Ферромагнитные резонансные свойства наноструктурированных композитных и многослойных плёнок

Ефимец, Юрий Юрьевич

Ферромагнитные резонансные свойства наноструктурированных композитных и многослойных плёнок тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Ефимец, Юрий Юрьевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Сыктывкар МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Ферромагнитные резонансные свойства наноструктурированных композитных и многослойных плёнок»

Автореферат диссертации на тему "Ферромагнитные резонансные свойства наноструктурированных композитных и многослойных плёнок"

На правах рукописи

м-

ЕФИМЕЦ ЮРИЙ ЮРЬЕВИЧ

ФЕРР0МА1ТМШЫЕ РЕЗОНАНСНЫЕ СВОЙСТВА НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ КОМПОЗИТНЫХ И МНОГОСЛОЙНЫХ

ПЛЁНОК

01.04.07 - физика конденсированного состояния

А ПТАПГ/КГП А Т

/иэ 1 иіХФШЛі

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

9 ОЕЗ Ш

Челябинск-2012

005010449

Работа выполнена на кафедре радиофизики и электроники Сыктывкарского государственного университета

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, доцент Асадуллин Ф.Ф.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Бычков И.В кандидат физико-математических наук, Харисов А.Т.

Ведущая организация:

Институт физики Дагестанского Научного Центра РАН

Защита состоится 24 февраля 2012 г. в 14:00 на заседании диссертационного совета Д 212.296.03 в Челябинском государственном университете по адресу: 454021, г. Челябинск, ул. Бр. Кашириных, 129, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Челябинского государственного университета.

Автореферат разослан 23 января 2012г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук /' Е.А. БЕЛЕНКОВ

Актуальность темы. Прогресс естественных наук в XXI веке в области нанотехнологий позволил создать индустриально-стратегическое направление, которое определит в будущем страны лидеры мирового экономического роста. Перспективность научного направления, связанного с исследованием наноструктурированных материалов (наноматериалов), включающих в себя наноэлементы (гранулы, слои, имеющие наноразмеры) подтверждают громадные средства, выделяемые в мире на эти исследования. Результатом таких исследований являются создание новых материалов с качественно новыми физическими свойствами. Устройства электронной техники, созданные на основе нанотехнологий и новых наноструктурированных материалов, обладают рядом преимуществ: малыми размерами и малыми временами срабатывания. Перспективными наноматериалами для создания элементов магнитной записи, датчиков магнитного поля, СВЧ поглощающих покрытий, СВЧ устройств, считаются наноструктурированные композитные материалы, состоящие из магнитных гранул, внедренных в немагнитную матрицу. Поскольку длина СВЧ волн на несколько порядков превышает толщину исследуемых плёнок и тем более наногранул, то очень трудно создать тонкие композитные плёнки, которые достаточно сильно поглощали бы СВЧ излучение. Для этого необходимо провести огромную серию экспериментов по исследованию характеристик СВЧ ферромагнитного резонанса наноструктурированных плёнок различных составов и концентраций металлических и диэлектрических фаз, а также влияния внешних факторов, таких как температура, внешние магнитные поля, и отжиг. В ходе исследований необходимо выявить критические явления, возникающие в плёнках под действием на них электромагнитных полей при изменении температуры образцов, температурного отжига и постоянного магнитного поля. Результатом таких комплексных исследований должно стать создание технологий изготовления тонких наноструктурированных композитных или многослойных плёнок имеющих нужные свойства. В ходе работы предполагается выявить связь между магнитными, проводящими, критическими свойствами и наноструктурой композитных (металл-диэлектрических) и многослойных плёнок: композит-композит, композит-полупроводник. Для определения влияния наноструктуры на ФМР свойства плёнок предполагается определить: толщины плёнок и слоев, размеров и топологии наногранул, удельного электрического сопротивления, химического состава композитных и многонанослойных плёнок.

Тема данной диссертации соответствует перечню приоритетных направлений фундаментальных исследований, утверждённых Президиумом РАН (раздел 1.2. - «Физика конденсированного состояния вещества», подраздел 1.2.5. - «Физика твёрдотельных наноструктур, мезоскопия»). Диссертационная работа является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре радиофизики и электроники ГБОУ ВПО Сыктывкарского государственного университета и при финансовой поддержке Министерства образования и науки (темплан НИР) и грантов РФФИ (06-02-17302, 10-0201327).

Цель диссертационной работы заключается в исследовании ферромагнитных резонансных характеристик (ФМХ) (значений резонансных полей, ширины линии ферромагнитного резонанса (ФМР)) наноструктурированных композитных (металл-диэленрических) и многослойных (композит-композит, композит-полупроводник) плёнок в зависимости от концентраций металлической и диэлектрической фаз при разных температурах и определить связь изменения ФМХ с наноструктурой плёнок. Исследовать влияние температурного отжига на ФМХ композитных и многослойных пленок и на изменение наноструктуры плёнок.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Определены: ферромагнитные резонансные характеристики (ФМХ), удельное электрическое сопротивление, усреднённая намагниченность, состав композитных (Со45ре452гю)х(АЬОз)у (плёнки А серии), (СО45ре452Г10:О2)х(А12Оз)у (плёнки В серии) и

МНОГОСЛОЙНЫХ (КОМПОЗИТ-КОМПОЗИТ {(СО45ре4з2Г|0)х(А12Оз)у}120, (плёнки С серии),

композит-полупроводник {[(С045-Ре45-2г1о)х(А12Оз)у]-[а-8;]}1оо (плёнки Д серии), {[(С045-Ре45-ггю)х(А120з)у]-[а-8Ш]}1оо (плёнки Е серии) пленок при различной топологии магнитных наногранул.

2. Обнаружен эффект значительного изменения ФМХ композитных плёнок составов (Со45ре452г|о)х(АЬОз)у вблизи порога перколяции, вызванный изменением топологии магнитных наногранул, происходящем при изменении состава или температурного отжига плёнок.

3. Показано, что наличие частичной кристаллографической анизотропии магнитных гранул на границе с диэлектриком приводит к хаотизации магнитных колебаний соседних гранул, что вызывает значительное уширение и изменению формы линии ФМР.

4. Сильное влияние на ФМХ композитных плёнок оказывают наличие оксидных слоев магнитных гранул.

5. Аномальное изменение ФМХ при уменьшении температуры от комнатной до 77 К. Выявлено, что до порога перколяции, ФМХ для композитных плёнок определяются магнитным и обменным взаимодействиями между гранулами. В области, за порогом перколяции ФМХ и частоты магнитной релаксации нелинейно зависят от размеров наногранул.

Научная и практическая значимость работы. Полученные результаты могут быть использованы при дальнейших теоретических исследованиях радиофизических и электронных свойств магнитных наноструктурированных твёрдых тел, в том числе тонких плёнок многослойных структур. Приведённые в работе результаты могут использоваться при создании новых курсов лекций, таких как, «радиофизика и электроника наноструктурированных материалов». На основе анализа полученных результатов, также можно считать, что многослойные плёнки С-серии являются лучшей средой для изготовления устройств записи и обработки СВЧ сигналов, а для эффективных поглотителей СВЧ волн могут быть использованы тонкие плёнки Д- и Е- серий.

Положения, выносимые на защиту:

1. Показана корреляция между шириной линии ФМР и удельным электрическим сопротивлением в композитных и многослойных плёнках и слоях и от толщины слоев плёнок. Зависимости ФМХ (величины резонансного поля и ширины линии ФМР) от концентрации металлической фазы.

2. Показано, что ФМХ композитных и многослойных плёнок в основном определяется расстоянием между магнитными гранулами и наличием окисленного слоя в металлических гранулах.

3. Наличие малой кристалличности магнитных гранул значительно изменяет ФМХ аморфных композитных и многослойных плёнок.

4. Основной механизм взаимодействия магнитных гранул соседних слоев определяется эффективностью электронного обменного взаимодействия между слоями, поэтому ширина линии ФМР в многослойных плёнках определяется в основном шириной полупроводниковых слоёв.

5. Определён основной механизм влияния наноструктуры (размеров гранул и их топологии) на ФМХ композитных и многослойных плёнок.

6. Выявлен интервал температур отжига для композитных и многослойных плёнок определённых составов, в котором значительно изменяются ФМХ плёнок.

Апробация работы. Основные результаты, приведенные в диссертации, докладывались на Международном школе-семинаре «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (Москва, 2009); Международная зимняя школа физиков-теоретиков «Коуровка» (Екатеринбург 2008); Международная конференция “Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах” (Махачкала, 2007); IX международного семинара «Магнитные фазовые переходы» Махачкала, 2009); Всероссийской молодёжной конференции «Молодёжь и наука на севере»: (Сыктывкар, 2008); Всероссийской научной конференции студентов-радиофизиков (Санкт-Петербург, 2006, 2007); Всероссийская научная

конференция студентов-физиков и молодых ученых (2005,2006, 2007). А также на республиканских, внутривузовских и научных семинарах Сыктывкарского государственного университета.

Публикации. Результаты работы опубликованы в 2 статьях журналов ВАК и 1 статьи в международном реферируемом и рецензируемом журнале с высоким рейтингом цитирования, 9 статьях в сборниках трудов международных конференций и 10 тезисах всероссийских и международных конференций.

Личный вклад автора заключается в выборе и постановке задач исследований, проведение экспериментов и анализ полученных результатов, аналитических и численных расчетах.

Структура и обьём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка цитированной литературы и авторского списка. Работа изложена на 121 страницах. Список литературы содержит 115 наименований. Авторский список литературы составляет 22 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введения обоснована актуальность исследуемой проблемы, сформулирована цель и задачи диссертационной работы, обозначены полученные в диссертации новые результаты, раскрыты научная и практическая значимость работы, описана структура диссертации.

ферромагнетика во внешних магнитных полях на основе анализа уравнения движения вектора намагниченности, процессы свободных колебаний, процессы релаксации. Рассмотрены влияние аморфности магнитных металлов на резонансные частоты и

частоты магнитной релаксации и металла, ферромагнитый резонанса в композитных плёнках и его отличительные особенности. Рассмотрены ферромагнитно-резонансные характеристики (ФМХ) (значения резонансных полей и ширин линий ФМР), характерные для композитных (металл-диэлектрических) плёнок и их отличие от монокристаллических образцов[1-3].

Во. второй главе в разделе 2.1 описана методика ионно-лучевого распыления веществ для получения однослойных, композитных и многонанослойных плёнок.

в—разделе—12. приведена принципиальная схема и принцип работы радиоспектрометра ЭПР РЕ-1306, на котором снимались спектры ФМР плёнок на частоте 9.36 GHz. В экспериментах по исследованию спектров ФМР плёнок, постоянное магнитное поле было направлено касательно поверхности пленок. Переменное СВЧ магнитное поле ориентировано перпендикулярно постоянному полю и также касательно плоскости измеряемых образцов. Внешнее постоянное магнитное поле задавалось электромагнитом и изменялось от 12 до 7000 Э (развертка поля на спектрах аналогичная). Точность измерения зависела от продолжительности развертки, которая устанавливается (0.5-4000)-ЮАТ/мш. Для измерения магнитного поля применяется измеритель магнитной индукции Ш1-9, позволяющий на спектре расставить точные значения магнитных полей. Здесь же приведены методики измерений характеристик пленок при изменении температуры отжига, при изменении расположения пленки относительно магнитного поля.

В разделе 2.3 даны общие сведения и характеристики об исследованных нано структурированных композитных и многослойных пленках. Приведены фотографии фазового контраста поверхности композитных плёнок при разной концентрации металлической фазы, на которых демонстрируется, что все плёнки состоят из наноразмерных гранул.

Глава__3 посвящена исследованиям ферромагнитно-резонансных характеристик

(ФРХ) плёнок серии A (Co45Fe45Zrio)x(Al203)y и серии В (Co4JFe45Zr1o:02)x(Al203)y. Пленки серий А, В получены в атмосфере аргона при давлении Р (Аг)= 4*Ш2 Па, кроме того, пленки сериии В (пленки с наличием оксида) также с добавлением кислорода при давлении Р(С>2) = 4*104Па.

В разделе 3.1. рассматривается микроструктура и характеристики однослойных композитов. Плёнки серии А имели порог перколяции при процентном содержании металлической фазы х = 0,42. В пленках до порога перколяции (х < 0,42) металлические магнитные гранулы хаотично распределены в диэлектрической матрице. В пленках после порога перколяции происходит инверсия фаз. Плёнки серии В имеют слабо выраженное

(а) (с)

(Ь) (01)

Рис.1. Рентгенограммы до (черные линии) и после отжига (серые линии) для плёнок серий А (слева) и В (справа) с различным процентным содержанием металлической фазы Х(а-30%, Ь - 54%) (с - 26.3 %, а - 52.8 %).

явление перколяции. Плёнки серии А а В имеют аморфную структуру, однако плёнки серии А имеют кристаллическую фазу, хотя и очень малого объёма (до %%). Кристаллическая фаза увеличивается при высокотемпературном отжиге. На рис.1 показана рентгеновская дифрактограмма, до и после отжига (отжиг производился 1.5 часа при 650 К ) для пленок серии А (рис. 1 а, Ь) и. для пленок серии В (рис. 1 с, с!)

Рис.1 а, б показывают наличие двух пиков. Первый пик относится к подложке, а второй пик соответствует ионам железа в кристаллических областях плёнки и возникает только для плёнок серии А. Это свидетельствует о наличии кристалличности структуры пленок серии А. Отжиг при малых х < 0.35 приводит к исчезновению пика, т.е. кристалличность металлической фазы пленки формируется вблизи металл -диэлектрической границы. Размер кристаллических областей растет с увеличением металлической фазы х от 2 нм при х = 0,32 до 8 нм при х - 0,63. На рентгеновских спектрах для пленок серии В до и после отжига отсутствуют пики, что соответствует их полной аморфности.

При изменении х, величина удельного электрического сопротивления уменьшается, больше чем на два порядка для обеих серий пленок (рис.2). Для пленок серии А максимум

удельного сопротивления наблюдается при -V—3 7 %. Эта концентрация соответствует области перколяции пленок серии А. Для пленок серии В область перколяции слабо выражена. Отжиг композитных пленок увеличивает удельное сопротивление до порога перколяции и уменьшает его для пленок после порога [5,6].

10’■

g ю"

10J

Рис.2. Зависимость удельного электрического сопротивления р от концентрации металлической фазы X =х*100% для композитных пленок серии А (квадраты) и для серии В (круги).

30 40 50

X, 31%

Раздел—32 посвящён исследованию сверхвысокочастотных магнитных и релаксационных свойств пленок. Была определена усреднённая намагниченность для композитных плёнок в зависимости от концентрации х с использованием известной формулы Киттеля [4]:

Т = Нш +4л- <Л/ >,

где (оо - частота переменного магнитного поля, Hres- напряжённость постоянного поля, при котором наблюдается ФМР, у - гиромагнитное отношение для спина электрона. На рис. 3 показаны зависимости усреднённой по плёнке намагниченности <М> для двух серий плёнок Л и В от концентрации металлической фазы х. Распределение магнитной фазы в пленках обоих серий примерно одинаковое, особенно в области концентраций Х=40+50%.

..-'Х

Рис.З. Зависимости средней намагниченности <Л/у> композитных плёнок двух серий плёнок А (квадраты) и В (кружки) от концентрации металлической фазыХ.

Это говорит о близкой топологии ферромагнитных наногранул в области этих концентраций. Поскольку средние значения <М> близки друг к другу, то области окисления металлической фазы для плёнок серии В не значительны. Экстраполяция кривых М(Х) при X =100% даёт значения 1500 Гс, которое совпадает с табличным значением бинарного сплава Со и Ре [8].

Далее рассмотрены ФМХ (значения резонансных полей и ширина линии ФМР) композитных пленок серии А и В при различных концентрациях х. На рис.4 показана производная спектральных линий поглощаемой мощности при ФМР для трех различных значений х.

Рис.4. Кривые ФМР для трех

различных значений содержания металлической фазы (в ат. %):

1 -31.4; 2-41.2; 3 - 59.8.

--«--------« - —---------------------

1000 2000 3000 н, Ое

На рис.5а показаны зависимости внешнего постоянного резонансного поля Нт от концентрации металлической фазы х (резонансная частота переменного поля/=9.45 ГГц) для двух серий плёнок.

Отметим, что

• (2)

определяется формулой Кителя [4], где Н„ =///' = 3375 Э, /'=2.8 МГц/Э, Нш - вклад диполь-дипольного взаимодействия во внутреннее поле. Уменьшение расстояния между ферромагнитными гранулами приводит к увеличению Нм и, следовательно, к уменьшению Нт. На рис.5Ь показана зависимость ширины линии ФМР АН от х. Ширина линии ФМР определяет и релаксационную частоту намагниченности в пленках [8]. Из рис.5Ь следует, что увеличение х и уменьшение расстояния между металлическими гранулами для пленок серии А приводит к уменьшению АН, что свидетельствует о наличии сильного взаимодействия между ферромагнитными гранулами благодаря электронной проводимости, которая не имеет место для пленок серии В.

(а)

(Ь)

Рис.5. Зависимость ферромагнитного резонансного поля Нт (а) и ширины резонансной линии АН (Ь) от х для пленок серии А (квадраты) и для В (круги).

Н, Ое Н, Ое

Рис. 6. Форма линии ФМР для пленки серии Л ниже порога перколяции (х=0.35)(а) и выше порога перколяции (х=0.55) (Ь) при комнатной (сплошная) и азотной (штриховая). е - поглощаемая мощность электромагнитного поля плёнкой.

Ширина линии ФМР композитных пленок даже при больших концентрациях металла х, значительно превышает ее значение в объемных образцах. Такое различие для ширины линии может быть связано с большим разбросом размагничивающих полей гранул (колебание гранул возникает на разных частотах и при разных фазах), а также и с другими механизмами, такими как, спин-поляризационной релаксация через локализованные состояния аморфной диэлектрической матрицы. На рис.6 а,Ь показаны линии ФМР для пленок при двух концентрациях: до и после порога перколяции (при комнатной и азотной температурах, соответственно). При значительной металлической фазе (х > 0.55) форма линии ФМР меняется слабо при значительном изменении температуры (рис.бЬ), что свидетельствует о том, что магнитное взаимодействие между

гранулами качественно не изменяется при значительном росте намагниченности. Другая картина наблюдается в пленках до порога перколяции (х < 0.42). При уменьшении температуры от 300 К до 77 К для этих пленок наблюдается сильное изменение формы линии ФМР (форма линии становится релаксационной) (рис.ба). Это свидетельствует о сильном влиянии граничных областей между гранулами с кристаллографической анизотропией.

В разделе 3.3. показано влияние отжига пленок на ФМХ.

Зависимость ширины линии ФМР АН и значений напряжённости резонансного поля Нт от температуры отжига Тт для пленок серии А и В с различным процентным содержанием металлической фазы X показаны на рис.7. Для пленок серии В при концентрациях X £ 50% на зависимостях Ню и АН от Т„„ имеется экстремум. Для пленок серии А к В при больших концентрациях X наблюдается уменьшение внешнего резонансного поля Нга и увеличение ширины линии ФМР в зависимости от температуры отжига. Такое поведение зависимости АН от Та„ можно объяснить увеличением размагничивающих полей между группами ферромагнитных частиц вследствие изменения свойств металл-диэлектрических границ в результате отжига. Для пленок серии А вдали от порога перколяции (Х> 50 %) форма линии ФМР остается почти такой же, как и после отжига, что в свою очередь показывает отсутствие изменения наноструктуры и удельной проводимости этих пленок. Это свидетельствует о том, что магнитное взаимодействие меняется между соседними гранулами скорее всего вследствие изменения свойств диэлектрических частиц.

Т ,К т К

ап5 1 ап’

Рис.7. Зависимость линии АН от температуры ферромагнитной резонансного поля Нге, от температуры отжига Та„ для композитных пленок с различными процентным содержанием металлической фазы X для серии А: - —- 31.2%, - 50% и серии В: -і— 30%,

- 54%).

Ширина линии ФМР растет с ростом температуры отжига. Изменение формы кривой ФМР от резонансной к релаксационной имеет место и при отжиге плёнок с концентрацией х до порога перколяции. Для определения среднего размера кристаллической фазы металла в плёнке были проведены рентгеновские исследования с помощью рентгеновского дифрактометра ДРОН-2 для образцов с содержанием металлической фазы х = 0.32, 0.40, 0.52 и 0.63. Исследовались плёнки до отжига и после отжига. Размер кристашшческой фазы (кристаллитов) в металлических гранулах при увеличении х увеличивалась от 2 пт при х = 0.32 до 8 пт при х = 0.63. После отжига (при температуре Г=800 К) размер кристаллитов увеличивалась до 5 пт для х = 0.32, 3 пт для х = 0.4, и до 5 пт для х=0.52. При больших значениях х (х > 0.5) Нт и АН мало изменяются. Отжиг образцов с содержанием металлической фазы х > 0.63 слабо меняет размер кристаллической фазы в ферромагнитных гранулах. Это свидетельствует о влиянии диэлектрика на формирование кристалличности в ферромагнитных гранулах.

В главе 4 приведены результаты исследований ФМХ многослойных плёнок: композит - композит, композит-полупроводник.

В разделе 4.1 на рис.8 приведена зависимость толщин слоев для исследуемых серий плёнок. Анализируются особенности строения каждого из образцов и его влияние на удельное электрическое сопротивление (рис.9). Состав многослойных пленок был следующим: {(Со45ре45^гю)х(АЬОз);,} | оо - композит-композит (С-серия); композит-полупроводник - {[(Со45.Ре45.2г,0)х(А12Оз),На-51]},20 (О-серия); {[(О^Б^.&юЫАЬОэЭу]-[а-БШДОюо - композит-полупроводник с компенсированными связями в (Е-серия);

0.30<х<0.62, 3<у<12, 21-3Ох. В составах цифры 100 и 120 означает число композитных

и полупроводниковых нанослоёв.

полупроводниковых (прерывистая линия) слоев от х для пленок

толщин композитных

(сплошная линия) и

Рис.8. Зависимости

С-, 0-,Е- серий.

I -*1—

0.3

0.4

0.5

0.6

Е О

Рис.9. Зависимость удельного электрического сопротивления ОТ X для

пленок серий: А-------п—; С -

- о-; И-----

В разделе 4.2 для интерпретации результатов была применена формула Кителя для резонансного поля Яга:

//2 ^Н,ЮШ,К+ЛЖМ>+2К1<М>), (3)

где Нт=ру =3315 Ое, /=2.8 МНг/Ое, <М> - средняя намагниченность пленки, К -константа плоскостной наведенной анизотропии. Из формулы Кителя можно выразить функцию средней намагниченности Д<М>)=4я<М>+2К/<А4>, которая определяет поля размагничивания и анизотропии:

Л<М>)=Н2ш/Ню-Н!а (4)

Выражение для ширины линии ФМР АН, где учтены основные слагаемые, может быть записано следующим образом [А4]:

АН*АНм+АНп+АНл+АН5Р+ ДЯц, . (5)

где слагаемые : ДНц - суммарная неоднородность магнитных полей слоев, ДНп -естественная ширина линии, обусловлена магнитными потерями в гранулах, АЯ„ - вклад, обусловленный плоскостной наведенной анизотропией пленки, Д/^р - спин-поляризационный вклад в ширину линии, ДНи, - неоднородность магнитных полей между слоями.

В разделе 4.3 приведены исследования влияния концентрации металлической (магнитной) фазы х и толщины нанослоев на ФМХ многослойных пленок: композит-композит для серии С и композит-полупроводник для серий О и Е. Проведено сравнение экспериментальных зависимостей ФМХ от х для композитных однослойных и многослойных пленок. Вместо резонансного поля рассмотрена функция

Д<М>)=4тс<А{>+2К]<М>. Функция /<М> есть сумма максимальных размагничивающих полей и полей анизотропии. Зависимости функции /<М> от х , построены на основе формулы Кителя для четырёх серий плёнок при различных температурах (рисЛ 0, 11).

ОЭ 9

гм

0.4 0.5 0.6

Рис. 10. Зависимость функции/(<А/>) (а) и Рис. 11. Зависимость функции_Д<А£>) (а) и

ширины линии АН ФМР (Ь) от

ширины линии ФМР АН (Ь) от

концентрации х для пленок серий: А- —■—; концентрации х для пленок серий: А -С О - Г=300К. ; С И - - ; Г= 77 К.

Композитные однослойные плёнки серии А и многослойные плёнки серии С: комозит-композит с узкой шероховатой границей, на зависимости / <М> (х) имеют схожее поведение. При Т=300 К их <0.5 для плёнок серии А и х < 0.45 для плёнок серии С) наблюдается более быстрый рост / <М> от х, чем при больших х. Особенно, сильный рост при средних х наблюдается для многослойных плёнок серии С, что может быть связано с ростом толщины нанослоёв и изменения формы магнитных наногранул. Для многослойных плёнок серий Д Е наряду со слабым ростом <М> при увеличении х, имеются области, в которых оказывает большой вклад на зависимость 1(<А£>) от х толщины композитных и полупроводниковых слоев. Для плёнок серий Ои£ наблюдается локальный минимум на зависимостях {<М>{ х) при х=0.57. Это может быть связано со значительным уменьшением толщины полупроводникового слоя и возникновением электронного обмена между слоями, приводящего к антипараллельному упорядочению векторов намагниченности магнитных гранул соседних слоев. При уменьшении

температуры до 77 К для плёнок серий А, С, 2) наблюдаются аналогичные зависимости, как и при комнатной температуре (рис. 11а). Однако, при низких температурах, кривые смещены в область более высоких х, а характерные области расширены. Это связано с большей намагниченностью гранул, увеличением полей анизотропии и, соответственно, большим разбросом полей размагничивания гранул и слоев.

Бьио проведено исследование влияния концентрации металлической (магнитной) фазы х и толщины нанослоев на ФМХ многослойных пленок: композит-композит для серии С и композит-полупроводник для серий й и Е. Проведено сравнение экспериментальных зависимостей ФМР характеристик от х для композитных однослойных и многослойных пленок. Выявлено, что эти зависимости для композитных пленок серии А и многослойных пленок (композит-композит) серии С имеют схожее поведение. Сдвиг максимумов на зависимости ширины линии ДН(х) для А и С серий плёнок может быть обусловлен наличием неоднородной и шероховатой границы между слоями.

Дня всех плёнок серий А,С, О и Е наблюдаются максимумы на зависимостях ДН(х). Сдвиг максимумов на зависимости ширины линии ДН(х) для А к С серий плёнок может бьггь обусловлен наличием неоднородной и шероховатой границы между слоями.

Для многослойных плёнок серий В и Е наблюдаются более широкие максимумы на зависимостях ДН(х). Эти максимумы коррелируют с зависимостью толщины слоев с1(х). Наличие максимумов связано с тем, что при большом расстоянии между композитными слоями в области максимума с!(х) разброс размагничивающих полей гранул максимальный, а обмен электронами через полупроводниковый слой между магнитными гранулами минимальный. Это приводит к общему уширению линии ФМР и к максимуму ДЯ(х). Сдвиг значений полей размагничивания и анизотропии/<М> в сторону больших значений для пленок всех серий при азотном охлаждении связан с ростом намагниченности М гранул. На основе полученных данных, выведена формула, описывающая обменное взаимодействие между композитными слоями, разделёнными слоем полупроводника, через электроны проводимости.

В разделе 4.4. Показано влияние отжига на магнитные, релаксационные и структурные свойства.

Для всех серий плёнок выявлено сильное влияние отжига на структурные и ФМР характеристики. Сильные изменения ширины линии АН наблюдается при высоких температурах отжига для пленок серии выше порога перколяции (при х > 0,5). Это связано с разрушением цепочек гранул во всем объеме пленки. Наблюдается постепенное уменьшение ширины линии АН и увеличение поля Нт для пленки серии О с увеличением температуры отжига. Уменьшение ширины линии и увеличение резонансного поля при

а)

450 600

Т,к

т„.к

Рис. 12. Зависимость ДНот температуры последовательного отжига Тт для пленок с концентрацией ха) - 0.346, - 0.441;

Ь) -■— 0.5, - 0.626; В series - а) - «—

0.263, - *- - 0.339; Ь) - 0.394, - *- -

0.54; D series - а) - а- - 0.397; Ь) - *- -0.527.

а)

<50 600

т,к

Т.„,К

Рис. 13. Зависимость резонансного поля Н,е от температуры отжига Та„ для пленок с концентрацией х: а) - 0.346, -

0.441; Ь) -■— 0.5, - 0.626; В series - а)

- 0.263, - *- - 0.339; Ь) - •*— 0.394,

- *- -0.54; D series-а) - 0.397; Ь)

- 0.527.

низких температурах отжига связано с уменьшением слоя оксида на поверхности между соседними гранулами и слоями, который приводят к увеличению обменного взаимодействия между ними и изменению характеристик ФМР. Значительные изменения ФМР характеристики в зависимости от отжига наблюдается для всех плёнок.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Исследованы и определены: ферромагнитные резонансные характеристики

(ФМХ), удельное электрическое сопротивление, усреднённая намагниченность, состав в зависимости от концентрации металлической (магнитной) фазы х двух серий однослойных наноструктурированных композитных плёнок составов: (Со45ре45&ю)х(А120з)у (плёнки А серии), (Со45ре45гг1о: ОгМАЬОзЭу (плёнки В серии) плёнок и трёх серий многослойных пленок: (композит-композит

{(СО45ре45гГ|0)*(АЬОз)у}ю0, (плёНКИ С серии), композит-полупроводник {[(С045-Ре45-гг|о)х(АЬОз)у]-[и-31]}юо (плёнки Д серии), {[(Со45-Ре45-2гю)х(А120з)у]-[а-81:Н]}юо (плёнки Е серии).

2.Для композитных плёнок серий А, В показана сильная корреляция поведения зависимости ширины линии ФМР, удельного электрического сопротивления, пористости от концентрации металлической фазы х. Доказана аморфность металлических гранул плёнок серии В и незначительная кристаллизация гранул для плёнок серии А.

3. Обнаружен эффект значительного изменения ФМХ композитных плёнок составов (Со45Ре452г1о)х(А12Оз)у при концентрациях х<0,5 и, особенно, вблизи порога перколяции. Показан переход формы линии ФМР от резонансной к релаксационной форме, для плёнок серий А при отжиге или при сильном понижении температуры, вызванный изменением свойств границ между магнитными гранулами.

4. Показано, что наличие частичной кристаллографической анизотропии магнитных гранул на границе с диэлектриком, которая увеличивается с ростом х или температуры отжига, приводит к хаотизации магнитных колебаний соседних гранул и вызывает значительное уширение и изменение формы линий ФМР. Сильное влияние на ФМХ композитных плёнок также оказывают наличие оксидных слоев магнитных гранул.

5. Аномальное изменение ФМХ при уменьшении температуры от комнатной до 77 К. Выявлено, что до порога перколяции, ФМХ для композитных плёнок определяются магнитным и обменным взаимодействиями между гранулами. В области, за порогом перколяции ФМХ и частоты магнитной релаксации зависят от размеров наногранул.

6. Определены зависимости средней намагниченности, ширины линии ФМР от концентрации металлической фазы х многослойных плёнок серий С, Д Е при комнатной и азотной температуре и от отжига и от толщины композитных и полупроводниковых слоев. Показано, что ФМХ многослойных плёнок зависят от магнитного и обменного взаимодействия между магнитными гранулами в композитных слоях и между слоями, толщины композитных и полупроводниковых слоев, размеров и топологии наногранул в композитных слоях.

Список основных работ автора.

А1. Ефимец, Ю. Ю. Влияние отжига на структурные, магнитные и релаксационные свойства композитных пленок / J1.H. Котов, Ю.Ю. Ефимец, В.К. Турков, Ю.Е.Калинин, А.В.Ситников // Известия вузов. Физика. - Т.54, №1/2,2011. - С.375-381.

А2. .Efimets, Yu. Yu. Magnetic and relaxation properties of (Co45Fe4sZrio)x(Al203)i.x thin films / Kotov L.N., Efimets Yu.Yu., Vlasov V.S., Petrakov,A.P„ Turkov V.K., Kalinin Yu.E„ Sitnikov A.V. // Advanced Materials Research. Volume 47-50. - PI, 2008, - P 706-709.

АЗ. Ефимец, Ю. Ю. Наноструктура, электрические и СВЧ магнитные свойства двух серий композитных пленок (Co45Fe«Zrio)x(Al203)|.x) Л.Н.Котов, Ф.Ф. Асадуллин, Ю.Ю. Ефимец, В.С.Власов, В.К. Турков, А.П. Петраков, С.Н. Петрунёв, Ю.Е. Калинин, А.В. Ситников. // Вестник Поморского госуниверситета. Естественные науки. Архангельск: РИО ПомГУ. - 2008. Вып. 3. - С.58-63.

А4. Ефимец, Ю. Ю. Исследование СВЧ магнитных свойств многослойных структур композит-полупроводник / Л.Н.Котов, В.К.Турков, Ю.Ю.Ефимец, А,С,Андреев, Ю.Е.Калинин, А.В.Ситников // Сборник трудов IX международного семинара «Магнитные фазовые переходы». Махачкала: Институт физики Дагестанского научного центра (ИФ ДНЦ) РАН. - 2009. - С. 67-70.

А5. Ефимец, Ю. Ю. Исследование СВЧ магнитных свойств нанокомпозитных металл-диэлектрических пленок / Л.Н.Котов, В.К. Турков, Ю.Ю. Ефимец, А. С. Андреев, Ю.Е. Калинин. А.В. Ситников И Сборник трудов IX международного семинара «Магнитные фазовые переходы». Махачкала: Институт физики Дагестанского научного центра (ИФ ДНЦ) РАН. - 2009. - С. 70-73.

А6. Ефимец, Ю. Ю. Зависимости характеристик ФМР в многослойных пленках композит-олупроводник от направления постоянного магнитного поля и температуры / Ю.Ю. Ефимец, B.C. Власов, Л.Н.Котов, В.К. Турков, Ю.Е. Калинин, А.В. Ситников // Сборник трудов XX международной конференции Новое в магнетизме и магнитных материалах (НМММ). М.: МГУ, - 2009. - С. 76-78.

А7. Ефимец, Ю. Ю. Микроволновые магнитные свойства металл-диэлектрических пленок двух серий и их наноструктура / Л.Н. Котов, B.C. Власов, В.К. Турков, Ю.Е. Калинин, А.В. Ситников // Сборник трудов XX международной конференции Новое в магнетизме и магнитных материалах (НМММ). М.: МГУ, - 2009. - С. 76-78.

А8. Efimets, Yu. Yu. Ferromagnetic resonance investigations of two series of (Co45Fe45Zrio)x(Al203),.x-thin films. / Kotov L.N., Yu.Yu. Efimets,V.S. Vlasovl, A.P.Petrakov, V.K.Turkov, Yu.E.Kalinin, A.V.Sitnikov // The International Conference on Fine Particle Magnetism (ICFPM-07), Abstracts, Italia, Rome. -2007. - P. 134.

А9. Efimets, Yu. Yu. Ferromagnetic resonance investigations thin multilayer

[{(Fe4sCo4sZrio)x(Al203)i.x}m/{o-Si}n]i2o FILMS / Yu.Yu. Efimets, L.N. Kotov, Yu.E. Kalinin,

A.V. Sitnikov H Moskow International Sumposium of Magnetism (MISM): book of abstracts. -Moscow: MSU, — 2008. - P. 76.

A10. Kotov, L. N. Ferromagnetic resonance investigations of two series of (Fe45Co45Zr 10)x(AI203)1-x thin films / L.N. Kotov, Yu.Yu. Efimets, A.P. Petrakov, V.K. Turkov, Yu. E. Kalinin, A.V. Sitnikov // Moskow International Sumposium of Magnetism (MISM): book of abstracts. - Moscow: MSU, -2008. - P. 77.

All. Ефимец, Ю .Ю. ФМР в многослойных плёнках композит-полупроводник / В.К. Турков, В.А. Буханцов, Л.Н.Котов, Ю.Е. Калинин, А.В. Ситников // Сборник трудов XX международной конференции Новое в магнетизме и магнитных материалах (НМММ). М.: МГУ,-2009.-С. 76-78.

А12. Ефимец, Ю. Ю. Исследование нанокомпозитных пленок методом ФМР / Л.Н. Котов, B.C. Власов, В.К. Турков, Ю.Ю. Ефимец, Ю.Е. Калинин, А.В. Ситников // I Всероссийская молодёжная конференция «Молодёжь и наука на севере»: материалы конф. - Т. I. - Сыктывкар, 2008. - С.37-38.

А13. Efimets, Yu. Yu. The structure and FMR properties of two series of

(Co45Fe45Zrio)x(Ab03)i.x films / L.N. Kotov, Yu.Yu. Efimets, A.P. Petrakov, V.K. Turkov, Yu.E. Kalinin, A.V. Sitnikov // Moskow International Sumposium of Magnetism (MISM): book of abstracts. - Moscow: MSU, - 2008. - P.177.

A14. Efimets, Yu. Yu. The structure and FMR properties of two series of

(Co45Fe45Zrl0)x(Al2O3)i.K films / L.N. Kotov, Yu.Yu. Efimets, A.P. Petrakov, V.K. Turkov, Yu.E. Kalinin, A.V. Sitnikov II 3 International conference on surfaces coating and

nanostructured materials: book of abstracts. - Barcelona, Spain, - 2008. - P. 341.

A15. Ефимец, Ю. Ю. Исследование нанокомпозитных пленок методами рентгеновской рефлексометрии и ФМР / В.К. Турков , B.C. Власов , Ю.Ю. Ефимец , Л.Н. Котов , Л.С. Носов , А.П. Петраков, Ю.Е. Калинин, А.В. Ситников II XXXII Международная зимняя школа физиков-теоретиков «Коуровка-2008» »: тез. докл - Екатеринбург: ИФМ УрО РАН, 2008.-С. 125.

А16. Ефимец, Ю. Ю. Особенности ФМР-спектров пленок с фазами: металл-диэлектрик, сегнетоэлектрик / Ю.Ю. Ефимец , Л.Н. Котов , B.C. Власов , В.К. Турков, Л.С. Носов, Ю.Е. Калинин, А.В. Ситников II XXXII Международная зимняя школа физиков-

теоретиков «Коуровка-2008» »: тез. докл - Екатеринбург: ИФМ УрО РАН, 2008. - С. 170. А17. Ефимец Ю. Ю. Исследование свойств нанокомпозитных пленок с различными металлической и диэлектрическими фазами // XI Всероссийской научной конференции

студентов-радиофизиков (ВНКСР-11): Тезисы докладов СПб.: СПбГУ. Санкт-

Петербург,2007. - С. 43-45.

А18. Ефимец, Ю. Ю. Исследование критических явлений в пленках (Co45Fe45Zrio)x(Al203)i.x методом ферромагнитного резонанса / J1.H. Котов, Ю.Ю. Ефимец,

B.C. Власов, В.К. Турков, А.П. Петраков, Ю.Е. Калинин, А.В. Ситников // Сборник трудов VIII международного семинара «Магнитные фазовые переходы». Махачкала: Институт физики Дагестанского научного центра РАН. - 2007. - С. 123.

А19. Ефимец, Ю. Ю. Исследование магнитных и релаксационных свойств пленок с разными металлической и диэлектрической фазами / Ефимец Ю.Ю., Власов B.C. // Тринадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-13). Материалы конференции, тезисы докладов / Екатеринбург - Ростов-на-Дону - Таганрог: АСФ России. - 2007. - С. 357-358.

А20. Ефимец, Ю. Ю. Исследование СВЧ свойств нанокомпозитных пленок состава (Ре45Со45&2о)х(АІ20з) 100-х Н Тезисы докладов X Всероссийской научной конференции студентов-радиофизиков (ВНКСР-10). Санкт-Петербург, - 2006. - С. 23-25.

А2І. Ефимец, Ю. Ю. Магнитные свойства нанокомпозитных пленок // Двенадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-12). Новосибирск, - 2006. - С. 211-213.

А22. Ефимец Ю. Ю. Исследование СВЧ магнитных и релаксационных свойств композитных пленок (Fe4oCo4oZr2o)x(Al203) 100-х Н Тезисы докладов IX Всероссийской научной конференции студентов-радиофизиков (ВНКСР - 9). Санкт-Петербург, - 2005. -

C. 23-25.

Цитируемая литература:

1. Васьковский, В. О. Магнетизм слоев Со в составе многослойных пленок Co/Si / В.О. Васьковский, Г.С. Патрин, Д.А.Великанов, А.В. Свалов, П.А. Савин, А.А. Ювченко, Н.Н. Щеголева // Физика твердого тела, - 2007, - том 49, - вып. 2

2. Василевская, Т. М Ферромагнитный резонанс в металлических пленках с угловой дисперсией магнитной анизотропии / Т.М. Василевская, Д.И. Семенцов // Физика твердого тела, - 2010, - том 52, - вып. 6

3. Гуревич, А. Г. Магнитный резонанс в ферритах и антиферромагнетиках: монография/ А.Г. Гуревич // М.: Наука, -1973.592 с.

4. Butera, J. N. Ferromagnetic resonance in as-deposited and annealed Fe-Si02 heterogeneous thin films / J.N Butera. J.A Zhou. Barnard.// Phys. Rev. B. - 1999. V. 60, №17. - P. 1227012278.

5. Калинин, Ю. E. Гранулированные нанокомпозиты металл-диэлектрик с аморфной структурой / Ю.Е. Калинин, А.Т. Пономаренко, А.В. Ситников. // Физика и химия изготовления материалов. - 2001, № 5, - С. 14-20.

6. Калинин, Ю. Е. Электрические свойства аморфных нанокомпозитов. / Ю.Е. Калинин, А.В. Ситников, А.В. Ремизов Электрические свойства аморфных нанокомпози- тов (C045Fe4sZr 1 о)х(А120з)i_x.// ФТТ. - 2004. - Т. 46, № 11. - С. 2076-2082.

7. Петраков, А. П. Метод рентгеновской рефлектометрии и его применение для исследования лазерного испарения окисной пленки с поверхности кремния. / А.П. Петраков //ЖТФ.—2003,—Т.73, вып.4,—С.129-134.

8. Григорьев, И. С. Физические величины. Справочник. / И.С.Григорьев (ред.), Е.З. Мелихов (ред.). // М.: Энергоатом, - 1991.

Сая.оаид. заключение 11РЦ.09 953 П.000015.01.09. Подписало в печагь 26.12. 20И. Формат60x84 1/16 Бумага «Снегурочка». Гарнитура «Пте»». Печать - рашрафия. Уел. н. л. 1,3 Заказ 57 Тираж 120 экз.

Отпечатано в СПИ 1679X2, Сыктывкар, ул. Ленина, д. 39

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Ефимец, Юрий Юрьевич, Сыктывкар

61 12-1/612

Министерство образования и науки Российской Федерации ГОУ ВПО "СЫКТЫВКАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ"

ФЕРРОМАГНИТНЫЕ РЕЗОНАНСНЫЕ СВОЙСТВА НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ КОМПОЗИТНЫХ И МНОГОСЛОЙНЫХ

ПЛЁНОК

Специальность 01.04.07 - физика конденсированного состояния Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Ефимец Юрий Юрьевич

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, доцент Ф.Ф.АСАДУЛЛИН

Сыктывкар 2012

СОДЕРЖАНИЕ 2

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И

1.1 Намагниченность магнитоупорядоченных сред 11

1.1.1. Уравнения движения вектора намагниченности И

1.1.2. Затухание свободных колебаний намагниченности 16

1.1.3. Магнитная релаксация 18

1.1.4. Процессы релаксации 20

1.2 ФМР в композитных плёнках 22

1.2.1 Влияние аморфности металла на магнитное состояние 22

1.2.2 Ферромагнитный резонанс в композитных плёнках 23

1.2.3. Особенности ФМР в композитных плёнках 26

1.2.4. Ширина линии ФМР и релаксация магнитных колебаний в пленках с ферромагнитными наночастицами в диэлектрической матрице 28

1.2.5. Исследование морфологии наногранулированных композитов 31

Постановка задачи 40

ГЛАВА 2. Методика и техника измерения характеристик однослойных и многослойных пленок. 41

2.1 Получение образцов однослойных и многослойных наноструктур. 41

2.1.2 Выбор систем для исследования. 47

2.2. Принципиальная схема, принцип работы радиоспектрометра и методика измерений. 49

2.2.1. Исследование исходных характеристик образцов. 55

2.2.2. Зависимость характеристик пленки от отжига и низких температур. 56

2.3. Общие сведения о гранулированных нанокомпозитных пленках. 58

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОЙ РЕЛАКСАЦИИ В ОДНОСЛОЙНЫХ КОМПОЗИТНЫХ ПЛЕНКАХ (Со45ре452г1о)х(А12Оз)у 63

3.1. Структура и характеристики композитных плёнок. 63

3.2. Ферромагнитно-резонансные характеристики (ФМХ) и магнитная релаксация композитных плёнок. 67

3.3. Влияние отжига композитных пленок на спектр ФМХ. 77

Выводы 83

ГЛАВА 4. МАГНИТНЫЕ И РЕЛАКСАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА МНОГОСЛОЙНЫХ ПЛЕНОК КОМПОЗИТ -КОМПОЗИТ/ПОЛУПРОВОДНИК 84

4.1. Изготовление, состав многослойных плёнок 84

4.2. Формулы для интерпретации результатов 89

4.3. Экспериментальные результаты и их обсуждение. 92

4.4. Влияние отжига на магнитные, релаксационные и структурные свойства пленок 97

Выводы 102

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 104

ЛИТЕРАТУРА 106

АВТОРСКИЙ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 118

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы.

Прогресс естественных наук в XXI веке в области нанотехнологий позволил создать индустриально-стратегическое направление, которое определит в будущем страны лидеры мирового экономического роста. Перспективность научного направления, связанного с исследованием наноструктурированных материалов (наноматериалов), включающих в себя наноэлементы (гранулы, слои, имеющие наноразмеры) подтверждают громадные средства, выделяемые в мире на эти исследования. Результатом таких исследований являются создание новых материалов с качественно новыми физическими свойствами. Устройства электронной техники, созданные на основе нанотехнологий и новых наноструктурированных материалов, обладают рядом преимуществ: малыми размерами и малыми временами срабатывания. Перспективными наноматериалами для создания элементов магнитной записи, датчиков магнитного поля, СВЧ поглощающих покрытий, СВЧ устройств, считаются наноструктурированные композитные материалы, состоящие из магнитных гранул, внедренных в немагнитную матрицу. Поскольку длина СВЧ волн на несколько порядков превышает толщину исследуемых плёнок и тем более наногранул, то очень трудно создать тонкие композитные плёнки, которые достаточно сильно поглощали бы СВЧ излучение.

Для этого необходимо провести огромную серию экспериментов по исследованию характеристик СВЧ ферромагнитного резонанса наноструктурированных плёнок различных составов и концентраций металлических и диэлектрических фаз, а также влияния внешних факторов, таких как температура, внешние магнитные поля, и отжиг. В ходе исследований необходимо выявить критические явления, возникающие в плёнках под действием на них электромагнитных полей при изменении температуры образцов, температурного отжига и постоянного магнитного поля. Результатом таких комплексных исследований должно стать создание технологий изготовления тонких наноструктурированных композитных или многослойных плёнок

имеющих нужные свойства. В ходе работы предполагается выявить связь между магнитными, проводящими, критическими свойствами и наноструктурой композитных (металл-диэлектрических) и многослойных плёнок: композит-композит, композит-полупроводник. Для определения влияния наноструктуры на ФМР свойства плёнок предполагается определить: толщины плёнок и слоев, размеров и топологии наногранул, удельного электрического сопротивления, химического состава композитных и многонанослойных плёнок.

Тема данной диссертации соответствует перечню приоритетных направлений фундаментальных исследований, утверждённых Президиумом РАН (раздел 1.2. - «Физика конденсированного состояния вещества», подраздел 1.2.5. -«Физика твёрдотельных наноструктур, мезоскопия»). Диссертационная работа является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре радиофизики и электроники ГБОУ ВПО Сыктывкарского государственного университета и при финансовой поддержке Министерства образования и науки (темплан НИР) и грантов РФФИ (06-02-17302, 10-02-01327).

многослойных (композит-композит, композит-полупроводник) плёнок в зависимости от концентраций металлической и диэлектрической фаз при разных температурах и определить связь изменения ФМХ с наноструктурой плёнок. Исследовать влияние температурного отжига на ФМХ композитных и многослойных пленок и на изменение наноструктуры плёнок.

Научная новизна работы:

1. Определены: ферромагнитные резонансные характеристики (ФМХ), удельное электрическое сопротивление, усреднённая намагниченность, состав композитных (Со45ре45гг10)х(А12Оз)у (плёнки А серии), (С^Ре^гюЮг^АЬОз^

(плёНКИ В серии) и многослойных (композит-композит {(со45ре457гю)х(а12оз)у}120,

(плёнки С серии), композит-полупроводник {[(Со45-Ре45^Г1о)х(А120з)у]-[а-81]}юо

(плёнки £> серии), {[(Со45-Ре45^г10)х(А12Оз)у]-|а-8кН]} 100 (плёнки Е серии) пленок при различной топологии магнитных наногранул.

2. Обнаружен эффект значительного изменения ФМХ композитных плёнок составов (Со45Ре452г1о)х(А120з)у вблизи порога перколяции, вызванный изменением топологии магнитных наногранул, происходящем при изменении состава или температурного отжига плёнок.

4. Сильное влияние на ФМХ композитных плёнок оказывают наличие оксидных слоев магнитных гранул.

Научная и практическая значимость работы.

Полученные результаты могут быть использованы при дальнейших теоретических исследованиях радиофизических и электронных свойств магнитных наноструктурированных твёрдых тел, в том числе тонких плёнок многослойных структур. Приведённые в работе результаты могут использоваться при создании новых курсов лекций, таких как, «радиофизика и электроника наноструктурированных материалов». На основе анализа полученных результатов, также можно считать, что многослойные плёнки С-серии являются лучшей средой для изготовления устройств записи и обработки СВЧ сигналов, а для эффективных поглотителей СВЧ волн могут быть использованы тонкие плёнки D- и Е- серий.

Положения, выносимые на защиту:

Апробация работы.

Основные результаты, приведенные в диссертации, докладывались на Международном школе-семинаре «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (Москва, 2009); Международная зимняя школа физиков-теоретиков «Коуровка» (Екатеринбург 2008); Международная конференция "Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах" (Махачкала, 2007); IX международного семинара «Магнитные фазовые переходы» Махачкала, 2009); Всероссийской молодёжной конференции «Молодёжь и наука на севере»: (Сыктывкар, 2008); Всероссийской научной

конференции студентов-радиофизиков (Санкт-Петербург, 2006, 2007); Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (2005,2006, 2007). А также на республиканских, внутривузовских и научных семинарах Сыктывкарского государственного университета.

Публикации

Результаты работы опубликованы в 2 статьях журналов ВАК и 1 статьи в международном реферируемом и рецензируемом журнале с высоким рейтингом цитирования, 9 статьях в сборниках трудов международных конференций и 10 тезисах всероссийских и международных конференций.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка цитированной литературы и авторского списка. Работа изложена на 121 страницах. Список литературы содержит 115 наименований. Авторский список литературы составляет 22 наименования.

Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, сформулирована цель и задачи диссертационной работы, обозначены полученные в диссертации новые результаты, раскрыты научная и практическая значимость работы, описана структура диссертации.

Первая глава имеет обзорный характер и посвящена описанию магнитной динамики в материалах ограниченных размеров во внешних магнитных полях, и факторов, влияющих на резонансную частоту ферромагнитного резонанса (ФМР) и на частоту магнитной релаксации. Рассматриваются: поведение намагниченности ферромагнетика во внешних магнитных полях на основе анализа уравнения движения вектора намагниченности, процессы свободных колебаний, процессы релаксации. Рассмотрены влияние аморфности магнитных металлов на резонансные частоты и частоты магнитной релаксации в композитных плёнках и его отличительные особенности. Рассмотрены ферромагнитно-резонансные характеристики (ФМХ) (значения резонансных полей и ширин линий ФМР), характерные для композитных (металл-диэлектрических) плёнок и их отличие от монокристаллических образцов.

Во второй главе описана методика ионно-лучевого распыления веществ для получения однослойных композитных и многонанослойных плёнок. Приведена принципиальная схема и принцип работы радиоспектрометра ЭПР РЕ-13 06, на котором снимались спектры ФМР плёнок на частоте 9.36 GHz. В экспериментах по исследованию спектров ФМР плёнок, постоянное магнитное поле было направлено касательно поверхности пленок. Переменное СВЧ магнитное поле ориентировано перпендикулярно постоянному полю и также касательно плоскости измеряемых образцов. Внешнее постоянное магнитное поле задавалось электромагнитом и изменялось от 12 до 7000 Э (развертка поля на спектрах аналогичная). Точность измерения зависела от продолжительности развертки, которая устанавливается (0.5-4000)- Т/мин. Для измерения магнитного поля применяется измеритель магнитной индукции Ш1-9, позволяющий на спектре расставить точные значения магнитных полей. Здесь же приведены методики измерений характеристик пленок при изменении температуры отжига.

В третьей главе приведены исследования ферромагнитно-резонансных характеристик (ФРХ) плёнок серии A (Co45Fe45Zrio)x(Al203)y и серии В (Co45Fe45Zrio:02)x(Al203)y. Пленки серий А, В получены в атмосфере аргона при

давлении Р (Аг)= 4*10' Па, кроме того, пленки сериии В (пленки с наличием оксида) также с добавлением кислорода при давлении Р(02)=: 4*10'4Па.

Рассматривается микроструктура и характеристики однослойных композитов, сверхвысокочастотные магнитные и релаксационные свойства пленок, а так же влияние отжига пленок на ФМХ.

Для пленок серии А вблизи границы перколяции ФМР свойства сильно зависят от температуры отжига и концентрации. Для пленок серии В область перколяции проявляется при Х>50%. Различие ФМР свойств пленок серии А и В связана с наличием металлической окиси сплава и изменениями свойств металл -диэлектрической границы. Аморфность пленок и наличие окисла металлической фазы играет определяющую роль в проводимости, ФМР свойствах пленок и определяет топологию ферромагнитных гранул в зависимости от концентрации х.

В четвёртой главе приведены результаты исследований ФМХ многослойных композитных пленок с составами {(Со45.Ре45.2г]о)х(А12Оз)у} юо -композит-композит (С-серия); композит-полупроводник -

{[(Со45.Ре45.гг10)х(А12Оз)у]-[а-81]} 120 ф-серия); {[^045^45 2г10)х(А12Оз )у]-[а-8кН]}юо - композит-полупроводник с компенсированными связями в 81 (Е-серия); 0.30<х<0.62, 3<у<12, у^ 21-30х. Обнаружена зависимость резонансной частоты, ширины спектра и намагниченности от концентрации металлической фазы, а также зависимость от отжига пленок с различным составом, вызванное изменением топологии наноструктуры металлической и диэлектрической фаз плёнок и степени их кристалличности.

Показано, что ФМР характеристики зависят от магнитного и обменного взаимодействия между магнитными гранулами в композитных слоях и между слоями, толщины композитных и полупроводниковых слоев, размеров и топологии наногранул в композитных слоях. Приведена формула, описывающая обменное взаимодействие между композитными слоями, разделёнными слоем полупроводника, через электроны проводимости.

Пленки серии С, для которых ширина линии ФМР относительно узкая, могут быть применены в изготовления СВЧ устройств обработки информации. В качестве поглощающих тонких покрытий более пригодны пленки серии Е с большим поглощением в широкой области СВЧ частот.

Работа выполнена на кафедре радиофизики и электроники Сыктывкарского государственного университета.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. НАМАГНИЧЕННОСТЬ МАГНИТОУПОРЯДОЧЕННЫХ СРЕД

Для магнитных твёрдых тел (магнетиков) характерно наличие внутреннего магнитного упорядочения, которое может быть описано пространственным распределением макроскопической намагниченности единицы объема М(г), где г - радиус-вектор. Распределение намагниченности в магнетике описывается на основе континуальной модели или модели непрерывной среды. В этом случае макроскопическая намагниченность единицы объема магнетика есть суммарная намагниченность системы спинов или магнитных моментов [1-3].

Наиболее последовательное определение намагниченности тел можно провести с помощью квантовой теории магнетизма [5-9]. Для описания намагниченности магнитных диэлектриков используются, как правило, 2 основные квантовые модели: модель Изинга и модель Гейзенберга [5, 9]. В этой же работе в основном будет использоваться классическое описание колебаний вектора намагниченности в магнетиках на основе континуальной модели [1-3].

1.1.1 ./^РАВНЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ ВЕКТОРА НАМАГНИЧЕННОСТИ

Движение вектора намагниченности М внутри объёма ферромагнетика подчиняется уравнению Ландау-Лифшица [3]:

дМ

ал)

Нед- при этом определяется из соотношения:

еГГ

дЦ дМ

+ I

ы\дХ1 (дМ )

дхI

12 (1.2)

где и - плотность свободной энергии магнитного кристалла. Плотность свободной энергии магнетика может быть представлена в виде суммы плотностей магнитной энергии итщ