серий нитридных метастабильных соединений.

Исследованы свойства и сопутствующие явления при термических воздействиях на образцы железа и никеля. Исследовалось влияние структуры (размера частиц) на последовательность и форму структурных и фазовых превращений. Порядок фазовых превращений для Fe и Ni в зависимости от парциального давления азота (PN2) представлен в виде схемы (последовательности 7 и 8).

В схеме приводятся некоторые параметры мессбауэровских измерений для пленок системы железо-азот и параметры кристаллической решетки, а также наблюдающиеся фазовые превращения в зависимости от температуры для пленок никель-азот, полученных в вакууме РN2 = 1·10-4 мм рт. ст.

Порядок превращений в пленках Fe(N2) и Ni(N2), полученных с разным парциальным давлением азота – последовательности 7 и Исходное состояние Ni (N2) Исходное состояние Fe РО = 110-6 мм рт.ст (без азота) ГПУ-Ni3C -Fe(~26%) + Fe8C a = 0,264; c = 0,433 нм Нэфф = 330 и 250 кЭ = 0, PN2 = 110--Fe (20 %)+-Fe3,2N1-xCx Нэфф = 331 и 234 кЭ = 0, 110--Fe (~86%) + Fe8C T = 460-470 K ГПУ-Ni3N ГПУ-Ni4N Нэфф= 332 и 251 кЭ = 0, T = 610-620 K ГЦК-Ni (a = 0,352 нм) 110- ГПУ-Ni 3N + ГЦК-Ni (ГЦК-Ni – центр образца 110-2 мм рт.ст.

ГПУ-Ni3N -Fe2N или -Fe2N а = 0,266; c = 0,429 нм Нэфф = 0; = 0,В седьмом разделе исследовались нанокомпозитные пленки системы переходной 3d-металл – диэлектрик. Согласно литературным источникам, разбавление металлов моноокисью кремния (SiO) дает весьма неожиданные результаты, при этом примесь в виде атомов кремния, ассоциированного с кислородом, может существовать в виде примеси замещения в металлических наночастицах.

Свойства, структура во многом определяются концентрацией диэлектрика.

В зависимости от содержания SiO образцы имеют статус легированных (до 2 – 3 об.%), разбавленных (от 3 до 25 об.%) или гранулированных (от 25 до 50– 60 об.%). В первых двух группах диэлектрик рассматривается как источник примесных состояний в зонной структуре металла – с одной стороны, и как центры зародышеобразования при конденсации вещества – с другой. В первом случае введение диэлектрической примеси ведет к модификации зонных спектров и как следствие к изменению фундаментальных свойств. Во втором – способствует образованию нанокристаллической структуры. В гранулированных пленках 3d-металлов особенности свойств определяются как размерами нанокристаллитов, так и эффектами взаимодействия между ними.

Поэтому, наногранулированные пленочные материалы представляют интерес для решения многих фундаментальных задач магнетизма: в частности, в установлении корреляции размер наночастицы – магнитные свойства.

Микрофотографии кристаллической структуры в пленках Fe1-x (SiO)x с разными значениями х:

а 0,5 мкм б в а – х = 0; б – 0,02 и в – 0,Рис.Зависимость коэрцитивной силы в пленках (Fe-Ni)-SiO от объемного содержания моноокиси кремния для разных толщин:

1 – 100; 2 – 200; 3 – 300; 4 – 400; 5 – 500 нм Рис.19.

Дисперсность кристаллической структуры растет с увеличением содержания примеси. На рис.представлены микрофотографии кристаллической структуры в пленках Fe1(SiO)x с разными значениями х, из которых x видно, что уже малые добавки SiO (~ oб.%) сильно изменяют вид кристаллической структуры. Она становится мелкодисперсной (размер зерен более чем в 10 раз становится меньше кристаллитов чистого железа) Размер кристаллитов и принадлежность к статусу легированнных, разбавленных или гранулированных ферромагнетиков определяет магнитные и магнитооптические эффекты, наблюдаемые в образцах. При легировании основными из них являются: увеличение намагниченности насыщения J/Js, магниторезистивного эффекта / и величины магнитооптического вращения плоскости поляризации 2F/2FS, а также уменьшение величины макронапряжений S, удельного электросопротивления и коэрцитивной силы HC. На рис.19 и рис.20 в качестве примеров приведены некоторые магниитные и магнитооптические параметры в зависимости от объемного содержания SiO.

J/Js ·100 %, 2F/2FS ·100 % (Fe0,2-Ni0,8)1-x(SiO)x Зависимости относительного изменения намагниченности насыщения (JS) и эффекта Фарадея (2F) в пленках пермаллоя состава 80%Ni-20%Fe от объемного содержания SiO:

() – намагниченность насыщения;

() – эффект Фарадея х Эксперименты показали, что диапазон составов пермаллоевых сплавов, где относительные изменения намагниченности и фарадеевского вращения имеют положительные значения, а также увеличение температуры Кюри ТC, приходятся как раз на область, где пермаллой обладает свойствами сильного ферромагнетика, то есть на уровне Ферми находятся d-электроны только с поляризацией спинов против намагниченности. В порядке обсуждения эффектов увеличения JS и ТC был проведен модельный расчет концентрационных зависимостей намагниченности насыщения и температуры Кюри. В расчете предполагалось, что примесь (комплексы Si – O), внедряясь в кристаллическую решетку пермаллоевых нанокристаллитов, создает вокруг себя кулоновский потенциал, обусловленный ненасыщенными валентными связями, отличный от потенциала невозмущенной частицы. Экранирование этого заряда электронами d-полосы, имеющей более высокую плотность состояний на уровне Ферми, и приводит к указанным эффектам.

В разделе подробно рассмотрен переход в высококоэрцитивное состояние, который связывается с перекристаллизацией и укрупнением кристалли-тов. Исследование эффекта позволило провести экспериментальные исследования по формированию низкокоэрцитивных каналов для продвижения плоских магнитных доменов (ПМД).

Наиболее интересными магнитными свойствами обладают в высокочастотном диапазоне разбавленные ферромагнетики. Это – малая ширина линии ферромагнитного резонанса, развитый спектр спинволнового резонанса и т.д.). Разбавленные пленки железа с концентрацией SiO от 3 до – 25 об. %, в исходном состоянии одновременно с понижением коэрцитивной силы являются изотропными в плоскости. Доменная структура в таких образцах достаточно сильно восприимчива к магнитным полям рассеяния (на магнитных носителях, головках записи и считывания информации), что позволяет регистрировать и визуализировать любую их конфигурацию на пленках, то есть преобразовывать магнитные поля рассеяния в видимое изображение. Кроме того, изученные спектральные характеристики магнитооптического эффекта Фарадея (2F) и оптического коэффициента поглощения () позволили рекомендовать пленки Fe-SiO в данной области концентраций диэлектрика в качестве магнитооптических носителей информации.

Микрофотографии до (а) и после термоотжига при Т = 550 К (б и в) с пленок Fe1-x (SiO)x состава:

0,2 мкм х = 0, 0,38 0,38 0,Рис.21.

В гранулированных пленках с содержанием Si0 более 38 об.% было проведено подробное электронномикроскопическое исследование, получено изображение структур с гранулированной морфологией (рис.21), исследованы:

особенности фазового перехода ферромагнетик – суперпарамагнетик - парамагнетик, процессы туннелирования в электропроводности; увеличение удельного электросопротивления при переходе через концентрацию, соответствующей пределу перколляции.

В реферируемом разделе построен примерный порядок фазовых превращений в пленочных образцах в зависимости от концентрации моноокиси кремния в 3d-металлах или их сплавах М1-х(SiO)х, который приведен в виде схемы (последовательность 9).

Порядок фазовых превращений в системах М1-х(SiO)х в зависимости от х (последовательность 9) Легированные ферромагнетики Суперпарамагнитное Разбавленные (Кластерная структура) состояние Однодоменные Парамагнетик Диэлектрик • • • • • • • • • • • 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1, х Переходная область Порог перколляции В восьмом разделе подробно исследованы эффекты нанокристаллического состояния, в частности, процессы синергетики и самооргазации в нанокомпозиционных образцах переходных металлов, насыщенных углеродом.

Показано, что за счет высокой энергозагруженности структуры, высокой концентрации дефектов, наличия межкристаллитных зон в нанокристаллических образцах наблюдаются процессы, которые проходят самоорганизовано. Дело в том, что по мере уменьшения размера кристаллических образований (масштабов структурной гетерогенности) возрастает роль межкристаллитных областей (интерфейсов). Границы раздела, его субструктура, дислокационная структура – основной дефект НСМ.

Поэтому при увеличении количества границ раздела увеличивается свободная (избыточная) межфазная энергия. Это, в свою очередь, влечет за собой не только значительные изменения физических свойств, но и изменение топологических свойств системы, которые выражаются в формировании различного рода макронеоднородностей типа пространственных сеток, полей напряженности, диссипативных структур, фракталов и т.д. Материалы с нанокристаллической структурой с их высокой дефектностью в межзеренных областях по своей природе являются неравновесными объектами.

Неравновесное состояние становится причиной необычного коллективного поведения ансамбля межзеренных дефектов. Указанная гипотеза используется нами для интерпретации ряда эффектов в исследуемых образцах нанокомпозиционных материалов с нанокристаллической структурой.

Обсуждаются следующие эффекты: взрывная кристаллизация; явления множественного двойникования, фрактального окисления, самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, осциллирующего типа отслоения и т.д. Высказаны ряд предположений и моделей наблюдаемых эффектов. В частности, предполагается присутствие впереди фронта распространения процессов высокотемпературной зоны квазиплавления, характерного для нанокристаллических материалов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ Результаты исследования особенностей магнитных свойств, структуры, фазовых состояний и их превращений в нанокристаллических и нанофазных пленках, полученных:

1) совместным испарением ферромагнитных металлов и диэлектрика (моноокиси кремния);

2) сверхбыстрой конденсацией переходных металлов (железо, никель, кобальт) в газовой среде углеродсодержащих паров, либо азота – обобщены в следующих выводах.

1. Синтезированы пленки гранулярных ферромагнитных металлов (Fe, NiFe) во всем диапазоне объемных долей металла, в которых в качестве изолирующей диэлектрической фазы впервые использовалась моноокись кремния. Изучены магнитные, электрические и магнитооптические свойства синтезированного нанокомпозита и обнаружены характерные особенности этих свойств:

- вблизи порога протекания (53 об.% металла), где осуществляется резкое увеличение удельного электросопротивления и обращение в нуль его температурного коэффициента, а также трансформация ферромагнитного состояния системы в суперпарамагнитное;

- в области ~ 70 об.% металла, где происходит переход атомной структуры металла от кристаллической к аморфной, сопровождаемый уменьшением константы обменного взаимодействия в 1,5 раза;

- в области малых добавок моноокиси кремния (2-3 об.%), приводящих к формированию нанокристаллического состояния металла, проявляющего себя в значительном уменьшении величины коэрцитивной силы (в 10-15 раз) и ширины линии ферромагнитного резонанса (~ на 20 %).

2. Обнаружено, что малые добавки моноокиси кремния в сплаве NiFe пермаллоевой концентрации, помимо формирования нанокристаллического состояния, приводят к увеличению намагниченности насыщения сплава (на 10 %), уменьшению величины удельного электросопротивления (в 1,2 – 1,3 раза) и к увеличению магнитооптических и магниторезистивных эффектов (на 40 и 25 %, соответственно).

3. Разработан и создан комплекс технологического оборудования для импульсно-плазменного распыления в вакууме металлических мишеней, включающий оригинальный способ создания и сохранения в течение ~ 10-4 c пароплазменного сгустка распыляемого металла и позволяющий:

Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |






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