Введение к работе
Актуальность темы. Прогресс естественных наук в XXI веке в области нанотехнологии позволил создать индустриально-стратегическое направление, которое определит в будущем страны лидеры мирового экономического роста. Перспективность научного направления, связанного с исследованием наноструктурированных материалов (наноматериалов), включающих в себя наноэлементы (гранулы, слои, имеющие наноразмеры) подтверждают громадные средства, выделяемые в мире на эти исследования. Результатом таких исследований являются создание новых материалов с качественно новыми физическими свойствами. Устройства электронной техники, созданные на основе нанотехнологии и новых наноструктурированных материалов, обладают рядом преимуществ: малыми размерами и малыми временами срабатывания. Перспективными наноматериалами для создания элементов магнитной записи, датчиков магнитного поля, СВЧ поглощающих покрытий, СВЧ устройств, считаются наноструктурированные композитные материалы, состоящие из магнитных гранул, внедренных в немагнитную матрицу. Поскольку длина СВЧ волн на несколько порядков превышает толщину исследуемых плёнок и тем более наногранул, то очень трудно создать тонкие композитные плёнки, которые достаточно сильно поглощали бы СВЧ излучение. Для этого необходимо провести огромную серию экспериментов по исследованию характеристик СВЧ ферромагнитного резонанса наноструктурированных плёнок различных составов и концентраций металлических и диэлектрических фаз, а также влияния внешних факторов, таких как температура, внешние магнитные поля, и отжиг. В ходе исследований необходимо выявить критические явления, возникающие в плёнках под действием на них электромагнитных полей при изменении температуры образцов, температурного отжига и постоянного магнитного поля. Результатом таких комплексных исследований должно стать создание технологий изготовления тонких наноструктурированных композитных или многослойных плёнок имеющих нужные свойства. В ходе работы предполагается выявить связь между магнитными, проводящими, критическими свойствами и наноструктурой композитных (металл-диэлектрических) и многослойных плёнок: композит-композит, композит-полупроводник. Для определения влияния наноструктуры на ФМР свойства плёнок предполагается определить: толщины плёнок и слоев, размеров и топологии наногранул, удельного электрического сопротивления, химического состава композитных и многонанослойных плёнок.
4 Тема данной диссертации соответствует перечню приоритетных направлений фундаментальных исследований, утверждённых Президиумом РАН (раздел 1.2. - «Физика конденсированного состояния вещества», подраздел 1.2.5. - «Физика твёрдотельных наноструктур, мезоскопия»). Диссертационная работа является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре радиофизики и электроники ГБОУ ВПО Сыктывкарского государственного университета и при финансовой поддержке Министерства образования и науки (темплан НИР) и грантов РФФИ (06-02-17302, 10-02-01327).
Цель диссертационной работы заключается в исследовании ферромагнитных резонансных характеристик (ФМХ) (значений резонансных полей, ширины линии ферромагнитного резонанса (ФМР)) наноструктурированных композитных (металл-диэлектрических) и многослойных (композит-композит, композит-полупроводник) плёнок в зависимости от концентраций металлической и диэлектрической фаз при разных температурах и определить связь изменения ФМХ с наноструктурой плёнок. Исследовать влияние температурного отжига на ФМХ композитных и многослойных пленок и на изменение наноструктуры плёнок.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Определены: ферромагнитные резонансные характеристики (ФМХ), удельное
электрическое сопротивление, усреднённая намагниченность, состав композитных
(Co45Fe45Zrio)x(Al203)y (плёнки А серии), (Co45Fe45Zri0:O2)x(Al2O3)y (плёнки В серии) и
многослойных (композит-композит {(Со45рЄ452гю)х(АІ2Оз)у}і20, (плёнки С серии),
композит-полупроводник {[(Co45-Fe45-Zrio)x(Al203)y]-[a-Si]}ioo (плёнки Д серии), {[(С045-
Fe45-Zrio)x(Al203)y]-[a-Si:H]}ioo (плёнки Е серии) пленок при различной топологии
магнитных наногранул.
Обнаружен эффект значительного изменения ФМХ композитных плёнок составов (Со45Ре452гю)х(АІ20з)у вблизи порога перколяции, вызванный изменением топологии магнитных наногранул, происходящем при изменении состава или температурного отжига плёнок.
Показано, что наличие частичной кристаллографической анизотропии магнитных гранул на границе с диэлектриком приводит к хаотизации магнитных колебаний соседних гранул, что вызывает значительное уширение и изменению формы линии ФМР.
4. Сильное влияние на ФМХ композитных плёнок оказывают наличие оксидных
слоев магнитных гранул.
5 5. Аномальное изменение ФМХ при уменьшении температуры от комнатной до 77 К. Выявлено, что до порога перколяции, ФМХ для композитных плёнок определяются магнитным и обменным взаимодействиями между гранулами. В области, за порогом перколяции ФМХ и частоты магнитной релаксации нелинейно зависят от размеров наногранул.
Научная и практическая значимость работы. Полученные результаты могут быть использованы при дальнейших теоретических исследованиях радиофизических и электронных свойств магнитных наноструктурированных твёрдых тел, в том числе тонких плёнок многослойных структур. Приведённые в работе результаты могут использоваться при создании новых курсов лекций, таких как, «радиофизика и электроника наноструктурированных материалов». На основе анализа полученных результатов, также можно считать, что многослойные плёнки С-серии являются лучшей средой для изготовления устройств записи и обработки СВЧ сигналов, а для эффективных поглотителей СВЧ волн могут быть использованы тонкие плёнки Д- и Е- серий.
Положения, выносимые на защиту:
Показана корреляция между шириной линии ФМР и удельным электрическим сопротивлением в композитных и многослойных плёнках и слоях и от толщины слоев плёнок. Зависимости ФМХ (величины резонансного поля и ширины линии ФМР) от концентрации металлической фазы.
Показано, что ФМХ композитных и многослойных плёнок в основном определяется расстоянием между магнитными гранулами и наличием окисленного слоя в металлических гранулах.
Наличие малой кристалличности магнитных гранул значительно изменяет ФМХ аморфных композитных и многослойных плёнок.
Основной механизм взаимодействия магнитных гранул соседних слоев определяется эффективностью электронного обменного взаимодействия между слоями, поэтому ширина линии ФМР в многослойных плёнках определяется в основном шириной полупроводниковых слоев.
Определён основной механизм влияния наноструктуры (размеров гранул и их топологии) на ФМХ композитных и многослойных плёнок.
Выявлен интервал температур отжига для композитных и многослойных плёнок определённых составов, в котором значительно изменяются ФМХ плёнок.
Апробация работы. Основные результаты, приведенные в диссертации, докладывались на Международном школе-семинаре «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (Москва, 2009); Международная зимняя школа физиков-теоретиков «Коуровка» (Екатеринбург 2008); Международная конференция "Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах" (Махачкала, 2007); IX международного семинара «Магнитные фазовые переходы» Махачкала, 2009); Всероссийской молодёжной конференции «Молодёжь и наука на севере»: (Сыктывкар, 2008); Всероссийской научной конференции студентов-радиофизиков (Санкт-Петербург, 2006, 2007); Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (2005,2006, 2007). А также на республиканских, внутривузовских и научных семинарах Сыктывкарского государственного университета.
Публикации. Результаты работы опубликованы в 2 статьях журналов ВАК и 1 статьи в международном реферируемом и рецензируемом журнале с высоким рейтингом цитирования, 9 статьях в сборниках трудов международных конференций и 10 тезисах всероссийских и международных конференций.
Личный вклад автора заключается в выборе и постановке задач исследований, проведение экспериментов и анализ полученных результатов, аналитических и численных расчетах.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка цитированной литературы и авторского списка. Работа изложена на 121 страницах. Список литературы содержит 115 наименований. Авторский список литературы составляет 22 наименования.
