Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Обзор литературы 13
1.1. Магнитная структура тонких пленок и оптический фурье-анализ 14
1.2. Наведенная магнитная анизотропия ТФП 18
1.2.1. Перпендикулярная магнитная анизотропия и причины ее возникновения 23
1.2.2. Наведенная магнитная анизотропия аморфных пленок 25
1.3. Функция распределения частиц по размерам в применении к процессам роста пленок 27
1.4. Разупорядочение и аморфные структуры 31
1.5. Дефекты и основные виды релаксационных процессов в тонких пленках 34
I.5.I. Особенности улырадисперсных сред ...38
1.6. Постановка задачи исследования 39
ГЛАВА II. Технология препарирования и методики исследования ТФП 42
2.1. Получение ультрадисперсных ТФП в различных стадиях ориентированного роста ...43
2.I.I. Аморфные пленки системы переходной металл - редкая земля .47
2.2. Когерентные методики исследования магнит ной и дефектной структур кристаллического строения ТФП... 49
2.2.1. Малоугловое рассеяние электронов в применении к анализу К- и М-структур ТФП 49
2.2.2. Условия подобия электронных и опшических двумерных фурье-спектров 5^
2.2.3. Когерентная фурье-олшика изображений кристаллических и магнитных структур ТФП 57
2.2.4. Математические характеристики для описания спектрального состава, анизотропии, корреляционных свойств
К- и М-спектров систем ТФП ..б2
ГЛАВА III. Наведенная магнитная анизотропия и распределение пор в мелкодисперсных ТФП б5
3.1. Поведение ряби намагниченности в динамике 66
3.1.1. Дефокусирующий режим работы в лоренцевой микроскопии 66
3.1.2. Воздействие внешних магнитных полей на спектры ряби ТФП 69
3.2. Электронно-микроскопическое исследование кристаллической структуры мелкодисперсных пленок %,^79^ 72
3.2.1. Малоугловое рассеяние электронов в применении к анализу поровых систем мелкодисперсных ТФП 75
3.3. Влияние распределения пор на константу наведенной магнитной анизотропии Кц и характер магнитного спектра 7?
3.3.1. Зависимость Кц='т(2&) Электронно-микроскопическая оценка параметра анизотропии системы пор Эе. 81
3.3.2. Лазернодифрактометрическая оценка 98 84-
ГЛАВА ІМ. Регулярная магнитная структура и многофракционносгь поровых систем в ультрадисперсных ТФП
4.1. Специфика доменного разбиения в уЛЬТраДИСПерС-ных пленках
4.2. Структурные предпосылки возникновения регулярной магнитной структуры
4.3. Намагничивание ультрадисперсных пленок в перпендикулярных полях 94
4.4. Особенности кристаллического строения ультрадисперсних 9ё , Зе-Ж ТФП IG2
4.4.1. Структурные закономерности в ультрадисперс
них монокристаллах 102
4.5. МУР электронов от ультрадисперсных пленок Сравнение с ДКФ в лазерной дифрактометрии 108
4.6. Корреляция кристаллических и магнитных структур в спектральном представлении 112
ГЛАВА V. Особенности строения
5.1. Фильтрация двумерных фурье-спектров и восстановление улучшенного изображения аморфных структур . 119
5.2. Старение аморфных ТФП 121
5.3. Структурная мультиплетность аморфных пленок . "&Ъ
Выводы : 129
Литература
- Наведенная магнитная анизотропия ТФП
- Когерентные методики исследования магнит ной и дефектной структур кристаллического строения ТФП...
- Воздействие внешних магнитных полей на спектры ряби ТФП
- Намагничивание ультрадисперсных пленок в перпендикулярных полях
Наведенная магнитная анизотропия ТФП
Игнатченко [іо] теорию ряби намагниченности развивает на основе метода канонических разложений случайных функций координат р/р). В качестве р/г) выступает одноосная кристаллографическая анизотропия Вк , имеющая различный: единичный вектор .1(?)ъ каждом отдельном зерне. В работе получены вероятностные харак -16 іеристики шонкой магниіной сірукіурн ТФІІ - дисперсия намагниченности ЮЩ , корреляционная функция Кт(1}0) » спектральная плотность SmC uM ДНмеРные спектральные плотности Sm( t) характеризующие распределение волновых чисел Кі для Mfx) : л fa) =j fa Кг)с1 г - Я((Г?ЩМ (1-6) и для производной: + я $k Sfa)=JSt ( t,Kz)clKl- a(i;/U/d)3/ оказываются удобными для сравнения с электронно-микроскопическим экспериментом, проведенном впоследствии Эдельман Гц] . Данные уравнения имеют максимумы, соответствующие длинам волн:
Экспериментально полученные кривые микрофотометрирования колебаний плотности изображений и представляющие собойJ -- /257, обрабатывались методами спектрального анализа. Эю позволило определить характерные длины волн, корреляционную функцию и спектральную плотность колебаний намагниченности для пленок / , 45$ -S5 Со -10- толщиной 300 А, Оказалось, что тонкая магнитная структура имеет четко выраженные максимумы как на кривых спектральной плотности, так и для колебаний ее пространственной производной.
Исследуя причины, вызывающие появление статической стохастической магнитной структуры (CMC), йгнатченко утверждает, что CMC не связана с размерным тонкопленочным эффектом. Рябь намагниченности возникает во всех магнитоупорядоченных системах (включая аморфные магнетики) при наличии в них объемных микроскопических неоднородностей, имеющих анизотропный характер Гі2,І5І .
Основные параметры аморфного магнетика ( / » константа обмена d , величина р и направление [ локальной анизотропии) описываются случайными функциями координат и спектральных плотностей S[(к) каждого флуктуирующего параметра. Свойства возника - 17 ющей CMC зависят от соотношения между корреляционным радиусом Го- !и і определяющим неоднородности, и эффективным радиусом обменного взаимодействия їц= ЧІҐ . Если Гц / f , то магнитная система представляет собой невзаимодействующие (обменно) кристаллиты и спектральная плотность пространственных колебаний намагниченности определяется следующим выражением: . м . к . у /п S (r М)(К+кг) (1.8) где - дисперсия /уг) В данном случае S/ц не содержит константы обмена oi и ход Afs повторяет спектральную плотность S (%} функции неоднородностей pfr) В случае /J свойства CMC резко отличаются от свойств случайной функции, генерирующей данную структуру: " ЬКІХЇСфКїУ1 (1.9)
Радиус корреляции случайной функции м(г) определяется уже не -размерами кристаллитов, а константой взаимодействия и другими параметрами магнитной системы. Обменные корреляции превышают раз-упорядочивающее действие локальной анизотропии, устанавливая /% соседних кристаллитов параллельно друг другу с характерной длиной волны ряби /Кц\Т&]
Пространственные колебания намагниченности в ТФЇЇ экспериментально наблюдались многими авторами J 9,16-21,251 . Наиболее полный обзор, посвященный методике наблюдения доменной структуры с помощью лоренцевой микроскопии, представлен в Гі4—157 .
Впервые метод количественного определения ряби намагниченности с помощью лазерной дифракции от соответствующих микроснимков был развит в работах Г23-24І . Однако спектр ряби существенно зависит от условий электронно-микроскопической съемки - степени дефокусировки 2 » апертуры освещения Ыа , плотности почернения эмульсионного слоя фотопластинки /3 и т.п. Гі9І. Для того, чтобы получить истинный спектр ряби ( ?) пространственный частотный спектр () » где й= Vo корректируется передаточной функцией контраста фотопластинки К (о)(рис.1):
На рис.2а показан характер зависимости передаточной функции контраста К К от дефокусировки , апертуры освещения Ыв по данным работы Гі9І . С увеличением апертуры ЫА функция К Кх убывает, особенно при значительных степенях дефокусировки Z » В случае постоянной апертуры освещения pip, =0,5.10-5 рад. (рис.2б) увеличение приводит к "зарезанию" коротковолновых компонент ряби намагниченности, в то время как при малых длинноволновая часть спектра отображается незначительным кон -трастом.
Наведенная магнитная анизотропия { Кц ) является важнейшей характеристикой, определяющей характер доменной структуры ТФП, а также ее основные статические и динамические параметры. Ее возникновение связано с действием многих механизмов, исследованию которых посвящено большое количество теоретических и экспериментальных работ Г 1-5,28-33,38,40]. В ТФП помимо анизотропии формы, располагающей вектор / в плоскости пленки, обнаружен целый ряд различных видов магнитной анизотропии: кристаллографической, магнитоупругой, анизотропии, обусловленной наклонным падением молекулярного пучка, геометрическим фактором формы зерен, структурными дефектами и т.д., играющих различную роль в зависимости от степени ориентированного роста пленки, ее состава, технологии получения. Процесс формирования наведенной анизотропии существенно изменяется при переходе к мелкодисперсным пленкам.
Когерентные методики исследования магнит ной и дефектной структур кристаллического строения ТФП...
Электронно-микроскопические исследования кристаллической структуры ТФП обнаруживают высокую дисперсность зеренных размеров от десятков до сотен ангстрем, наличие разнообразных видов дефектов, среди которых основной процент содержания приходится на межзеренные границы, в состав которых, как правило,входят поры,
Все это позволяет считать кристаллическое строение ТФП далеко неоднородным по своей плотности. Доказательством последнего является наличие малоуглового рассеяния электронов (МУР) [72, 124-1271 , рентгеновских лучей от неоднородностей в строении Г 69-701. Согласно закону Вульфа-Бреггов угол, под которым идет рас - 50 сеяние на кристаллической решетке равен 5.10 3рад. Если следить за структурными пери одичяостями 10 1Ш00А, то пользуясь формулой Бульфа-Бреггов, рассеяние электронов переместится в область еще меньших углов Ю -Ю брад. Малоугловое рассеяние электронов, рентгеновских лучей представляет собой распределение интенсивнос-тей рассеянного света, в геометрии которого отражается форма, распределение по размерам, а также взаимное пространственное расположение структурных элементов и их плотность Гб9-70]
Применяя метод малоуглового рентгеновского рассеяния, Фукс [37,95,106,107] в пленках различных материалов определил характеристики пористости в зависимости от температуры подложки, угла напыления, скорости осаждения, степени вакуума, а также при естественном и искусственном старении. Оказалось, что микропоры различной дисперсности имеют разную чувствительность к воздействию старения, отжига, а также радиационного облучения.
Методика МУРа электронов. Малоугловое рассеяние электронов осуществляется специальным режимом работы электронного микроскопа 1М -ЮОБ. Анализ распределения структурных неоднородностей размером от 10 до 10 А, присутствующих в мелко- и ультрадисперсных средах, требует значительного увеличения эффективной длины колонны микроскопа L , определяемой соотношением [l4,124-1271 : где i0 - фокусное расстояние объективной линзы ( 0 =1,6 мм), У- увеличения проекционной и промежуточной линз соответственно. I) t Регулируя токи проекционной и промежуточной линз, можно разгонять эффективную длину колонны микроскопа от 1.6 до 52 м. Следует отметишь, что МУР не зависит от внутреннего строения структурных неоднородностей и не позволяет установить разницу между кристаллическими и аморфными частицами. В связи с этим малоугловое - 5/ рассеяние широко применяется для изучения структурных неоднород ностей в пленках различной природы (кристаллических,аморфных,по о о лиэтиленовых) с периодачностями от нескольких А до сотен,ТЫСЯЧ А.
Согласно развитым представлениям Гзб1 , однокомпонентные пленочные конденсаты можно рассматривать гетерогенной системой, состоящей из двух фаз - металла и совокупности пор,представляющих собой квазикомпонент пустоты. Используя известный в оптике принцип взаимности, малоугловое рассеяние не изменится, если поменять местами компоненты в двухфазной системе. Поэтому нельзя однозначно утверждать, что является рассеивающими элементами - зерна или поры. Однако количественную интерпретацию малоугловых элек-тронограмм многие авторы, как правило, приводят в терминах зерен-ных размеров.
МУР электронов в монокристаллических пленках. На рис.8 представлены структуры Ж (а,в) и Ж-Ж (Д,&) пленок и соответствующие им картины МУРа электронов (б,г,е,з). Основным видом структурных неоднородностей, вызывающих малоугловое рассеяние помимо ансамбля пор, являются дислокации, двойниковые и малоугловые границы. Как видно из микроснимков (а,в) пленки м отличаются тол щиной. Если в структуре (в) присутствуют поры, ограняющие блоки о размером 400-500А вдоль кристаллографических направлений роста
ГіЮІ , то в К-структуре (а) поры отсутствуют, на их месте сформировались малоугловые и двойниковые границы. Однако картины МУРа электронов существенно отличаются. Верхний МУР имеет изотропное диффузное рассеяние, в то время как для второй структуры (в) МУР электронов представляет собой квадрат (г). Это дает основания считать, что уровень интенсивности МУРа, обусловленный дислокаци- ями, малоугловыми, двойниковыми границами, довольно мал в сравнении с порами. Данный метод оказался более чувствительным для анализа распределения пор, их формы и ориентации.
Воздействие внешних магнитных полей на спектры ряби ТФП
По характеру сложности электронно-микроскопических изображений кристаллические (К) и магнитные (М) структуры ТФП являются прекрасными объектами, где может быть применена статистика случайных процессов и полей (10-11,30-31,40 ] . В работах ГіІ9-І20] раз-работана методика спектрального анализа изображений подобного рода с использованием модели случайных процессов и реализована на ЭВМ. Поскольку ТФП более полно аппроксимируются двумерным случайным К- и М-полем, то важным дополнением к цифровой обработке подобных структур служат оптические когерентные методы получения дифракционных картин Фраунгофера (ДКФ), представляющие собой спектр мощности исходного.электронно-микроскопического изображения [П0-ІІ2І .
Переход от электронно-микроскопического изображения (координатное пространство) к его фурье-аналогу, или ДКФ (волновое про-странство) уменьшает избыточность информации и упрощает задачу распознаваяия. Фурье-спектр всегда симметричен относительно оптической оси независимо от того, есть ли симметрия в исследуемом изображении или нет. Это позволяет считать оптическую ось опорной точкой, делать относительно нее частотные разрезы и строить инвариантные признаки ГІ2І-І221 .
Рассмотрим блок-схему когерентного спектроанализагора, основанного на явлении дифракции Фраунгофера (рис.9 Прил.).-В качестве источника света используется гелий-неоновый лазер ЛГ-76. Далее располагается оптическая система линз /,f, позволяющая расширить световой пучок до необходимой апертуры. На входе в оптический анализатор ставится преобразователь, который осуществляет пространственную модуляцию падающего света. Роль транспаранта Т (элемента записи входного сигнала) может выполнять фотопленка, либо фотопластинка исследуемой структуры, которая для коррекции фазовых шумов помещается в иммерсионный канал, представляющий собой кювету из 2-х плоскопараллельных стекол, в которую заливается жидкость с показателем преломления равным показателю преломления фотоэмульсии (с Ц =1,478 может служить керосин, либр четыреххлорисгый углерод).
Световая волна от лазера направляется на транспарант 7 находящийся в плоскости (х,у) и модулируется функцией прозрачности Т (х,у). Математически процесс модуляции записывается в виде свертки двух функций, образующих входной сигнал: hfoyh Т(щ) Е(хф І(%у)еХр{-І[В(ЦУ)+ №,(/)]} (2.4)
Линза Lo преобразует входной сигнал в другое рас пределение E$jfx(.it$) которые связаны между собой двумерным преобразованием Ф рье /1227 : где /\ - некоторый постоянный коэффициент,tj)L= ,AL=-L -прост - л Jh JAr -59 i ранственные частоты, Л - длина волны лазера ( Я = 6328А), f - фокусное расстояние линзы. Для преобразования светового распределения в электрический сигнал используется фотоумножитель (ФЭУ-27), осуществляющий считывание интенсивности света в любом заданном направлении. После этого электрические сигналы могут быть направлены по следующему каналу сопряжения ФЭУ- -ЭШЬ квантователь "Силуэт"- -ЭВМ (рис.9,Прил.). В случае необходимости в плоскости фурье-спектра может помещаться фотоаппарат для регистрации спектра на фотопленку. Внешний вид когерентного спектро-анализагора показан на рис.Ю.(Прил.). При анализе изображений данный оптический вычислитель имеет динамический диапазон 60 дб, разрешающая способность которого достигает 30 штрихов/мм. Когерентная оптическая обработка является оперативным и наглядным методом количественного описания магнитной и кристаллической структуры ТФП, позволяет проследить за характером изменения К- и М-спектров при различных внешних воздействиях. На рис.10 показаны примеры магнитных структур и соответствующие им оптические фурье-спектры. По характеру распределения пространственных частот можно судить о количественном составе компонент ряби, степени их анизотропии, весовой плотности и т.д. На рис.10а показана доменная структура пленки і с высокой степенью наведенной анизотропии ((ц 105эрг/см3), видны четкие 180 доменные границы и малоугловая рябь ( jf v ю). Соответствующий фурье-спектр представлен на рис.106. Если магнитная структура лишена выраженной анизотропии (рис.Юв), ДКФ имеет изотропное распределение пространственных частот (рис.Юг). Фурье-спектр от лабиринтной магнитной структуры феррит-гранатовой пленки (рис.Юд-е), может быть получен как с изображения, так и непосредственно с самого объекта, поскольку период доменов сравним с оптической длиной света
Намагничивание ультрадисперсных пленок в перпендикулярных полях
Своеобразная перестройка МЦДС обнаружена в ультрадисперсных монокристаллических пленках , полученных при добавлении Щ-.
Воздействие перпендикулярного магнитного поля приводит к охлопыванию 180 микрополосовых доменных границ и образованию направленных вдоль ОЛН ЗбО-соседств, легко распадающихся (в силу наличия градиента Hi ) на отдельные замкнутые микродомены размером IOOOA (стрелка I) рис.19г(Прил.). Наличие данных микродоменов на фоне ряби намагниченности усложняют колебания вектора Af5 и кроме известных для тонкопленочного планарного состояния коротковолновых и длинноволновых компонент Л$к , 2щ появляются области "перпендикулярной" ряби.
При интерпретации электронно-микроскопических изображений ряби намагниченности принимается, что амплитудное значение / по всей поверхности пленки постоянно. Однако, в ультрадисперсных средах наличие развитой бугорковой морфологии на поверхности обуславливает появление незначительных локальных отклонений угла выхода П$ из плоскости пленки, что приводит к амплитудному изменению ее плоскостной составляющей [49,100]. В результате этого конфигурация ряби намагниченности резко усложняется, наблюдается особый тип доменного разбиения - каналы, появлению которых способствует нелинейная рябь, возникающая при действии Wj .
Достаточно веским и наглядным доказательством сосуществования планарной Кц и перпендикулярной К± составляющих наведенной магнитной анизотропии, обуславливающих формирование различного типа доменного разбиения, служит одновременное наблюдение микрополосовой доменной структуры с периодом! 0,14 мкм на доне ряби намагниченности в С -(/У пленки рис.20 (Дрил.)» полученной ионно-плазменным осаждением.
В данном параграфе с помощью просвечивающей электронной микроскопии рассматриваются отличительные особенности микроструктуры ультрадисперсных (Л и Й-лі пленок в сравнении с обычными мелкодисперсными. Специфика К-структуры ультрадисперсных пленок проявляется при усилении условий неравновесности достигаемых боль 0 шими скоростями осаждения ( ЮА), низкими температурами подложки, микролегированием. В ультрадисперсных средах основным структурным дефектом являются большеугловые, либо малоугловые зеренные границы [94,101,1301 . При- размерах зерен 50А появляется избыточная энергия, связанная с межзеренными границами, повышенная концентрация которых делает ультрадисперсную структуру пленок энергонасыщенной и крайне неустойчивой. В связи с этим необходимо выяснить механизм и кинетические закономерности, по которым реализуется разрядка ресурса неравновесности и соответствующих процессов релаксации, позволяющие в дальнейшем найти причины их стабильности &32-133,13б] .
Рассмотрим электронно-микроскопические изображения кристаллической структуры и фрагменты соответствующих элекгронограмм Зе-Ж пленок толщиной 400А, полученные при одинаковой темпе - і оз ратуре подложки ( 2:150) в мелкодисперсном (рис.27а) и ультрадисперсном (рис.236-е) состояниях. В структуре мелкодисперсной пленки наряду с размером о.к.р. 300-500А присутствуют достаточно о крупные поры размером І00-500А. Предварительное создание на подложке Mil центров кристаллизации 1-і т высокой плотности приводит к формированию более сплошной пленки и с более высокой сте -пенью ориентированного роста. Микродобавка LIJ способствует снижению на 50-70С температуры эпитаксии. О наличии в ультрадисперсной монокристаллической пленке значительной плотности дефектов, четко сориентированных, свидетельствует появление сверхструктурных тяжей на рефлексах соответствующей электронограммы (рис.236). Картина малоуглового рассеяния электронов, полученная с данной пленки также имеет крестообразный характер и полностью повторяет геометрию в распределении интенсивности болыпеугловых рефлексов.
Проведенная оценка параметров структурных .неоднородностей по кар 0 тине МУРа позволяет определить их размеры, равные 300-800А, двумерное распределение которых подчеркивают кристаллографические направления ГіІОІ . Возникновению таких дефектов, как дислокации, -.....,- о дефекты упаковки, двойники мешает малый 20-50А размер зерна. Подобных дефектов в ультрадисперсных монокристаллах (к-М , в отличие от мелкодисперсных (рис.23а),не наблюдается. При переходе к ультрадисперсным средам вместе с уменьшением размера зерна до о 20-50А увеличивается их кривизна, приводящая к усилению поверхностной активности зерен, вызывая их миграцию и определяя тем самым специальный тип релаксационных процессов - спекание, агрегирование Г 93,94-1 .
