Тема: ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ И МЕХАНИЗМЫ ОБМЕННОГО СМЕЩЕНИЯ В ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЁНКАХ Ni-Mn/Fe-Ni

Актуальность темы исследования.
Многослойные плёночные среды, в составе которых присутствуют обменно-связанные ферро- и антиферромагнитные слои, находят широкое применение в сферах записи информации и магнитной сенсорики [1,2]. Это возможно благодаря наблюдаемому в таких средах эффекту обменного смещения, заключающемуся в сдвиге по оси магнитного поля петли гистерезиса ферромагнитного слоя, на который действует эффективное «закрепляющее» поле со стороны антиферромагнитного слоя [3,4]. Величину этого сдвига принято называть полем обменного смещения Hex.По мере увеличения температуры эта характеристика имеет выраженную тенденцию к снижению и становится равной нулю при достижении температуры блокировки Тъ.
Практическое применение такого рода сред в технических устройствах требует от них повышенной температурной стабильности, непосредственно связанной с температурной стабильностью магнитных свойств антиферромагнетика. В связи с этим высокий интерес представляет химически упорядоченное антиферромагнитное соединение 0-NiMn (структура Lio, CuAu-I), в массивных образцах обладающее температурой Нееля TNдо 1070 К. Как следствие, в пленках на основе Ni-Mn температура блокировки способна достигать 650 К, и что, вероятно, еще более важно, сохранять стабильное значение поля обменного смещения до 425 К [5-8]. Другим преимуществом данного соединения является его намного большая доступность в сравнении с другими широко используемыми антиферромагнетиками - Ir-Mn, Pt-Mn - так как в его составе не содержатся драгоценные металлы. Практически безальтернативно используемый в индустриальных применениях антиферромагнитный сплав Ir-Mn содержит в своём составе по меньшей мере 20 ат.% иридия - одного из самых редких металлов на планете [9]. Уход от использования металлов группы платины в целом и иридия в частности как критического материала является одной из приоритетных задач, поставленной советом Евросоюза в 2011 году [9]. В это же время разработка функциональных сред с обменным смещением является одной из приоритетных задач, выделяемых научным сообществом в наши дни [1,10].
Выбор Fe20NÍ80 (твёрдый раствор со структурой A1,гранецентрированная кубическая) в качестве ферромагнитного слоя в системах с обменным смещением в первую очередь продиктован практически нулевым значением констант магнитной анизотропии и магнитострикции, что особенно важно в тонкоплёночных средах. Низкое значение коэрцитивной силы (как правило, не превышающее 1 Э), присущее однослойным плёнкам Fe20Ni80, делает такой слой превосходным индикатором как присутствия антиферромагнетизма в смежном слое Ni-Mn, так и структурных неоднородностей в нем. Так обменная связь с антиферромагнитным слоем может привести к сдвигу петли гистерезиса и/или увеличению коэрцитивной силы ферромагнетика даже в отсутствие сдвига петли. Кроме того, осаждение пермаллоя на аморфный или слой с существенно отличающейся структурой также приведет к увеличению коэрцитивной силы.
Степень разработанности темы.
Несмотря на определенный интерес к обменно-связанным структурам на основе Ni-Mn в научной среде в прошедшие десятилетия, в литературе нет консенсуса о способах получения плёнок, их последующей обработки, сопровождающих этот процесс фазовых преобразованиях, и в конечном счете реализации обменного смещения [5-8]. Выводы некоторых исследований во многом противоречит другим работам. В значительной степени это связано с использованием различных методов получения пленок, выбором буферных слоев и параметров отжига. К примеру, в работе [7] по данным рентгеноструктурного анализа образцов, отожженных в течение 30 с при различных температурах, делается вывод о том, что в пленках Fei9Ni8i (20 нм)/К15оМп5о (50 нм)Де19^81 (5 нм), имеет место мартенситоподобный фазовый переход, происходящий менее чем за 30 с при температурах свыше 300 °C. В тоже время существуют работы, в которых делается вывод о том, что для формирования 0-NiMn плёночные образцы необходимо отжигать в течение десятков часов [5,8]. Данные противоречия служат одним из аргументов в пользу необходимости исследования подобных структур. Другим обоснованием в пользу выбора данной тематики служит необычное температурное поведение поля обменного смещения Hexи коэрцитивной силы Hc,заключающееся в том, что с ростом температуры до 420 K для первой наблюдается существенный рост, сопровождающийся заметным снижением второй [5]. Такое поведение является крайне нетипичным и не получило удовлетворительного объяснения. Помимо этого, неисследованным остаётся проблема заметного расхождения наблюдаемого значения температуры блокировки (Tb » 600^700 K) и температур Нееля антиферромагнитных фаз Ni-Mn - TN» 400^450 K для /-Ni-Mn и TN» 1070 K для (9-NiMn. Для большинства же сред величина Tb оказывается близкой к TN антиферромагнитного слоя.
Цели и задачи.
Целью данной работы является установление закономерностей и механизмов формирования обменного смещения с высокой температурой блокировки, а также его необратимого исчезновения при её достижении в плёнках типа Ni-Mn/Fe-Ni, полученных методом магнетронного распыления.
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
1. Получить объекты исследования - однослойные и многослойные поликристаллические тонкие плёнки, включающие слой Ni-Mn, в том числе плёнки Ni-Mn/Fe-Ni, проявляющие термически устойчивый эффект обменного смещения.
2. Установить закономерности формирования магнитных и структурных свойств плёнок Ni- Mn/Fe-Ni, в том числе с буферным слоем Fe-Ni, с различным составом и толщиной слоя Ni-Mn.
3. Определить фазовый состав и кристаллическую структуру однослойных плёнок Ni-Mn различного состава в исходном состоянии и после отжига.
4. Выявить влияние буферного слоя Fe-Ni и ультратонких прослоек на магнитные и структурные свойства плёнок Ni-Mn/Fe-Ni с различным составом и толщиной слоя Ni-Mn.
5. С использованием специализированных измерительных протоколов установить механизмы, ответственные за температурное поведение магнитных свойств отожжённых плёнок типа Ni-Mn/Fe-Ni.
6. Выявить роль структурных преобразований в формировании и необратимом исчезновении эффекта обменного смещения в плёнках Ni-Mn/Fe-Ni с буферным слоем и без него.
7. Обобщить полученные экспериментальные данные и сформулировать физическую модель, раскрывающую связь между составом, структурным состоянием и эффектом обменного смещения в плёнках с закрепляющим слоем Ni-Mn.
Научная новизна.
В работе впервые установлены закономерности структурных преобразований, приводящие к формированию равновесной антиферромагнитной фазы 7-NiMn как из первоначально аморфного состояния, так и из неравновесной неупорядоченной антиферромагнитной фазы /-Ni-Mn.
На основе анализа распределения температур блокировок впервые получена зависимость эффективной константы анизотропии антиферромагнитного слоя Ni-Mn от его толщины и от температуры. Возрастающий характер последней позволил объяснить наблюдаемый в ряде образцов аномальный рост поля обменного смещения с увеличением температуры.
Впервые установлено, что причиной необратимых изменений и исчезновения эффекта обменного смещения в плёнках типа Ni-Mn/Fe-Ni при нагреве их до температур, достигающих температуры блокировки, является декомпозиция фазы 0-NiMn.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Исследуемые в работе среды являются перспективными для использования в сфере записи информации и магнитной сенсорики. Величина температуры блокировки (~ 650 К), достигнутая в плёнках на основе Ni-Mn, находится на уровне свойств лучших сред с обменным смещением. Стабильность обменного смещения в температурном интервале от 300 K до 425 K является лучшей для соответствующих функциональных сред на основе антиферромагнетиков.
Проведённая в работе оценка величины константы анизотропии антиферромагнитного слоя Ni-Mn разной толщины позволила получить температурную зависимость данной характеристики материала. Эта методика может быть использована для изучения температурного поведения константы анизотропии поликристаллических антиферромагнетиков в других системах с обменным смещением.
Полученные в работе данные о структурных преобразованиях, происходящих в исследованных объектах во время отжига, могут быть полезными в целом для понимания механизмов протекания данных процессов в многослойных поликристаллических тонких плёнках на основе сплавов 3^-металлов, роли в них первоначального состояния образцов и их слоистой конфигурации.
Объектами исследования являлись многослойные поликристаллические тонкие плёнки, включающие слой Ni-Mn, как единственный функциональный элемент, так и входящий в состав обменносвязанных структур с ферромагнитным слоем Fe-Ni.
Предметом исследования являлось установление условий образования, количественное описание и модельная интерпретация эффекта обменного смещения в многослойных поликристаллических плёнках Ni-Mn/Fe-Ni, в связи с их структурными свойствами и температурой.
Методология и методы исследования.
Исследуемые в работе однослойные и многослойные плёнки были получены методом магнетронного напыления на установке AJA ATC Orion-8. Аттестация образцов по толщине производилась с помощью стилусного профилометра DekTak-150, контроль химического состава осуществлялся с использованием рентгеновского флуоресцентного спектрометра Rigaku NanoHunter. Структурные свойства образцов исследовались методом просвечивающей электронной микроскопии с использованием аппарата JEM-2100 и методом рентгеновской дифракции на дифрактометрах Philips X’Pert PRO, Дрон-3М и Panalytical Empyrean. Изучение магнитных свойств образцов осуществлялось с помощью магнитооптического Керр-микроскопа evico magnetics, вибрационного магнитометра LakeShore Cryotronics 7407, измерительного комплекса PPMS DynaCool производства компании Quantum Design.
Положения, выносимые на защиту.
1. Наблюдаемый в плёнках на основе слоя Ni-Mn эффект обменного смещения является следствием реализации в нём одной из двух структурных модификаций, обладающих антиферромагнитным упорядочением: неравновесной химически неупорядоченной фазы y-Ni-Mn или равновесной химически упорядоченной фазы $-NiMn. Температура блокировки в первом случае составляет до 450 K и зависит от состава слоя, во втором - достигает 650 K.
2. Неравновесная антиферромагнитная фаза y-Ni-Mn может быть стабилизирована в плёночном состоянии при использовании буферного слоя Fe20Ni80.
3. Химически упорядоченная антиферромагнитная фаза 0-NiMn может быть получена при вакуумном отжиге, либо путём возникновения из рентгеноаморфного состояния, либо в результате декомпозиции неравновесной фазы y-Ni-Mn. В первом случае этот процесс также проходит через стадию образования промежуточной фазы y-Ni-Mn.
4. Причиной необратимого исчезновения обменного смещения в плёнках, содержащих фазу (9-NiMn, после высокотемпературного воздействия является декомпозиция указанной фазы, происходящая с участием прилегающих ферромагнитных слоёв Fe-Ni.
5. Наблюдаемый в интервале температур от 125 K до 400 K рост поля обменного смещения предположительно является следствием возрастания эффективной константы анизотропии антиферромагнитного слоя Ni-Mn.
Степень достоверности результатов.
Исследуемые в диссертации плёночные образцы были получены с использованием современных технологий напыления. Эксперименты, выполненные в рамках диссертации, были проведены на высокоточном измерительном оборудовании. Полученные результаты проанализированы с использованием актуальных мировых методик в рамках современных моделей и не противоречат ранее опубликованным данным в выбранной предметной области. Результаты диссертации были опубликованы в рецензируемых научных изданиях и представлены на научных конференциях высокого уровня.
Апробация результатов.
Основные результаты были представлены на 19 российских и зарубежных международных научных конференциях: Международная молодёжная научная конференция «Физика. Технологии. Инновации» - 2016, 2018, 2019, 2020 (Екатеринбург, Россия); 54-ая Международная научная студенческая конференция - 2016 (Новосибирск, Россия); Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых учёных - 2016 (Ростов-на-Дону, Россия), 2017 (Екатеринбург, Россия); VII Euro-Asian Symposium «Trends in Magnetism» - 2016 (Красноярск, Россия); 2019 (Екатеринбург, Россия); Всероссийская школа-семинар по проблемам физики конденсированного состояния вещества - 2016, 2017 (Екатеринбург, Россия); Moscow International Symposium on Magnetism - 2017 (Москва, Россия); XXIII Международная конференция «Новое в магнетизме и магнитных материалах» - 2018 (Москва, Россия); 8th Baikal International Conference «Magnetic materials. New technologies» - 2018 (Иркутск, Россия); 9th Joint European Magnetic Symposia - 2018 (Майнц, Германия); Magnetic Frontiers. Magnetic Sensors - 2019 (Лиссабон, Португалия); Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials MMM-2020 Virtual Conference - 2020 (Палм Бич, США); IEEE International Magnetics Virtual Conference Intermag - 2021 (Лион, Франция), Конференция по использованию рассеяния нейтронов в исследовании конденсированных сред РНИКС - 2021 (Екатеринбург, Россия).
Связь работы с научными программами и темами.
Приведённые в работе результаты были получены, в том числе, в рамках выполнения следующих проектов. Проекта РНФ № 18-72-10044 «Физико-технологические основы формирования функциональных свойств плёночных нанокомпозитов для магнитомикроэлектроники», проекта РНФ № 19-72-00141 «Применение методов машинного обучения для прогнозирования свойств и поиска новых магнитных пленочных структур с однонаправленной магнитной анизотропией», государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации FEUZ-2020-051 «Исследование магнитных явлений в атомных системах на основе 4f и 3d- переходных металлов в состояниях с различной пространственной размерностью и магнитополевых эффектов в механически твердых и мягких магнитных композитах как материалах для перспективных инженерных и медико-биологических технологий».
Публикации.
По теме диссертации опубликованы 4 статьи в рецензируемых российских и зарубежных научных изданиях, входящих в перечень ВАК и индексируемых в базах данных Web of Science и Scopus. Опубликовано 19 тезисов российских и зарубежных международных конференций. Список работ приведён в конце диссертации.
Личный вклад автора.
Автором диссертации совместно с научным руководителем д.ф.-м.н., профессором В.О. Васьковским выбрана тема диссертации, направление исследования, сформулированы цель диссертации и задачи, требующие решения для её достижения. Автором совместно с к.ф.-м.н. В. Н. Лепаловским методом магнетронного распыления получены серии однослойных и многослойных плёночных структур, представляющих собой объект исследования, произведён отжиг образцов различной длительности при различных температурах. Автором диссертации были проведены измерения магнитооптических петель гистерезиса. С участием автора осуществлялись большинство исследований структурных свойств плёнок методом просвечивающей электронной микроскопии и рентгеновской дифрактометрии. Автором диссертации выполнена обработка всех экспериментальных данных. Автор принимал непосредственное участие в анализе полученных результатов и подготовке всех научных публикаций по теме диссертации.
Структура и объём диссертации.
Диссертация состоит из оглавления, введения, пяти глав, заключения, списка использованных обозначений и сокращений, списков литературы и публикаций по теме диссертации, и содержит 141 страницу, 81 рисунок и 1 таблицу. Список литературы насчитывает 138 наименований.

Купить

1. Установлено, что обменное смещение в плёнках на основе Ni-Mn и Fe-Ni может быть реализовано благодаря присутствию одной из двух антиферромагнитных фаз: неупорядоченной фазы y-Ni-Mn или упорядоченной фазы 0-NiMn. Температуры блокировки для данных фаз равны ~450 K и ~650 K соответственно.
2. Определены закономерности образования антиферромагнитных фаз в двухслойных (Ni- Mn/Fe-Ni) и трёхслойных (Fe-Ni/Ni-Mn/Fe-Ni) плёночных структурах. Формирование фазы y-Ni-Mn обусловлено эпитаксиальным характером роста данного слоя на буферном слое Fe-Ni, обладающем ГЦК-структурой со схожим значением параметра решётки и текстурой (111). Формирование фазы 0-NiMn происходит под воздействием отжига при температурах свыше 250 °C. В плёнках без буферного слоя Fe-Ni данная фаза возникает из рентгеноаморфного состояния путём декомпозиции промежуточной фазы y-Ni-Mn, возникающей в процессе структурных преобразований. В плёнках, где присутствует буферный слой Fe-Ni, фаза 0-NiMn формируется путём декомпозиции неравновесной фазы y-Ni-Mn, присутствующей в плёнках в исходном состоянии.
3. Показано, что критически важным условием эффективных структурных преобразований в слое Ni-Mn является наличие по крайне мере одного сопряжённого слоя пермаллоя. В отсутствие таковых формирование фазы 0-NiMn требует значительно более продолжительного отжига.
4. Определены закономерности изменения поля обменного смещения при варьировании толщины закрепляющего слоя на основе фазы 0-NiMn и введении прослоек различных материалов. В частности, показана возможность минимизации температурной чувствительности поля обменного смещения, которая достигается за счёт толщинного регулирования размера кристаллитов антиферромагнетика, приводящего к сбалансированности энергий магнитной анизотропии зёрен и тепловых флуктуаций их магнитных моментов.
5. Обнаружено, что температурные зависимости поля обменного смещения Hex (T),которые реализуются в плёнках, содержащих фазы y-Ni-Mn и 0-NiMn, качественно различны. В первом случае это поле монотонно уменьшается при увеличении температуры, что является естественным следствием возрастающей роли тепловых флуктуаций магнитных моментов кристаллитов. Во втором - оно в определённом температурном интервале (от 125 K до 400 K) демонстрирует рост, что является нетипичным для сред с обменным смещением на основе антиферромагнетиков. Показано, что наиболее вероятной причиной обнаруженной температурной особенности Hex (T) является соответствующее температурное изменение константы магнитной анизотропии фазы 0- NiMn.
6. Установлено, что эффект обменного смещения, реализованный на основе фазы 0-NiMn, при достижении температур свыше 600 K претерпевает нарастающие необратимые изменения. Путём совместного анализа структурных и магнитных свойств плёнок показано, что эти изменения связаны с декомпозицией равновесной антиферромагнитной фазы 0-NiMn, происходящей в том числе за счёт межслойной диффузии компонентов. Таким образом, температура блокировки, формально определённая для такого рода плёночных структур, фактически соответствует температуре необратимого исчезновения эффекта обменного смещения.

Купить