Введение к работе
Актуальность работы
Магшггные пленки находят все более широкое применение в качестве магниточувствительных элементов датчикоз смещения, скорости, вращения и т.д. во многих отраслях промышленности, таких как машиностроение, транспорт, робототехника, компьютерная техника.
Использование пленок вместо традиционных объемных материалов открывает при этом принципиально новые возможности, так как обеспечивает возможность миниатюризации датчиков и их массового изготовления на базе промьшшенных технологий микро- и оптоэлектр оники.
Любой такой датчик должен удовлетворять следующим требованиям: чувствительность к слабому магнитному полю, малые собственные шумы, компактность, простота, дешевизна и т.д. Эти требования стимулируют поиски новых перспективных магнитных материалов и улучшение физических свойств известных материалов.
Физические принципы, лежащие в основе функционирования магнитных датчиков, можно разделить на следующие: индукционные (И), магнитооптические (МО), магниторезистивные (MP), магнитоимпедансные (МИ) и т.д. Первый тип датчиков функционирует за счет индуцирования ЭДС в съемной катушке, контур которой охватывает магнитную пленку, при изменении внешнего магнитного поля. Второй тип подразделяется на две разновидности, одна из них основана на применипш МО эффекта Керра (МОЭК), а другая на МО эффекте Фарадея (МОЭФ). МОЭК проявляется в изменении амплитуды и поляризашіи света при отражении от намапшченной поверхности, в то время как МОЭФ заключается в изменении поляризации света при прохождении его сквозь намагниченную среду. MP и МИ датчики близки между собой, т.к. в обоих используется
изменение сопротивления материала (многослойной структуры, магнитной ленты, проволоки, пленки) под действием внешнего магнитного поля. Разница заключается лишь в том, что в MP датчиках изменяется омическое сопротивление, а в МИ - волновое. MP, МИ и МОЭФ датчики в последнее время получили наиболее широкое распространение.
Материалы, используемые в качестве пленок для магнитных датчиков должны удовлетворять ряду специфических свойств. В частности, материалы для МОЭФ датчиков должны иметь высокое фарадеевское вращение, достаточно высокую прозрачность в диапазоне излучения коммерчески доступных лазерных источников. Наилучшим образом этим условиям удовлетворяют полумагнитные полупроводники, поэтому задача их получения в виде пленок является актуальной.
Другими важными материалами для вышеуказанных применений являются ферромагнетики. Необходимо получение материалов, обладающих магнитомягкими свойствами, высокой проницаемостью, контролируемой анизотропией. Например, для МИ эффекта функциональные возможности активного магнитного элемента во многом зависят от анизотропии и коэрцитивности материала. Высокую величину МИ сенсорного эффекта можно получить только на тех пленках, которые обладают низкой коэрцитивностыо и малой величиной дисперсии анизотропии. Первым шагом к получению таких материалов является переход от материалов, обладающих мапштокристаллической анизотропией, к аморфным. Однако, присутствие вігутренних механических напряжений, как и в случае кристаллической структуры, приводит к анизотропии магнитострикционной природы. Для снижения внутренних механических напряжений обычно применяется термомагнитная обработка. Однако, ее применение может привести к кристаллизации и к ухудшению свойств ішенок в связи с разностью температурных коэффициентов расширения пленки и подложки.
Поэтому более целесообразным является использование материалов, состав которых подобран таким образом, чтобы скомпенсировать матнитострикцию. Аморфные материалы со скомпенсированной магнитострикцией яшгяются многокомпонентными и существуют в узком диапазоне составов. Для того, чтобы получить пленки аморфных магнетиков со скомпенсированной мапптгострикцией, необходима методика, обеспечивающая конгруэнтный перенос исходного материала мишени на подложку. Этому условию удовлетворяет импульсное лазерное напыление. Таким образом, получение магнитных пленок лазерным методом и всесторонние исследования их магнитных свойств являются насущными и актуальными задачами для обоих групп материалов. Однако, до настоящей работы идея использования лазерного напыления для синтеза пленок аморфных ферромагнитных материалов не рассматривалась. Использование же лазерного напыления для пленок полумагнитных полупроводников ограничивалось исследованием переноса материала, но не магнитных свойств.
Цель работы заключается в синтезировании лазерным напылением аморфных ферромагнитных (ФА) и полумапштных полупроводниковых (ПП) пленок со свойствами не хуже, чем у объемных материалов. Особое внимание в работе уделяется исследованию фундаментальных свойств пленок и выявлению их перспекпгвности для применения в качестве чувствительных элементов датчиков магнитного поля.
В диссертации решены следующие научные задачи. Методом лазерной абляцией синтезированы ФА и ПП пленки типа Co-Fe-Ni-Si-B и CdMnTe. Исследованы и оптимизированы их оптические и магнитные свойства.
Научная новизна 1. Впервые на основе лазерной абляции предложена и разработана кетодика получения пленок магнитомягюгх аморфных ферромагнетиков
типа Co-Fe-Ni-Si-B по свойствам (структуре, составу, коэрцитивное и т.д.), близким к свойствам исходных материалов. Установлены зависимости магнитных свойств пленок от температуры подложки и толщины пленок.
2. Предложен и реализован новый метод лазерного напыления
магнитных материалов, использующий внешнее неоднородное магнитное
поле. Показано, что магнитное поле с пространственной неоднородностью
порядка 1 см и величиной до 3 кЭ приводит к изменению пространственной
структуры лазерного факела, снижению коэрцитивности пленок и
увеличению скорости их осаждения более чем в 2 раза.
3. Впервые исследован эффект Фарадея в полупрозрачных аморфных
ферромагнитных пленках типа Fe-Co-Ni-Si-B. Показано, что для указанных
пленок величина эффективной константы Верде при насыщающих полях ~1
Э составляет 3 град/(Э-см). Установлены зависимости керровского и
фарадеевского вращения от толщины пленки.
4. Методом лазерного напыления синтезированы пленки полумапштных
полупроводников Cdi_xMnxTe и исследованы их свойства. Впервые
измерены зеемановское расщепление и смещение края фундаментального
поглощения для двух циркулярно-поляризованных компонент излучения во
внешнем магнитном поле для напьшенных лазером тонких пленок
полумагнитного полупроводника CdMnTe. На основе экспериментов
оценена константа обменного взаимодействия между (.^-электронами и d-
электронами, локализованными на магнитных ионах. Показана
перспективность полученных пленок для магаитооптических устройств и
сенсоров.
Практическая значимость работы
Результаты, полученные в настоящей работе могут быть использованы в области материаловедения, приборостроении и измерительной техники.
Пленки полумапшпшх полупроводников, полученные методом лазерного осаждения, могут быть использованы в приборах и планарных структурах, основанных на применении МОЭФ, вследствие хороших оптических и магнитооптических свойств. Кроме того, лазерное осаждение пленок Cdi,xMn„Te позволяет обеспечивать точный контроль концентрации х, изменяющей параметр решетки, что делает пленки Cdj.xMnxTe хорошим кандидатом для оптоэлектронной техники.
Аморфные ферромагнитные FeCoNiSiB пленки, полученные методом лазерного осаждения, могут применяться в качестве магнитных сердечников и магниточувствителыгьгх элементов в датчиках магнитного поля. Низкие величины коэрцитивносга и поля анизотропии, высокая твердость, коррозийная стойкость и т. д. делают аморфные пленки перспективным материалом для сенсоров на основе MP и МИ эффектов.
Физическое явление изменения пространственной структуры лазерного факела при приложении неоднородного магнитного поля, которое впервые наблюдалось в данной работе может иметь важные применения. Этот эффект может быть использован при лазерном осаждеіпга не только аморфных магнетиков, но и многих других магнитных материалов. Данное явление также позволяет изучать кинетику магнитных ионов в лазерном факеле.
Апробация работы.
Основные результаты работы были представлены на Седьмой Международной конференции по II-IV соединениям и приборам (Эдинбург, Великобритания, 1995), 40-й Международной конференции по магнетизму и магнитным материалам (Пенсильвания, США, 1995) и на XI Европейской конференции "Eurosensors" (Варшава, Польша, 1997).
Публикации.
Основные результаты работы, представленные в диссертации, опубликованы в восьми печатных работах (5 статей и 3 тезиса конференций).
Структура и объем диссертации
