WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 8 Краткие сообщения 06;11;12 Особенности твердофазной реакции алюминия с гексагональной и кубической фазами кобальта в пленочных системах © В.Г. Мягков, Л.Е. Быкова, Г.Н. Бондаренко, Ф.В. Мягков Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН, 660036 Красноярск, Россия e-mail: miagkov@iph.krasn.ru (Поступило в Редакцию 5 октября 2001 г.) В работе исследуются твердофазные реакции в Al/-Co/MgO(001) и Al/-Co/MgO(001) пленочных системах, проходящие в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). После СВС в продуктах реакции в обеих пленочных системах образуется только одна сверхструктура CoAl, которая эпитаксиально растет на поверхности (001) MgO в Al/-Co/MgO (001) пленочных образцах и имеет разупорядоченную мелкодисперсную структуру в Al/-Co/MgO (001) пленках. Предлагается, что структурные различия реагентов влияют лишь на энергию активации, однако не изменяют температуры инициирования СВС и первой фазы, образующейся в продуктах реакции. Показано, что температура инициирования СВС в Al/-Co/MgO (001) и Al/-Co/MgO (001) пленочных системах совпадает с температурой упорядочения сверхструктуры CoAl.

Тонкопленочные элементы в настоящее время состав- на структурные особенности продуктов реакции, образолют основу устройств микроэлектроники. В процессе вание первой фазы и температуру инициирования.

получения и эксплуатации тонкопленочные элементы В настоящей работе исследуются твердофазные реакподвергаются температурным воздействиям, под влияни- ции, проходящие в СВС режиме в Al/-Co/MgO (001) ем которых в них происходят твердофазные превраще- и Al/-Co/MgO (001) пленочных системах. Общая толния, изменяющие технические характеристики. Поэтому щина исследуемых пленок не превышала 100 nm. Изтвердофазные реакции в тонких пленках интенсивно вестно, что в массивных образцах низкотемпературисследуются [1–3]. Многочисленные исследования пока- ная гексагональная фаза кобальта (-Co) устойчива зывают, что в двухслойных и мультислойных пленках с до 420C. Выше этой температуры она по мартеннагревом при некоторой температуре образуется фаза ситному механизму переходит в гранецентрированную продуктов реакции, которая называется первой. Далее фазу (-Co). Однако в нанокристаллах и тонких пленс повышением температуры отжига происходит после- ках при комнатной температуре -Co фаза является довательное образование новых фаз, которые называ- стабильной при различных технологических условиются фазовыми последовательностями [1–3]. Основным ях [8]. Эпитаксия Co на поверхности (001) MgO сильмеханизмом твердофазных реакций считается диффу- но зависит от температуры подложки TS. При темпезия по границам зерен. Поэтому энергия активации ратуре TS = 220-240C на поверхности (001) MgO и скорость твердофазной реакции должны зависеть от эпитаксиально на поверхности (001) растет высокоструктурных особенностей и взаимной ориентации ре- температурная гранецентрированная кубическая фаза акционных пар. Так, в начальной стадии формирования (-Co) кобальта. Магнитные измерения первой коншпинели NiAl2O4 на границе раздела пленки оксида станты магнитокристаллографической анизотропии этих никеля NiO с монокристаллической подложкой Al2Oобразцов дают значения K1 = -(6-7) · 105 erg/cm3.

различным ориентациям подложки соответствуют не Дифракционные отражения (рис. 1, a) и анализ распотолько разные энергии активации и скорости реакции, ложения легких осей показывает, что пленка (-Co) но и различные кинетические законы [4,5].

кобальта находятся в эпитаксиальном отношении с В работах [6,7] было показано, что многие твердо- подложкой [100] (001) -Co [100] (001) MgO. Эпитаксия фазные реакции в тонких пленках в начальной стадии кобальта на поверхности (001) MgO радикально мепри больших скоростях нагрева проходят в резжиме няется, если температура подложки TS = 370-400C.

самораспространяющегося высокотемпературного син- Дифракционные отражения (рис. 2) этих образтеза (СВС). СВС в тонких пленках представляет собой цов показывают, что слой -Co растет плосковолну поверхностного горения и характеризуется тем- стью (110) параллельной поверхности (001) MgO. Отпературой инициирования T0. С фундаментальной и при- ражения (110) -Co и (110) -Co совпадают, однако кладной точек зрения важно знать влияние реагентов, электронно-микроскопические исследования, проведеннаходящихся в различных полиморфных модификациях, ные в работе [9], показывают, что такие образцы состоят Особенности твердофазной реакции алюминия с гексагональной и кубической фазами кобальта... Рис. 1. Дифрактограммы пленочного образца Al/-Co/MgO (001) до реакции СВС (a) и после прохождения фронта СВС (b).

Справа — диаграмма, поясняющая эпитаксиальные соотношения с подложкой MgO (001) исходного продукта -Co и фазы продукта реакции CoAl.

из кристаллитов -Co, растущих осью с вдоль на- ложки и скорости нагрева. В пределах экспериментальправлений [100] и [010] MgO. Эффективная двухслойная ной точности температуры инициирования T0 пленочных магнитная анизотропия этих образцов имеет значение систем Al/-Co/MgO (001) иAl/-Co/MgO (001) совпадаKef =(1.1-1.3)·106 erg/cm3. Энергия магнитокристалло- ют. Чтобы исключить эффект Хедвалла экспериментальграфической анизотропии EK гексагонального кристалла но проверялось, что до температуры инициирования Tна единицу объема (без учета анизотропии в плоско- не существует твердофазных превращений и сти) имеет вид [10] EK = K1 sin2 + K2 sin4..., где переходов в исходных -Co и -Co пленках. В продуктах для гексагонального кобальта K1 = 4.3 · 106 erg/cm3, реакции Al/-Co/MgO (001) пленочной системы образуK2 = 1.2 · 106 erg/cm3 и — угол между осью c и ется упорядоченая AlCo фаза, которая растет эпитаксинаправлением намагниченности. ально на поверхости (001) MgO (рис. 1, b). Фаза AlCo имеет кубическую решетку с периодом a = 0.286 nm.

Предполагая, что кристаллы -Co, растущие осями c Несоответствие MgO и AlCo решеток будет минимальвдоль направлений [100] и [010] MgO, обменно связаны и их объемы равны, то растет эффективный двухосной маг- ным, если соблюдаются ориентационные соотношения нитной анизотропии такой пленочной системы показыва- (001)[100] AlCo (001)[110] MgO (рис. 1, b). Редко поет, что Kef = K2. Совпадение экспериментальных значе- сле СВС в Al/-Co/MgO (001) пленках в продуктах ний Kef и K2, также подтверждает формирование -Co на реакции AlCo фаза может расти плоскостью (110), поверхности (001) MgO. На исходные -Co/MgO (001) параллельной плоскости (001) MgO. Дифрактограммы и -Co/MgO (001) пленки сверху осаждался слой алю- Al/-Co/MgO (001) пленочной системы после СВС не миния равной толщины с пленкой кобальта. Отсутствие содержат отражений. Однако исследования поликристалотражений от алюминия в исходных образцах (рис. 1, a, лических двухслойных и мультислойных Al/Co пленок рис. 2) предполагает, что он был аморфным или мелко- показывает только AlCo фазу в продуктах реакции. Из дисперсным. Полученные образцы Al/-Co/MgO (001) и сказанного выше и равенства температур инициироваAl/-Co/MgO (001) нагревались со скоростью не менее ния следует, что в продуктах Al/-Co/MgO (001) после 20 K/s в вакууме (10-4 Pa) до температуры иницииро- СВС также образуется AlCo фаза, которая не растет вания T0 фронта СВС, который наблюдался визуально. ориентировано на поверхности (001) MgO и является Температура инициирования T0 находилась в пределах аморфной или мелкодисперснй. Различная кристалли750–780 K. Разброс в значениях T0 определяется тепло- ческая структура продуктов СВС Al/-Co/MgO (001) отводом в подложку, который зависит от толщины под- и Al/-Co/MgO (001)образцов предполагает различные Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 124 В.Г. Мягков, Л.Е. Быкова, Г.Н. Бондаренко, Ф.В. Мягков Рис. 2. Дифрактограммы пленочного образца Al/-Co/MgO (001) до реакции СВС. Справа — диаграмма, поясняющая эпитаксиальные соотношения с подложкой MgO (001) исходного продукта -Co.

механизмы реакции, которые зависят от взаимной ори- также от последовательности напыления слоев в Ti/Al ентации плоскостей реагентов. двухслойных пленках.

Полученные результаты дают основание предпола- Предсказание первой фазы и температуры ее иницигать, что в процессе прохождения твердофазных реакций ирования T0 является важным для технических прилов режиме СВС политипные формы реагентов не игра- жений. Известно, что в процессе твердофазных преврают существенной роли в формировании первой фазы. щений при температуре их инициирования происходит Энергия активации EA твердофазной реакции должна разрыв старых связей, перегруппировка атомов, как включать энергию связи и энергию переноса реагентов. правило, в пределах решетки с образованием новых Энергии переноса реагентов в иследуемых реациях связей. Поэтому в двухслойных пленочных системах на равны. Следовательно, разность энергий активации в межфазной границе, разделющей реагенты, с повышениреакциях СВС в пленочных системах Al/-Co/MgO (001) ем температуры отжига первой должна образовываться и Al/-Co/MgO (001) равна разности энергий связи ко- фаза, имеющая наименьшую температуру твердофазного превращения. Так, в работе [13] было показано, что тембальта в гексагональной и кубической модификациях.

Однако эта разность незначительна, так как мала энталь- пература инициирования T0 твердофазной реакции в S/Fe двухслойной пленочной системе, приводящая к образопия H = -220 cal/mol [11]. Скорость фронта Vf ванию моносульфида железа FeS, и температура фазоСВС зависит от температуры подложки TS по закону, близкому к аррениусовскому Vf exp(-EA/kTS), поэто- вого перехода металл-диэлектрик в FeS совпадают. Для классической в явлении упорядочения системы Cu–Au му изменение энергии активации будет незначительно показано [14], что температура инициирования T0 СВС в влиять только на температурную зависимость скорости Cu/Au двухслойных тонких пленках совпадает с темпефронта. Выше сказанное, предполагает, что структурные ратурой Курнакова TK упорядоченного сплава CuAu, обнизкоэнергетические различия реагентов не оказывают разующегося в продуктах реакции T0(Cu/Au)=TK(CuAu).

существенного влияния на основные характеристики Дальнейшие исследования [15] подтвердили справедлиСВС в тонких пленках (температуру инициирования, вость этого равенства для Al/-Co/MgO (001) и других образование первой фазы). В частности, характеристики СВС аморфных пленочных реагентов не должны отли- двухслойных пленочных систем в продуктах, реакции которых образуются сверхструктуры.

чаться от характерстик СВС в поликристаллических и На примере исследования СВС между пленками монокристаллических слоях, так как энтальпия перехода гексагонального и кубического кобальта с алюминием из аморфной фазы в кристаллическую для большинства показано следующее.

аморфных сплавов 1000 cal/mol. Полученные выше результаты согласуются с выводами работы [12], где 1. В тонких пленках политипные модификации и низпоказано, что в результате твердофазной реакции на коэнергетические структурные особенности реагентов границе раздела титана с алюминием образуется одна не изменяют температуру инициирования СВС и первую фаза TiAl3 независимо от того, поликристаллический фазу, образующейся в продуктах реакции.

или крупнозернистый алюминий использовался в каче- 2. Температура инициирования СВС пленочных рестве подложки. Формирование TiAl3 фазы не зависит агентов определяется температурой Курнакова фазы, Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. Особенности твердофазной реакции алюминия с гексагональной и кубической фазами кобальта... обращзующейся в продуктах реакции, если переходу порядок-беспорядок не предшествуют другие твердофазные превращения.

3. Взаимная кристаллическая ориентация реакционных пар влияет на механизмы синтеза, которые определяют микроструктуру продуктов реакции.

Работа выполнена при финансовой поддержки РФФИ (грант № 99-03-32184).

Список литературы [1] Тонкие пленки: взаимная диффузия и реакции / Под ред.

Дж. Поута, К. Ту, Дж. Мейера. М.: Мир, 1982.

[2] Clevenger U.A., Arcort B., Ziegler W. et al. // J. Appl. Phys.

1998. Vol. 83. N 1. P. 90–99.

[3] Zhang M., Yu W., Wang W. et al. // J. Appl. Phys. 1996.

Vol. 80. N 3. P. 1422–1427.

[4] Kotula P.G., Carter C.B. // Phys. Rev. Lett. 1996. Vol. 77.

N 16. P. 3367–3370.

[5] Kotula P.G., Johnson M.T., Carter C.B. // Zeitschrift fur Physikalische Chemie. 1998. Bd. 207. P. 39–57.

[6] Мягков В.Г., Быкова Л.Е. // ДАН 1997. Т. 354. № 6. С. 777– 779.

[7] Мягков В.Г., Жигалов В.С., Быкова Л.Е. и др. // ЖТФ.

1998. Т. 68. Вып. 10. С. 58–62.

[8] Sato H., Kitakami O., Sakurai T. et al. // J. Appl. Phys. 1997.

Vol. 81. N 4. P. 1858–1852.

[9] Комалов А.С. Канд. дис. Красноярск,: ИФ, 1970.

[10] Вонсовский С.В. Магнетизм. М.: Наука, 1971. С. 776–786.

[11] Термодинамические константы веществ. № 6. М.: Наука, 1972.

[12] Zhao X.-A., So F.C.T., Nicolet M.-A. // J. Appl. Phys. 1988.

Vol. 63. N 8. Part 1. P. 2800–2807.

[13] Мягков В.Г., Быкова Л.Е., Бондаренко Г.Н. и др. // ДАН 2000. Т. 371. № 6. С. 763–765.

[14] Мягков В.Г., Быкова Л.Е., Бондаренко Г.Н. и др. // Письма в ЖЭТФ 2000. Т. 71. Вып. 5. С. 268–273.

[15] Мягков В.Г., Быкова Л.Е., Бондаренко Г.Н. и др. // ЖТФ 2001. Т. 71. Вып. 6. С. 937–941.




© 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.