Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Ультрадисперсные металлические среды и метод ЯГР
1.1. Явление суперпарамагнетизма малых частиц .. 10
1.2. Проблема исследования поляризации электронов проводимости в ферромагнитных металлах 13
1.3. Переходная область в контакте разнородных металлов 21
1.4. Исследование динамических свойств кристаллической решетки микрокристаллов и тонких слоев 22
ГЛАВА II. Методика и техника эксперимента
2.1. Требования к параметрам образцов 28
2.2. Термическое напыление в гелиевом криостате 29
2.3. Методика напыления тонких пленок с помощью лазерного испарения 32
2.3.1. Выбор режимов работы лазеров 33
2.3.2. Напылительная установка 37
2.4. Измерение толщины пленок 43
2.5. Методы контроля свойств образцов 48
2.6. Техника мёссбауэровских измерений 49
2.7. Техника низкотемпературных исследований 53
ГЛАВА III. Исследование особенностей методики напыления металлических ультрадисперсных сред и гетероструктур с помощью лазерного излучения
3.1. Оптимальные режимы испарения 56
3.2. Вакуумные условия при напылении 57
3.3. Механизм образования мелкодисперсной фазы при лазерном напылении железа 59
3.4. Особенности лазерной методики при напылении сэндвичей 67
ГЛАВА ІV. Исследование влияния межфазной границы в ультра-дисперсных средах на их магнитные, структурные и динамические свойства
4.1. Оуперпарамагнитные и упругие свойства ультрадисперсного железа , 72
4.2. Исследование проникновения поляризации электронов проводимости через границу контакта магнитной (Fe ,Со ,Ni ,Cr,Qd,Dy) и немаг нитной ( Sn ) пленок 82
4.3. Исследование межфазной границы в области контакта разнородных металлов. 100
4.4. Исследование динамических свойств кристаллической решетки ультратонких пленок олова
4.4.1. Зависимость вероятности эффекта Мёссбауэра и температуры Дебая от толщины слоев и материала подложек 104
4.4.2. Анализ возможных механизмов изменения вероятности эффекта Мёссбауэра в ультратонких пленках 110
Основные результаты и выводы 120
Список цитированной литературы 123
- Проблема исследования поляризации электронов проводимости в ферромагнитных металлах
- Методика напыления тонких пленок с помощью лазерного испарения
- Механизм образования мелкодисперсной фазы при лазерном напылении железа
- Зависимость вероятности эффекта Мёссбауэра и температуры Дебая от толщины слоев и материала подложек
Введение к работе
В последние два десятилетия продолжает расти интерес к ультра дисперсным металлическим средам (УДС) - ансамблям частиц, имеющих хотя бы в одном измерении размеры порядка I - 100 нм /1-4/. В частности, к УДС относятся тонкие пленки. Такие объекты представляют особую переходную форму состояния вещества между ассоциациями отдельных атомов и макроскопическим твердым телом, и их исследования позволят выяснить ряд фундаментальных вопросов о границах применимости различных концепций, развитых для массивных тел. При уменьшении размеров кристалла до некоторых характерных для того или иного физического явления масштабов проявляются размерные эффекты. Увеличение относительного количества поверхностных атомов оказывает влияние на решеточную и электронную подсистемы, изменяя спектры элементарных возбуждений, структурные, электрические, магнитные и другие характеристики. Уникальные физические свойства материалов в диспергированных фазах открывают широкие перспективы разнообразных технических применений.
Одним из мощных методов изучения УДС является ядерная гамма резонансная спектроскопия (ЯГРС), основанная на эффекте Мёссбауэра (ЭМ) /5/. Чрезвычайно высокое энергетическое разрешение ЯГРС позволяет наблюдать сверхтонкую структуру ядерных энергетических уровней, связанную с магнитным дипольним и электрическим квадру-польным взаимодействиями, по характеру расщепления мёссбауэров-ских спектров. Положение резонансных линий дает информацию о ку-лоновском взаимодействии ядра с окружающими его электронами. Измерение интенсивности резонансных пиков позволяет изучать фо-нонный спектр кристалла. Динамика спиновой системы, связанная с процессами магнитной релаксации, также существенно отражается на форме ЯГР - спектров.
Поскольку свойства УДС определяются их структурными и морфологическими характеристиками, которые зависят от механизма образования, актуальной является задача поиска и изучения новых методов приготовления таких сред. В настоящей работе исследовались особенности методики напыления ультратонких слоев и многослойных структур металлов путем испарения вещества мишеней в вакууме излучением лазера, свойства полученных конденсатов, а также связь между их структурой и режимами напыления. Использование этой методики позволило ставить новые и решать на более высоком экспериментальном уровне поставленные ранее задачи.
Актуальны задачи исследования особенностей физических свойств УДС, проявляющихся вследствие изменения состояния и увеличения доли граничных атомов.
Изучение влияния границ раздела фаз в УДС на их свойства представляет теоретический и практический интерес. В диссертации исследовались суперпарамагнитные, упругие и релаксационные свойства ультрадисперсной фазы металлического железа, приготовленного лазерным напылением.
Для прогнозирования магнитных свойств создаваемых сплавов требуются экспериментальные значения спиновой поляризации электронов проводимости в ферромагнитных металлах. В данной работе изучалось проникновение поляризации 5- подобных электронов проводимости через границу раздела из ферромагнитного металла в немагнитный методом "сэндвичей", в котором с помощью ЭМ исследовались образцы из чередующихся контактирующих пленок /6/. В качестве ферромагнетиков использовались металлы, ранее не исследованные этим способом.
Исследование границы раздела слоев разнородных металлов в гетероструктурах :, приготовленных лазерным напылением, представляет самостоятельный интерес. Применение методов ЯГРС и электронографии позволило сделать выводы о кристаллической структуре и фазовом составе межфазной границы и оценить ее протяженность.
Вопросы динамики кристаллической решетки ультратонких металлических пленок на различных подложках изучены пока недостаточно. Эта задача актуальна, так как деформация фононного спектра пленок приводит к изменению их термодинамических, сверхпроводящих и упругих свойств /4/. В диссертации исследовалось влияние состояния граничных атомов на спектр решеточных колебаний ультратонких слоев металлического олова.
Целями представляемой работы являлись: разработка методики лазерного напыления УДС и многослойных структур металлов, а также исследование методом ЯГРС влияния поверхности и границы раздела фаз в таких объектах на их магнитные, структурные и динамические свойства. Были поставлены следующие конкретные задачи:
1. Изучение влияния межфазных границ в ультра дисперсном железе на его магнитные и упругие свойства.
2. Исследование влияния границы раздела фаз на проникновение спиновой поляризации электронов проводимости из магнитного металла в немагнитный.
3. Исследование структуры и состава межфазной границы в гетеро-структурах из разнородных металлов.
4. Исследование вероятности ЭМ ультратонких слоев В - олова на различных подложках.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов и списка литературы. Она содержит 138 страниц машинописного текста, 33 рисунка, 14 таблиц и список литературы из 157 ссылок.
Первая глава включает литературный обзор и постановку задачи. Дан обзор теоретических и экспериментальных работ по исследованию явления суперпарамагнетизма, изучению спиновой поляризации электронов проводимости в металлических ферромагнетиках, а также исследованию динамических свойств кристаллической решетки микрокристаллов и тонких пленок. Обсуждаются возможности метода ЯГР в такого рода экспериментах. Сформулированы конкретные задачи, которые решаются в данной работе.
Во второй главе описана методика и техника экспериментов. Рассмотрены требования к исследуемым образцам, описаны типы образцов, методы приготовления и контроля их свойств. Обоснована необходимость методики лазерного напыления для приготовления образцов, описаны применяемые в данной работе методы абсолютных измерений толщины слоев, техники мёссбауэровских и низкотемпературных измерений.
В третьей и четвертой главах обсуждаются экспериментальные результаты. Новизна полученных результатов состоит в следующем:
I. Разработана методика лазерного напыления гетероструктур о из чередующихся слоев разнородных металлов толщиной 10 100 А и металлических ультрадисперсных сред. Найдены оптимальные режимы лазерного напыления пленок для 10-ти металлов. Экспериментально установлены закономерности образования мелкодисперсной фазы конденсата для различных режимов напыления. С помощью лазерного напыления впервые получено ультрадисперсное железо с размерами о частиц 50 А.
2.В ультра дисперсном железе обнаружено аномально большое, обратимое увеличение вероятности эффекта Мёссбауэра под давлением, дана интерпретация этого эффекта.
3.Методом ЯГР для б-ти металлических магнетиков исследовано проникновение спиновой поляризации электронов проводимости через границу раздела магнитного и немагнитного металлов. Оценена о глубина проникновения поляризации из гадолиния в олово: «Я 6А. 4.Установлена структура и состав межфазной границы в гетероструктурах из разнородных металлов, полученных лазерным напылением. Показано, что в сэндвичах АЄ-Sn протяженность области о перехода не превышает 3 4- 5 А.
5. Измерены зависимости вероятности эффекта Мёссбауэра $ о ультратонких (20 500 А) пленок металлического олова от толщины слоев и материала подложек, различающихся типом межатомной связи. Показано, что уменьшение у по сравнению со значением в массивном образце определяется эффективностью закрепления границы пленки с подложкой.
На защиту выносятся:
1. Методика лазерного напыления гетероструктур из разнород о ных металлов с толщиной отдельных слоев 10 100 А. Установленные экспериментально закономерности, определяющие степень дисперсности конденсата при лазерном напылении. Методика лазерного напыления ультра дисперсного суперпарамагнитного железа.
2. Аномально большое, обратимое увеличение вероятности эффекта Мёссбауэра под давлением в ультрадисперсном железе; интерпретация этого эффекта.
3. Экспериментальная оценка глубины проникновения спиновой поляризации электронов проводимости из гадолиния в олово; механизм уширения ЯГР спектров ядер в структурах FeSn, Оо -Sn, Nl-Sn, Cr-Sn.
4. Структура, фазовый состав и экспериментальные оценки толщины межфазной границы в гетероструктурах из разнородных металлов, полученных лазерным напылением.
5. Зависимости вероятности эффекта Мёссбауэра §- в ультратонких пленках металлического олова от толщины слоев и материала подложек. Соотношение вкладов различных механизмов в эффект уменьшения в ультратонких пленках.
Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени инженерно-физическом институте.
Основные результаты работы были представлены в виде докладов на Международной конференции по применению эффекта Мёссбауэра (Франция, Вендор, 1974 г.) /119, 145/, на научной конференции МИФИ (1975 г.) и опубликованы в статьях /44, 118, 120, 121, 146/.
Проблема исследования поляризации электронов проводимости в ферромагнитных металлах
Рассмотрим кратко результаты некоторых последних исследований явления суперпарамагнетизма с помощью методики ЯГРС. Подробный обзор работ по этой тематике можной найти в /8/. Описание формы маг-ниторелаксационных спектров для случая одноосной релаксации дано в работах /11-16/. При наличие квадрупольного расщепления для больших частот релаксации (ССР ССА) спектр состоит из двух компонент и существенно асимметричен . Асимметрия уменьшается при уменьшении VP . В /17/ в рамках стохастической теории предложен метод расчета формы спектров при наличии кубической симметрии для ориентации осей легкого намагничения (ОЛЮ вдоль осей симметрии третьего и четвертого порядка. Сравнение экспериментальных результатов с ЯГР-спектрами, расчитанными по этому методу показало хорошее согласие /18/ . Было отмечено, что форма спектра значительно отличается для случаев одноосной (с переворотом спина на 180) и кубической релаксации. Расчет релаксационных спектров был проделан также в присутствии квадрупольного взаимодействия при наличии кубической симметрии в рамках стохастической модели /19/. Авторы показали, что при направлении градиента электрического поля [OOlJ и ОЛН вдоль любой из восьми осей типа [ill] , спектр симметричен во всем диапазоне частот релаксации. При Ср с А спектр становится симметричным дублетом. Результаты стохастической теории в этом пределе хорошо согласуются с расчетами /20/, где методом корреляционой функции исследовалась форма спектров в пределе (Е р«сСл . Бы и проведены экспериментальные исследования магнитных свойств чае иц ряда ферро- и антиферромагнетиков /4/. Ввиду сильной зависимо ти формы спектров ЯГР от многих параметров (в частности, от рас ределения частиц по размерам), их расшифровка представляет значи ельные трудности /21/.
ЯГРС приобретает особую роль при исследовании ультратонких о Ю А) магнитных пленок. В зависимости от метода и условий приго овления пленки могут быть не сплошными (за счет кластерообразова ия). В таком случае пленки должны обнаруживать суперпарамагнитные свойства. По форме мёссбауэровского спектра можно судить о средних азмерах и форме кластеров, о степени искажения кристаллической структуры в слоях, граничащих с подложкой. Результаты работ /22-24/ [оказывают, что в зависимости от условий приготовления, толщины щенок железа на немагнитной подложке, при которых исчезает сверх о юнкая структура ядерных уровней спектра, составляют 5-Ю А (при Г = 300 К). Кратко рассмотрим способы приготовления образцов из суперпа о замагнитных частиц с размерами не более 100 - 1000 А /8/. Ьрозольный способ. При испарении вещества в вакууме или в атмосфере инертного газа образуется аэрозоль с размером частиц, зависящим эт сорта газа и его давления или от скорости его потока. Этот способ хорош тем, что получают частицы, обладающие сферической формой, ЇТО упрощает интерпретацию экспериментальных данных. Механический способ. С помощью шаровых мельниц вещество приводят в зысокодисперсное состояние. Размер получаемых при этом частиц , о 100 А. Кроме того, из-за механического напряжения возникают де екты в кристаллической решетке частиц, и остается неопределенность влияния на свойства вещества именно малости размера. Гопохимический способ. При термическом разложении некоторых веществ Образуются зародыши новой фазы, которые дают высокодисперсные частицы. Изменяя температуру разложения, а также время выдержки вещества при данной температуре, можно получать нужный размер частиц. Недостатки этого способа - его ограниченность и невозможность получения многих систем. Применение носителя. Для этого способа используют высокопористые вещества (силикагели, эросил, цеолиты и т.п.). Поры системы пропитывают исходным веществом, а затем прокаливают. Размер частиц определяется исходным диаметром пор. Таким способом можно приготовить частицы, отделенные друг от друга немагнитным материалом. В настоящее время появилась также возможность получать тонкие пленки различных веществ с помощью лазерного испарения твердых тел /25,26/. При испарении ряда металлов СС -лазером было обнаружено электронографическим методом, что при некоторых условиях лазерные о пленки состоят из частиц с размерами 100 А /27/. Это дало возможность исследовать мелкодисперсное железо с размерами частиц, меньшими тех, которые были получены ранее аэрозольным способом и проявляли суперпарамагнитные свойства /9/. В данной работе с помощью лазерного напыления были приготовлены образцы мелкодисперсного железа и исследованы их суперпарамагнитные свойства как при атмосферном давлении, так и в условиях гидростатического давления, Заметим, что суперпарамагнетизм под давлением ранее не исследовался.
Методика напыления тонких пленок с помощью лазерного испарения
Из выражений (5), () следует, что перечисленные особенности сильнее выражены при высоких температурах. Правомерность использования формулы (4) для анализа вероятности ЭМ в малых частицах обоснована в /8/. (Строго говоря, под U(U)) следует понимать плотность колебательных уровней системы, которая при увеличении размеров частицы переходит в плотность фононов).
В малых частицах благодаря большой кривизне поверхности возникает лапласовское давление Рл . Для формы частицы близкой к сферической Рл 2&/1?ч, где ) - коэффициент поверхностного натяжения материала частицы (удельная свободная энергия поверхности), -R4 - радиус частицы. Для положительной кривизны РА уменьшает V и увеличивает температуру Дебая. Рассмотрим результаты работ, посвященных исследованию вероятности ЭМ в мелкодисперсных кристаллах (обзор литературы по этой теме сделан, например, в /8/). Было найдено, что при уменьшении размеров частиц увеличи о J вается для микрокристаллов золота (60 и 200 А) /80/, уменьшается о для вольфрама (30 А и I мкм) /81/ и не отличается от соответству о ющих значений в массивных образцах (фольгах) для платины (— 100 А) /82/. Для частиц В-О П. , полученных аэрозольным способом в потоке аргона /83/, наблюдалось уменьшение при уменьшении раз о мера частиц от 1550 до 250 А, которое сопровождалось более резкой температурной зависимостью. Значения отличались на 25 % при Т = 80 К и в 2,5 раза при комнатной температуре. Температура Де о бая для частиц диаметром 250 А составляла — 120 К. Ультрамалые частицы белого олова изучались также в работе /84/. Пары олова конденсировали на алюминиевую подложку при Т = 85 К в атмосфере Og, который препятствовал образованию крупных частиц. Шло обна П со средним размером 45 А помещены в матрицу из SnO и 5/7 и2. В такой системе уменьшалась значительно меньше, чем в работе /83/, а температура Дебая оказалась —130 К. Столь большое расхождение результатов работ /83/ и /84/ можно объяснить сильным влиянием способа приготовления частиц, а также взаимодействием частиц с наполнителем. Это обстоятельство отмечалось также в /85/. Так, в зависимости от наполнителя для O -FB2US С размерами частиц 30 А было найдено изменение от 0,43 до 0,31 (Т = 300 К) и от 0,51 до 0,37 (Т = 100 К) при вклеивании частиц в матрицу клея или сдавливания частиц двумя пластинами. Таким образом, можно сделать вывод, что Jr в большинстве случаев уменьшается с уменьшением размеров частиц в области 100 А. В этих случаях повышенная подвижность атомов на поверхности имеет большее значение в формировании фононного спектра малых частиц, чем низкочастотное обрезание спектра и появление его дискретности, обусловленное уменьшением размеров.
Теоретическое рассмотрение особенностей ЭМ в тонких пленках проведено /86,87/. В /87/ рассмотрена модель идеального кристалла, обладающего тетрагональной симметрией и состоящего из CL одноатомных слоев. Частотный спектр такой модельной пленки определялся в приближении "ближайшего соседа" и в гармоническом приближении и был использован для расчета вероятности ЭМ, как функции толщины, температуры, а также силовых констант взаимодействия атомов пленки между собой и атомов пленки с подложкой. Конечный результат для величины f((L) показывает, что в зависимости от соотношения между компонентами силовых тензоров пленки и подложки эта вероятность может быть как больше, так и меньше вероятности для объемного кристалла (оо) . Отношение f ( CL) / (осі) увеличивается с уменьшением числа слоев, а также при уменьшении отношения между соответствующими компонентами силовых тензоров атомов пленки между собой и атомов пленки с атомами подложки и может быть больше единицы на несколько процентов при Т = 300 К.
Отметим, что в упомянутых работах не ставилась задача систематического исследования влияния среды, в которую помещались микрокристаллы, на фононный спектр таких систем. Поэтому в данной работе была поставлена задача исследовать влияние материала подложки на вероятность ЭМ и температуру Дебая осажденных ультратонких слоев металлического олова. Очевидно, что поверхностные атомы пленки должны иметь различные среднеквадратичные отклонения от положения равновесия (X ) , находясь в тесном контакте с подложками, имеющими различные структуры. Ожидалось, что в случае подложки, обладающей кристаллической структурой, эти отклонения будут меньше, чем в случае органической подложки, которая имеет более "рыхлую" структуру. В связи с этим были выбраны подложки из слюды и полиэтилена. Ожидалось также, что среднеквадратичные отклонения поверхностных атомов пленки будут минимальными, (а вероятность ЭМ максимальной) в случае двухстороннего контакта пленки с подложкой, имеющей металлический тип связи. Поэтому были приготовлены сэндвичи со структурой AeSn-A-..-Sn-Аё. Согласно /88,89/, пара этих металлов обладает малой взаимной растворимостью ( 0,04 %); это должно способствовать образованию резкой границы контактирующих пленок.
Таким образом, перечисленные в I.I-I.4 задачи имеют цель: выявить особенности физических свойств УДС, возникающие вследствие изменения состояния и увеличения доли поверхностных атомов. Задачи связаны между собой предметом и методом исследования. А именно: предмет исследований - особенности магнитных, структурных и динамических свойств, обусловленные малостью размеров частиц; метод исследований - ЯГРС. Для решения этих задач потребовалось развитие новых методик приготовления образцов. Этим вопросам посвящена следующая глава.
Механизм образования мелкодисперсной фазы при лазерном напылении железа
Режим свободной генерации. Типичные параметры импульса излучения: Е- I - 150 дж; О- Ю7 Вт/см2; . - Ю 3 с. Этот режим обладает большой эффективностью испарения. Массу продуктов испарения можно приближенно оценить по формуле, справедливой для режима развитого испарения M-E/l0L, где L - удельная теплота испарения. Скорость поступления вещества на подложку составляет 3 5 10 - 10 А/с. Угловое распределение продуктов выброса описывается законом Ламберта (в отсутствии кратера в мишени). При образовании кратера формируется более узкая струя. Относительное ко-личество ионов в паре составляет 10 . Температура атомов при плотностях потока 10 - 10 Вт/см составляет 0,1 - I эв. Режим модулированной добротности. Характерные параметры: Е 0,1 - 10 Дж; /О Ю8 - Ю12 Вт/см2, - (5 - 50) Ю 9 с. В таком режиме происходит испарение малого количества вещества (на 1-2 порядка меньше, чем в предыдущем случае) и сильный его на-грев излучением. Скорость поступления вещества на подложку -10 о О - 10 А/с. Угловое распределение продуктов выброса описывается функцией COS в , где в - угол между нормалью к поверхности и направлением выброса. При столь больших плотностях потока может происходить многократная ионизация испаренных атомов (например, для АЄ получены ионы с Z = 10). Температура ионов /[ в плазме не зависит от испаряемого вещества. При Р = 10 Вт/см Ті = 2 эв, а при р = Ю12 Вт/см2 Ті- 100 эв. Для этих двух режимов величина Р определяет физические - 35 процессы, происходящие при взаимодействии излучения с металлами /101/. Время Ъ , за которое поверхность в зоне облучения нагревается до температуры испарения. Тц вещества, можно оценить по формуле где Л - теплопроводность, То - начальная температура мишени, С - теплоемкость единицы массы, и - плотность вещества, 0- плотность потока поглощенного излучения. При "низких" плотностях потока ( О 10 Вт/см ) взаимодействие излучения с металлическими поверхностями не сопровождается испарением, и распространение тепла вглубь мишени хорошо описывается уравнениями теплопроводности. "Умеренные" плотности потока (10 /О 10 Вт/см ) для большинства металлов приводят к фазовому переходу с изменением агрегатного состояния вещества - плавлению и интенсивному испарению. При "высоких" плотностях ( 0 10 - 10 ) происходит испарение малого количества вещества и нагрев паров до высокой температуры. Образующаяся в начальной стадии импульса плазма является непрозрачной для излучения и экранирует поверхность от дальнейшего нагрева излучением.
Большинством работ, посвященных лазерному методу напыления, выполнено с применением твердотельных 0КГ, работающих в режиме свободной генерации. Благодаря сравнительно низкой энергетике частиц эрозионного потока (с— 0,5 эв) не наблюдается ионного распыления подложки и образования радиационных дефектов. Пленки имеют лучшую структуру и более гладкую поверхность, чем образованные из высокоэнергетичной плазмы (С 10 с), а при напылении гете-роструктур - более резкую границу раздела слоев. Режим обладает наибольшей эффективностью испарения, однако за счет пичкового характера импульса излучения пленки получается, как правило, весьма неоднородные по толщине из-за выбросов с поверхности мишени мел - 36 -ких частиц и капель испаряемого вещества.
Под давлением газа при испарении расплавленный металл выдавливается в стороны вдоль поверхности мишени /103/, но в момент разгрузки (конец импульса излучения или отдельного пичка в режиме свободной генерации) оставшаяся жидкость вскипает и направление выброса капель совпадает с максимумом диаграммы разлета паровой фазы. В /104/ было показано, что диаграмма направленности продуктов лазерной эрозии определяется плотностью потока излучения на мишени О и размером области испарения (при диаметре области испарения и З мм, длительности импульса VT с и плотности р 10 + 5 . 10 Вт/см толщина соударительной области п Ъ мм, а ширина диаграммы направленности по уровню 0,5 лоС ±arcty(d/2h) 60 1 В /93/ было также показано, что на качество пленки большое влияние оказывают условия фокусировки излучения на поверхности мишени. Суммируя результаты /93, 103, 104/ можно сделать вывод, что для получения однородных бездефектных пленок предпочтительно использовать беспичковые импульсы с пологим задним фронтом и расфокусировать луч на поверхности мишени.
Мы использовали квазинещгещвный режим работы твердотельного лазера /98,120/. Этот режим по энергетическим параметрам идентичен режиму свободной генерации (и, следовательно, обладает высокой эффективностью испарения), но отличается от последнего более гладкой формой импульса излучения (см. осциллограмму на рис.4). Такой режим был ползгчен для лазеров на неодимовом стекле с диффузным отражателем и сферическими зеркалами в оптическом резонаторе, близком к конфокальному. Были использованы диэлектрические зеркала с коэффициентом пропускания 99 % и 50 % и радиусом кривизны поверхности 750 мм. Максимальная энергия импульса составляла 120 Дж при частоте повторения — 2 имп/мин. Модуляция интенсивности импульсного излучения не превышала 10 %. Параметры подобного лазера приведены в работе /105/. Лазерный луч расфокусировался (расстояние от линзы до мишени было больше фокусного расстояния линзы), и его диаметр на поверхности мишени для нормального падения составлял 3-4 мм при фокусном расстоянии линзы —85 мм. Интенсивность излучения лазера варьировалась с помощью энергии накачки. В процессе испарения на мишени формировалась лунка в виде "блюдца" с диаметром, много большим ее глубины. Сглаженная форма импульса и описанные условия фокусировки обеспечивали "мягкое" (без брызг) испарение вещества. Следует отметить, что при напылении металлов описанные условия напыления легко воспроизводятся, надежны и вполне достаточны для эффективного исключения твердых и жидких продуктов разрушения мишени на подложке без неоправданных технологических усложнений (таких, например, как использование нагретого экрана, отражающего газовый поток /99,100/). В дальнейшем этот режим напыления был использован нами для приготовления сэндвичей.
Зависимость вероятности эффекта Мёссбауэра и температуры Дебая от толщины слоев и материала подложек
Для получения тонких пленок металлов, удовлетворяющих требованиям, необходимым для изучения ПЭП с помощью ЭМ, нами были исследованы оптимальные условия испарения некоторых веществ /98/. Исследовался квазинепрерывный режим работы лазеров с гладким импульсом излучения. Элементы, обладающие большим коэффициентом оптического отражения, (например, алюминий) удалось испарить лишь после того как поверхность образцов - мишеней была почернена графитом.
Некоторые из исследованных элементов, пленки которых были использованы в данной работе перечислены в таблице 3. Во второй колонке для каждого из ВЄЩЄСТЕ приведена энергия излучения лазера в импульсе с0 , при которой за один импульс на подложке об о разовывалаеь пленка толщиной — 100 А. В таких пленках отсутствовали макродефекты в виде капель и мелких твердых частиц, выброшенных с поверхности мишени (наблюдения проводились на оптическом микроскопе). При_ Е Е0 получались пленки больших толщин, однако для каждого элемента существовала некоторая предельная энергия Еп , начиная с которой вещество испарялось с брызгами и пленки становились неоднородными. Обычно Еп превышала Е0 на несколько десятков джоулей.
Энергия Ь0 определяется такими характеристиками вещества, как теплота испарения L , теплопроводность 35 и коэффициент оптического отражения поверхности мишени. Если построить диаграмму, на которой по оси ординат отложить энергию. Е0 , а при оси абсцисс - L , то видна пропорциональность между Е0 и L. . По такой диаграмме можно оценить энергию лазерного излучения в импульсе, необходимую для получения однородной пленки того или иного элемента таблицы Менделеева.
Оценка степени неоднородности пленок по толщине проводилась с помощью измерения коэффициента оптического поглощения в различных участках пленок на микрофотометре МФ-4 и составляла не более 10 - 15 %.
Количественной мерой загрязнения пленки остаточными газами в напылительной камере в процессе напыления может служить величина 0= %/2 » здесь - количество атомов напыляемого вещества, осаждаемое за время напыления на поверхности подложки; Vs - количество частиц остаточного газа, ударяющихся о поверхность подложки в течение того же времени. Таким образом, величина и равна среднему за время напыления количеству атомов напыляемого вещества, приходящихся на один примесный атом остаточного газа. Легко видеть, что V6=S-d-s -N/A , где S - площадь подложки (примем О = I см ); U- толщина пленки, напыленной за импульс; си - плотность вещества; /V - число Авогадро; А - грамм-атом напыляемого вещества. -Согласно /112/, % = 3,5 ІО22 -Р/М0 Т , где 2 - время напыления, г - давление остаточного газа в камере; М0- грамм-молекула остаточного газа; / - температура камеры. Тогда: Отсюда следует, что при фиксированном значении и. О пропорционален величине І/гіф = I/C\r , которая характеризует эффектив-ный ваку м Например, напыление пленки за время 10" с в ваку о уме 10"" Тор эквивалентно напылению пленки той же толщины в ватт кууме 10 Тор в течение нескольких секунд. Значение и для пленок железа и олова, приготовленных разными способами, оценивались по формуле (14) и приведены в таблице 4. Принималось, что //0= 40 (для /\Г ) по причинам, обсуждаемым ниже. Из полученных результатов следует, что при лазерном напылении сэндвичей ферромагнетик - олово, загрязнение пленок остаточ-ными газами очень мало ( один атом примеси на — 2 10 атомов вещества). Таким образом, в нашей работе пленки приготавливались в условиях не менее "чистых", чем, например, в работах /41,42/, где ПЭП исследовалась другими методами. Рассмотрим теперь загрязнение пленки в паузах между импульсами при послойном осаждении. В соответствии с результатом /112/, время осаждения монослоя на чистой поверхности пленки м.с. — 5-Ю / и для сэндвичей ферромагнетик-олово составляет не менее двух минут. Время между двумя последовательными импульсами лазера 20 с. Поэтому, несомненно, что в паузах поверхность пленки частично загрязняется, однако при очередном импульсе она в значительной тепени очищается потоком атомов осаждаемого вещества. Это подтверждается следующими соображениями.
