Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время наблюдается повышенный интерес специалистов в области материаловедения, физики твердого тела и перспективных технологий к синтезу и исследованию физических свойств материалов с распределенными в неорганической матрице наночастицами или кластерами металлов. Это связано как с научной новизной исследований в этом направлении, так и с широкими возможностями практического применением таких материалов. Научный интерес к нанокомпозитаи обусловлен тем, что малый размер частиц приводит к появлению уникальных физических, химических и других свойств, которые не получили достаточно убедительной физической трактовки.
Практический интерес к нанокомпозигам обусловлен перспективным при
менением их в качестве магнитных головок для записи и воспроизведения ин
формации, при разработке защитных покрытий и для других целей. В послед
ние годы для создания головок магнитной записи широко используются
аморфные магнитомяпсие сплавы на основе железа и кобальта. В области низ
ких частот они обладают хорошими магнитными свойствами. Однако в высо
кочастотной области их применение затруднено вследствие возрастающих по
терь на вихревые токи. Для уменьшения потерь на вихревые токи необходимо
увеличивать удельное электрическое сопротивление магнитных сплавов. Од
ним из путей решения данной задачи является получение композиционных ма
териалов на основе аморфных металлических сплавов и диэлектрика. Такие
композиты состоят из множества металлических гранул размером несколько
нанометров, хаотически распределенных в диэлектрической матрице. Приме
нение таких материалов как S1O2 и AI2O3 з качестве диэлектрических наполни
телей позволяет увеличить удельное электросопротивление и расширить час
тотный диапазон применения магнитомягких материалов. Кроме того, такие
композиты обладают высокой механической прочностью и коррозионной стой
костью, что делает их перспективными материалами при изготовлении защит
ных покрытий. Однако до последнего времени композиты на основе железа и
кобальта были получены и виде кристаллических включений металла в диэлек
трической матрице. Учитывая вышесказанное, была поставлена задача полу
чить аморфные нанокомпозиты (Co4iFe39B2o)x+(Si02)ioo-x и
(Co86Tai2Nb2)x+(Si02)ioo-x и сформулирована следующая цель их исследований.
Работа является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре физики твердого тела Воронежского государственного технического
2 университета по госбюджетной теме НИР № ГБ.96.26 "Синтез, структура и свойства перспективных материалов электроники и вычислительной техники".
Цель и задачи работы
Экспериментально исследовать структуру и механизмы электропереноса композитов металл-диэлектрик на основе аморфных магнитомягких сплавов железа и кобальта в широком интервале концентраций и температур.
Для достижения указанной цели были сформулированы следующие задачи:
методом ионно-лучевого распыления получить композиты на основе аморфных сплавов железа и кобальта в матрице S1O2 в виде тонких пленок;
методом электронной просвечивающей микроскопии исследовать микроструктуру композитов в исходном состоянии и ее изменение в процессе термообработки;
изучить механизмы электропереноса полученных композитов в широком диапазоне температур и концентраций;
исследовать влияние сильных электрических полей на проводимость композитов.
Научная новизна
В работе впервые:
исследована микроструктура композитов (CouFejsBiobcKSiC^ioa-x и (Cog6Tai2Nb2)x+(Si02)ioo.x и установлено образование фрагментированных включений аморфного металла с размером гранул 2-6 нм в диэлектрической матрице. Показано, что термический отжиг до температуры 700 К приводит к объединению металлических гранул в крупные включения размером до 20 - 50 нм;
изучена зависимость электропроводности нанокомпозитов от концентрации аморфных металлических включений при комнатной температуре и определен порог перколяции Хс> при котором металлические проводящие каналы разрываются на отдельные, изолированные диэлектриком области. Для композитов (Co4iFe39B:29)x+(Si02)wo.x порог перколяции Хс = 46 ат. % и для композитов (Cog6Ta,2Nb2)x+(Si02)ioo.xXc = 57 ат. %;
изучены механизмы переноса заряда в композитах в области температур 78 - 300 К. Установлено, что для композитов (Co*,Fe39B2i))x+(Si02)ioo-x и (Cog6Tai2Nb2)x-+(Si02)t()o.x. с большим содержанием диэлектрика в области низких температур доминирующим механизмом переноса заряда является электронное туннелирование между металлическими гранулами через диэлектриче-
з скую матрицу. С уменьшением содержания диэлектрика в составе композита механизм электронного туннелирования сменяется на прыжковый механизм проводимости по локализованным состояниям с переменной длиной прыжка;
- из зависимостей проводимости композитов от напряженности электрического поля найдена относительная длина прыжка носителей заряда по локализованным состояниям в диапазоне температур 100 - 300 К.
Практическая значимость работы
Разработана методика получения гранулированных композиционных пленок из аморфных магнитомягких сплавов и диэлектрика Si02 с заранее определенным удельным электрическим сопротивлением в диапазоне 10'6.Л04 Ом*м. Полученные композиты из аморфного металлического магнитомягкого сплава и диэлектрика могут быть использованы для изготовления резистивных слоев и магнитных головок для записи и воспроизведения информации.
Положения, выносимые на защиту
- структура композитов (Co4,Fe39B2o)x+(Si02)!oo.x и (CossTa^Nb^x+CSiCbWx
представляет собой хаотически распределенные металлические гранулы разме
ров 2-6 нм в диэлектрической матрице. При термообработке до 700 К происхо
дит объединение металлических гранул в крупные включения размером до 20 -
50 нм;
- для композитов с малым содержанием металлического компонента с увели
чением температуры наблюдается сильный рост удельного электрического со
противления вследствие уменьшения поверхности раздела между металличе
ской и диэлектрической фазами за счет объединения металлических гранул, а
для низкоомных составов наоборот электросопротивление уменьшается с уве
личением температуры за счет кристаллизации аморфной структуры и образо-
. вания дополнительных проводящих металлических каналов;
для высокоомных составов в области низких температур доминирующим механизмом переноса заряда является электронное туннелирование между металлическими гранулами через диэлектрическую матрицу. При увеличении доли проводящей металлической фазы механизм электронного туннелирования сменяется прыжковым механизмом переноса заряда с переменной длиной прыжка по локализованным состояниям в матрице SiOn;
длина прыжка носителя заряда по локализованным состояниям увеличивается с уменьшением температуры а приближается к значению, равному среднему расстоянию между металлическими гранулами.
4 Апробация работы
Основные положения и научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах Воронежского государственного технического университета, а также на Втором всероссийском семинаре "Нелинейные процессы и проблемы самоорганизаций в современном мате-риаловедении"(Воронеж, 1999 г.); на Международной конференции "Релаксационные явления в твердых телах" (Воронеж, 1999 г.); на Международной конференции "Стекла и твердые электролиты" (С. - Петербург, 1999 г.); на 8 Европейской конференции по магнитным материалам и их применению "EMMA - 2000" (Киев, 2000 г.); на Международной конференции "Fullerenes and atomic clasters IWFAC 99" (S.- Petersburg, 1999 г.), на Международной конференции "Conference on Rapidly Quenched and Metastabile Materials" (Bangalore, India, 1999 г.).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 2 научные статьи и 7 тезисов докладов на российских и международных конференциях.
Личный вклад автора
Автор принимал непосредственное участие в получении образцов. Авто- ром выполнены все измерения удельного электрического сопротивления полученных композитов при различных температурах и напряженностях электрического поля, а также проведена обработка экспериментальных результатов средствами вычислительной техники. Автор участвовал в обсуждении результатов эксперимента и проводил подготовку научных публикаций для печати.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 3 глав, выводов и списка литературы из 83 наименований. Основная часть работы изложена на 101 странице машинописного текста, содержит 37 рисунков.
