Рентгеновская диагностика слоёв и интерфейсов в слабоконтрастных многослойных металлических наногетероструктурах Саламатов, Юрий Александрович

Введение к работе

Актуальность темы.

Металлические многослойные наногетероструктуры представляют научный и практический интерес благодаря своим уникальным электрическим и магнитным свойствам, в частности, эффекту гигантского магнитосопротивления. Они также являются удобными объектами для изучения магнитотранспортных свойств и магнитных взаимодействий в низкоразмерных системах.

Изучение механизмов, приводящих к возникновению данных явлений, ставит перед нами проблему связи атомной структуры многослойной плёнки с её электрическими и магнитными свойствами. Для изучения атомной структуры обычно применяются рентгеновские методы, но при этом возникает ряд трудностей. Для синтеза многослойных плёнок часто используются атомные элементы с близкими электронными структурами атомов (Fe, Cr, Ni, V и т.п.), которые очень сложно различить в рентгеновском эксперименте. Дифракция и EXAFS-спектроскопия дают усредненную по области засветки информацию, то есть значения параметров атомной структуры. Отследить изменения в области интерфейсов, которые происходят на масштабах 1-10 А невозможно, поскольку первичный пучок проникает на всю глубину плёнки, которая составляет обычно десятки нанометров. Для обработки экспериментальных данных, как правило, используется метод подбора решения и прямой проверки. При таком способе получаемое решение зависит от выбора начальной модели и её параметров. Подробное рассмотрение возможностей и недостатков данных методик можно найти в работах [1, 5-8].

Таким образом, необходим метод комплексного исследования локального атомного строения на различной глубине в многослойных наногетероструктурах, подходящий для слабоконтрастных систем. Метод должен быть модельно-независимым, чтобы обеспечивать максимальную объективность получаемого решения.

Целью данной работы являлась разработка безмодельного метода диагностики локального атомного строения с разрешением по глубине в слабоконтрастных системах и его апробация в применении к экспериментальному исследованию структурных характеристик многослойных металлических наногетероструктур.

В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи: 1. Разработка теоретических основ предлагаемого метода диагностики локального атомного строения с разрешением по глубине, включающего в качестве составных частей: на первом этапе определение для слабоконтрастных систем элементного профиля по данным рентгеновской рефлектометрии, на втором этапе определение парциальных межатомных расстояний для перекрывающихся сфер.

1. Экспериментальное исследование локального атомного строения слабоконтрастных многослойных наногетероструктур типа FeNi/V методом EXAFS-спектроскопии.

2. Определение концентрационных элементных профилей (толщин слоев и интерфейсов) для слабоконтрастных одно- двух- и трёхслойных наногетероструктур типа Cr/Fe/Cr из экспериментальных данных рентгеновской рефлектометрии.

Научная новизна. В работе впервые:

2. 1. Предложен безмодельный метод исследования локального атомного строения слабоконтрастных многослойных металлических наногетероструктур с разрешением по глубине.

   2. Показана возможность определения с малой погрешностью (±0,01 А) искажений локального атомного строения в слабоконтрастных многослойных системах из экспериментальных данных по EXAFS-спектроскопии.

   3. Предложена безмодельная методика определения концентрационных профилей и толщин слоев в слабоконтрастных многослойных металлических наногетероструктурах.

   Научная и практическая ценность работы:

   2. 3. 1. Предлагаемый в работе метод диагностики позволяет получать с высокой точностью (~0,01 А) сведения о локальном атомном строении на различной глубине на уровне парциальных межатомных расстояний, что необходимо для построения модели кристаллической решётки и расчёта магнитных свойств.

         2. Каждая методика, входящая в предлагаемый метод диагностики (EXAFS- спектроскопия слабоконтрастных систем, EXAFS-спектроскопия с разрешением по глубине (~1 А), определение концентрационных профилей по данным рентгеновской рефлектометрии), имеет самостоятельное значение и может применяться независимо от других.

         3. Полученные структурные характеристики исследованных в работе многослойных плёнок могут быть использованы в дальнейшем при изучении их магнитных и магнитотранспортных свойств.

         На защиту выносятся следующие положения:

         2. 3. 3. 1. Теоретические основы безмодельного метода диагностики локального атомного строения на различной глубине.

                  2. Модельный численный эксперимент по определению локального атомного строения на различной глубине в наногетероструктуретипа Cr/Fe/Cr.

                  3. Результаты исследования локального атомного строения слабоконтрастных многослойных наногетероструктур типа FeNi/V.

                  4. Определение концентрационных профилей и толщин слоёв в слабоконтрастных многослойных наногетероструктурах типа Cr/Fe/Cr.

                  Личный вклад автора. Совместно с Бабановым Ю. А. автор участвовал в постановке задачи исследования, разработал методы получения структурной информации из угловой зависимости EXAFS-спектров и рефлектометрических кривых, провёл их апробацию на модельных и экспериментальных данных. Соответствующее программное обеспечение для проведения расчётов создано лично автором (кроме программы для расчётов по алгоритму Парратта). Автор также принимал личное участие в планировании и проведении рентгеновских экспериментов на станции прецизионной рентгеновской оптики синхротрона «Сибирь-2» (Курчатовский институт, Москва; совместно с Мухамеджановым Э. X.). Все публикации, раскрывающие результаты работы, создавались при непосредственном участии автора. Основные результаты и выводы диссертации были сформулированы автором.

                  Апробация результатов работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: XVII Международной конференции по использованию синхротронного излучения (г. Новосибирск, 2008 г.); Международных междисциплинарных симпозиумах «Физика низкоразмерных систем и поверхностей» (г. Ростов-на-Дону - п. Лоо, 2008, 2010, 2012); IX, X и Xl Всероссийских школах-семинарах по проблемам физики конденсированного состояния вещества (г. Екатеринбург, 2008, 2009, 2010); Всероссийской конференции «Химия твёрдого тела и функциональные материалы» (г. Екатеринбург, 2008); Xlll Национальной конференции по росту кристаллов (г. Москва, 2008); XIV Международной конференции по XAFS- спектроскопии (Камерино, Италия, 2009); XLIV и XLV Зимней школе ПИЯФ РАН по физике конденсированного состояния (г. Санкт-Петербург, 2010, 2011); XX Всероссийской научной конференции «Рентгеновские электронные спектры и химическая связь» (г. Новосибирск, 2010); IV Евро-азиатском симпозиуме «Trends in Magnetism. Nanospintronics» (EASTMAG, г. Екатеринбург, 2010); Xll Международной конференции «Дислокационная структура и механические свойства металлов и сплавов» (г. Екатеринбург, 2011); Международной конференции, посвящённой памяти В. К. Иванова (г. Екатеринбург, 2011), III Международной научной конференции «Наноструктурные материалы -2012» (г. Санкт-Петербург, 2012), Международной конференции «The 8th International Symposium on Metallic Multilayers (MML-2013)» (Киото, Япония).

                  Достоверность результатов обеспечивается теоретическим обоснованием используемых алгоритмов обработки экспериментальных данных и их апробацией на модельных численных расчётах, воспроизводящих условия реальных экспериментов. Все предлагаемые методики являются безмодельными, что повышает объективность получаемых результатов. Рентгеновские измерения проводились на современном высокоточном оборудовании станции прецизионной рентгеновской оптики синхротрона «Сибирь-2» (Курчатовский институт, Москва). Полученные данные обрабатывались различными алгоритмами, результаты согласуются между собой.

                  Работа выполнялась в Институте физики металлов УрО РАН в соответствии с планом научно-исследовательских работ по теме «Спин», при поддержке РФФИ (гранты № 08-02-99083 р_офи и № 12-02-31563-мол_а), Президиума РАН (гранты № 09-П-2-1032 и 12-П-2-1032) и ведущей научной школы HLU- 6172.2012.2.

                  Публикации. Основные результаты работы изложены в 7 статьях, в том числе 6 из них опубликованы в журналах, входящих в перечень ВАК.

                  Объём и структура диссертации. Работа состоит из введения, 5 глав, заключения, приложения и списка литературы. Содержание диссертации изложено на 126 страницах печатного текста, включая 60 рисунков и 17 таблиц. Библиографический список содержит 76 наименований.