Введение к работе
Актуальность темы. Особое место в исследовании неоднородных твердых тел занимают структуры с масштабом неоднородностей сравнимым с характерными длинами, определяющими физические свойства однородных твердых тел: длиной волны носителей тока, толщиной доменной стенки или обменной длиной в магнетиках, корреляционной длиной в твердых растворах и другими. Несмотря на различную природу этих характерных длин, их величина, зачастую, лежит в интервале от десятков до сотен межатомных расстояний, т.е. в нанометровом диапазоне. Твердые тела с неод-нородностями таких масштабов имеют свойства, качественно отличающиеся от свойств однородных твердых тел. Бурный рост числа исследований, посвященных этим материалам, позволяет говорить о формировании нового направления - физики .тведотельных наноструктур. В зависимости от соотношения размеров неоднородностей и характерных длин, наноструктуры подразделяют на дву-, одно- и ігульмерньїе. Структуру, у которой лишь один из трех размеров неоднородности в указанном смысле мал, называют двумерной и т.д. Исследование физических свойств твердотельных наноструктур является комплексной проблемой, в которой можно выделить три основных аспекта:
создание наноструктур с заданной морфологией,
развитие методов диагностики и измерения характеристик наноструктур,
разработка теоретических моделей, описывающих свойства наноструктур. В диссертации затронуты все из перечисленных аспектов проблемы на примере создания и исследования наноструктур с новыми магнитными и рентгенооптическими свойствами. Отметим некоторые особенности проблемы исследования наноструктур, которым уделяется в диссертации наибольшее внимание.
Наиболее изученным видом наноструктур являются двумерные или многослойные структуры (М.С.). Это связано с тем, что развитие методов напыления пленок в принципе решило проблему получения таких наноструктур. Однако, в последние годы появилась необходимость в получении М.С. из сверхтонких (~ 1нм) пленок. В диссертации рассматривается два различных типа таких объектов. Во-первых, это рентгеновские зеркала - интерференционные зеркала для селективного отражения рентгеновского излучения. Период таких структур (cf) определяется условием Брэгга: 2dCosQ -Л(А>в- длина волны и угол падения рентгеновского излучения). Большой интерес представляет диапазон длин волн Л ~ 2- 4 нм, так называемое "водное" окно, в котором вода прозрачна для рентгеновского излучения [1]. Из условач Брэгга следует, что период отражающей такое излучение структуры составляет единицы нанометров. Второй тип рассматриваемых мно-
гослойных структур - это структуры с перпендикулярной магнитной анизотропией Co/Pd. Интерес к этим системам связан с возможностью их использования в качестве сред для термомагнитооптической записи и хранения информации. Известно [2], что магнитоодноосная анизотропия в таких структурах имеет поверхностный характер и, следовательно, толщина пленок Со должна быть достаточно малой. Не может быть при этом большой и толщина слоя Pd. Действительно, при магнитооптическом способе считывания, угол керровского вращения пропорционален числу периодов М.С., укладывающихся на глубине проникновения оптического излучения в металл. Таким образом, мы вновь приходим к проблеме получения и исследования М.С. со сверхмалым периодом. Несмотря на различную природу этих структур вопросы, которые возникают при их создании и исследовании, одинаковы:
влияние качества интерфейсов на рабочие характеристики
определение геометрических параметров структур из сверхтонких пленок
термостабильность.
Обсуждению этих вопросов посвящены первые четыре главы диссертации. Развитие методов литографии позволяет рассчитывать на прогресс в области получения низкоразмерных наноструктур. Так методами электронной и рентгеновской литографии научились получать наноструктуры с характерными размерами порядка сотен нанометров. Однако, получение низкоразмерных наноструктур с масштабом в десятки нанометров остается сложной задачей. В этой ситуации привлекательной является идея использования эффектов самоорганизации. В диссертации предложены механизмы самоорганизации, позволяющие получать как одномерные, так и ігуль-мерные наноструктуры.
В теоретических исследованиях свойств наноструктур можно выделить два направления: изучение влияния размеров твердого тела на его физические свойства и задачи коллективного поведения нанообъектов. В силу большого, по сравнению с межатомным, расстояния между наночастицами существенную роль в их коллективном поведении играют нелокальные взаимодействия. Так свойства магнитных нанообъектов во многом определяются их магнитодипольным взаимодействием. В частности, в диссертации теоретически и экспериментально исследуются эффекты дипольного взаимодействия в двумерных решетках ферромагнитных наночастиц. Интерес к этим системам связан, с одной стороны, с возможностью создания на их основе сред для сверхплотной (~1010 бит/см2) записи информации [3]. С другой стороны, в силу суперпарамагнетизма магнитных наночастиц и дипольного взаимодействия между ними в этой системе возможен фазовый переход по температуре порядок - беспорядок [4]. Так как критическая температура и тип дальнего порядка определяются геометрическими пара-
метрами системы, в принципе возможно создание двумерных магнетиков с управляемыми свойствами.
Актуальность работы по созданию и исследованию нанообъектов обусловлена необходимостью развития представлений о свойствах твердых тел на сверхмалых масштабах. Определение новых способов управления этими свойствами открывает широкие возможности применения твердотельных наноструктур в электронике, рентгенооптике, информатике и других областях.
Целью работы является разработка физических принципов создания и диагностики упорядоченных систем нанообъектов, а также исследование влияния диффузионной релаксации и магнитодипольного взаимодействия на их термостабилыюсть и магнитные свойства.
Научная новизна полученных в диссертации результатов состоит в том, что
- развита теория распространения рентгеновского излучения в многослой
ных структурах с флуктуирующими толщинами пленок и разработана ори
гинальная методика определения параметров таких систем.
- исследованы особенности диффузионной релаксации в многослойных
структурах из сверхтонких поликристаллических пленок и предложены
новые теоретические модели, объясняющие эти особенности.
построена теория нелинейной стадии спинодального распада в слоистых твердых растворах, основанная на солитоноподобном описании движущихся межфазных границ.
разработаны физические принципы получения и созданы новые упорядоченные системы магнитных нанообъектов с перпендикулярной магнитной анизотропией: многослойные структуры Co/Pd и системы сверхтонких ферромагнитных нитей в матрице кремния.
- впервые проведены экспериментальные исследования эффектов диполь
ного взаимодействия в двумерных решетках ферромагнитных наночастиц,
указывающие на возможность создания искусственных дипольных магне
тиков с управляемыми свойствами.
Практическая ценность полученных в диссертации результатов определяется тем, что
- развитый метод определения параметров многослойных структур из сверхтонких пленок применяется для диагностики рентгенооптических элементов. Эта методика может также использоваться и для определения параметров полупроводниковых, магнитных, сверхпроводящих многослойных структур из сверхтонких пленок.
созданные многослойные структуры Co/Pd пригодны для термомагнитооптической записи, хранения и считывания информации.
разработанная технология получения ориентированных пор в кремнии и заполнения их металлом может быть использована для создания устройств записи и хранения информации, а также полупроводниковых приборов.
предложенный механизм образования упорядоченных структур при распаде в тонкой пленки твердого раствора может использоваться для получения решеток наночастиц.
- развитая технология создания решеток ферромагнитных наночастиц и
методика измерения их магнитных свойств могут быть полезны при раз
работке устройств записи информации с плотностью до 10" бит/см .
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Метод малоугловой рентгеновской дифракции позволяет определять характеристики размытия границ, толщины, плотности и состав пленок в многослойных структурах со сверхмалым периодом, для которых наблюдается лишь первый порядок брэгговской дифракции.
-
Для реальных многослойных структур Co/Pd наиболее сильным фактором уменьшающим магнитную поверхностную анизотропию, является перемешивание на границах слоев.
-
Многослойные структуры Co/Pd являются квазидвумерными в магнитном отношении объектами, в которых существует спиновый ориентацион-ный переход по температуре между плоской и перпендикулярной фазами намагниченности.
-
Статистический разброс коэффициентов диффузии по границам зерен в поликристаллической пленке приводит к уменьшению со временем скорости диффузионной релаксации, наличию квазистационарных состояний и другим особенностям кинетики температурного отжига многослойных структур Me(Ni,W,Pt... )/С, наблюдавшимся экспериментально.
-
Деформационное взаимодействие примесных атомов в статистически однородной и изотропной упругой матрице является случайной знакопеременной величиной со средним значением равным нулю.
-
Основой теоретического описания нелинейной стадии спинодального распада в многослойных структурах является представление о движущихся без искажения межфазных границах. Диффузионная релаксация в М.С. из сверхтонких пленок металлов с ограниченной растворимостью происходит через удвоение периода, причем конкретный сценарий этого удвоения существенно зависит от общего числа пленок в многослойной структуре.
-
Спинодальный распад в тонкой пленке твердого раствора, контактирующей с насыщенным паром, характеризуется сужением области неустойчивости концентрационных волн и возможностью формирования периодиче-
ских структур, которые представляют собой совместное распределение концентрации и модуляции толщины пленки.
-
Структура и энергия неоднородных состояний в двумерных решетках классических диполей определяются нелинейными членами в разложении фурье-образов компонент дипольного тензора по волновому вектору. Теоретически определена стуктура неоднородных состояний ограниченных ромбических решеток диполей с ферромагнитным типом упорядочения.
-
Эффекты дипольного взаимодействия при намагничивании двумерных решеток наночастиц пермаллоя проявляются в зависимости кривых намагничивания от ориентации внешнего поля относительно осей решетки и определяются температурой и параметрами элементарной ячейки.
10. Прямоугольная решетка одно доменных частиц является мультиста-
бильной системой, что проявляется в особенностях процесса намагничи
вания при приложении поля вдоль меньшей стороны элементарной ячейки.
Личный вклад автора. При выполнении работы в коллективе, автором сделан либо определяющий вклад в постановку задач, теоретический анализ и интерпретацию результатов, либо принципиально важный как в случае исследований ориентационного перехода в многослойных структурах Co/Pd [А 12 - А15] и диффузионной релаксации в многослойных структурах Ме/С [А6 - А8].
Апробация полученных результатов. Результаты, полученные в диссертации, докладывались на российских и международных конференциях: российской школе-семинаре "Новые магнитные материалы микроэлектроники" (1992, 1996, 1998), всероссийском рабочем совещании "Рентгеновская оптика - 98" (Н.Новгород, 1998), международном совещании "Мезо-скопика-94" (Черноголовка, 1994), национальной конференции по проиме-нению Рентгеновского, Синхротронных излучений, Нейтронов и Электронов (1997, 1999), International Symposium on Theoretical Physics (Kourovka, 1994), Magnetism and Magnetic Materials - Intermag 6th Joint Conference (1994), International Symposium "Nanostructures: physics and technology" (1993, 1999), International conference "Problems of condensed matter theory" (Moskow, 1997), International Symposium on Magnetism (Moskow, 1999), Physics X-ray Multilayer Structures Topical Meeting (USA, 1992), International Conference on Electrical Transport and Optical Properties of Inhomogeneous Media (1996), Сессиях отделения общей физики и астрономии РАН (1995, 1999), семинарах ФИ им. П.Н.Лебедева РАН, ИК им. А.В. Шубникова РАН, ИПФ РАН, ИФМ РАН.
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 35 опубликованных работах [А1- А35].
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из ведения, шести глав, заключения, списка цитируемой литературы, включающего 155 названий, и изложена на 252 страницах машинописного текста, в том числе 53 рисунка и 5 таблиц.
