Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 9
1.1 Перспективы развития нанотехнологий 9
1.2 Магнитные гранулированные нанокомпозиты 18
1.3 Магнитосопротивление нанокомпозитных материалов 25
1.4 Магнитооптические свойства наноструктур 32
Глава 2. Методика эксперимента и описание установки 39
2.1 Магнитооптические эффекты в ферромагнетиках. 39
2.2 Феноменологическое описание экваториального эффекта Керра 43
2.3 Экспериментальная установка для измерения экваториального эффекта Керра 45
2.4 Автоматизация установки для измерения экваториального эффекта Керра. 47
2.5 Ошибки измерений 53
Глава 3. Магнитные и магнитооптические свойства аморфных гранулированных композиционных материалов 55
3.1 Образцы 56
Получение нанокомпозитов с высокими значениями магнитосопротивления 56
Аморфные гранулированные композиционные материалы ферромагнитный металл-диэлектрик 58
Гранулированные композиционные материалы ферромагнитный металл-диэлектрик, обладающие значительным туннельным МС 61
3.2 Спектральные и концентрационные зависимости ЭЭК 62
3.3 Полевые зависимости ЭЭК 65
3.4 Ферромагнитный резонанс (ФМР) в аморфных гранулированных нанокомпозитах 68
3.5 Механизм связи магнитооптических, магниторезистивных свойств нанокомпозитов и магнитострикции насыщения металлической фазы 71
3.6 Роль матрицы в формировании магнитооптических эффектов 74
3.7 Гранулированные композиты с гигантским туннельным магнитосопротивлением 77
3.8 Основные результаты 79
Глава 4. Магнитные и магнитооптические свойства гранулированных нанокомпозитов ферромагнетик- сегнетоэлектрик . 81
4.1 Введение 81
4.2 Образцы 82
4.3 Спектральные и полевые зависимости ЭЭК для нанокомпозитов (Со)х(Іл№>Оз)іоо-х 83
4.4 Эволюция магнитооптических свойств нанокомпозитов при изменении давления кислорода в процессе изготовления. 84
4.5 Магнитные свойства и ФМР гранулированных нанокомпозитов. 90
4.6 Обсуждение и основные результаты 93
Глава 5. Магнитооптические свойства гранулированных мультислойных наноструктур . 95
5.1 Введение 95
5.2 Образцы 96
5.3 Магнитооптические свойства мультислойных наноструктур [Co45Fe45Zr10/(a-Si)]4o 98
5.4 Магнитооптические свойства мультислойных наноструктур [(Co45Fe45Zrio)35(Al203)65/a-Si:H]3o 100
5.5 Основные результаты 105
Заключение 107
Литература
- Магнитные гранулированные нанокомпозиты
- Феноменологическое описание экваториального эффекта Керра
- Ферромагнитный резонанс (ФМР) в аморфных гранулированных нанокомпозитах
- Спектральные и полевые зависимости ЭЭК для нанокомпозитов (Со)х(Іл№>Оз)іоо-х
Введение к работе
Актуальность темы.
Устойчивый интерес к наноструктурам, возникший в последнее время, обусловлен возможностью значительной модификации и принципиального изменения качеств известных материалов при переходе в нанокристаллическое состояние. В низкоразмерных магнитных материалах, наблюдаются необычные физические явления, представляющие как самостоятельный научный интерес, так и важное практическое значение: гигантский магнитный импеданс (ГМИ), гигантское магнитосопротивление (ГМС) [1], гигантский аномальный эффект Холла (АЭХ) [2], аномальные оптические эффекты [3], сильный магнитооптический отклик [4].
Эти свойства нанокомпозитов лежат в основе широких возможностей их практического применения в различных областях техники: при разработке новых искуственных материалов для спинтроники и магнитофотоники, при создании элементов магнитной и магнитооптической записи, высокочувствительных датчиков магнитного поля и т.п.
Объектом интенсивных экспериментальных и теоретических исследований является вопрос взаимного влияния состава и микроструктуры на магнитные, магнитотранспортные, оптические и магнитооптические свойства пленочных нанокомпозитов. Несмотря на большое количество работ до сих пор нет достаточной ясности в понимании процессов, сопровождающих структурную перестройку вещества. Так как трудно предсказать свойства пленок, в которых значительную роль играют взаимодействия наночастиц между собой, с матрицей и с подложкой, при огромном влиянии размерных и поверхностных эффектов, накладываемых частицами, их границами и поверхностью пленок.
В связи с этим актуальным оказываются экспериментальные методы, позволяющие получить представление о внутренней структуре таких материалов и особенностях магнитного взаимодействия в них. К таким методам относятся магнитооптический и метод ферромагнитного резонанса, позволяющие изучать физические свойства в широком частотном диапазоне.
Оба эти метода чувствительны к наличию магнитных неоднородностей, к изменению формы и размера частиц, к их объемному распределению и к появлению новых магнитных фаз в образце.
С этой точки зрения детальные экспериментальные исследования магнитных, магнитотранспортных и магнитооптических свойств нанокомпозитных материалов в зависимости от состава, концентрации и технологических параметров получения необходимы, как для понимания общих закономерностей формирования физических свойств нанокомпозитов, так и для реализации практических задач и в первую очередь, для конструирования наноструктурных материалов с заданными магнитными и магнитооптическими характеристиками.
Цель данной работы состояла в исследовании особенностей магнитооптических и магнитных свойств двух групп наноструктурных материалов — спин-туннельных нанокомпозитов ферромагнитный металл - диэлектрик и спин-туннельных многослойных магниторезистивных структур ферромагнетик - полупроводник.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
проведение автоматизации экспериментальной установки для исследования ЭЭК.
исследование зависимости магнитооптических свойств аморфных гранулированных нанокомпозитах от состава металлических гранул
(Co84Nbi4Ta2)x(Si02)lOO-x,(Co45Fe45Zr,o)x(Si02)ioo.x,(C04iFe39B2o)x(Si02)lOO-x.
исследование влияния матрицы на магнитооптические свойства нанокомпозитов с гигантским туннельным магнитосопротивлением.
изучение влияния технологических условий получения на магнитные и магнитооптические свойства нанокомпозитов ферромагнетик -сегнетоэлектрик (Со)^(ЫЫЬОз) юо-л-
исследование магнитных и магнитооптических свойств мультислойных систем: [(Co45Fe45Zrio)/(a-Si)]4o и [(Co45Fe45Zrio)35 (Al203)65]/a-Si:H]3o.
Научная новизна и практическая ценность работы состоит в следующем:
В нанокомпозитных материалах, отличающихся друг от друга элементным составом, металлической составляющей обнаружено, что магнитооптический отклик возрастает в ряду нанокомпозитов с гранулами CoNbTa -» CoFeB -> CoFeZr и установлено наличие корреляции между максимальными значениями экваториального эффекта Керра, туннельного магнитосопротивления нанокомпозитов и магнитострикции насыщения материала металлических гранул.
При изучении влияния давления кислорода в распылительной камере на магнитооптические и магнитные свойства нанокомпозитов ФМ металл - сегнетоэлектрик установлено, что существует оптимальное значение давления кислорода, при котором достигаются максимальные значения магнитооптического отклика и расширяется концентрационная область существования нанокомпозитов с большим значением МС.
Впервые исследована зависимость МО и магнитных свойств от толщины полупроводниковых слоев для наномультислойной структуры нанокомпозит - аморфный гидрогенизированный Si -(Co45Fe45Zrio)35(Al203)65/aSiH. Обнаружено, что образование межгранульной полупроводниковой прослойки aSi:H в
7 мультислойной системе приводит к возникновению сильного обменного взаимодействия между изолированными гранулами ФМ сплава Co45Fe45Zrio через электроны проводимости Si.
Практическая ценность. Полученные в диссертационной работе результаты расширяют представление о магнитооптических явлениях в наноструктурных материалах. Результаты исследования могут быть использованы для развития технологий получения наноструктур необходимой конфигурации с заданными свойствами и для разработки новых материалов для спинтроники.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на: Международной школе - семинаре "Новые магнитные материалы микроэлектроники", Москва, 2002, 2004, 2006; Международном симпозиуме "Порядок, беспорядок и свойства оксидов ODPO -2003",Сочи, 2002, 2003, 2004, 2007; на секции по проблемам магнетизма в магнитных пленках, малых частицах и наноструктурных объектах, Астрахань 2003; XXI international conference on «Relaxation phenomena in solids (RPS-21)», Voronezh', October 5-8, 2004;, Московском международном симпозиуме по магнетизму MISM 2005, Москва, 25-30 июня, 2005; Всероссийской научной конференции молодых ученых и студентов, Краснодар, 2-5 октября 2006; II International Conference "Electronics and Applied Physics" Kyiv, Ukraine, 11-14 October 2006.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Полный объем работы -123 страницы машинописного текста, включая 60 рисунков, 4 таблицы и 105 библиографических ссылок.
Во введении обоснована актуальность изучения рассматриваемых в диссертации проблем, сформулирована цель работы. Обозначена научная новизна и практическая ценность работы, дана краткая
8 характеристика основных разделов диссертации. Представлена степень апробации, количество публикаций и структура диссертации.
Первая глава диссертационной работы носит обзорный характер. В ней изложены основные результаты экспериментальных и теоретических работ, посвященных исследованию свойств нанокомпозитных материалов на основе 3d металлов.
Во второй главе описана методика эксперимента и установка, для измерения экваториального эффекта Керра в области энергий падающего света 0.5 - 4.5 эВ в переменном магнитном поле ~ 2.5 кЭ. Автором проводилась автоматизация работы установки. Приводится блок-схема установки и алгоритм работы программного обеспечения.
Третья глава посвящена исследованию влияния элементного
состава ферромагнитной компоненты и матрицы на магнитные и
магнитооптические свойства аморфных нанокомпозитов
(Co84Nb14Ta2)x(Si02)ioo-x,(C045Fe45ZrIo)x(Si02)lOO-X, (C04lFe39B2o)x(Si02)iOO-x,
(Co45Fe45Zrio)x(Al203)ioo-x и нанокомпозитов, обладающих значительным туннельным магнитосопротивлением.
В четвертой главе представлены результаты исследований магнитных, магнитооптических и ФМР свойств гранулированных нанокомпозитов ферромагнетик - сегнетоэлектрик (Со)л(1лМЬОз)юо-* в зависимости от технологии изготовлении.
В пятой главе представлены результаты исследования магнитооптических свойств мультислойных систем ферромагнетик-полупроводник [Co45Fe45Zrio/(a-Si)]4o, и [(СО45рЄ45гг10)з5(АІ2Оз)б5/а-Si:H]30.
В заключении кратко сформулированы основные результаты диссертационной работы.
Магнитные гранулированные нанокомпозиты
Развивающаяся высокими темпами электронная техника ставит перед современной наукой задачи создания и исследование материалов с комплексом необычных физических свойств. К таким материалам, интенсивно изучаемым в последние десятилетие, относятся гранулированные композиты, состоящие из металлических ферромагнитных наночастиц, внедренных в диэлектрическую матрицу [14].
Важнейшей характеристикой гранулированного сплава металл-диэлектрик является значение порога перколяции рс. Вблизи критической объемной концентрации металла рс, имеет место переход металл-диэлектрик, так что при р рс система обладает металлической проводимостью, а при р рс является диэлектриком[15-17]. Гранулированные сплавы с концентрацией вблизи рс обладают уникальными свойствами. В рамках теории эффективного поля для трехмерной системы сферических частиц металла-диэлектрикарс= 0.33. Результаты численных расчетов рс для задачи узлов на простой кубической решетке дают значение рс « 0.32, а для других решеток и задачи связей - меньшие значения [15-17].
В экспериментах с подрешетками сферических частиц одного и того же диаметра было найдено рс = 0.27 ± 0.05 [19], что находится в соответствии с выводами теории. Другая ситуация наблюдается в напыленных гранулированных системах, для которых давно было замечено, что рс лежит в диапазоне 0.5-0.6 [1,18,20]. Поскольку значение рс может зависеть от многих факторов, включая форму частиц [21], характер ближнего и дальнего порядка [15-17], толщину пленок[19], высказывались различные точки зрения относительно наблюдаемых высоких значений рс, однако ни одна из них не соответствовала эксперименту. Так, согласно многочисленными микроскопическим исследованиям, форма границ близка к сферической; туннелирование должно уменьшать р «двумеризация» пленок толщиной 1-2 /лп при размерах гранул наномасштаба приводит лишь к незначительному изменению Рс[19].
Наличие перколяционного перехода в нанокомпозитах металл-диэлектрик обуславливает различные механизмы электропроводности в зависимости от концентрации фаз. Формирование бесконечной сетки соприкасающихся металлических гранул в композитах после порога протекания определяет металлический характер проводимости таких соединений, величина которой зависит от фрактальной структуры проводящих каналов. Для композитов с малой концентрацией металлической фазы нанометровые проводящие гранулы находятся в диэлектрической матрице, не касаясь друг друга, что обуславливает проявление квантовых механизмов переноса заряда в широком диапазоне температур для таких систем.
В современном обществе растет необходимость обрабатывать и хранить все большие и большие объемы информации. Следовательно, важнейшей задачей в области информатики и вычислительной техники в настоящее время является повышение плотности записи, и соответственно разработка новых конструкционных материалов и изучение их свойств. Очевидно, что для решения поставленной задачи необходимо уменьшить размер бита информации. Оказалось, что наиболее просто получить такую микроструктуру, которая бы удовлетворяла требованиям, предъявляемым к устройствам памяти для сверхплотной записи, можно в наногранулированных пленочных материалах. Для большинства известных металлов, таких как Fe и Со, гранулы могут иметь размеры от единиц до нескольких десятков нанометров. Свойства гранулированных нанокомпозитов (в том числе и размер магнитных частиц) критическим образом зависят от объемной концентрации ферромагнитной составляющей - X, которая может изменяться от 1 до 100%. Предполагается, что каждая магнитная частица гранулированного сплава несет один бит информации. Например, если расстояние между частицами составляет 100 пм, то ожидаемая плотность записи - 10 Гбит/см .
Успех в разработке и изготовлении таких наногранулированных систем в наибольшей степени определяется уровнем развития технологий, которые должны позволять с атомной точностью получать структуры необходимой конфигурации и размерности. Кроме того, важную роль играет развитие методов исследований свойств наноструктур, которые в свою очередь позволяют корректировать технологические процессы. Гранулированные магнитные системы могут быть получены различными методами осаждения, ионной имплантации [22,23], травления [24], электронно-лучевой литографии [25], однако ионно-плазменное магнетронное распыление является наиболее универсальным методом. Распыление можно производить с использованием только одной мишени (гомогенной или составной) или двух разных (металлической и диэлектрической). Метод независимых разделенных мишеней имеет ряд существенных недостатков и ограничений и, прежде всего, не обеспечивает гомогенное перемешивание в широком диапазоне концентраций и при большем наборе компонентов. В отличие от этого, при использовании специальной мишени с мозаичной структурой можно достаточно точно прогнозировать состав и свойства получаемых многокомпонентных пленочных материалов. Кроме того, изготовление единой многокомпонентной мишени с мозаичной структурой более экономично и технологично. Если какие либо компоненты хрупкие, или дорогие, то не надо изготавливать из них всю мишень, как в первом случае, а только отдельные вкладыши - мозаику. Важной особенностью получения гранулированных композитов является ограниченное число пар металл-диэлектрик, в которых возможно получение такой гетерогенной структуры [25]. Обязательным условием её формирования является несмачиваемость и нерастворимость компонентов друг в друге [26]. То есть поверхностная энергия ферромагнитной фазы должна быть больше, чем поверхностная энергия материала матрицы. Если данные условия соблюдаются, то в процессе формирования композита осаждаемые атомы металла будут собираться в гранулы, размеры которых определяются условиями получения. Фаза диэлектрика также будет формироваться отдельно от металлической фазы. Различными технологическими методами (например, отжигом) добиваются того, что малые ферромагнитные частицы однородно распределяются в немагнитной матрице. Поскольку наноструктура гранулированных материалов очень чувствительна к технологическим параметрам, таким как скорость осаждения, давление и атмосфера в камере распыления, температура подложки, то все эти условия должны тщательным образом контролироваться.
Феноменологическое описание экваториального эффекта Керра
Различные магнитооптические эффекты должны быть связаны между собой, поскольку имеют единое происхождение. Конкретные свойства материальной среды задаются в макроскопической теории магнитооптических явлений видом тензоров диэлектрической и магнитной проницаемости среды [є] и [д]. Некоторые общие свойства этих тензоров для магнитоупорядоченного состояния вещества можно установить феноменологически. В простейшем случае изотропной среды или кубического кристалла тензоры диэлектрической и магнитной проницаемости представляют собой антисимметричные тензоры второго ранга с одной комплексной недиагональной компонентой. Если недиагональная компонента отлична от нуля в тензоре [є], то среда называется гироэлектрической; если - в тензоре [и], то - гиромагнитной. В случае металлов среду можно считать гироэлектрической т.к. на оптических частотах значения магнитной проницаемости мало отличаются от единицы.
Динамический метод измерения ЭЭК состоит в детектировании малых изменений интенсивности отраженного света при перемагничивании образца переменным магнитным полем. Схема установки приведена на рис.12. Свет от источника фокусируется линзой на образце, который находится в зазоре электромагнита, создающего магнитное поле, амплитудное значение которого может достигать 2.5 кЭ. Между линзой и образцом находится поляризатор. Далее отраженный свет падает на входную щель монохроматора, выходящий параллельный пучок монохроматического излучения фокусируется на приемнике излучения, который питается от стабилизированного источника питания. Регистрируемый приемником постоянный сигнал, пропорциональный полной интенсивности отражаемого образом света, измеряется электрометрическим вольтметром В7-30 (либо поступает на первый канал АЦП). Измерительный тракт переменного сигнала, пропорциональный изменению интенсивности отраженного света при перемагничивании образца AR, включает селективный усилитель В6-9, фазовый детектор В9-2 и цифровой вольтметр Щ-300 (либо поступает на второй канал АЦП). Образец перемагничивается переменным полем электромагнита, частотой/- 70 Гц. Угол падения излучения ф = 70, температура комнатная.
Вольтметром В7-30 измеряется спектральная зависимость интенсивности отраженного от образца света R(co). С помощью детектора, подключенного к селективному усилителю регистрируется сигнал, пропорциональной глубине модуляции A R(co). Величина примерно на два-три порядка меньше, чем постоянная составляющая R(co). Это позволяет регистрировать обе величины и R, и A R одновременно. Для различных частот величина ЭЭК: S(co)=k[AR(a )/R(co)], где к - калибровочный коэффициент. Такой способ измерения практически исключает влияние нестабильности работы источника света и других приборов электронной части установки.
При автоматизации эксперимента мы использовали многофункциональную быстродействующую плату сбора информации L-154. Из всех ее возможностей нас пока интересует только АЦП, который может работать как в 32 канальном режиме с общей землей, так и 16 канальном дифференциальном режиме (Рис.13). Во втором случае измеряется разность напряжений между двумя входами канала. В нашей установке мы выбрали 16 канальный дифференциальный режим работы платы, что обусловлено желанием увеличить точность измерений и избавиться от «лишних» шумов и наводок.
Плата L-154 позволяет измерять аналоговый сигнал в диапазоне от -5.12В до +5.12В. Диапазон кодов, передаваемых платой программе, лежит в диапазоне от -2048 до 2047, что соответствует минимальному и максимальному напряжению. В случае превышения порогового сигнала устройство сохранит свою работоспособность в пределах ±20В. Время установки сигнала на АЦП равно 1.7 мкс.
Драйвер платы позволяет программным путем устанавливать несколько коэффициентов усиления, и в итоге мы можем производить измерения не только с шагом примерно 2.5-10-, а в 2 и 5 раз меньше, что, в случае необходимости, еще больше повысит точность измерения.
Начальный экран программы содержит основное меню программы при помощи которого осуществляется навигация по программе, список самых необходимых «горячих клавиш» для более быстрого и удобного доступа к нужным блокам. Создание экрана происходит автоматически при инициализации приложения. Помимо этого, в этой стадии происходит установка начальных параметров системы по умолчанию или сохраненных при предыдущем выполнении программы, выделение памяти системой для сохранения данных получаемых при проведении эксперимента.
Ферромагнитный резонанс (ФМР) в аморфных гранулированных нанокомпозитах
Измерения ФМР проводились резонаторным способам на спектрометрах на частотах 9.27 ГГц (прямоугольный резонатор, тип НКЙ) и 9.4 ГГц (цилиндрический резонатор, тип Нон) с применением обычной модуляционной техники при комнатной температуре. Выполнено две серий экспериментов. В одной изменялся угол наклона внешнего магнитного поля Н относительно нормали к плоскости пленки а. В другой - угол между полем Н и некоторым выделенным направлением в плоскости образца. В первой серии измерений переменное поле h лежало в плоскости пленки, во второй -перпендикулярно. Записи спектров проводились при возрастающем во времени поле Н.
Методом ФМР для нанокомпозитов (Co84Nbi4Ta2)x(Si02)ioo-x-измерялись значения резонансного поля Нрез и ширины линии поглощения АН в зависимости от ориентации Н относительно плоскости пленки. На рис.25 представлены зависимости Нрез от угла а для образцов с х =46.8 и 54.5 ат.%. На рис.26 представлены зависимости Нірез (Н11 п) и Нрез (Ніл) от х. Используя выражения для резонансных полей (со/у)2 = Н (Н + Н) для Нрез и со/у = Н - Н для Н±рез, где Н включает размагничивающие и эффективные поля анизотропии, можно найти значения g-фактора и величину Н. Такой расчет был проведен для образцов с х =48.6 и 54.5 ат.%, для которых резонансные поля находятся в области значений Н, достаточных для насыщения. Сравнение значений Н с измеренными величинами 4лМ показывает, что зависимости Нрез от х определяются, главным образом, ростом намагниченности при увеличении металлической фазы. Значения g-фактора для этих образцов равны 2 и 2.7 соответственно.
Во всем диапазоне полей (Н 5.5 кЭ) при записи сигнала ФМР наблюдается непрерывное смещение базисной линии из-за перестройки резонатора, связанной с ненасыщенным состоянием образца с концентрацией х хпер. При х = 45 - 54 ат.% интенсивность линий поглощения возрастает более, чем на порядок. При изменении х от 45 до 46 ат.% AHj. уменьшается скачком почти вдвое. АНц в этой области х изменяется незначительно. Возможно, такое поведение связано с появлением в районе перколяции большого разброса в форме и ориентации металлических гранул, дающих различный вклад в АНХ и АНц [90]. В области больших концентраций магнитной фазы х 54 ат.% наблюдается резкое увеличение АН для всех ориентации магнитного поля. На границах переходов от одной области к другой наблюдаются скачки АН, что может быть связано с перестройкой конгломератов металлической фазы. На фотографиях микроструктуры ясно видно, что при этих концентрациях происходит резкое изменение формы и расположения гранул. Они приобретают вытянутую форму и объединяются в цепочки. Именно в этой области наблюдается максимальное изменение ЭЭК.
Объединяя совокупность данных всех измерений — структурных, магнитооптических, магнитотранспортных и ФМР — можно сказать, что они находятся в полном согласии и подтверждают существующие представления о формировании наноструктурного ферромагнетика с большим магнитосопротивлением. Обнаруженные изменение спектров ЭЭК и ФМР связаны с трансформациями микроструктуры и топологии магнитных нанокомпозитов.
При сравнении результатов магнитных и магнитооптических исследований для аморфных гранулированных нанокомпозитов с различным составовом ФМ металлической компоненты, можно увидеть связь между максимальными значениями гигантского магнитосопротивления, экваториального эффекта Керра и магнитострикцией металлической фазы, из которой сформированы гранулы (рис.28, на этом рисунке приведены абсолютные значения представленных характеристик). При линейном увеличении значений магнитострикции насыщения ферромагнитных включений с переходом от CoNbTa к CoFeB и далее к CoFeZr линейно увеличиваются и ГМС, и ЭЭК.
Первое, что казалось бы могло просто объяснить подобную связь -это изменение расстояния между гранулами, приводящее к увеличению туннельной проводимости вследствие уменьшения ширины диэлектрического барьера при намагничивании нанокомпозитов. Оценки изменений размеров наногранул, диаметр которых d, даже при максимальном значении магнитострикции в этих нанокомпозитах Xs « 30-10"6, приводит к изменению (удлинению) диаметра гранул Ad, примерно на 10"13 при размерах диаметра d = 5 нм. Эта величина на два порядка меньше среднего атомного расстояния, и за счет таких изменений нельзя объяснить наблюдаемые увеличения проводимости о чем свидетельствуют теоретические оценки [91].
Наблюдаемые корреляции между магнитострикцией насыщения ферромагнитной фазы, максимальными значениями гигантского магнитосопротивления и ЭЭК обусловлены, по нашему мнению, одним и тем же механизмом и могут быть связаны с возрастанием вклада d-электронов и величины спин-орбитального взаимодействия в цепи нанокомпозитов с гранулами CoNbTa -» CoFeB - CoFeZr.
Плотность состояний на уровне Ферми для этих композитов была определена из изучения температурных зависимостей сопротивления при низких температурах [48]. До порога протекания в таких материалах в области низких температур выполняется закона Мотта. Это свидетельствует, что в такого рода композитах доминирует перенос заряда от гранулы к грануле путем прыжковой проводимости электронов по диэлектрической матрице от одной «оборванной» химической связи к другой (прыжковый механизм с переменной длиной прыжка по локализованным состояниям, лежащим в узкой полосе энергий вблизи уровня Ферми).
Проведенное изучение доказывает, что плотность локализованных состояний зависит от материала гранул и величина g(Ep) растет в ряду нанокомпозитов с гранулами CoNbTa — CoFeB — CoFeZr.
Увеличение плотности состояния поляризованных d-электронов вблизи уровня Ферми, как следствие, должно приводить к возрастанию их вкладов и в спин-зависящее туннелирование, и в рассеяние света, и в межзонные оптические переходы и приводить к росту магнитосопротивления, магнитострикции и магнитооптических эффектов в последовательности нанокомпозитов с гранулами CoNbTa - CoFeB - CoFeZr.
Кроме того величины магнитооптических эффектов и магнитострикции прямо пропорциональны величине спин-орбитального взаимодействия. Рост спин-орбитального взаимодействия в последовательности нанокомпозитов с гранулами CoNbTa -» CoFeB - CoFeZr также должен приводить к возрастанию вклада в спин-зависимое туннелирование и росту магнитосопротивления.
Спектральные и полевые зависимости ЭЭК для нанокомпозитов (Со)х(Іл№>Оз)іоо-х
Нанокомпозитные пленки (Co)x(LiNb03)ioo-x толщиной до 5 мкм были получены на универсальной установке ионно-лучевого распыления, которая позволяет одновременно распылять ферромагнитные металлические сплавы и диэлектрические материалы. При одновременном напылении кобальта и ниобата лития из составной мишени с переменным расстоянием между пластинами LiNb03, в едином технологическом цикле формировалась гранулированная структура с широким и непрерывным спектром концентраций металлической фазы в окрестности порога перколяции.
Видно, что форма кривых для гранулированных пленок значительно отличается от спектра ЭЭК однородного поликристалллического Со. Более того, амплитуда эффекта в нанокомпозитах в несколько раз превосходит величину эффекта для однородного образца. Изменение формы спектров ЭЭК и значительное увеличение эффекта для гранулированных пленок наблюдается не только в ближнем РЖ диапазоне спектра, как для нанокомпозитов Со(А1203) [96], (CoFeZr)SiC 2 [92], но и в области 3.0 -4.2 эВ. При сравнении исследуемых нанокомпозитов в матрице LiNb03 с другими нанокомпозитами с диэлектрическими матрицами типа Si02 или А120з, видно, что максимальные значения ЭЭК нанокомпозитов (Со)х(1л№)Оз) юо-х, наблюдающиеся в области энергии 1 эВ в 2-3 раза меньше.
Концентрационная зависимость ЭЭК имела немонотонный характер. Количество максимумов на концентрационной кривой и их положение зависело от длины волны падающего света (см. вставку на рис. 37). При исследовании полевых зависимостей 5 (Н) установлено, что для нанокомпозитов с х 44 ат.% наблюдается линейная зависимость 5 от величины магнитного поля (Н 2.5 кЭ). При дальнейшем увеличении концентрации ферромагнитной компоненты для кривых намагничивания наблюдалось ферромагнитное поведение с большими полями насыщения (рис.38).
В данном параграфе представлены результаты исследования влияния атмосферы в распылительной камере на магнитооптические свойства нанокомпозитов (Со)х (LiNb03 )юо-х Введение кислорода в распылительную камеру в процессе изготовления образцов приводит к усилению роли окислительных процессов.
Окислительные процессы могут приводить к появлению на поверхности гранул изолирующих оболочек, уменьшающих взаимодействие между частицами и снижающих намагниченность. Частично влияние окислительных процессов может идти и без введения кислорода в распылительную камеру - за счет разложения ниобата лития при высоких температурах. Этот эффект сильнее всего проявляется в образцах с большой концентрацией магнитной фазы. При введении кислорода окислительные процессы играют еще более заметную роль.
Для сравнения с предыдущей серией 1, были проведены исследования нанокомпозитов, напыленных на неохлаждаемую подложку без введения кислорода в распылительную камеру (серия 2), спектральные зависимости которых представлены на рисунке 39.
Из сравнения кривых на рис. 39 со спектрами ЭЭК нанокомпозитов серии 1 (полученных при другой температуре подложки) видно, что поведение спектров подобно для образцов с концентрацией х = 53% и х = 72%, но сильно различается для нанокомпозитов с концентрацией х 65-70%. Спектральные зависимости ЭЭК (5) для нанокомпозитов (Co)x(LiNb03)ioo-x полученные при различном давлении кислорода в распылительной камере представлены на рис. 41 и 42. На рисунке 41 представленны спектры частотной зависимости ЭЭК нанокомпозитов (Co)x(LiNb03)ioo-X5 полученные при давлении кислорода Р02 = 2.3-10"5 ТОРР (серия 4). Видно, что значение ЭЭК во всех областях спектра увеличивается вместе с ростом концентрации кобальта до х = 66.6 ат. %. Большое значение ЭЭК для всех образцов наблюдается в области энергии 1 эВ. Спектры частотной зависимости ЭЭК для нанокомпозитов, полученных при давлении кислорода Р02 до 3.2-10"5 ТОРР (серия 5) представлены на рисунке 42. По сравнению с предыдущей серией, значение ЭЭК также растет с увеличением концентрации кобальта, но максимальное значение эффекта в области энергий 1 эВ наблюдается уже при концентрации х = 68.6 ат. %. В нанокомпозитах с более высоким содержанием металлической фазы (х 68.6 ат.%) спектры частотной зависимости магнитооптического эффекта деформируются — возрастает область положительных значений ЭЭК. Максимальные значения ЭЭК в области энергии 2.5 - 4.0 эВ наблюдаются для нанокомпозитов с содержанием кобальта 70.5 и 73.5 ат. %. (5) нанокомпозитов (Co)x(LiNb03)ioo-x: (8) нанокомпозитов (Co)x(LiNb03)ioo-x: Р02 = 2.310"5ТОРР Р02 = 3.210"5ТОРР Концентрационные зависимости ЭЭК для этих серий представлены на рисунках 43 и 44. Видно, что положение максимума ЭЭК сдвигается с увеличением давления кислорода, т.е. для нанокомпозитов с Р02 = 2.3-10"5ТОРР (серия 4) максимальные значения ЭЭК наблюдаются при х = 66.6 ат. %, а для Р02 = 3.2-10"5ТОРР (серия 5) - х = 68.6 ат. %. Исследования полевых зависимостей 8 (Н) при энергии световых квантов 2.89 эВ показали, что их поведение также зависит от давления кислорода в распылительной камере. Для систем с давлением кислорода Рог = 2.3-10" ТОРР линейная зависимость ЭЭК от магнитного поля наблюдается при концентрации Со до 66.6 ат.% (рис.45) и после 66.6 Рис. 45. Полевые зависимости ЭЭК (5) Рис. 46. Полевые зависимости ЭЭК (5) нанокомпозитов (Со)х(ЬіМЬОз)юо-х при нанокомгтозитов (Со)х(Ь1ЫЬОз)юо-х при энергии световых квантов 2.89 эВ, энергии световых квантов 2.89 эВ, Р02 = 2.310"5ТОРР. Р02 = 3.2105ТОРР. ат.% начинается нелинейное поведение полевых зависимостей. Для серии с Р02 = 3.2-10 ТОРР (рис.46). Линейная зависимость наблюдается при увеличении концентрация Со до 68.6 ат.%, а нелинейная зависимость начинается с концентрацией 70.5 ат.%, т.е. граница перехода от суперпарамагнитного поведения к ферромагнитному смещается в сторону больших концентраций магнитной фазы. На рисунках 47 и 48 представлены спектры частотной и концентрационной зависимости ЭЭК нанокомпозитов с концентрацией х = 66.6 ат. % для различных серий. Из представленных кривых видно, что максимальные значения ЭЭК в ближней ИК области наблюдаются при увеличении давления кислорода до 2.3 10"5 ТОРР. Из рис. 47 следует, что степень изменения ЭЭК от давления кислорода зависит от длинны волны. В области больших энергий 3.05 эВ при увеличении давления кислорода до 3.2 10"5 ТОРР величина ЭЭК падает, и остается практически неизменной при дальнейшем увеличении давления кислорода.
