WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. 6 Формирование тетраэдрически плотноупакованных структур в нанокристаллических пленках Tb–Fe и Co–Pd © Л.И. Квеглис, С.М. Жарков, Г.В. Бондаренко, В.Ю. Яковчук, Е.П. Попёл Институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук, 660036 Красноярск, Россия E-mail: jarkov@iph.krasnoyarsk.su (Поступила в Редакцию 10 августа 2001 г.) Проведены структурные исследования нанокристаллических пленок Tb30Fe70 и Co50Pd50, обладающих большими значениями магнитной анизотропии перпендикулярной плоскости пленки (K 106 erg/cm3).

Пленки исследованы методами дифракции электронов и просвечивающей электронной микроскопии.

Кристаллизация всех исследованных пленок проходила взрывным путем с формированием дендритных структур из исходного нанокристаллического состояния. Показано, что после кристаллизации атомная структура пленок Tb–Fe и Co–Pd является тетраэдрически плотноупакованной, не имеющей аналогов для данных материалов в равновесном состоянии. На основании анализа изгибных контуров на электронномикроскопических изображениях сделаны оценки внутренних напряжений в исследованных пленках.

Предположено, что большие значения константы перпендикулярной магнитной анизотропии определяются анизотропией магнитострикции, обусловленной особенностями структурного строения пленок.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 00-02-17358), INTAS (грант N 00-100), 6-го конкурса-экспертизы 1999 г. научных проектов молодых ученых РАН (грант № 56) и Красноярского краевого фонда науки.

Одним из направлений, использующих уникаль- величины ПМА зависит от материала и технологии ные магнитные свойства нанокристаллических матери- получения образцов.

алов для практических применений, является создание Ранее нами было показано, что пленки Dy–Co, обладаматериалов-носителей для магнитной и термомагнитной ющие большими значениями ПМА (K 105 erg/cm3), записи информации. Плотность информации является в исходном состоянии состоят из кластеров (размером важнейшим параметром для материалов-носителей па10-15 ) со структурой, близкой к тетраэдрически плотмяти. Магнитные материалы, обладающие магнитной ноупакованной структуре типа CaCu5 [9]. Сплав SmCo5, анизотропией перпендикулярной плоскости — это маобладающий такой же структурой, известен как матетериалы будущего. Получение материалов с перпендириал с наибольшим значением кристаллографической кулярной магнитной анизотропией (ПМА) обеспечивает магнитной анизотропии K1 108 erg/cm3 [10].

плотность записи, существенно большую, чем в случае Известно, что сплавы РЗМ–ПМ являются одними использования материалов с анизотропией в плоскости из наиболее сильных магнитострикционных материапленки. На материалах с ПМА возможно достижение лов в природе [10]. Однако имеющихся сведений о плотности записи информации до 1012 bit/cm2.

роли анизотропии магнитострикции в формировании В настоящее время известно достаточно много матеПМА в нанокристаллических пленках сплавов перериалов, обладающих большими значениями константы ходных металлов явно недостаточно. Это связано с энергии ПМА. В основном это материалы, полученные трудностью оценки величины магнитострикции и ее на основе сплавов редкая земля–переходной металл вклада в формирование ПМА на основе эксперимен(РЗМ–ПМ): Dy–Co, Tb–Fe и др.; и сплавов 3d-металлов:

тальных данных. Возможны два пути формирования Co–Pd, Co–Cr и др. [1–6]. Однако, несмотря на широнапряжений в пленке: 1) наведенные подложкой или комасштабные исследования материалов-носителей для мультислоями; 2) внутренние напряжения, обусловленмагнитной и термомагнитной записи, вопрос о природе ные особенностями атомной структуры. В работе [2] формирования ПМА до сих пор остается открытым.

исследованы мультислойные пленки Co/Pd. Рассмотрены Причина этого в том, что сам факт существования ПМА различные механизмы формирования ПМА и сделан и величина энергии ПМА зависят от многих условий.

вывод о том, что определяющую роль играет анизотроСуществует несколько основных моделей формирования пия магнитострикции, обусловленная несоответствием ПМА в пленках [7]: 1) парное атомное упорядочение;

параметров решеток Co и Pd. В работе [11] авто2) столбчатая структура; 3) кристаллографическая аниры полагают, что большое значение ПМА в пленках зотропия; 4) поверхностная анизотропия; 5) обменная анизотропия; 6) анизотропия магнитострикции. В ра- Tb–Fe (K = 2 · 107 erg/cm3) обеспечивается за счет аниботе [8] предложена еще одна модель — фракталь- зотропии магнитострикции, возникающей из-за разлиной структуры, сформированной перпендикулярно плос- чия коэффициентов теплового расширения пленки и кости пленки. Роль каждой модели в формировании подложки.

Формирование тетраэдрически плотноупакованных структур в нанокристаллических пленках... В наших предыдущих работах [12,13] исследованы пленки Co–Pd с K 106 erg/cm3. Причина формирования такой большой ПМА связывается с самоорганизацией кристаллических модулей, которая сводится к объединению модульных сборок по общим правилам.

При этом происходит неидеальное заполнение трехмерного пространства. Угол несоответствия между гранями соседних модульных сборок, содержащих тетраэдры и октаэдры, может составлять несколько градусов. Как следствие этого в материале создаются большие напряжения, которые частично снимаются сдвигами и поворотами модульных сборок, разрывами и трещинами в материале. Учитывая, что сплавы Co–Pd также обладают большой магнитострикцией, предположено, что анизотропия магнитострикции вносит существенный вклад Рис. 1. Электронно-микроскопическое изображение пленки в формирование больших значений константы ПМА.

Tb–Fe, иллюстрирующее начало дендритной кристаллизации.

Однако полностью описать структуру пленок Co–Pd не удалось. Задача данной работы — выявить структуру пленок Tb–Fe и Co–Pd, обладающих большими значениями константы ПМА, и оценить роль анизотропии Скорость движения фронта кристаллизации, определенмагнитострикции в формировании ПМА. ная визуально при электронно-микроскопических исследованиях, составляла до 1 cm/s. После дендритной кристаллизации не наблюдалось укрупнения размера 1. Методы получения и исследования частиц, составляющих пленку, по сравнению с исходным образцов состоянием. Подобные эффекты наблюдались ранее на пленках CoPd [12].

В данной работе представлены результаты исследоНа рис. 1 приведено электронно-микроскопическое ваний структуры нанокристаллических пленок: Tb–Fe изображение, иллюстрирующее начало дендритной кри(Tb — 30 at.%, Fe — 70 at.%) и Co–Pd (Co — 50 at.%, сталлизации в пленке Tb–Fe. На закристаллизовавшемся Pd — 50 at.%), обладающих большими значениями участке отчетливо наблюдаются изгибные экстинкциПМА [12,13]. Исследованы пленки в исходном состояонные контуры. При дальнейшем отжиге вся пленка нии, а также подвергнутые отжигу в вакууме. Пленки покрывается непрерывной сетью пересекающихся изполучены методами термического распыления-взрыва в гибных контуров (см. работу [13] для пленок Co–Pd).

вакууме 10-5 Torr и магнетронного распыления в вакуЭлектронограмма, полученная от закристаллизовавшеуме 10-6 Torr на различные подложки (стекло, кристалгося участка пленки Tb–Fe (рис. 2, a), расшифровывается лический и аморфный кремний, плавленый кварц, NaCl, как ориентация [011] известной структуры TbFe2 (Fd3m) MgO, LiF). Микроструктуру и фазовый состав пленок с параметром решетки a = 7.10. Электронограмма исследовали с помощью просвечивающих электронных (рис. 2, b), полученная с закристаллизовавшихся участмикроскопов ПРЭМ-200, JEM-100 C. Химический соков пленки Co–Pd, содержит наборы точечных рефлекстав пленок контролировали методом рентгеновского сов, которые не соответствуют ни одной из известных флуоресцентного анализа (РФСА). Константу ПМА K структур сплавов Co–Pd. Дифракционные рефлексы, определяли методом крутящих моментов при комнатной наблюдаемые на электронограмме, соответствуют межтемпературе в полях с напряженностью до 17 kOe.

плоскостным расстояниям, характерным для атомных плоскостей типа (111) и (620) кубической гранецентрированной (ГЦК) структуры с параметром решетки 2. Результаты исследований a = 3.75. Подобный набор рефлексов можно наблюВ исходном состоянии пленки Tb–Fe и Co–Pd об- дать на электронограмме при ориентации ГЦК решетки ладали ПМА с K 105 erg/cm3. Электронограммы, с осью зоны [134]. Однако на рис. 2, b наблюдаются полученные от этих пленок, представляли собой диф- сверхструктурные для ГЦК решетки CoPd рефлексы — фузное тело. Электронно-микроскопические исследова- (3/2 1/2 0), (310), (9/2 3/2 0). При этом интенсивности ния показали, что пленки состоят из частиц разме- указанных выше сверхструктурных рефлексов намного ром 20-30. Обнаружено, что под воздействием превышают интенсивность структурного рефлекса (620).

электронного пучка в просвечивающем электронном Следует особо отметить, что угол на электронограммикроскопе либо в процессе отжига в вакууме 10-5 Torr ме (рис. 2, b) между векторами типа [111] составляет при температуре отжига Tann = 260-300C в пленках 54, в то время как в кубической решетке этот проходила дендритная кристаллизация. При этом вели- угол должен быть равен 70.5. Попытка расшифровать чина константы ПМА возрастала до 5 · 106 erg/cm3. данную электронограмму в рамках гексагональной плотФизика твердого тела, 2002, том 44, вып. 1072 Л.И. Квеглис, С.М. Жарков, Г.В. Бондаренко, В.Ю. Яковчук, Е.П. Попёл Рис. 2. Электронограммы, полученные от пленок Tb–Fe (a) и Co–Pd (b) после дендритной кристаллизации. Схематическое изображение (c) наложенных друг на друга электронограмм (a, b). Точками показаны рефлексы TbFe2, квадратами — рефлексы CoPd.

ноупакованной (ГПУ) структуры показала, что такая После отжига при Tann 400-450C структура исструктура должна обладать соотношением c/a 2.18, следованных пленок релаксирует к равновесному состочто для металлических ГПУ структур является нехарак- янию. Пленки обладают мелкокристаллической структурой и формируют поликристаллические кольца на терным [13].

электронограммах. Электронограммы соответствуют в При сравнении электронограмм, полученных от плеслучае пленок Tb–Fe — фазе TbFe2 с Fd3m струкнок Tb–Fe и Co–Pd (рис. 2, a, b), видно, что они потурой (параметр решетки a = 7.10 ) и в случае чти совпадают по направлениям векторов обратных пленок Co–Pd — ГЦК структуре (параметр решетки решеток. На рис. 2, c приведены наложенные друг на a = 3.75 ). Величина константы ПМА таких пленок друга схематические изображения этих электронограмм.

составляет 104-105 erg/cm3.

Видно, что рефлексы типа (111) CoPd накладываются на рефлексы типа (311) TbFe2, а сверхструктурные для ГЦК структуры рефлексы типа (3/2 1/2 0) CoPd 3. Обсуждение результатов накладываются на рефлексы типа (220) TbFe2.

После отжига при Tann > 300C дендритная структура На основании проведенных исследований магнитных в пленках Tb–Fe, Co–Pd начинала разрушаться. Элексвойств пленок Tb–Fe и анализа полученных картин тронограммы, полученные с разрушающихся дендритов дифракции электронов установлено, что в исходном в пленках Tb–Fe и Co–Pd, приведены на рис. 3, a, b. Эти нанокристаллическом состоянии K 2 · 105 erg/cm3.

электронограммы также имеют нестандартный вид. НаПосле дендритной кристаллизации из исходного наноблюдаются группы рефлексов, которые по межплоскосткристаллического состояния пленки обладают максиным расстояниям соответствуют атомным плоскостям мальной константой ПМА(K 5 · 106 erg/cm3) и иметипа (111) и (200) Fd3m структуры TbFe2 с параметром ют структуру TbFe2, которая соответствует фазе Лавеса решетки a = 7.10 (рис. 3, a) и ГЦК структуры CoPd с (тип MgCu2) [10]. Различные политипы семейства фаз параметром решетки a = 3.75 (рис. 3, b). Однако век- Лавеса относятся к группе франк-касперовских тетраторы типа [111] и [200] в обеих структурах расположены эдрически плотноупакованных структур [14]. В случае почти параллельно друг другу, что в принципе невоз- структуры типа TbFe2 из тетраэдров формируются взаможно в случае монокристалла с кубической решеткой. имопроникающие франк-касперовские многогранники с Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. Формирование тетраэдрически плотноупакованных структур в нанокристаллических пленках... нами предложена схема расшифровки подобных электронограмм с помощью модульных сборок, состоящих из тетраэдров, собранных по типу спирали Бурдейка.

В дальнейшем такие модульные сборки перколяционным образом заполняют пространство, в результате формируется структура с большими внутренними напряжениями.

Об этом свидетельствует наличие изгибных контуров на электронно-микроскопических изображениях (рис. 1 для пленки Tb–Fe и работу [13] для пленки Co–Pd).

Анализ изгибных контуров, проведенный по методике, описанной в [16], показал, что величины упругих напряжений в исследованных пленках составляют как минимум 1011 N/m2. Если считать, что напряжения в пленке не превышают предела упругости, то они могут обеспечить константу ПМА 106 erg/cm3. Однако электронно-микроскопические темнопольные исследования показывают, что в пленках имеет место пластическое течение, проявляющееся в виде ротационных эффектов — поворотов областей пленки размером 1 µ. Следовательно, напряжения, возникающие при формировании дендритной структуры, значительно превышают предел упругости и могут обеспечивать за счет магнитострикционных эффектов существенно больший вклад в ПМА.

Таким образом, в настоящей работе показано, что структура исследованных пленок (Tb–Fe, Co–Pd), обРис. 3. Электронограммы, полученные от пленок Tb–Fe (a) и ладающих большими значениями константы ПМА, явCo–Pd (b) после отжига в вакууме при Tann > 300C.

ляется тетраэдрически плотноупакованной. В процессе дендритной кристаллизации из исходного нанокристаллического состояния структура пленок формируется по координационными числами 12 и 16. В свою очередь типу фаз Лавеса, после разрушения дендритной структумногогранники состоят из плотноупакованных тетрары — по типу спирали Бурдейка. За счет особенностей эдров. Известно что, материалы, описываемые франкдендритного роста в пленках возникают большие внукасперовскими многогранниками имеют склонность к тренние напряжения, обеспечивающие определяющий сжатию элементарной ячейки до 30% [14].

вклад анизотропии магнитострикции в величину ПМА.

В случае исследованных пленок Co–Pd можно предСледует особо отметить, что эти напряжения обусловположить, что структура пленок после дендритной крилены особенностями структурного строения пленок и не сталлизации (рис. 2, b) может быть описана по аналогии зависят от влияния подложки.

со структурой TbFe2 с помощью плотноупакованных Авторы благодарны В.Н. Матвееву (ИПТМ РАН) за тетраэдров. Структура в исследованных пленках Co–Pd, предоставленные для исследования образцы, полученпо-видимому, формируется по типу фаз Лавеса, одные методом магнетронного распыления.

Pages:     || 2 |



© 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.