Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время большой научный и практический интерес специалистов в области физики конденсированного состояния и перспективных технологий вызывает синтез и исследование физических свойств материалов, состоящих из металлических наногранул, хаотично распределенных в диэлектрической матрице. Научный интерес к наноком-позитам обусловлен уникальной структурой таких материалов - в сплошной среде сосуществуют две совершенно различные фазы (металл и диэлектрик), причем, если доля фазы составляет менее 40-50 ат. %, она существует в композите в виде отдельных частиц нанометрового размера. Такой маленький размер гранул приводит к появлению у композитов уникальных магнитных, электрических, магниторезистивных и других свойств, которые до сих пор не получили достаточно убедительной физической трактовки.
Практический интерес к гранулированным нанокомпозитам, содержащим ферромагнитную металлическую фазу, обусловлен тем, что их магнитная проницаемость не зависит от частоты до СВЧ диапазона. Поэтому, как сами материалы, так и процессы, ответственные за высокие значения магнитной проницаемости, активно исследуются в настоящее время. Вместе с тем, все исследованные ранее композиты характеризовались простым составом металлической фазы (как правило, гранулы формировались из одного элемента Со, Fe, Ni). Данное обстоятельство значительно ограничивает возможности влияния на свойства композита в целом за счет изменения характеристик металлической фазы. Поэтому принципиально важным является исследование как возможности получения гранулированной структуры в сложных, многоэлементных системах, так и изучение зависимости свойств композитов от свойств фаз, их формирующих. Кроме того, все исследованные композиты содержали металлические гранулы с кристаллической структурой и вследствие этого обладали магнитокристаллической анизотропией, что не является положительным свойством для магнитомягких материалов, которые призваны функционировать в изменяющихся магнитных полях. Вместе с тем, исследований магнитных свойств композитов с аморфной структурой ферромагнитных гранул до сих пор почти не проводилось. Помимо этого, практически не изученными остаются вопросы влияния термической обработки на магнитные свойства композитов, взаимосвязи изменения индивидуальных свойств фаз, формирующих композит, и свойств композита в целом.
Тематика данной работы соответствует "Перечню приоритетных направлений фундаментальных исследований", утвержденных Президиумом РАН (раздел 1.2 - «Физика конденсированных сред», подраздел 1.2.5 -"Физика твердотельных наноструктур, мезоскопика"). Работа является частью комплексных исследований, і пР#В0Д№Щ,,71Щ иїШІДрЄ физики
твердого тела Воронежского государственного технического университета по госбюджетной теме НИР № ГБ 2001.23 «Синтез, структура и физические свойства перспективных материалов электронной техники», а также гранта РФФИ № 02-02-16102 "Высокочастотные магнитные и магниторезистивные свойства нанокомпозитов аморфных металлов в диэлектрической матрице".
Цель работы: экспериментальное исследование влияния состава, условий получения и последующей термической и термомагнитной обработки некоторых гранулированных нанокомпозитов ферромагнетик-диэлектрик с аморфной структурой на комплексную магнитную проницаемость в ВЧ диапазоне.
В соответствии с целью были сформулированы следующие задачи:
1. Методом ионно-лучевого распыления получить композиты,
содержащие аморфные гранулы сложного состава CoFeB, CoFeZr в матрице
Si02 и А1203.
Исследовать зависимость комплексной магнитной проницаемости от концентрации металлической фазы, элементного состава гранул и матрицы.
Изучить влияние реактивных газов кислорода и азота на величину комплексной магнитной проницаемости аморфных нанокомпозитов.
Исследовать влияние изотермических и термомагнитных отжигов на величину комплексной магнитной проницаемости.
Научная новизна. В работе впервые:
1. Изучены высокочастотные магнитные свойства аморфных гранулированных композитов со сложным составом металлической фазы (СоаіРсз^ВзоМАШДоо.,» (Со4jFe^B2оМSi02)nw.„ (Co^F^sZricMSiOjW* и (Co^Fe^ZrioXfAkO^iM^t в широком интервале концентраций. Установлено, что в области составов, содержащих менее 50 ат. % металлической фазы, композиты проявляют суперпарамагнитные свойства, а при высоком содержании металлической фазы - ферромагнитные.
2. На основе магнитных измерений предложено разделение
ферромагнитных композитов на две группы: композиты с лабиринтной
структурой из проводящих каналов в диэлектрической матрице и
«объемного» ферромагнетика с включениями диэлектрической фазы.
3. Исследовано влияние постоянного магнитного поля на величину
комплексной магнитной проницаемости аморфных нанокомпозитов и
определено преимущественное направление оси легкого намагничивания
(ОЛН). Установлено, что преимущественное направление ОЛН определяется
конкуренцией магнитной анизотропии, индуцированной механическими
напряжениями на границе пленка-подложка и анизотропии формы образца.
4. Экспериментально установлено влияние реактивных газов
кислорода и азота на величину комплексной магнитной проницаемости
нанокомпозитов: при увеличении парциального давления 02 и N2 значения Ц
и (і уменьшаются, а порог перколяции сдвигается в сторону больших концентраций металлической фазы.
5. Исследовано влияние изотермических и термомагнитных отжигов на величину комплексной магнитной проницаемости. Показано, что изотермические отжиги могут повышать или понижать величины Ц И Ц в зависимости от формируемой при этом магнитной анизотропии. Термомагнитные отжиги в перпендикулярном магнитном поле в композитах с ферромагнитным упорядочением приводят к росту величин Ц И Ц.
Практическая значимость работы. Исследования действительной и мнимой частей комплексной магнитной проницаемости показали, что изменением состава и концентрации ферромагнитной фазы в диэлектрической матрице, а также последующей термомагнитной обработкой можно управлять величинами |і и (.і" в широких пределах и использовать данные композиты в качестве магнитно-мягких ферромагнитных материалов в ВЧ и СВЧ диапазонах.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту:
Для нанокомпозитов из аморфных гранул CoFeB, CoFeZr в матрице Si02 и А1203 в области порога перколяции наблюдается резкий рост действительной и мнимой части комплексной магнитной проницаемости, связанный с образованием бесконечного магнитного кластера.
Введение в распылительную камеру кислорода и азота снижает величину комплексной магнитной проницаемости нанокомпозитов и смещает порог перколяции в область большей концентрации металлической фазы.
Термическая обработка ферромагнитных композитов в зависимости от состава гранул и матрицы может повышать или понижать величины (і И ц" вследствие конкуренции различных факторов: снижения внутренних напряжений, уменьшения электрического сопротивления и изменения магнитной анизотропии композитов.
Термомагнитная обработка в перпендикулярном магнитном поле повышает величину Ц И ц" для композитов с высоким содержанием металлической фазы вследствие доминирующего влияния наведенной магнитной анизотропии.
Апробация работы. Основные положения и научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: научных семинарах кафедры физики твердого тела Воронежского государственного технического университета, а также Международной школе - семинаре «Нелинейные процессы в дизайне материалов» (Воронеж, 2002); Международной конференции «Moscow international symposium on magnetism MISM'2002» (Москва, 2002); XVIII Международной школе - семинаре «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (Москва, 2002 ); IV Международной научно-технической конференции «Электроника и
информатика 2002» (Зеленоград, 2002); V научной молодежной школе «Микро- и наносистемная техника» (Санкт-Петербург, 2002); Международной конференции «Действие электромагнитных полей пластичность и прочность материалов» (Воронеж, 2003); Международном семинаре «Выездная секция по проблемам магнетизма в магнитных пленках, малых частицах и наноструктурных объектах» (Астрахань, 2003); II Байкальской Международной конференции «Магнитные материалы» (Иркутск, 2003); Международной научно-технической конференции «Межфазная релаксация в полимерах ПОЛИМЕРЫ-2003» (Москва, 2003); X Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых «ВНКСФ-10» (Москва, 2004); XIX Международной школе - семинаре «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (Москва, 2004).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных статей и 7 тезисов докладов на Российских и Международных конференциях.
Личный вклад автора. Автором выполнены все эксперименты по измерению намагниченности и комплексной магнитной проницаемости. Проведена обработка экспериментальных результатов средствами вычислительной техники. Автор участвовал в обсуждении результатов эксперимента и проводил подготовку научных статей для печати.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введе-ния, трех глав, библиографического списка из 101 наименования, изложена на 119 страницах, включая 52 рисунка.
