Введение к работе
Актуальность темы
Для развития электронной техники необходимо создание ферромагнитных материалов с высокой магнитной проницаемостью. Тонкие ферромагнитные плёнки являются перспективными объектами для решения данной задачи. Данные материалы интенсивно исследуют в связи с созданием электрофизических устройств: средств для хранения информации высокой плотности, датчиков магнитного поля и приборов для СВЧ диапазона. Наиболее полно изучена взаимосвязь между структурой и статическими магнитными параметрами тонких плёнок. Установлены закономерности, позволяющие получать материалы с требуемым значением коэрцитивной силы, активно изучаются причины возникновения и способы изменения степени магнитной анизотропии. В то же время, взаимосвязь между структурой и динамическими магнитными свойствами тонких плёнок неизвестна. Необходимо исследование корреляций между структурными и высокочастотными магнитными параметрами тонких ферромагнитных плёнок.
Наиболее перспективными магнитомягкими материалами являются вещества на основе твёрдого раствора Fei.xCox, обладающие максимальным значением намагниченности насыщения среди известных ферромагнетиков. При этом, для изучения магнитной анизотропии тонких плёнок целесообразно использование модельного магнитоодноосного материала Со.
Вакуумные методы нанесения тонких плёнок позволяют получать объекты высокой плотности, однородности и чистоты. Подбор условий роста тонких ферромагнитных плёнок позволяет получать материалы со специфическими характерным размером кристаллов ферромагнетика, распределением кристаллов по размерам и относительным содержанием фазы аморфного металла, что используют для управления магнитными свойствами тонких плёнок в широком диапазоне. При использовании вакуумных методов получения тонких плёнок существует возможность одновременного нанесения ферромагнитного и диэлектрического веществ, что приводит к формированию тонкоплёночных композиционных материалов. Совместимость технологических режимов нанесения металлических и диэлектрических веществ определяется конструкцией вакуумной установки; композиционные материалы с магнитным наполнителем дают дополнительную возможность управления магнитными свойствами тонких плёнок.
Магнетронное распыление на постоянном токе приводит к получению плёнок с размерами кристаллитов от единиц до десятков нм. В силу специфики процессов массопереноса и распыления, задача масштабирования технологических установок с использованием магнетронов постоянного тока облегчена. Разработка технологических подходов получения тонких ферромагнитных плёнок с использованием магнетронов постоянного тока, основанная на понимании взаимосвязи структура - магнитные свойства,
актуальна для поиска и производства эффективных материалов - поглотителей электромагнитного излучения требуемого частотного диапазона.
Цель работы
Целью данной работы являлось определение взаимосвязи между строением и динамическими магнитными параметрами тонких плёнок на основе Со и Fe7oCo3o и изучение возможности управления высокочастотными магнитными свойствами тонкоплёночных материалов на основе Со и Fe7oCo3o в частотном диапазоне 1-10 ГГц. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
Получение тонких плёнок Со магнетронным распылением на постоянном токе с использованием различных значений набора технологических параметров; изучение взаимосвязи между строением и магнитными параметрами плёнок Со.
Получение тонких плёнок твёрдого раствора ГеуоСозо, выявление взаимосвязи структура - магнитные параметры для данных объектов.
Получение тонких плёнок композиционного материала Fe7oCo3o-Si02 магнетронным сораспылением в вакууме. Исследование взаимосвязи между высокочастотными магнитными свойствами и структурой композиционных плёнок на основе Fe7oCo3o-
Создание многослойных структур на основе металлических и композиционных плёнок Fe7oCo3o- Определение изменения высокочастотных магнитных параметров полученных объектов в зависимости от параметров многослойного материала.
Научная новизна
Обнаружен и впервые опубликован способ управления частотой естественного ферромагнитного резонанса (е-ФМР) в плёнках Со в диапазоне 2,9-7,3 ГГц при помощи изменения скорости нанесения металла. Предложена модель, описывающая формирование кристаллитов определённого размера в плёнках Со, приводящее к изменению частоты е-ФМР. Подробно исследовано влияние кристаллической текстуры на магнитные свойства плёнок Со. Предложен способ изменения ориентации оси текстуры при помощи регулирования направления стока заряда, проходящего через ферромагнитную плёнку в процессе роста.
Установлено, что выявленные закономерности роста плёнок Со не работают при росте плёнок твёрдого раствора Fe7oCo3o- При этом, для плёнок Fe7oCo3o, зависимость частоты е-ФМР от размера кристаллитов аналогична зависимости, обнаруженной для плёнок Со. При формировании композиционного материала (Fe7oCo3o)i-x(Si02)x частота е-ФМР уменьшается от 10,2 до 5,7 ГГц. Обнаружено, что уменьшение частоты е-ФМР и максимального значения /л" при увеличении количества ферромагнитных слоев для многослойного материала (Fe7oCo3o)97(Si02)3-Si02 происходит медленнее, чем для многослойного материала Fe7oCo3o-Si02. Предложен новый подход к исследованию степени упорядочения в твёрдых растворах системы Fei_xCox,
основанный на изучении эффекта Мёссбауэра и оценке вероятности осуществления комбинаций относительного расположения атомов Fe и Со. Показано, что твёрдый раствор Fe7oCo3o обладает большей степенью
упорядочения ПО ТИПу CsCl В КОМПОЗИЦИОННЫХ ПЛёНКаХ (Fe7oC03o)95(Si02)5 по
сравнению с металлическими плёнками Fe7oCo3o-
Практическая значимость работы
Разработанные способы формирования заданных магнитных параметров тонких ферромагнитных плёнок могут быть использованы при создании опытно-конструкторских электрофизических установок по изготовлению материалов с интенсивным поглощением СВЧ излучения в частотном диапазоне современной сотовой связи. Результаты работы могут быть использованы для разработки новых магнитных материалов для СВЧ диапазона. Предложенный подход к созданию новых магнитных материалов, основанный на изучении строения тонких магнитных плёнок, применим для развития теоретических представлений о динамических магнитных свойствах вещества.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту
-
Частота естественного ферромагнитного резонанса fres плёнок кобальта монотонно возрастает от 2,9 до 7,3 ГГц при увеличении скорости нанесения от Vd = 4,3 до 7,0 нм/мин. Возрастание частоты коррелирует с возрастанием размера кристаллитов кобальта от 5 до 50 нм и шириной распределения кристаллитов Со по размерам от 5 до 70 нм.
-
Плёнки Со, полученные магнетронным распылением на постоянном токе, обладают одноосной текстурой. Ось текстуры изменяет ориентацию в зависимости от скорости нанесения кобальта. При скорости Vd = 4,3 нм/мин ось текстуры находится в плоскости плёнки и перпендикулярна оси лёгкого намагничивания. В случае Vd = 7,0 нм/мин ось текстуры перпендикулярна подложке. Изменение ориентации оси текстуры связано с направлением стока заряда, проходящего через металлическую плёнку при нанесении.
-
Предложена модель, объясняющая изменение частоты естественного ферромагнитного резонанса при изгибе ферромагнитных поликристаллических плёнок. В рамках предложенной модели, анализ значений частот fres, измеренных для изогнутых плёнок, показывает, что плёнки Со с частотой fres = 2,9 ГГц обладают большей свободной энергией, чем плёнки Со с частотой^ = 7,3 ГГц. Уменьшение свободной энергии связано с уменьшением объёма аморфного кобальта и переходом магнитных моментов в плоскость плёнки.
-
Структурные изменения при повышении скорости нанесения Vd вызваны увеличением поверхностной температуры подложки при росте плёнки. Сравнение плёнок Со, полученных при минимальной и максимальной доступных скоростях нанесения показывает, что в случае Vd = 4,3 нм/мин доминирующий процесс при росте плёнки - зародышеобразование. Для Vd = 7,0 нм/мин становится возможным расширенный рост зародышей.
-
Частота fres понижается от 10,2 до 5,7 ГГц при формировании композиционных плёнок (Fe7oCo3o)94(Si02)6 по сравнению с металлическими плёнками ГеуоСозо- При этом происходит уменьшение коэрцитивной силы от 200 до 20 Э. При содержании а композите c(Si02) > 21 об. % происходит переход плёнок в суперпарамагнитное состояние.
-
Изменение высокочастотных магнитных параметров при формировании десятислойного материала с прослойками SiC>2 сильнее в случае использования ГеуоСозо по сравнению с (Fe7oCo3o)97(Si02)3- Уменьшение частоты е-ФМР и максимального значения pi " составляет Afres = 2,4 ГГц, Арі" = 8 для Fe7oCo3o и Afres = 1 ГГц, Арі" = 10 для (Fe70Co3o)97(Si02)3.
-
Предложена модель, описывающая изменение распределения
57-е.
сверхтонкого поля на ядрах ге в зависимости от атомной структуры твердого раствора Ге7оСо3о- Степень упорядочения Fe7oCo3o по типу CsCl в композиционной плёнке (Fe7oCo3o)95(Si02)5 выше, чем в плёнке Fe7oCo3o-Упорядочение вызвано повышенной поверхностной температурой при росте плёнки за счёт сообщения энергии подложке потоком SiC>2.
8. Разработан технологический подход, позволяющий получать методом
магнетронного распыления плёнки на основе Со и Fei.xCox с заданными
высокочастотными свойствами.
Апробация результатов работы
Основные результаты работы доложены на двенадцати международных и всероссийских конференция. Среди них: международная выставка-симпозиум Американского вакуумного общества «AVS-58» (Нэшвил, США, 2011); 20-я международная конференция, посвященная магнитомягким материалам «SMM-20» (Кос, Греция, 2011); Вторая Всероссийская научная конференция с международным участием «Успехи синтеза и комплексообразования» (Москва, 2012); VI Всероссийская конференции «Менделеев-2012» (Санкт-Петербург, 2012); Московский международный симпозиум по магнетизму «MISM-2011» (Москва, 2011); Ежегодная научная конференция ИТПЭ РАН (Москва, 2011, 2010, 2012); 5-я Всерос. конференция студентов и аспирантов «Химия в современном мире» (Санкт-Петербург, 2011); Междунар. Конфер. студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов» (Москва, 2012, 2011, 2010).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ. Среди них 3 статьи в зарубежном и отечественных реферируемых журналах из списка ВАК и 12 тезисов докладов на научных конференциях.
Личный вклад автора
Автором выполнена синтетическая часть работы: получены тонкоплёночные
материалы, использованные для исследования. Осуществлена интерпретация
результатов физико-химических исследований. Обнаружена
кристаллографическая текстура плёнок Со и корреляция между строением и магнитными свойствами плёнок Со. Предложен способ описания состояния
плёнок Со при помощи термодинамической функции состояния. Предложена модель, объясняющая сдвиг частоты естественного ферромагнитного резонанса при изгибе плёнок, основанная на использовании изменения свободной энергии. Предложен способ исследования степени упорядоченности твёрдого раствора Fei-xCox в тонких плёнках при помощи изучения эффекта Мёссбауэра. Разработана качественная модель, описывающая изменение структуры плёнок Со и Fe7oCo3o в зависимости от параметров нанесения вещества при магнетронном распылении.
Структура и объём работы
Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и списка цитируемой литературы, содержащего 138 ссылок. Работа изложена на 106 страницах печатного текста и содержит 63 рисунка, 1 схему и 8 таблиц.
