Помощь студентам в учебе
МАГНИТНАЯ АНИЗОТРОПИЯ И ГИСТЕРЕЗИСНЫЕ СВОЙСТВА АМОРФНЫХ И НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК Fe-M-Cu-Si-B (M: Nb, NbMo, W)
|
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Актуальность темы исследования
В современной технике и технологиях достаточно давно имеет место тенденция к миниатюризации устройств, одним из способов достижения которой является переход к функциональным средам в виде тонких пленок. Важное значение в этом классе объектов имеют тонкие магнитные пленки, используемые в качестве функциональной среды для сенсорных устройств [1-3]. Внедрение в микроэлектронику тонкопленочных сенсоров, в том числе на основе магнито-мягких материалов, коммерчески является более привлекательным из-за уменьшения стоимости и возможности применения в более широком диапазоне устройств.
Среди магнитомягких материалов наибольшую популярность приобрели аморфные и нанокристаллические ленты сплавов на основе системы Бе-М-Си- 81-Б, где М - переходный металл [4, 5]. Данные материалы обладают высокими значениями индукции насыщения и магнитной проницаемости наряду с низкими значениями коэрцитивной силы и удельных магнитных потерь. Магнитные свойства данных сплавов обусловлены их структурой, которая представляет собой зерна ОЦК-Ре(81), распределенные в остаточной аморфной матрице. Размер зерен является критически важным при формировании магнитных свойств материала, что было объяснено в рамках модели случайной анизотропии [6].
Стремление реализовать магнитомягкие свойства лент сплавов типа Бе-М- Си-81-Б в тонкопленочных объектах обуславливает новую волну интереса к данному материалу. Однако при изучении тонких пленок возникают технологические задачи, требующие решения для достижения оптимальных магнитных свойств пленок: выбор типа подложки, температура подложки, рабочее давление в вакуумной камере, величина технологического поля. В последнее время большинство работ, посвященных тонким пленкам Бе-М-Си-81-Б, касались поиска подходящих режимов термомагнитной обработки, установление влияния микроструктуры, механических напряжений и морфологии поверхности на магнитные свойства, установление толщинных зависимостей магнитных свойств. В частности, на примере пленок данного сплава с N6 было показано, что в процессе отжига кристаллизация в тонких пленках начинается при более низких температурах, чем в лентах, а также отлична его кинетика. В тонкопленочном состоянии возрастает роль неровностей поверхности, оказывающих влияние на задержку смещения доменных стенок, что влияет на гистерезисные свойства пленок. Из теоретических положений следует, что при уменьшении толщины пленки меньше, чем корреляционная длина обменной связи, усреднение эффективной константы магнитной анизотропии начинает происходить по меньшему объему, что приводит к росту ее величины и, как следствие, к увеличению коэрцитивной силы.
Несмотря на то, что существующие исследования охватывают множество вопросов (от способов получения тонких пленок до исследования их магнитных свойств), стабильность и воспроизводимость свойств тонких пленок, исследование влияния толщины на процесс кристаллизации, а также установление связи между микроструктурой и магнитными свойствами тонких пленок до сих пор остаются не до конца решенными задачами, представляющими как фундаментальный, так и практический интерес.
Таким образом, актуальность данной работы заключается в установлении закономерностей влияния тонкопленочного состояния на структуру и магнитные свойства сплава Fe-M-Cu-Si-B (M: Nb, NbMo, W). Однозначные зависимости магнитных характеристик от структурного состояния и толщины пленок позволят ожидать конкретных практических приложений этих материалов. Кроме этого, проведенные исследования направлены на решение задач, выполняемых в рамках темы по заданию Министерства образования и науки Российской Федерации.
Степень разработанности темы исследования
Тонкие магнитные пленки на протяжении многих десятилетий привлекают внимание исследователей. Устойчивость этого внимания обусловлена не только научным интересом, но и перспективой миниатюризации магнитных элементов разного рода устройств. Начало исследований тонких пленок сплавов типа Finemet (Fe73,5Cu1Nb3Si13,5B9) было положено в работах Г. Пето (G. Peto) и Е. Кижди-Косо (É. Kisdi-Koszó), выполненных в середине 90-х годов. Существенный вклад в изучение пленок семейства Finemet внесли работы М. Койсона (M. Coïsson), П. Гупта (P. Gupta) и А. Гупта (A. Gupta). Результаты, полученные этими авторами, содержали первичные данные о влиянии условий получения на структурное состояние пленок и их магнитные свойства. Работы И. Мулена (J. Moulin) были посвящены возможности практического применения пленок типа Finemet.
Однако, в упомянутых выше работах в недостаточной мере исследовано кристаллическое состояние тонких пленок разной толщины, а также кинетика процесса кристаллизации, что затрудняет анализ магнитных свойств, установление закономерных связей между структурой и магнитными свойствами. Отсутствуют также систематические данные о влиянии вариации атома- ингибитора роста зерен на кристаллическую структуру тонких пленок. В целом магнитные свойства магнитомягких нанокристаллических лент превосходят со-ответствующие свойства пленок, что определило необходимость дальнейших исследований с целью оптимизации и воспроизводимости свойств пленок.
Коллектив исследователей кафедры магнетизма и магнитных наноматериалов и отдела магнетизма твердых тел НИИ ФПМ Института естественных наук и математики Уральского федерального университета, на базе которых выполнялась данная диссертационная работа, имеет многолетний опыт изучения магнитных свойств быстрозакаленных сплавов (работы О. А. Иванова, Н. А. Скулкиной, В. А. Катаева, Г. В. Курляндской, Е. А. Степановой и др.), а так¬же опыт работы со сплошными однослойными и многослойными тонкопленочными объектами, полученными методами высокочастотного ионно¬плазменного и магнетронного распыления (работы В. О. Васьковского, А. В. Свалова, П. А. Савина, В. Е. Иванова, В. Н. Лепаловского и др.), что является прочной основой для всестороннего рассмотрения вопросов тонкопленочного состояния сплавов типа Етете1.
Цель и задачи работы
Целью работы является установление закономерностей, связывающих толщину, микроструктуру и магнитные свойства тонких магнитных пленок Ее- М-Си-81-В (М: ИЬ, W, ИЬМо).
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1) получение аморфных и нанокристаллических тонких пленок РеуздИЬзСщЗцздВд, Fe7з,5WзCu1Si1з,5B9 и Ее?2,5ИЪ1,5Мо2Си1д8114,2В8,7 толщиной от 10 до 200 нм; аттестация микроструктуры и химического состава полученных пленок;
2) установление толщинных зависимостей магнитных свойств тонких пле-нок сплавов с различными атомами-ингибиторами: ИЬ, W, ИЬМо;
3) определение влияния условий термообработки аморфных тонких пленок Ре7з,5ИЬзСи1811з,5В9, Ре7зд№зСщ811з,5В9 и Ее72,5ИЬ1,5Мо2Си1,13114,2В8,7 на формирование нанокристаллической структуры и магнитных свойств;
4) исследование магнитной анизотропии тонких пленок Ре7з,5ИЬзСи1811з,5В9, Рe73,5WзCU1Si13,5B9 и Ее72,5ИЬ1,5МО2Си1,13114,2В8,7.
Научная новизна
На основе проведенного систематического исследования структуры и магнитных свойств тонких магнитных пленок варьируемого состава Ре-М-Си-81-В (М: ЫЬ, ЫЬМо, X) в диапазоне толщин 10-200 нм показано следующее.
В процессе получения пленок Ре-М-Си-81-В присутствие внешнего магнитного поля приводит к формированию в них наведенной одноосной магнитной анизотропии. Установлен механизм, определяющий возникновение в данных пленках наведенной одноосной магнитной анизотропии, в основе которого лежит закрепление подложкой магнитострикционной деформации пленок.
Исследование кинетики кристаллизации в тонких пленках Ре-М-Си-81-В методом рентгеноструктурных исследований в процессе нагрева показало, что кристаллизация пленок начинается при температуре примерно на 100 °С ниже, чем лент сплава аналогичного состава, и происходит за счет резкого роста зерен нанометрового масштаба. Обнаружено, что с уменьшением толщины пленок происходит задержка процесса кристаллизации.
С помощью метода корреляционной магнитометрии проведен анализ локальной магнитной анизотропии тонких пленок Ре-М-Си-81-В. Показано, что в пленках Ре-М-Си-81-В в аморфном и нанокристаллическом состояниях формируется стохастическая доменная структура. При уменьшении толщины в пленках происходит изменение размерности корреляций намагниченности от трехмерной к двумерной.
Теоретическая и практическая значимость работы
Комплексное исследование тонких пленок Ре-М-Си-ЗРВ (М=ИЬ, ’^ ЫЬМо) позволяет определить закономерности влияния толщины и структурного состояния на их магнитные свойства. Полученные результаты дополнят существующие экспериментальные данные о влиянии легирующих элементов в тон-ких пленках сплава Ре-М-Си-81-В. Также результаты будут направлены на развитие модели случайной магнитной анизотропии применительно к пленочным средам.
Тонкие пленки исследуемого состава, где в качестве варьируемого атома-ингибитора выступает N6, демонстрируют наименьшую величину коэрцитивной силы, что позволяет рассматривать их в качестве функциональной среды для сенсорных устройств.
Полученные в рамках данной работы результаты о кинетике кристаллизации пленок в совокупности с анализом гистерезисных свойств могут быть востребованы для прогнозирования и управления магнитными свойствами тонких пленок Ре-М-Си-81-В (М: N6, ’^ ЫЬМо) с целью их практического применения.
Методология и методы исследования
Методология, положенная в основу выполнения работы, заключалась в реализации последовательности «прекурсор - осаждение на подложку - контролируемый отжиг», и в выяснении взаимосвязей «состав - структура - свойство».
Для достижения поставленных в работе целей и задач использовали со-временные методы аттестации и контроля структурного состояния образцов тонких пленок, а также исследования их магнитных свойств. Исследование структуры тонких пленок осуществлялось с помощью методов рентгеноструктурного анализа и сканирующей зондовой микроскопии. Уникальной методикой, используемой в данной работе, является проведение рентгеноструктурного анализа пленок в процессе нагрева, что позволяет наблюдать кинетику процесса кристаллизации в тонких пленках. Магнитные измерения тонких пленок в ходе исследования проводились с помощью методов магнитометрии (вибро-магнитометр и СКВИД-магнитометр), магнитооптической и магнито-силовой микроскопии.
Научные положения, выносимые на защиту
1. Спонтанная намагниченность пленок Ре-М-Си-81-В резко уменьшается при толщинах менее 150 нм. С уменьшением толщины возрастает вклад от не-ферромагнитного оксидного слоя на поверхности пленки.
2. В процессе получения пленок Ре-М-Си-81-В присутствие внешнего магнитного поля приводит к формированию в них наведенной одноосной магнитной анизотропии. Определяющим механизмом наведенной анизотропии является фиксирование подложкой магнитострикционной деформации, возникающей при образовании пленки.
3. При нагреве выше 400 °С происходит кристаллизация пленок Ре-М-Си- 81-В. Кристаллизация начинается при более низкой температуре, чем температура кристаллизации аморфных лент, и развивается за счет резкого роста зерен размером, превышающим оптимальный размер в быстрозакаленных лентах аналогичного состава. В процессе кристаллизации размер зерен не меняется, а увеличивается их общий объем в кристаллической фазе.
4. В пленках Ре-М-Си-81-В формируется стохастическая доменная структура, характеризующаяся радиусом магнитных корреляций и усредненной константой анизотропии. При уменьшении толщины пленок происходит изменение размерности корреляций намагниченности от трехмерной к двумерной.
Степень достоверности и апробация результатов
Экспериментальные результаты, обсуждаемые в работе, получены с помощью современных методик исследования тонких пленок и проанализированы с использованием методов, признанных и широко используемых другими исследователями. Достоверность результатов обеспечивается систематическим характером исследований, удовлетворительным согласием с ранее полученными результатами исследований.
Основные результаты работы представлялись и обсуждались на объединенных научных семинарах Отдела магнетизма твердых тел НИИ ФПМ и Кафедры магнетизма и магнитных наноматериалов ИЕНиМ УрФУ. А также на международных и всероссийских симпозиумах, конференциях, школах, форумах и семинарах:
- Moscow International Symposium on Magnetism - 2014, 2017 (г. Москва, Россия);
- Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых учёных - 2014 (г. Ижевск, Россия), 2017 (г. Екатеринбург, Россия);
- Международная молодежная научная конференция: Физика. Технологии. Инновации - 2015, 2016 (г. Екатеринбург, Россия);
- Всероссийская школа-семинар по проблемам физики конденсированного состояния вещества - 2014, 2015, 2016 (г. Екатеринбург, Россия);
- The Baikal International Conference “Magnetic materials. New technologies” - 2012, 2016 (г. Иркутск, Россия);
- Euro-Asian Symposium «Trends in Magnetism» - 2016 (г. Иркутск, Россия);
- Sino-Russian Ph.D. Students Innovation Forum on Advanced Materials and Processing Technology - 2015, 2016 (г. Екатеринбург, Россия);
- Российская молодежная научная конференция «Проблемы теоретической и экспериментальной химии» - 2016 (г. Екатеринбург, Россия);
- International Baltic conference on magnetism: Focus on biomedical aspects - 2015 (г. Светлогорск, Россия);
- The European Conference PHYSICS OF MAGNETISM - 2014 (г. Познань, Польша).
Личный вклад автора
Выбор тематики исследования, постановка целей и задачей исследования, обсуждение, интерпретация результатов исследования и подготовка научных публикаций проводились совместно с научным руководителем Катаевым Василием Анатольевичем.
Автор участвовал в подготовке мишеней и частично в процессе получения образцов пленок и их аттестации. Автором выполнена обработка данных рентгеноструктурного анализа и атомно-силовой микроскопии с помощью существующих программных пакетов, определены структурные параметры образцов, дана интерпретация кинетики структурных превращений в тонких пленках в процессе термообработки.
Проведено исследование гистерезисных свойств тонких пленок методом магнитооптической микроскопии на основе эффекта Керра.
Используя метод корреляционной магнитометрии, автор провел анализ магнитной микроструктуры в тонких пленках Fe-Nb-Cu-Si-B и ее влияния на макроскопические магнитные свойства пленок.
Результаты исследований докладывались автором на всероссийских и международных конференциях.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 26 печатных работ, из них 4 — в изданиях, включенных в Перечень рецензируемых научных изданий, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией при Министерстве образования и науки Российской Федерации для опубликования основных научных результатов диссертаций.
Структура диссертации
Диссертация включает в себя введение, пять глав, заключение и список цитируемой литературы. Общий объем составляет 160 страниц, 56 рисунков, 10 таблиц, список использованных источников из 230 наименований.
В современной технике и технологиях достаточно давно имеет место тенденция к миниатюризации устройств, одним из способов достижения которой является переход к функциональным средам в виде тонких пленок. Важное значение в этом классе объектов имеют тонкие магнитные пленки, используемые в качестве функциональной среды для сенсорных устройств [1-3]. Внедрение в микроэлектронику тонкопленочных сенсоров, в том числе на основе магнито-мягких материалов, коммерчески является более привлекательным из-за уменьшения стоимости и возможности применения в более широком диапазоне устройств.
Среди магнитомягких материалов наибольшую популярность приобрели аморфные и нанокристаллические ленты сплавов на основе системы Бе-М-Си- 81-Б, где М - переходный металл [4, 5]. Данные материалы обладают высокими значениями индукции насыщения и магнитной проницаемости наряду с низкими значениями коэрцитивной силы и удельных магнитных потерь. Магнитные свойства данных сплавов обусловлены их структурой, которая представляет собой зерна ОЦК-Ре(81), распределенные в остаточной аморфной матрице. Размер зерен является критически важным при формировании магнитных свойств материала, что было объяснено в рамках модели случайной анизотропии [6].
Стремление реализовать магнитомягкие свойства лент сплавов типа Бе-М- Си-81-Б в тонкопленочных объектах обуславливает новую волну интереса к данному материалу. Однако при изучении тонких пленок возникают технологические задачи, требующие решения для достижения оптимальных магнитных свойств пленок: выбор типа подложки, температура подложки, рабочее давление в вакуумной камере, величина технологического поля. В последнее время большинство работ, посвященных тонким пленкам Бе-М-Си-81-Б, касались поиска подходящих режимов термомагнитной обработки, установление влияния микроструктуры, механических напряжений и морфологии поверхности на магнитные свойства, установление толщинных зависимостей магнитных свойств. В частности, на примере пленок данного сплава с N6 было показано, что в процессе отжига кристаллизация в тонких пленках начинается при более низких температурах, чем в лентах, а также отлична его кинетика. В тонкопленочном состоянии возрастает роль неровностей поверхности, оказывающих влияние на задержку смещения доменных стенок, что влияет на гистерезисные свойства пленок. Из теоретических положений следует, что при уменьшении толщины пленки меньше, чем корреляционная длина обменной связи, усреднение эффективной константы магнитной анизотропии начинает происходить по меньшему объему, что приводит к росту ее величины и, как следствие, к увеличению коэрцитивной силы.
Несмотря на то, что существующие исследования охватывают множество вопросов (от способов получения тонких пленок до исследования их магнитных свойств), стабильность и воспроизводимость свойств тонких пленок, исследование влияния толщины на процесс кристаллизации, а также установление связи между микроструктурой и магнитными свойствами тонких пленок до сих пор остаются не до конца решенными задачами, представляющими как фундаментальный, так и практический интерес.
Таким образом, актуальность данной работы заключается в установлении закономерностей влияния тонкопленочного состояния на структуру и магнитные свойства сплава Fe-M-Cu-Si-B (M: Nb, NbMo, W). Однозначные зависимости магнитных характеристик от структурного состояния и толщины пленок позволят ожидать конкретных практических приложений этих материалов. Кроме этого, проведенные исследования направлены на решение задач, выполняемых в рамках темы по заданию Министерства образования и науки Российской Федерации.
Степень разработанности темы исследования
Тонкие магнитные пленки на протяжении многих десятилетий привлекают внимание исследователей. Устойчивость этого внимания обусловлена не только научным интересом, но и перспективой миниатюризации магнитных элементов разного рода устройств. Начало исследований тонких пленок сплавов типа Finemet (Fe73,5Cu1Nb3Si13,5B9) было положено в работах Г. Пето (G. Peto) и Е. Кижди-Косо (É. Kisdi-Koszó), выполненных в середине 90-х годов. Существенный вклад в изучение пленок семейства Finemet внесли работы М. Койсона (M. Coïsson), П. Гупта (P. Gupta) и А. Гупта (A. Gupta). Результаты, полученные этими авторами, содержали первичные данные о влиянии условий получения на структурное состояние пленок и их магнитные свойства. Работы И. Мулена (J. Moulin) были посвящены возможности практического применения пленок типа Finemet.
Однако, в упомянутых выше работах в недостаточной мере исследовано кристаллическое состояние тонких пленок разной толщины, а также кинетика процесса кристаллизации, что затрудняет анализ магнитных свойств, установление закономерных связей между структурой и магнитными свойствами. Отсутствуют также систематические данные о влиянии вариации атома- ингибитора роста зерен на кристаллическую структуру тонких пленок. В целом магнитные свойства магнитомягких нанокристаллических лент превосходят со-ответствующие свойства пленок, что определило необходимость дальнейших исследований с целью оптимизации и воспроизводимости свойств пленок.
Коллектив исследователей кафедры магнетизма и магнитных наноматериалов и отдела магнетизма твердых тел НИИ ФПМ Института естественных наук и математики Уральского федерального университета, на базе которых выполнялась данная диссертационная работа, имеет многолетний опыт изучения магнитных свойств быстрозакаленных сплавов (работы О. А. Иванова, Н. А. Скулкиной, В. А. Катаева, Г. В. Курляндской, Е. А. Степановой и др.), а так¬же опыт работы со сплошными однослойными и многослойными тонкопленочными объектами, полученными методами высокочастотного ионно¬плазменного и магнетронного распыления (работы В. О. Васьковского, А. В. Свалова, П. А. Савина, В. Е. Иванова, В. Н. Лепаловского и др.), что является прочной основой для всестороннего рассмотрения вопросов тонкопленочного состояния сплавов типа Етете1.
Цель и задачи работы
Целью работы является установление закономерностей, связывающих толщину, микроструктуру и магнитные свойства тонких магнитных пленок Ее- М-Си-81-В (М: ИЬ, W, ИЬМо).
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1) получение аморфных и нанокристаллических тонких пленок РеуздИЬзСщЗцздВд, Fe7з,5WзCu1Si1з,5B9 и Ее?2,5ИЪ1,5Мо2Си1д8114,2В8,7 толщиной от 10 до 200 нм; аттестация микроструктуры и химического состава полученных пленок;
2) установление толщинных зависимостей магнитных свойств тонких пле-нок сплавов с различными атомами-ингибиторами: ИЬ, W, ИЬМо;
3) определение влияния условий термообработки аморфных тонких пленок Ре7з,5ИЬзСи1811з,5В9, Ре7зд№зСщ811з,5В9 и Ее72,5ИЬ1,5Мо2Си1,13114,2В8,7 на формирование нанокристаллической структуры и магнитных свойств;
4) исследование магнитной анизотропии тонких пленок Ре7з,5ИЬзСи1811з,5В9, Рe73,5WзCU1Si13,5B9 и Ее72,5ИЬ1,5МО2Си1,13114,2В8,7.
Научная новизна
На основе проведенного систематического исследования структуры и магнитных свойств тонких магнитных пленок варьируемого состава Ре-М-Си-81-В (М: ЫЬ, ЫЬМо, X) в диапазоне толщин 10-200 нм показано следующее.
В процессе получения пленок Ре-М-Си-81-В присутствие внешнего магнитного поля приводит к формированию в них наведенной одноосной магнитной анизотропии. Установлен механизм, определяющий возникновение в данных пленках наведенной одноосной магнитной анизотропии, в основе которого лежит закрепление подложкой магнитострикционной деформации пленок.
Исследование кинетики кристаллизации в тонких пленках Ре-М-Си-81-В методом рентгеноструктурных исследований в процессе нагрева показало, что кристаллизация пленок начинается при температуре примерно на 100 °С ниже, чем лент сплава аналогичного состава, и происходит за счет резкого роста зерен нанометрового масштаба. Обнаружено, что с уменьшением толщины пленок происходит задержка процесса кристаллизации.
С помощью метода корреляционной магнитометрии проведен анализ локальной магнитной анизотропии тонких пленок Ре-М-Си-81-В. Показано, что в пленках Ре-М-Си-81-В в аморфном и нанокристаллическом состояниях формируется стохастическая доменная структура. При уменьшении толщины в пленках происходит изменение размерности корреляций намагниченности от трехмерной к двумерной.
Теоретическая и практическая значимость работы
Комплексное исследование тонких пленок Ре-М-Си-ЗРВ (М=ИЬ, ’^ ЫЬМо) позволяет определить закономерности влияния толщины и структурного состояния на их магнитные свойства. Полученные результаты дополнят существующие экспериментальные данные о влиянии легирующих элементов в тон-ких пленках сплава Ре-М-Си-81-В. Также результаты будут направлены на развитие модели случайной магнитной анизотропии применительно к пленочным средам.
Тонкие пленки исследуемого состава, где в качестве варьируемого атома-ингибитора выступает N6, демонстрируют наименьшую величину коэрцитивной силы, что позволяет рассматривать их в качестве функциональной среды для сенсорных устройств.
Полученные в рамках данной работы результаты о кинетике кристаллизации пленок в совокупности с анализом гистерезисных свойств могут быть востребованы для прогнозирования и управления магнитными свойствами тонких пленок Ре-М-Си-81-В (М: N6, ’^ ЫЬМо) с целью их практического применения.
Методология и методы исследования
Методология, положенная в основу выполнения работы, заключалась в реализации последовательности «прекурсор - осаждение на подложку - контролируемый отжиг», и в выяснении взаимосвязей «состав - структура - свойство».
Для достижения поставленных в работе целей и задач использовали со-временные методы аттестации и контроля структурного состояния образцов тонких пленок, а также исследования их магнитных свойств. Исследование структуры тонких пленок осуществлялось с помощью методов рентгеноструктурного анализа и сканирующей зондовой микроскопии. Уникальной методикой, используемой в данной работе, является проведение рентгеноструктурного анализа пленок в процессе нагрева, что позволяет наблюдать кинетику процесса кристаллизации в тонких пленках. Магнитные измерения тонких пленок в ходе исследования проводились с помощью методов магнитометрии (вибро-магнитометр и СКВИД-магнитометр), магнитооптической и магнито-силовой микроскопии.
Научные положения, выносимые на защиту
1. Спонтанная намагниченность пленок Ре-М-Си-81-В резко уменьшается при толщинах менее 150 нм. С уменьшением толщины возрастает вклад от не-ферромагнитного оксидного слоя на поверхности пленки.
2. В процессе получения пленок Ре-М-Си-81-В присутствие внешнего магнитного поля приводит к формированию в них наведенной одноосной магнитной анизотропии. Определяющим механизмом наведенной анизотропии является фиксирование подложкой магнитострикционной деформации, возникающей при образовании пленки.
3. При нагреве выше 400 °С происходит кристаллизация пленок Ре-М-Си- 81-В. Кристаллизация начинается при более низкой температуре, чем температура кристаллизации аморфных лент, и развивается за счет резкого роста зерен размером, превышающим оптимальный размер в быстрозакаленных лентах аналогичного состава. В процессе кристаллизации размер зерен не меняется, а увеличивается их общий объем в кристаллической фазе.
4. В пленках Ре-М-Си-81-В формируется стохастическая доменная структура, характеризующаяся радиусом магнитных корреляций и усредненной константой анизотропии. При уменьшении толщины пленок происходит изменение размерности корреляций намагниченности от трехмерной к двумерной.
Степень достоверности и апробация результатов
Экспериментальные результаты, обсуждаемые в работе, получены с помощью современных методик исследования тонких пленок и проанализированы с использованием методов, признанных и широко используемых другими исследователями. Достоверность результатов обеспечивается систематическим характером исследований, удовлетворительным согласием с ранее полученными результатами исследований.
Основные результаты работы представлялись и обсуждались на объединенных научных семинарах Отдела магнетизма твердых тел НИИ ФПМ и Кафедры магнетизма и магнитных наноматериалов ИЕНиМ УрФУ. А также на международных и всероссийских симпозиумах, конференциях, школах, форумах и семинарах:
- Moscow International Symposium on Magnetism - 2014, 2017 (г. Москва, Россия);
- Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых учёных - 2014 (г. Ижевск, Россия), 2017 (г. Екатеринбург, Россия);
- Международная молодежная научная конференция: Физика. Технологии. Инновации - 2015, 2016 (г. Екатеринбург, Россия);
- Всероссийская школа-семинар по проблемам физики конденсированного состояния вещества - 2014, 2015, 2016 (г. Екатеринбург, Россия);
- The Baikal International Conference “Magnetic materials. New technologies” - 2012, 2016 (г. Иркутск, Россия);
- Euro-Asian Symposium «Trends in Magnetism» - 2016 (г. Иркутск, Россия);
- Sino-Russian Ph.D. Students Innovation Forum on Advanced Materials and Processing Technology - 2015, 2016 (г. Екатеринбург, Россия);
- Российская молодежная научная конференция «Проблемы теоретической и экспериментальной химии» - 2016 (г. Екатеринбург, Россия);
- International Baltic conference on magnetism: Focus on biomedical aspects - 2015 (г. Светлогорск, Россия);
- The European Conference PHYSICS OF MAGNETISM - 2014 (г. Познань, Польша).
Личный вклад автора
Выбор тематики исследования, постановка целей и задачей исследования, обсуждение, интерпретация результатов исследования и подготовка научных публикаций проводились совместно с научным руководителем Катаевым Василием Анатольевичем.
Автор участвовал в подготовке мишеней и частично в процессе получения образцов пленок и их аттестации. Автором выполнена обработка данных рентгеноструктурного анализа и атомно-силовой микроскопии с помощью существующих программных пакетов, определены структурные параметры образцов, дана интерпретация кинетики структурных превращений в тонких пленках в процессе термообработки.
Проведено исследование гистерезисных свойств тонких пленок методом магнитооптической микроскопии на основе эффекта Керра.
Используя метод корреляционной магнитометрии, автор провел анализ магнитной микроструктуры в тонких пленках Fe-Nb-Cu-Si-B и ее влияния на макроскопические магнитные свойства пленок.
Результаты исследований докладывались автором на всероссийских и международных конференциях.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 26 печатных работ, из них 4 — в изданиях, включенных в Перечень рецензируемых научных изданий, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией при Министерстве образования и науки Российской Федерации для опубликования основных научных результатов диссертаций.
Структура диссертации
Диссертация включает в себя введение, пять глав, заключение и список цитируемой литературы. Общий объем составляет 160 страниц, 56 рисунков, 10 таблиц, список использованных источников из 230 наименований.
В данной работе свойства уникальных сплавов типа Тшеше исследованы в тонкопленочном состоянии. Аморфные пленки Те7з;5МзСи1311з;5В9 (в дальнейшем - Те-М-Си-81-В) получали методом высокочастотного ионно-плазменного напыления. Состав пленок с целью воздействия на процесс кристаллизации варьировали за счет компонента М - ингибитора роста зерен, в качестве которого выступали N6, Мо и N6, W.
В результате проведенного исследования с использованием современных методик получена новая информация о свойствах тонких пленок и протекающих в них процессах. При нагреве кристаллизация в пленках происходит, как и в лентах, с образованием зерен ОЦК-Те81, однако начинается при температурах более низких. При этом средний размер сформировавшихся зерен в пленках превышает таковой в лентах. Известно, что наилучшие магнитные свойства в лентах сплавов типа Тшеше реализуются при достижении нанокристаллического состояния; в пленках, как показано в данной работе, - после термообработок при 350-400 °С, в результате которых происходит релаксация внутренних напряжений и формируется релаксированное рентгеноаморфное состояние или состояние начальной стадии кристаллизации. Толщина пленок оказывает значительное влияние на их фундаментальные и гистерезисные характеристики, в том числе за счет увеличения роли поверхности и интерфейса.
Результаты, представленные в работе, дополняют существующие экспериментальные данные, необходимые для поиска и создания материалов с заданными свойствами, а также расширяют возможности их практического применения в качестве сред для магнитных датчиков.
Основные выводы диссертационной работы
1. Впервые для пленок Ре-М-Сн-81-В, составов близких к составу сплава Ртете1, установлены зависимости спонтанной намагниченности М от толщины /.. Показано, что основной причиной снижения М5, наблюдающегося в области толщин £ меньше150 нм, может являться не уменьшение обменного параметра, а изменение относительной роли немагнитного оксидного слоя, вероятно, присутствующего на поверхности плёнок. Оценки показали, что толщина такого слоя по величине сопоставима с толщиной оксидного слоя, экспериментально обнаруженного в лентах сплава Ртете!
2. Установлено, что для находящихся в различном структурном состоянии пленок Ре-М-Сн-81-В, как и для пленок пермаллоя, характерно возрастание коэрцитивной силы Нс с уменьшением толщины £ и наличие максимума. Максимум Нс пленок достигает в области толщин £~30 нм. Показано, что такой характер зависимости Нс с уменьшением толщины может быть связан с увеличением вклада от неровностей поверхности, с изменением структуры и плотности энергии доменных границ.
3. Впервые в пленках Ре-М-Сн-81-В исследована кинетика процесса кристаллизации. Кристаллизация начинается при температурах 400-420 °С - существенно меньших, чем для лент сплавов аналогичного состава. В области данных температур кристаллизация характеризуется резким ростом зерен ОЦК- Ре81 до 16-20 нм. По-видимому, это объясняется присутствием образовавшихся в процессе формирования пленок предвыделений кристаллической фазы, размер которых составляет 1-2 нм и зависит от используемого компонента- ингибитора. При увеличении температуры средний размер зерен не изменяется, но увеличивается содержание 81 в них. С уменьшением толщины пленок наблюдалась тенденция к задержке кристаллизации.
4. Установлено, что в пленках Ре-М-Сн-81-В, получаемых в присутствии внешнего магнитного поля, формируется наведенная одноосная магнитная анизотропия. Показано, что механизм формирования анизотропии связан с закреплением магнитострикционной деформации пленок. При последующем нагреве пленок в присутствии магнитного поля до температур как ниже, так и выше начала кристаллизации, одноосная анизотропия снимается, и не наводится вновь, устанавливается магнитно изотропное состояние пленок.
5. Путем анализа закона приближения намагниченности к насыщению и изображений магнито-силовой микроскопии впервые показано существование в пленках Ре-М-Си-81-В стохастической магнитной структуры. Найдены размер стохастического домена и величина константы усредненной магнитной анизотропии. Установлено, что размерность корреляций намагниченности зависит от толщины пленки. В более толстой пленке реализуются корреляции намагниченности с фрактальной размерностью ^ равной 2,6-2,8, в более тонкой - d равно 2. То есть, наблюдается переход от трехмерных к двумерным корреляциям намагниченности с уменьшением толщины пленок.
Рекомендации
Полученные в рамках данной работы результаты способствуют оптимизации магнитных свойств тонких пленок Ре-М-Си-81-В, а именно улучшению магнитных характеристик до уровня, сопоставимого характеристикам аморфных и нанокристаллических лент.
Имеющиеся в работе данные о синтезе, структурном состоянии и магнитных свойствах пленок Ре72;5ПЬ1;5Мо2Си1;18114;2В8;7, Ре73;5ИЬ3Си18113;5В9 и Ре73,5'^Си18113,5В9 в диапазоне толщин 10-200 нм могут быть использованы при разработки практических приложений на их основе и развития представлений о магнитомягких нанокристаллических тонких пленках.
Перспективы дальнейшей разработки темы
В продолжение данной работы планируется дальнейшее исследование многокомпонентных пленок составов Ре-М-Си-81-В с целью выяснения физических причин и механизмов, ответственных за формирование необходимого комплекса магнитных свойств пленок. Для этого, во-первых, необходимо расширение поиска оптимальных составов тонких пленок как за счет вариации атомов-ингибиторов роста зерен, так и за счет атомов-аморфизаторов с целью получения нанокристаллического состояния пленок со средним размером зерна менее 15-20 нм. Влияние легирования атомами переходных металлов на структуру и магнитные свойства исследовалось преимущественно на быстрозакаленных лентах. В тонких пленках легирование количественно может сказываться иначе, что требует экспериментальной проверки.
Во-вторых, на основе обобщения экспериментальных данных, полученных с помощью магнитных измерений на пленках различной толщины, состава и в разном структурном состоянии, в том числе с помощью анализа закона приближения намагниченности к насыщению, планируется проведение микромагнитного моделирования для уточнения модели случайной анизотропии двух-, трехмерных систем или систем с фрактальной размерностью от двух до трех. Изменение толщины нанокристаллической пленки при неизменном размере зерен в рамках модели должно приводить к плавному изменению коэрцитивной силы и магнитной проницаемости, что согласно выражениям может быть интерпретировано как наличие фрактальной размерности. На данный момент этот эффект изучен недостаточно. Его изучение осложняется также тем, что для описания магнитных свойств тонких пленок требуется учитывать магнитостатическое взаимодействие (как размагничивающее поле пленки, так и взаимодействие между зернами), а также наведенную магнитную анизотропию. Пере-численные моменты выходят за рамки традиционной модели случайной анизотропии и требуют привлечения микромагнитного моделирования.
Таким образом, запланированное комплексное исследование даст оригинальные научные результаты, которые позволят развить применение модели случайной анизотропии для тонких нанокристаллических пленок и сделать ряд обобщений для этого случая.
В результате проведенного исследования с использованием современных методик получена новая информация о свойствах тонких пленок и протекающих в них процессах. При нагреве кристаллизация в пленках происходит, как и в лентах, с образованием зерен ОЦК-Те81, однако начинается при температурах более низких. При этом средний размер сформировавшихся зерен в пленках превышает таковой в лентах. Известно, что наилучшие магнитные свойства в лентах сплавов типа Тшеше реализуются при достижении нанокристаллического состояния; в пленках, как показано в данной работе, - после термообработок при 350-400 °С, в результате которых происходит релаксация внутренних напряжений и формируется релаксированное рентгеноаморфное состояние или состояние начальной стадии кристаллизации. Толщина пленок оказывает значительное влияние на их фундаментальные и гистерезисные характеристики, в том числе за счет увеличения роли поверхности и интерфейса.
Результаты, представленные в работе, дополняют существующие экспериментальные данные, необходимые для поиска и создания материалов с заданными свойствами, а также расширяют возможности их практического применения в качестве сред для магнитных датчиков.
Основные выводы диссертационной работы
1. Впервые для пленок Ре-М-Сн-81-В, составов близких к составу сплава Ртете1, установлены зависимости спонтанной намагниченности М от толщины /.. Показано, что основной причиной снижения М5, наблюдающегося в области толщин £ меньше150 нм, может являться не уменьшение обменного параметра, а изменение относительной роли немагнитного оксидного слоя, вероятно, присутствующего на поверхности плёнок. Оценки показали, что толщина такого слоя по величине сопоставима с толщиной оксидного слоя, экспериментально обнаруженного в лентах сплава Ртете!
2. Установлено, что для находящихся в различном структурном состоянии пленок Ре-М-Сн-81-В, как и для пленок пермаллоя, характерно возрастание коэрцитивной силы Нс с уменьшением толщины £ и наличие максимума. Максимум Нс пленок достигает в области толщин £~30 нм. Показано, что такой характер зависимости Нс с уменьшением толщины может быть связан с увеличением вклада от неровностей поверхности, с изменением структуры и плотности энергии доменных границ.
3. Впервые в пленках Ре-М-Сн-81-В исследована кинетика процесса кристаллизации. Кристаллизация начинается при температурах 400-420 °С - существенно меньших, чем для лент сплавов аналогичного состава. В области данных температур кристаллизация характеризуется резким ростом зерен ОЦК- Ре81 до 16-20 нм. По-видимому, это объясняется присутствием образовавшихся в процессе формирования пленок предвыделений кристаллической фазы, размер которых составляет 1-2 нм и зависит от используемого компонента- ингибитора. При увеличении температуры средний размер зерен не изменяется, но увеличивается содержание 81 в них. С уменьшением толщины пленок наблюдалась тенденция к задержке кристаллизации.
4. Установлено, что в пленках Ре-М-Сн-81-В, получаемых в присутствии внешнего магнитного поля, формируется наведенная одноосная магнитная анизотропия. Показано, что механизм формирования анизотропии связан с закреплением магнитострикционной деформации пленок. При последующем нагреве пленок в присутствии магнитного поля до температур как ниже, так и выше начала кристаллизации, одноосная анизотропия снимается, и не наводится вновь, устанавливается магнитно изотропное состояние пленок.
5. Путем анализа закона приближения намагниченности к насыщению и изображений магнито-силовой микроскопии впервые показано существование в пленках Ре-М-Си-81-В стохастической магнитной структуры. Найдены размер стохастического домена и величина константы усредненной магнитной анизотропии. Установлено, что размерность корреляций намагниченности зависит от толщины пленки. В более толстой пленке реализуются корреляции намагниченности с фрактальной размерностью ^ равной 2,6-2,8, в более тонкой - d равно 2. То есть, наблюдается переход от трехмерных к двумерным корреляциям намагниченности с уменьшением толщины пленок.
Рекомендации
Полученные в рамках данной работы результаты способствуют оптимизации магнитных свойств тонких пленок Ре-М-Си-81-В, а именно улучшению магнитных характеристик до уровня, сопоставимого характеристикам аморфных и нанокристаллических лент.
Имеющиеся в работе данные о синтезе, структурном состоянии и магнитных свойствах пленок Ре72;5ПЬ1;5Мо2Си1;18114;2В8;7, Ре73;5ИЬ3Си18113;5В9 и Ре73,5'^Си18113,5В9 в диапазоне толщин 10-200 нм могут быть использованы при разработки практических приложений на их основе и развития представлений о магнитомягких нанокристаллических тонких пленках.
Перспективы дальнейшей разработки темы
В продолжение данной работы планируется дальнейшее исследование многокомпонентных пленок составов Ре-М-Си-81-В с целью выяснения физических причин и механизмов, ответственных за формирование необходимого комплекса магнитных свойств пленок. Для этого, во-первых, необходимо расширение поиска оптимальных составов тонких пленок как за счет вариации атомов-ингибиторов роста зерен, так и за счет атомов-аморфизаторов с целью получения нанокристаллического состояния пленок со средним размером зерна менее 15-20 нм. Влияние легирования атомами переходных металлов на структуру и магнитные свойства исследовалось преимущественно на быстрозакаленных лентах. В тонких пленках легирование количественно может сказываться иначе, что требует экспериментальной проверки.
Во-вторых, на основе обобщения экспериментальных данных, полученных с помощью магнитных измерений на пленках различной толщины, состава и в разном структурном состоянии, в том числе с помощью анализа закона приближения намагниченности к насыщению, планируется проведение микромагнитного моделирования для уточнения модели случайной анизотропии двух-, трехмерных систем или систем с фрактальной размерностью от двух до трех. Изменение толщины нанокристаллической пленки при неизменном размере зерен в рамках модели должно приводить к плавному изменению коэрцитивной силы и магнитной проницаемости, что согласно выражениям может быть интерпретировано как наличие фрактальной размерности. На данный момент этот эффект изучен недостаточно. Его изучение осложняется также тем, что для описания магнитных свойств тонких пленок требуется учитывать магнитостатическое взаимодействие (как размагничивающее поле пленки, так и взаимодействие между зернами), а также наведенную магнитную анизотропию. Пере-численные моменты выходят за рамки традиционной модели случайной анизотропии и требуют привлечения микромагнитного моделирования.
Таким образом, запланированное комплексное исследование даст оригинальные научные результаты, которые позволят развить применение модели случайной анизотропии для тонких нанокристаллических пленок и сделать ряд обобщений для этого случая.
Подобные работы
- МАГНИТНАЯ АНИЗОТРОПИЯ И ГИСТЕРЕЗИСНЫЕ СВОЙСТВА АМОРФНЫХ И НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК Fe-M-Cu-Si-B (M: Nb, NbMo, W)
Диссертации (РГБ), физика. Язык работы: Русский. Цена: 4210 р. Год сдачи: 2018