Введение к работе
Актуальность темы. Исследование атомной структуры материалов, связи кристаллической структуры вещества с магнитными свойствами является одной из важнейших задач физики конденсированного состояния. Вопрос о микроструктуре пленочных материалов, полученных в неравновесных условиях, один из самых актуальных для создания новых твердотельных материалов. С одной стороны, пленочные материалы могут быть сравнительно просто получены методами вакуумной и ионноплазменной конденсации и исследованы с помощью просвечивающей электронной микроскопии, которая в настоящее время позволяет вести прямое наблюдение фазовых переходов, поверхностных реакций, идентификации фаз в кристаллитах микроскопических размеров и т. д. С другой стороны, структурные исследования позволяют целенаправленно варьировать технологию изготовления образцов для получения требуемых свойств.
Термодинамически основная особенность тонкопленочного состояния вещества состоит в том, что относительно велик вклад поверхностной энергии в полную свободную энергию образца. По этой причине многие физические свойства вещества в тонкопленочном состоянии могут отличаться от соответствующих свойств вещества в массивных образцах. Пленочные образцы позволяют исследовать метастабильные состояния вещества, включая аморфное и нанокристаллическое, как при обычных условиях, так и после изменения их в широких интервалах. Пленочные образцы могут служить удобным средством для моделирования неравновесных процессов. В настоящее время большинство систем хранения информации основано на принципе продольной магнитной записи. Ежегодное увеличение плотности записи связано с использованием в качестве записывающих сред композиционных нанокристаллических материалов, представляющих собой слабо обменно связанные ферромагнитные зерна, помещенные в диэлектрическую или металлическую матрицу. Уплотнение магнитной записи на тонкопленочных средах, связанное с уменьшением размера зерна и ослаблением обменного взаимодействия между монокристаллическими зернами, так или иначе приведет к суперпарамагнитной нестабильности, влияющей на характеристики систем записи. Поэтому в настоящее время наряду со средами для продольной записи серьезное внимание стали уделять средам с перпендикулярным способом магнитной записи информации. Современные среды для перпендикулярно записывающего слоя четко разделяются на два основных класса: 1 – мультислойные структуры Co/Pt, Co/Pd, Fe/Pt ; 2 – среды на основе сплавов Со/Сг. Основные требования к перпендикулярно записывающему слою: малый размер зерна, узкое распределение по размеру зерна, текстура, оптимизация обменного взаимодействия между нанокристаллическими зернами, аналогичны требованиям, предъявляемым к средам для продольного принципа записи.
Выполнение перечисленных требований к перпендикулярно записывающему слою возможно в случае приготовления данного слоя в виде гетерофазного текстурированного нанокристаллического сплава. Использование различных легирующих добавок может лишь замедлить неизбежные процессы рекристаллизации, фазовых превращений и т. д., изменяющих магнитные характеристики записывающего слоя. Поэтому третьим альтернативным мультислойным пленкам Co/Pt, Co/Pd и cплавам на основе CoCr классом сред для перпендикулярной магнитной записи являются высокоанизотропные сплошные (с сильным обменным взаимодействием) магнитные среды. В качестве таких сред рассматриваются эквиатомные упорядоченные сплавы CoPt, CoPd, FePt, FePd, характеризующиеся тетрагональной сверхструктурой Llo. При изготовлении монокристаллического записывающего слоя с текстурой (001) размер битов будет определяться шириной доменной стенки, которая в перечисленных эквиатомных сплавах составляет D ~10 , а размеры бита информации 50 . D=(A/K)1/2, где А константа обменного взаимодействия имеет порядок 106 эрг/см, а К константа кристаллографической анизотропии имеет порядок 108 эрг/см3.
Выбор для исследования пленок сплавов систем CoPd, CoPt, FePd, FePt, Co50Pt50-xPdx, Fe50Pd50-xPtx, Co-C , Fe-C и др. обусловлен тем, что в пленках сплавов этих систем можно было ожидать образование метастабильных фаз и кристаллических структур, обладающих уникальными физическими свойствами, в частности магнитными характеристиками, удовлетворяющими вышеперечисленным требованиям.
Из сказанного следует, что пленочные материалы вышеперечисленных сплавов имеют огромный потенциал неиспользованных полезных сочетаний свойств. Задачи выявления природы процессов структурообразования в магнитных пленках и установления корреляции структуры с магнитными свойствами являются актуальными. Тема диссертации соответствует «Перечню приоритетных направлений фундаментальных исследований, утвержденных президиумом РАН (раздел 1.2 «Физика конденсированных состояний и вещества»).
Цель диссертационной работы
Исследование фазовых превращений метастабильных состояний и процессов атомного упорядочения в атомно-неупорядоченных и нанокристаллических пленочных сплавах CoPd, FePd, FePt, CoPt, Fe50Pd50-xPtx, Co50Pt50-xPdx, Fe-C, Co-C и др. и установление корреляции с магнитными и магнитооптическими свойствами данных материалов.
Для достижения поставленной цели надо было решить следующие задачи:
Исследовать фазовый состав пленок сплавов на основе Fe и Co, выращенных магнетронным и вакуумным напылением на различных подложках при различных температурах подложек (от 150 до +300 С), и возможность получения в пленках метастабильных фаз.
Исследовать влияние термообработок на фазовый состав, метастабильные состояния и магнитные свойства пленок сплавов на основе Fe и Co.
Исследовать особенности атомного упорядочения сплавов FePd, FePt, CoPd, CoPt, Fe50Pd50-xPtх и Co50Pt50-xPdx (х = 110 aт.%) в пленочных образцах, как монокристаллических, так и поликристаллических.
Исследовать влияние атомного упорядочения на магнитные и магнитооптические свойства пленок сплавов FePd, FePt, CoPd, CoPt, Fe50Pd50-xPtх и Co50Pt50-xPdx (х = 1–10 aт.%.)
Исследовать влияние состава пленок сплавов на основе Fe и Co на их магнитные свойства.
С помощью магнитных и магнитооптических исследований получить экспериментальные данные, характеризующие пленки сплавов FePd, FePt, CoPd, CoPt, Fe50Pd50-xPtх и Co50Pt50-xPdx (х = 110 aт.%) как среды для магнитной и термомагнитной записи информации.
Научная новизна
Подробно исследованы фазовый состав и кристаллическая структура пленок CoPd (содержание Pd от 0 до 100 % полученных при разных температурах подложек (ТП = 150 +300 С). По результатам исследований в координатах «температура подложки – концентрация» построена диаграмма фазового состояния тонкопленочных сплавов CoPd.
Впервые на диаграмме фазового состояния получены: область существования пленок с ГПУ-решеткой; область существования пленок со стабильной ГЦК-структурой; область существования нанокристаллических пленок. Нанокристаллическое состояние, характеризующееся на электронограммах диффузным гало, представляющее собой переходной мартенсит при полиморфном переходе из низкотемпературной ГПУ-фазы в высокотемпературную ГЦК-фазу. Отработана технология нанесения монокристаллического слоя MgO на поверхность кристалла MgO, уменьшающая дефектность поверхности.
Впервые установлено, что отжигом нанокристаллические, однофазные ГПУ и двухфазные ГПУ+ГЦК пленки переводятся в состояние со стабильной ГЦК-структурой через ряд метастабильных состояний. Обнаруженное наличие ряда метастабильных фаз в пленках CoPd объясняется предрасположенностью пленок сплавов CoPd в области 3055 ат.% палладия к полиморфизму.
Атомное упорядочение эквиатомных сплавов FePd, FePt, CoPt и сплавов Fe50Pd50-xPtx, Co50Pt50-xPdx (x = 110 aт.%) в монокристаллических пленках зависит от толщины пленки не только в результате влияния подложки, но и вследствие самой формы образца. Найдены критические толщины пленочных образцов сплавов FePd, FePt,CoPt, Fe50Pd50-xPtx, Co50Pt50-xPdx (x = 110 aт.%), при которых основная часть тетрагональной фазы ориентируется осью С вдоль нормали к плоскости пленки. Атомное упорядочение эквиатомных сплавов FePd, FePt, CoPt и сплавов Fe50Pd50-xPtx, Co50Pt50-xPdx (x = 110 aт.%) в поликристаллических пленках сопровождается образованием текстуры (оси С кристаллитов ориентируются преимущественно вдоль нормали к плоскости пленки). Предложено объяснение этому эффекту. Установлена последовательность структурных превращений в процессе термической релаксации в нанокристаллических пленках Fe(C) и Co(C). Построена теория фазового перехода от атомно-неупорядоченного ферромагнитного состояния к атомно-упорядо-ченному парамагнитному с изменением кристаллической ГЦК-решетки на ГЦТ-решетку типа CuAu.
Получены монокристаллические пленки сплава FePd, FePt, CoPt (толщиной до 300, 130, 190 соответственно) с первой константой магнитной кристаллографической анизотропии 3107, 6107, 4,5107эрг/см3, соответственно, а также монокристаллические пленки Fe50Pd50-xPtx, Co50Pt50-xPdx (x = 110 aт.%) с К1 (3,54)107 эрг/см3, что обеспечивает устойчивость однодоменного состояния в них при ориентации намагниченности вдоль нормали к плоскости пленок. Получены монокристаллические и поликристаллические пленки сплавов с изменяющейся в зависимости от режимов термообработки коэрцитивной силой. Показано, что при достаточно высоких значениях НС поликристаллических пленок однодоменное состояние с намагниченностью нормальной к плоскости пленок (в отсутствие внешнего магнитного поля) может сохраняться при условии К 2J2S. Это дает возможность производить на таких пленках термомагнитную запись.
Впервые определена намагниченность насыщения ГПУ-фазы в концентрационном интервале от Co до Co50Pd50. Установлено, что нанокристаллическое состояние сплава CoPd характеризуется низкими значениями коэрцитивной силы и малыми полями технического насыщения. Получены кривые температурной зависимости поля технического насыщения HS (вдоль нормали к плоскости пленки) нанокристаллических пленок разных составов. Построены графики концентрационной зависимости константы К1 кристаллографической анизотропии ГЦК-сплавов CoPd для комнатной температуры и температуры жидкого азота (измерения выполнены на пленочных и массивных образцах). Получены монокристаллические пленки сплавов FePd, FePt, CoPt, CoPd, Fe50Pd50-xPtx, Co50Pt50-xPdx (x = 110 aт.%), находящиеся в атомно-разупорядо-ченном состоянии. Измерены магнитные параметры пленок (JS, K1, HC).
Впервые получены пленочные образцы сплавов Fe50Pd50-xPtx, Co50Pt50-xPdx (x = 1–10 aт.%) (монокристаллические и поликристаллические пленки), пригодные для магнитной и термомагнитной записи информации. Магнитными и магнитооптическими методами найдены характеристики пленок сплавов FePd, FePt, CoPt, Fe50Pd50-xPtx, Co50Pt50-xPdx (x = 1–10 aт.%). На пленочные сплавы Fe50Pd50-xPtx, Co50Pt50-xPdx (x = 110 aт.%) получены патенты как на среды для термомагнитной записи.
На защиту выносятся:
Результаты структурных исследований пленок сплавов Co-Pd, FePd, FePt, CoPt, Co50Pt50-xPdx, Fe50Pd50-xPtx, CoC, FeC, полученных при различных технологических условиях.
Технологические параметры, определяющие получение пленок того или иного фазового состава.
Способ получения нанокристаллических (электронографически и рентгенографически аморфных) пленок сплавов CoPd в интервале температур подложек, ниже и выше которого пленки получаются кристаллическими. Данное состояние пленок следует рассматривать как отдельный вид переходного мартенсита.
Корреляция структуры пленок сплавов CoPd, FePd, FePt, CoPt, Co50Pt50-xPdx, Fe50Pd50-xPtx, CoC, FeC c их магнитными и магнитооптическими свойствами в процессе фазовых превращений и атомного упорядочения.
Механизмы и кинетика формирования многообразных диссипативных структур в исследованных пленках.
Установление влияния типа подложки, технологических условий напыления и термоотжига на величину перпендикулярной магнитной анизотропии (ПМА) в пленках сплавов FePd, FePt, CoPt, Co50Pt50-xPdx и Fe50Pd50-xPtx. Идентификация особенности структуры, ответственной за формирование ПМА.
Теоретическое обоснование возможности фазового перехода от атомно-неупорядоченного ферромагнитного состояния к атомно-упорядоченному парамагнитному с изменением кристаллической ГЦК-решетки на ГЦТ-решетку типа L10.
Достоверность
Обоснованность и достоверность полученных результатов обеспечивается подтверждением основных выводов работы повторением опытов в сходных условиях с использованием различных методик. Результаты независимо подтверждены исследованиями других авторов. Достоверность также обеспечивается согласованностью модельных расчетов с экспериментальными данными.
Практическая значимость
Полученные результаты по корреляции структурных превращений в пленках сплавов на основе Fe и Co с магнитными и магнитооптическими свойствами сплавов необходимы для разработки и получения таких пленок в электронной технике.
Впервые получен материал для носителя термомагнитной записи на пленках Сo50Pt50-xPdx и Fe50Pd50-xPtx и Fe50Pd50-xPtx (где х = 110 ат.%).
На пленки сплава Сo50Pt50-xPdx как материал для термомагнитной записи получен патент. Заявка №2005121577 от 08.07.2005. Решение о выдаче патента от 27.07.2006.
На пленки Fe50Pd50-xPtх как материал для термомагнитной записи получен патент. Заявка №2006142232 от 29.11.2006. Решение о выдаче патента от 15.11.2007.
Получено А. с. №4041686/3125 от 16.04.1987 на магнитный двигатель на основе двухфазных (ГПУ, ГЦК) пленок CoPd.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
Республиканском семинаре по физике магнитных явлений. Иркутск, 1976 г.
Всесоюзной конференции «Монокристаллические магнитные пленки». Красноярск. 1977 г.
Всесоюзном совещании по физико-химии аморфных металлических сплавов, Москва, 1982 г.
VII Всесоюзном совещании «Упорядочение атомов и его влияние на свойства сплавов». Свердловск, 1983 г.
Всесоюзной конференции «Проблемы исследования структуры металлических сплавов», Москва, 1984 г.
Всесоюзной школе-семинаре «Доменные и магнитооптические запоминающие устройства». Кобулетти. 1988 г.
XI Всесоюзной школе-семинаре «Новые магнитные материалы микроэлектроники». Ташкент. 1988 г.
VI Всесоюзном симпозиуме по растровой микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел (РЭМ-89). Звенигород, 1989 г.
XII Всесоюзной школе-семинаре «Новые магнитные материалы микроэлектроники». Новгород. 1990 г.
Школе-семинаре «Новые магнитные материалы микроэлектроники». Москва. 2000 г.
Международном научном семинаре «Инновационные технологии». Красноярск. 2000 г.
EASTMAG-2001, Ekaterinburg 27 March 2, 2001 r.
Международных симпозиумах «Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах» ОМА-2002, ОМА-2003, ОМА-2004, ОМА-2005, ОМА-2006 г.
MISM-2005 (Moscow International Symposium on Magnetism) Moscow, June 25-30, 2005r.
X Международном симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника». Нижний Новгород, 2006 г.
II Всероссийской конференции по наноматериалам (НАНО-2007). IV Международном семинаре «Наноструктурные материалы 2007: Беларусь Россия». Новосибирск, 2007 г.
EASTMAG-2007, КАЗАНЬ 2326 August 2007 г.
Международном симпозиуме «Упорядочение в минералах и сплавах». Ростов-на-Дону – Лоо. 2007 г.
Международном симпозиуме «Порядок, беспорядок и свойства оксидов». Ростов-на-Дону – Лоо. ODPO-2007 г.
ХII Международном Симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника» 1014марта 2008 г. Н. Новгород.
Семинаре Института физики микроструктур РАН. Н. Новгород 19 марта 2008 г.
Публикации
Основное содержание диссертации изложено в 35 опубликованных работах; технические разработки оформлены в виде 2 патентов на сплавы для термомагнитной записи и 1 авторского свидетельства на магнитный двигатель. Список авторских работ, использованных в диссертации, приведен
в конце автореферата.
Личный вклад автора
Результаты, выносимые на защиту, получены лично автором. Автору принадлежат постановка задач данного исследования, формулировка, обоснование и разработка положений, определяющих научную новизну и практическую значимость работы, формулировка задач расчетных и экспериментальных исследований, проведение экспериментов и интерпретация их результатов, предложения по практическому применению пленок исследованных сплавов.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка авторских работ и цитируемой литературы из 235 наименований, изложена на 274 страницах машинописного текста, в том числе 87 рисунков и 11 таблиц.
