Магнитные свойства электроосажденных пленок и массивов наноструктур никеля

Суковатицина, Екатерина Васильевна

Магнитные свойства электроосажденных пленок и массивов наноструктур никеля тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Суковатицина, Екатерина Васильевна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Владивосток МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Магнитные свойства электроосажденных пленок и массивов наноструктур никеля»

Автореферат диссертации на тему "Магнитные свойства электроосажденных пленок и массивов наноструктур никеля"

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Суковатицина Екатерина Васильевна

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРООСАЖДЕННЫХ ПЛЕНОК И МАССИВОВ НАНОСТРУКТУР НИКЕЛЯ

01.04.07 - физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

3 ОКТ 2013

005534096

Владивосток - 2013

005534096

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Дальневосточный федеральный университет».

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор кафедры ФНС ШЕН ДВФУ Чеботкевич Людмила Алексеевна

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор ИАПУ ДВО РАН Галкин Николай Геннадьевич

кандидат физико-математических наук, стажер-исследователь физического

факультета Санкт-Петербургского

государственного университета Кириенко Юрий Владимирович

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение наук Институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук

Защита состоится «18» октября 2013 года в 14:30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.056.08 по присуждению ученых степеней в Дальневосточном федеральном университете по адресу: 690091, г. Владивосток, ул. Суханова, 8, ауд.41.

С диссертацией можно ознакомиться в Институте научной информации — Фундаментальной библиотеке Дальневосточного федерального университета по адресу: 690091, г. Владивосток, ул. Алеутская, 656.

Автореферат разослан «17» сентября 2013 г. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.056.08 кандидат физико-математических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Создание нанокомпозитов и наноматериалов с заданными физическими свойствами и их изучение было и остается важной проблемой современного материаловедения. Большое внимание привлекают к себе магнитные наносистемы. Это связано с возможностью применения их в различных сферах деятельности: биомедицине [1], в магнитных устройствах хранения данных [2], в магнитоэлектронных устройствах. В биомагнетизме магнитные частицы используются для сортировки клеток, для исследования микромеханики клеток [3] и кручения молекул ДНК [4,5], для транспортировки лекарственных препаратов к определенным областям. В магнитных устройствах хранения информации изучаются самособирающиеся ферромагнитные частицы для магнитной среды с высокой плотностью данных. Помимо прикладного изучения нанострукрур, проводятся исследования фундаментального направления, позволяющие понять взаимосвязь между параметрами магнитной наносистемы и ее функциональными свойствами. Данные исследования дают возможность производить направленный поиск и оптимизацию процессов получения наноструктур для их дальнейшего практического применения. Большой спектр применений привел к заинтересованности в наночастицах с широким спектром магнитных свойств. Например, при создании магнитных устройств хранения информации особое внимание уделяют изучению анизотропных магнитных свойств наноструктур и их массивов.

Большое внимание уделяется изучению магнитных нанопроволок, так как они могут использоваться как магнитная среда с высокой плотностью записи, высокочувствительные магнитные датчики и в других приложениях.

Для того чтобы увеличить плотность записи, необходимо создавать магнитные среды с перпендикулярной ориентацией намагниченности в них. Одним из возможных вариантов такой среды являются массивы магнитных нанопроволок в немагнитных матрицах.

Целью диссертационной работы является исследование структуры электрохимически осажденных пленок, массивов нанопроволок и отдельных нанопроволок N1 и ее влияние на магнитные свойства (коэрцитивную силу, магнитную анизотропию, магнитную структуру и процессы перемагничивания) данных объектов.

Задачи работы:

1. исследовать структуру электрохимически осажденных массивов нанопроволок и отдельных нанопроволок

2. экспериментально установить зависимость коэрцитивной силы и приведенной остаточной намагниченности от ориентации внешнего магнитного поля в массивах нанопроволок №;

3. исследовать магнитную структуру и процессы перемагничивания недеформированных и деформированных одиночных нанопроволок N1;

4. экспериментально установить распределение гранул по размерам в электроосажденных пленках №;

5. исследовать магнитные параметры и ориентацию спинов в зависимости от концентрации гранул в пленках N1.

Научная новизна работы:

- Показано, что анизотропия распределения нанопроволок приводит к магнитной анизотропии в плоскости массива.

- Показано, что при деформации отдельных нанопроволок происходит объединение зерен и образование двойников. Анизотропия, наведенная деформациями, приводит к многодоменному состоянию с легкой осью намагниченности, направленной перпендикулярно оси нанопроволоки.

- Установлена зависимость магнитных параметров от концентрации гранул в никелевых пленках. При увеличении концентрации гранул никеля См до 53 % коэрцитивная сила и приведенная остаточная намагниченность возрастают, а при См > 53 % Н, и М/М, уменьшаются.

- Установлено, что при увеличении размера гранул происходит переход магнитного состояния от вихревого к однодоменному. В агломератах реализуется многодоменная магнитная структура.

Практическая значимость работы: полученные данные о процессах перемагничивания и доменной структуры наногранул и нанопроволок могут использоваться в разработке и совершенствовании устройств записи информации и магнитной логики, основанных на перемагничивании отдельных наноэлементов в массиве.

На защиту выносятся следующие положения:

1. В массивах N1 нанопроволок, полученных электрохимическим осаждением, ось легкого намагничивания составляет угол порядка 10 градусов с нормалью к плоскости образца. В результате этого, в плоскости массива имеется составляющая вектора намагниченности (М/М5)т м = 0,25.

2. Деформация индивидуальных нанопроволок приводит к перестройке кристаллической структуры. В мелкозернистых поликристаллических нанопроволоках при деформации происходит вращение зерен и их объединение с образованием двойников. Магнитная анизотропия, наведенная напряжениями, приводит к образованию многодоменной структуры с легкой осью, ориентированной перпендикулярно оси нанопроволоки.

3. В гранулированных пленках полученных электрохимическим осаждением, при концентрации гранул никеля С№ < 53 % преобладают

одиночные гранулы, а при CN, > 53 % - агломераты из гранул. Коэрцитивная сила Нс и приведенная остаточная намагниченность М/М, зависят от концентрации гранул. При См = 53 % Нс и М/М, имеют максимальные значения.

4. В гранулированных пленках никеля, полученных электрохимическим осаждением, одиночные гранулы имеют вихревую магнитную структуру. В агломератах из нескольких гранул реализуется многодоменная магнитная структура.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике (г. Владивосток, 2010, 2011), The Ninth Russia-Japan Seminar on Semiconductor Surfaces, RJSSS-9 (Владивосток, 2010), Moscow International Symposiumon Magnetism (Москва, 2011), Десятой региональной научной конференции «Физика: Фундаментальные и прикладные исследования, образование» (Владивосток, 2011), IEEE International Magnetics Conference, Intermag 2012 (Ванкувер, 2012), Международном научном форуме студентов, аспирантов и молодых ученых стран Азиатско-Тихоокеанского региона -2012 (Владивосток, 2012), Joint European Symposium on Magnetism, JEMS-2012 (Парма, 2012).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 15 печатных работ, из них 6 статей в журналах, входящих в перечень публикаций рекомендованных ВАК, 9 тезисов докладов.

Личный вклад автора. Экспериментальные данные были получены автором лично. Обсуждение и интерпретация экспериментальных результатов проводились совместно с руководителем, а также с соавторами публикаций.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 95 наименований. Общий объем диссертации 120 страниц, включая 66 рисунков и 3 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность изученной темы, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, изложены защищаемые положения, кратко описана структура работы.

В первой главе изложен литературный обзор по теме исследования. Рассмотрены возможные методы получения нанопроволок, описаны способы получения шаблонов и на их основе изготовление массивов нанопроволок методом электрохимического осаждения металла. Приведена структура массивов нанопроволок и отдельных нанопроволок. Собраны экспериментальные данные по магнитным свойствам электрохимически полученных массивов нанопроволок. Приведена теория по определению коэрцитивной силы нанопроволок. Во втором параграфе собраны данные по получению гранулированных пленок и рассмотрено влияние различных параметров на магнитные свойства гранулированных пленок.

Во второй главе описана методика электрохимического получения исследуемых наноструктур. Приведены экспериментальные условия, при которых были приготовлены шаблоны и выращены массивы нанопроволок N1 и гранулированные пленки №. Описаны приемы исследования структурных свойств объектов методами сканирующей электронной микроскопии и атомной силовой микроскопии. Приведена информация по исследованию магнитных свойств наноструктур, методами продольного магнитооптического эффекта Керра. индукционной магнитометрией, магнитной силовой микроскопией.

В третьей главе приведены данные экспериментальных исследований массивов N1 нанопроволок, полученных электрохимическим осаждением в поры оксида алюминия и отдельных нанопроволок никеля.

Массивы состоят из областей с гексагонально упорядоченными порами, которые разориентированы друг относительно друга, что свидетельствует об отсутствии дальнего порядка, рисунок 1. Нанопроволоки в массиве имеют диаметры 20, 30 и 40 нм. и длину 1, 2 мкм.

SESZffifflR'AV.V.* «V- Г • ? - « Г-"»".*.' • • V. ■ i *.'Л

Рисунок 1. Изображение СЭМ поверхности массива матрицы AI2O3 с нанопроволоками некеля.

На всех образцах были измерены петли магнитного гистерезиса в двух конфигурациях: внешнее магнитное поле ориентировано в плоскости массива (перпендикулярно оси нанопроволок) и вне плоскости массива (параллельно оси нанопроволок). В обоих случаях образец поворачивался относительно внешнего магнитного поля на 180 ° с шагом в 10 Из петель магнитного гистерезиса были найдены значения коэрцитивной силы Нс и приведенной остаточной намагниченности M/Ms, и построены зависимости НС=М\ МУМ, =Аф). рисунок 2. и НС=А<Р)> M/Ms =f[<p). рисунок 3, где ф -угол между направлением внешнего магнитного поля и осью нанопроволоки. (р - азимутальный угол между направлением внешнего магнитного поля и выбранным направлением.

Зависимость MJMS = АФ) Для всех образцов подобна. Как видно из рисунка 2. ось легкого намагничивания составляет с осью нанопроволок угол ~ 10 о чем свидетельствует плато на зависимости А//А/, = Лф). Значение M^MS = 0.92 в направлении оси легкого намагничивания.

Полярные диаграммы М/М, =Л<р) для образцов с различным периодом распределения нанопроволок различны, рисунок 3. Видно, что в плоскости массива наблюдается одноосная, двухосная или трехосная анизотропия.

800- 330, --^30

600400- ЗОО//"'

200- (■ V ]

0- 270 *> <

200 \ Г

400600 ш

800-

Н=«

120

1,0, 0,8 0,6 0,4

о,г 0,0 о,г

0.4 0,6 од

1,№

800 600 400 200 О 200 400 600 800

800 600 400 200 0 200 400 600 800

210^180^50 В)

21<^Т8о^50 е)

800 600 400 200 0 200 400 600 800

330^—:-—,30 300, \\б0

21(Г~шГ150 Ж)

1.0, 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0,2 0,+ 0,6 0,8 1,0

300/ 30

21ШГ150 3)

Рисунок 2. Угловые зависимости коэрцитивной силы и приведенной остаточной намагниченности массивов нанопроволок: (а, б, в, г) - = 20 нм, (д, е) - = 30 нм; (ж, з) - с/„ = 40 нм. Внешнее магнитное поле ориентировано вне плоскости массива.

0,3]

60 0,2-

0,1-

Ьо 0,0

0,1-

120

а) 0,2-

0,3

180

400 300 200 100 0 100 200 300 400

ззо^-^^зо Нс-ад

300/ / \ N00

210 1вГ^50 д)

300/ 30

210^8Г^50 б)

0,3л 0,2 0,1-о,о 0,10,20,3

О М /М =Цф)

—^ ГШ г г V*"'

21^«Г50 г)

400 330^ 0,3]

300200100- зоо/__ 0,2 0,1-

0- 270( ) < Ьо 0,0

100 200300 Дл- 0,10,2

400 ^ ж) 0,3

300/_ л 30

180

Рисунок 3. Угловые зависимости коэрцитивной силы и приведенной остаточной намагниченности массивов нанопроволок: (а, б, в, г) - г/„. = 20 нм; (д, е) - о?„. = 30 нм; (ж, з) - с1„ = 40 нм. Внешнее магнитное поле лежит в плоскости массива.

Согласно Фурье - анализу изображений СЭМ такое поведение обусловлено распределением нанопор в массиве.

Для исследования кристаллической структуры никелевых нанопроволок методом просвечивающей электронной микроскопии были растворены матрицы А1203 с никелевыми нанопроволоками. Прямые участки нанопроволок имели поликристаллическую структуру с размером зерна ~ 10 нм. В деформированных участках нанопроволок мы наблюдали объединение нескольких зерен и формирование в них двойников, рисунок 4.

Рисунок 4. Изображение ПЭМ и снимок микродифракции, полученный с деформированного участка проволоки. Цифрой 1 обозначены двойники деформации.

Как показали изображения МСМ магнитной структуры, недеформированная проволока находится в однодоменном состоянии, рисунок 5.

Рисунок 5. (а) - изображение нанопроволоки Ni длиной 1,5 мкм, полученное методом АСМ, (б)- магнитная структура нанопроволоки в размагниченном состоянии, полученная методом МСМ.

Проволоки деформировали, прикладывая напряжения перпендикулярно их осей. Исследовали нанопроволоки с большим радиусом искривления и малым углом закругления на участках нанопроволоки длиной 1- 2 мкм.

На рисунке 6(a) приведено изображение АСМ деформированного участка нанопроволоки. Сканирование участка в режиме МСМ с высоким разрешением показало, что вследствие деформации в нанопроволоке образуется магнитная структура с периодично изменяющимся магнитным контрастом. На рисунке 6(6) приведена магнитная структура нанопроволоки в размагниченном состоянии и в поле Н = -700 Э, рисунок 6(в). Видно, что при деформации магнитная структура нанопроволоки изменяется от однодоменного состояния до многодоменного, с ориентацией вектора намагниченности перпендикулярно оси проволоки.

Рисунок 6. (а) - изображение АСМ деформированного участка нанопроволоки; изображение МСМ магнитной структуры деформированного участка нанопроволоки в размагниченном состоянии (б) и в поле Н = -700 Э (в).

Для оценки анизотропии, наведенной деформациями, мы рассчитали

гЕ

локальные напряжения а. возникающие в изогнутом стержне [6]: а = —, где

г - радиус кривизны нанопроволоки, Е - модуль Юнга (2,62-10|2Дин/см) [7], р - локальный радиус кривизны. Зная локальные напряжения, оценили наведенную магнитную анизотропию Е„ = 3/I.W2, где Xs - константа магнитострикции поликристаллического образца Ni.

Как показали электронно-микроскопические исследования, при деформации происходит укрупнение кристаллитов и образование текстуры, рисунок 4. Расшифровка экспериментальных данных (рисунок 4) позволила установить, что после перестройки кристаллитов направление

кристаллографической оси легкого намагничивания [-111] совпадает с направлением анизотропии, наведенной деформациями Е„. Поэтому в направлении [-111] необходимо учитывать и энергию кристаллографической анизотропии К/ = - 5,7-104 Эрг/см2 и наведенную Е„: Еа = К/ + Еа.

Микромагнитное моделирование магнитной структуры в недеформированном и деформированном участках нанопроволок дало хорошее согласие с экспериментальными данными.

Можно управлять ориентацией оси легкого намагничивания, изменяя содержания Со в нанопроволоках Со-№. Из экспериментальных данных следует, что при увеличении содержания Со более 80 % ось легкого намагничивания ориентируется перпендикулярно оси нанопроволоки.

В четвертой главе представлены данные по изучению гранулированных пленок никеля, полученных методом электрохимического осаждения.

В работе были исследованы пленки с эффективной толщиной от 8 нм до 1 мкм. Как показали изображения СЭМ при эффективных толщинах < 50 нм наблюдаются отдельные наногранулы на поверхности кремния. При увеличении эффективной толщины происходит объединение гранул с образованием отдельных агломератов, а затем с образованием сплошной пленки при эффективной толщине > 500 нм.

Для данных образцов были построены гистограммы распределения частиц по размерам. Средний размер гранул при увеличении кэф от 8 до 1000 нм соответственно изменяется от 135 до 198 нм.

Так как размер гранул и расстояние между ними изменялись в большом диапазоне, была определена зависимость концентрации гранул никеля С№ от эффективной толщины пленки. Как видно из рисунка 7. концентрация гранул изменяется на 30 %, когда И,ф находится в диапазоне 100 - 1000 нм. Наибольшее изменение Ол гранул приходится на Иэф от 8 до 100 нм и составляет более чем 40 % за счет интенсивного роста гранул.

Магнитные параметры (Нс и М,УМ5 ) определяли из петель магнитного гистерезиса, полученных продольным магнитооптическим эффектом Керра.

60 40

0 250 500 750 1000

Из* .(нм)

Рисунок 7. График зависимости концентрации гранул N1 от эффективной толщины пленки.

Внешнее магнитное поле было приложено в плоскости образца. Анализ петель магнитного гистерезиса, полученных при вращении образца на 360 с шагом 10 показал, что все исследуемые пленки являлись изотропными. Из петель магнитного гистерезиса были определены зависимости Нс =ДС№) и М/М =/(Су,), рисунок 8.

Рисунок 8. Зависимость •■ - Нс =ДС№) и О - М/М,

Из рисунка 8 видно, значения Нс и М/М5 сначала возрастают с увеличением концентрации гранул, достигая максимальных величин при концентрации гранул никеля См= 53 %. Дальнейшее увеличение С№ приводит к снижению М/М,. Значительные изменения происходят в поведении Нс при См > 53 %. Зависимость Нс =/(С^ имеет минимум при См = 64 %, а затем начинает повышаться при более высоких концентрациях N1.

140

0,6

0,2

20 40 60 80 100

Одной из возможных причин снижения Нс в диапазоне С№ от 53 до 64 % является изменение магнитостатического взаимодействия между гранулами [8|. Максимумы M/Ms и Нс определены переходом между двумя различными магнитными состояниями, которые наблюдаются в данных образцах. Известно, что переход от однодоменного состояния к многодоменному определяется геометрическими параметрами, такими как радиус и форма частиц, а также обменной длиной [9].

Для объяснения поведения Нс = J[CNi) и M/Ms = j(CNi) был определен критический радиус R„ однодоменной гранулы. Для случая слабой

с I А

анизотропии, критический радиус: Rc) =---I- [10], где с - постоянная

Ms "У NK

равная 2,95, N„=3,48 - размагничивающий фактор в плоскости гранул. А -обменная константа. Используя стандартные параметры для поликристаллического никеля: Ms = 484 Гс. А = 9 ■ 10"7 эрг/см. получаем R„ = 31 нм.

Анализ СЭМ и АСМ изображений пленок и гистограммы распределения гранул по размерам показывают, что количество гранул с радиусом R<R„ ничтожно мало. Большая часть никелевых гранул имеет радиус R>R„. Это означает, что большая часть гранул находятся не в однодоменном состоянии.

В пленках с CN, < 53 % энергетически более выгодным является вихревое состояние намагниченности в отдельных гранулах. При этой же концентрации, но при слиянии гранул образовавшиеся агломераты находятся в однодоменном состоянии. В пленках с концентрацией никеля CNi > 53 % реализуется многодоменная магнитная структура.

Изображения МСМ магнитной структуры для двух образцов, с концентрацией гранул больше и меньше 53 %. приведены на рисунке 9. Как видно, на пленке с кэф = 8 нм изолированные гранулы или гранулы, разделенные небольшим зазором, имеют однородный магнитный контраст (на рисунке 9(а-в)). Это подтверждает вихревую конфигурацию намагниченности. В агломератах из нескольких сросшихся гранул наблюдаются однодоменные состояния.

Когда гранулы объединяются с образованием сплошной пленки, наблюдается многодоменная магнитная структура, рисунок 9(ж-и). Видна полосовая доменная структура. Доменные стенки распространяются на несколько гранул.

Рисунок 9. ACM - (а, е) и МСМ (б-д, ж-к) изображения пленок никеля с Иэф 8 нм (ад) и 500 нм (е-к). В состоянии насыщения - (б, ж, д, к); в поле Н = 0 — (в, з) и в размагниченном состоянии - (г, и).

Для данных образцов было проведено микромагнитное моделирование, которое подтвердило полученные экспериментальные результаты.

Таким образом, при концентрации гранул CNi < 53 % в отдельных гранулах процессы перемагничивания осуществляется за счет зарождения и уничтожения магнитного вихря. Кроме того, процессу перемагничивания может способствовать некогерентное вращение намагниченности в цепочках и агломератах. Рост Нс вызван увеличением магнитостатического взаимодействия между гранулами. При С№ > 53 %, гранулы начинают сливаться, при этом формируются пленки с многодоменной магнитной

структурой. В результате процесс перемагничивания происходит за счет смещения доменных стенок. Это приводит к снижению значения коэрцитивной силы и остаточной намагниченности. Минимальное значение коэрцитивной силы, как функции концентрации, соответствует полному переходу от вихревого / однодоменного состояния, которое наблюдается при концентрации Су, < 53 % в пленках из отдельных гранул и агломератов и цепочек, в многодоменное состояние, при концентрации никеля Сщ > 53 %, с образованием сплошной пленки. Дальнейшее возрастание Нс при увеличении значения См связано с образованием сплошной пленки со структурными дефектами (поры между гранулами), которые являются центрами закрепления доменных стенок.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Установлено, что в массивах № нанопроволок с различными геометрическими параметрами, полученных электроосаждением, ось легкого намагничивания составляет угол порядка 10 градусов с нормалью к плоскости образца. В массивах нанопроволок Co-Ni ориентацию оси легкого намагничивания можно изменять, варьируя содержание Со.

2. Экспериментально показано, что деформация индивидуальных нанопроволок приводит к перестройке кристаллической структуры. В мелкозернистых поликристаллических нанопроволоках при деформации происходит вращение зерен и их объединение с образованием двойников.

3. В деформированных участках нанопроволок магнитная анизотропия является суммой анизотропии, наведенной напряжениями и кристаллографической анизотропии, что приводит к развороту вектора намагниченности перпендикулярно длинной оси проволоки и образованию периодичной магнитной структуры.

4. Коэрцитивная сила поликристаллических нанопроволок обусловлена взаимодействием доменных стенок с межзеренными границами и дисперсией осей кристаллографической анизотропии, что хорошо согласуется с теоретическими оценками.

5. Установлено, что в гранулированных пленках Ni, полученных электрохимическим осаждением, при концентрации гранул никеля См < 53 % преобладают одиночные гранулы, а при С№ > 53 % - агломераты из гранул. Коэрцитивная сила Нс и приведенная остаточная намагниченность M/Ms зависят от концентрации гранул. При См = 53 %НС и M/Ms имеют максимальные значения.

6. Экспериментально показано и моделированием подтверждено, что одиночные гранулы имеют вихревую магнитную структуру. В агломератах из нескольких гранул реализуется многодоменная структура. Процессы перемагничивания в одиночных гранулах осуществляются за счет смещения центра вихря к краям гранул, а в агломератах - за счет движения доменных стенок.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

[1] Samardak A. S., Sukovatitsina Е. V., Ognev А. V., Chebotkevich L. A., Mahmoodi R., Hosseini M. G., Peighambari S. M., Nasiфouri F. Geometry dependent magnetic properties of Ni nanowires embedded in self-assembled arrays // Physics Procedia, 2011, 22 , p. 549-556.

[2] Ognev A. V., Sukovatitsina E. V., Diga K. S„ Chebotkevich L. A., Samardak A. S., Janjan S. M., Nasirpouri F. Granulated media for nanoelectronic applications // Journal of Physics: Conference Series, 2012, 345 (1), 012010.

[3] Samardak A. S., Sukovatitsina E. V., Ognev A. V., Chebotkevich L. A., Mahmoodi R., Peighambari S. M„ Hosseini M. G., Nasirpouri F. High-density nickel nanowire arrays for data storage applications // Journal of Physics: Conference Series, 2012, 345 (1), 012011.

[4] Sukovatitsina E. V., Samardak A. S., Ognev A. V., Chebotkevich L. A., Mahmoodi R,, Peighambari S. M., Hosseini M. G., Nasirpouri F. Magnetic properties of nickel nanowire arrays patterned by template electrodeposition // Diffusion and Defect Data Pt.B: Solid State Phenomena, 2012, 190, p. 522-525.

[5] Samardak A. S„ Sukovatitsina E. V., Ognev A. V., Stebliy M. E„ Plotnikov V. S., Pustovalov E. V., Wahlstrom E„ Chebotkevich L. A., MTJ spin-valves based on thin films and nanowires // Physics Procedia, 2012, 23, p.123.

[6] Ognev A. V., Samardak A. S„ Chebotkevich L. A., Sukovatitsina E. V., Stebliy M. E., Modin E. В., Pustovalov E. V., Nasirpouri, F. An influence of mechanical deformations on crystal structure and spin configuration in magnetic nanowires // Journal of Applied Physics, 2013, 113 (17), 17A334

[7] Суковатицина E. В., Самардак А. С., Чеботкевич Л. А. Перпендикулярная и плоскостная анизотропия массивов никелевых нанопроволок // Материалы Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых учёных по физике. Тезисыдокладов. - Владивосток: Изд-воДальневосточногоуниверситета, 2011, с. 77

[8] Sukovatitsina Е. V., Samardak A. S., Ognev А. V., Chebotkevich L. A., Hosseini М. G., Janjan S. М., Nasirpouri F. Magnetic properties and spatial ordering of ferromagnetic nanowires in arrays // Book of abstracts: Moscow International Symposium on Magnetism (MISM), Moscow, 2011, p. 141

[9] Суковатицина E. В., Самардак А. С., Огнев А. В., Дыга К. С., Чеботкевич Л.А. Структура и магнитные свойства плёнок Ni // Труды Десятой региональной научной конференции «Физика: Фундаментальные и прикладные исследования, образование». Владивосток, 2011, с. 45

[10] Samardak A. S., Ognev А. V., Sukovatitsina Е. V., Modin Е. В., Chebotkevich L. A., Mahmoodi R., Hosseini М. G„ Peighambari S. М. and Nasirpouri F. Magnetic behaviour of Ni nanowire arrays embedded in highly ordered nanoporous alumina templates. // Book of abstracts: IEEE International Magnetics Conference, Intermag 2012, Ванкувер, 2012, BH-07.

[11] Sukovatitsina E. V., Samardak A. S., Ognev A. V., Diga K. S., Chebotkevich L. A., Janjan S. M. and Nasirpouri F. Magnetic vortex state and multidomain pattern in electrodeposited nanogranular nickel films // Book of

abstracts: IEEE International Magnetics Conference, Intermag 2012, Ванкувер, 2012, EF-08.

[12] Суковатицина E. В., Самардак А. С., Модин E. Б., Литвинцев И. П., Огнев А. В., Чеботкевич Л. А. Микромагнитная структура электроосажденных поликристаллических нанопроволок Ni // Материалы Международного научного форума студентов, аспирантов и молодых ученых стран Азиатско-Тихоокеанского региона - 2012, Владивосток, 14-17 мая 2012 г. / под общей редакцией Н.В. Воеводиной. Владивосток: Издательский дом Дальневосточного федерального университета, 2012. с. 140.

[13] Ognev A., Samardak A., Sukovatitsina Е„ Stebliy М., Chebotkevich L., Nasirpouri F. Micromagnetic con. guration of modi Led individual nanovvires // Book of abstracts: Joint European Magnetic Symposia (JEMS 2012), Parma, Italy, p. 231.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Reich, D. H. Biological applications of multifunctional magnetic nanovvires / M. Tanase, A. Hultgren, L. A. Bauer et al. // J. Appl. Phys. - 2003. -V. 93.-I. 10.-P. 7275-7280.

2. Albrecht, M. Writing of high-density patterned perpendicular media with a conventional longitudinal recording head / A. Moser, С. Т. Rettner, S. Anders et al. // Appl.Phys. Lett. - 2002. - V. 80. - I. 18. - P. 3409-3411

3. Bausch, A. R. Measurement of local viscoelasticity and forces in living cells by magnetic tweezers / W. Möller, E. Sackmann. // Biophysical Journal. -1999. - V. 76. -1. 1. - P. 573-579.

4. Haber, C. Magnetic tweezers for DNA micromanipulation / D. Wirtz. // Rev. Sei. Instrum. - 2000. - V. 71. - I. 12. - P. 4561-4570.

5. Strick, Т. R. Behavior of Supercoiled DNA / J.-F. Allemand, D. Bensimon, V. Croquette. // Biophysical Journal. - 1998. - V. 74. - I. 4. - P. 20162028.

6. Stan, G. Ultimate Bending Strength of Si Nanovvires / S. Krylyuk, A. V. Davydov, I. Levin et al. // Nano Lett. - 2012. - V. 12. -1. 5. - P. 2599-2604.

7. Celik, E. Mechanical characterization of nickel nanovvires by using a customized atomic force microscope / I. Guven, E. Madenci // Nanotechnology. -2011.- V. 22.-N. 15.-P. 155702-155710.

8. Nasirpouri, F. Tunable distribution of magnetic nanodiscs in an array of electrodeposited multilayered nanovvires // IEEE Trans. Magn. - 2011. - V. 47. -1. 8. - 5722037. - P. 2015-2021.

9. Das, R. Dipolar interactions and their inruence on the critical single domain grain size of Ni in layered Ni/Al203 composites / A. Gupta, D. Kumar, S. H. Oh et al. // J. Phys.: Condens. Matter. - 2008. - V. 20. - P. 385213-385218.

10. Vonsovski, S. V. Magnetism - New York : Wiley, 1974. - 752 p.

Подписано в печать 7.06.2013. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,4 Тираж 100 экз.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Суковатицина, Екатерина Васильевна, Владивосток

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах^эукописи

04201362118

Суковатицина Екатерина Васильевна

Магнитные свойства электроосажденных пленок и массивов наноструктур никеля

01.04.07 - Физика конденсированного состояния

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Л.А. Чеботкевич

Владивосток - 2013

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................................4

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.................................................................................10

1.1. Магнитные нанопроволоки......................................................................................10

1.1.1. Получение нанопроволок..............................................................................10

1.1.2. Получение шаблонов и массивов проволок................................................12

1.1.3. Структурные свойства...................................................................................19

1.1.4. Магнитные свойства массивов нанопроволок............................................22

1.1.5. Коэрцитивная сила нанопроволок...............................................................40

1.2. Тонкие магнитные пленки...................................................................................43

1.2.1. Получение гранулированных пленок..........................................................43

1.2.2. Магнитные свойства гранулированных пленок.........................................45

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА.................................................................49

2.1. Получение наноструктур.....................................................................................49

2.1.1. Получение массивов нанопроволок.............................................................49

2.1.2. Электрохимическое осаждение пленок.......................................................51

2.2. Сканирующая электронная микроскопия..........................................................53

2.3. Методы исследования магнитных свойств наноструктур................................54

2.3.1. Продольный магнитооптический эффект Керра........................................55

2.3.2. Индукционный метод....................................................................................57

2.3.3. Магнитная силовая микроскопия и атомная силовая микроскопия.........60

ГЛАВА 3. МАССИВЫ ЭЛЕКТРООСАЖДЕННЫХ НАНОПРОВОЛОК НИКЕЛЯ 63

3.1. Структура массивов нанопроволок никеля........................................................63

3.1.1. Изображения сканирующей электронной микроскопии...........................63

3.1.2. Фурье - спектры СЭМ...................................................................................64

3.2. Магнитные свойства массивов нанопроволок...................................................67

3.2. 1. Коэрцитивная сила и остаточная намагниченность массивов никелевых

нанопроволок.......................................................................................................................67

3.2.2.Зависимость механизмов перемагничивания от геометрических параметров нанопроволок..................................................................................................73

3.3. Одиночные нанопроволоки никеля.....................................................................75

3.3.1. Структура отдельных нанопроволок N1......................................................75

3.3.2. Доменная структура отдельных нанопроволок N1.....................................79

3.3.3. Оценка коэрцитивной силы..........................................................................86

3.4. Выводы..................................................................................................................91

ГЛАВА 4. ЭЛЕКТРООСАЖДЕННЫЕ ГРАНУЛИРОВАННЫЕ ПЛЕНКИ Ni НА п -

SI(lll)..........................................................................................................................................92

4.1. Анализ изображений СЭМ (распределение частиц по размерам)...................93

4.2. Магнитные свойства гранулированных пленок никеля....................................97

4.2.1. Коэрцитивная сила и остаточная намагниченность...................................97

4.2.2. Доменная структура....................................................................................100

4.2.3. Микромагнитное моделирование...............................................................102

4.3. Анизотропное магнитосопротивление.............................................................105

4.4. Выводы................................................................................................................107

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................................................109

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.............................................................................................112

ВВЕДЕНИЕ

Создание нанокомпозитов и наноматериалов с заданными физическими свойствами и их изучение было и остается важной проблемой современного материаловедения. Большое внимание привлекают к себе магнитные наносистемы. Это связано с возможностью применения их в различных сферах деятельности: биомедицине [1], в магнитных устройствах хранения данных [2], в магнитоэлектронных устройствах. В биомагнетизме магнитные частицы используются для сортировки клеток, для исследования микромеханики клеток [3] и кручения молекул ДНК [4, 5], для транспортировки лекарственных препаратов к определенным областям. В магнитных устройствах хранения информации изучаются самособирающиеся ферромагнитные частицы для магнитной среды с высокой плотностью данных. Помимо прикладного изучения нанострукрур, проводятся исследования фундаментального направления, позволяющие понять взаимосвязь между параметрами магнитной наносистемы и ее функциональными свойствами. Данные исследования дают возможность производить направленный поиск и оптимизацию процессов получения наноструктур для их дальнейшего практического применения. Большой спектр применений привел к заинтересованности в наночастицах с широким спектром магнитных свойств. Например, при создании магнитных устройств хранения информации особое внимание уделяют изучению анизотропных магнитных свойств наноструктур и их массивов.

создания магнитных структур в упорядоченных массивах позволяет добиться

плотности хранения данных более чем 700 Гбит/дюйм .

Задачи работы:

1. исследовать структуру электрохимически осажденных массивов нанопроволок и отдельных нанопроволок N1;

2. экспериментально установить зависимость коэрцитивной силы и приведенной остаточной намагниченности от ориентации внешнего магнитного поля в массивах нанопроволок N1;

3. исследовать магнитную структуру и процессы перемагничивания недеформированных и деформированных одиночных нанопроволок №;

4. экспериментально установить распределение гранул по размерам в электроосажденных пленках №;

5. исследовать магнитные параметры и ориентацию спинов в зависимости от концентрации гранул в пленках N1.

Научная новизна работы:

- Показано, что при деформации отдельных нанопроволок происходит объединение зерен и образование двойников. Анизотропия, наведенная деформациями, приводит к многодоменному состоянию с осью легкого намагничивания, направленной перпендикулярно оси нанопроволоки.

- Установлена зависимость магнитных параметров от концентрации гранул в никелевых пленках. При увеличении концентрации гранул никеля См до 53 % коэрцитивная сила Нс и приведенная остаточная намагниченность М/М5 возрастают, а при СМ1 > 53 % Нс и М/М5 уменьшаются.

На защиту выносятся следующие результаты:

2. Деформация индивидуальных нанопроволок приводит к перестройке кристаллической структуры. В мелкозернистых поликристаллических нанопроволоках при деформации происходит вращение зерен и их объединение с образованием двойников. Магнитная анизотропия, наведенная напряжениями, приводит к образования многодоменной структуры с легкой осью, ориентированной перпендикулярно оси нанопроволоки.

3. В гранулированных пленках №, полученных электрохимическим осаждением, при концентрации гранул никеля См < 53 % преобладают одиночные гранулы, а при > 53 % - агломераты из гранул.

Коэрцитивная сила Нс и приведенная остаточная намагниченность M/Ms зависят от концентрации гранул. При Cm = 53 % Нс и M/Ms имеют максимальные значения.

Личное участие автора в получении результатов состоит в следующем:

- определение структуры и размеров массивов нанопроволок, отдельных нанопроволок и гранулированных пленок методом сканирующей электронной микроскопии;

- обработка изображений СЭМ массивов нанопроволок Фурье -анализом;

- исследование магнитных свойств образцов методами магнитооптического эффекта Керра и индукционной магнитометрией;

- исследование магниторезистивных свойств пленок. Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на

Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике (г. Владивосток, 2011), The Ninth Russia-Japan Seminar on Semiconductor Surfaces, RJSSS-9 (Владивосток, 2010), Moscow International Symposium on Magnetism (Москва, 2011), Десятой региональной научной конференции «Физика: Фундаментальные и прикладные исследования, образование» (Владивосток, 2011), IEEE International Magnetics Conference, Intermag 2012 (Ванкувер, 2012), Международном научном форуме студентов, аспирантов и молодых ученых стран Азиатско-Тихоокеанского региона -2012 (Владивосток, 2012), Joint European Symposium on Magnetism, JEMS-

2012 (Парма, 2012), Joint European Symposium on Magnetism, JEMS-2013 (Rhodes, 2012).

В первой главе изложен литературный обзор по теме исследования. Первая глава включает два параграфа, разбитых на подпараграфы. В первом подпараграфе первого параграфа рассмотрены возможные методы получения нанопроволок, во втором - описаны способы получения шаблонов и на их основе изготовление массивов нанопроволок методом электрохимического осаждения металла. В третьем подпараграфе приведена структура массивов нанопроволок и отдельных нанопроволок. В четвертом - собраны экспериментальные данные, имеющиеся на данный момент по магнитным свойствам электрохимически полученных массивов нанопроволок. В пятом -приведена теория по определению коэрцитивной силы нанопроволок. Во втором параграфе собраны данные по получению гранулированных пленок и рассмотрено влияние различных параметров на магнитные свойства гранулированных пленок.

Во второй главе описана методика электрохимического получения исследуемых наноструктур. Приведены экспериментальные условия, при которых были приготовлены шаблоны и выращены массивы нанопроволок Ni; получены гранулированные пленки Ni. Описаны приемы исследования структурных свойств объектов методами сканирующей электронной микроскопии и атомной силовой микроскопии. Приведена информация по исследованию магнитных свойств наноструктур методами продольного

магнитооптического эффекта Керра, индукционной магнитометрией, магнитной силовой микроскопией.

В третьей главе приведены результаты исследования структуры и магнитных свойств массивов нанопроволок никеля и одиночных нанопроволок никеля. Исследованы массивы нанопроволок с различными геометрическими размерами. Массивы нанопроволок имели анизотропное поведение магнитных свойств в плоскости образца, которое было обусловлено тем, что поры в шаблоне не имели дальнего порядка. Установлено, что ось легкого намагничивания, наведенная формой, ориентирована вдоль нанопроволоки и составляет с нормалью к поверхности угол, порядка 10 Ориентацией оси легкого намагничивания можно управлять, меняя процентное содержание кобальта в составе Со-№ нанопроволок. В одиночных нанопроволоках никеля в результате деформации возникают двойники. Под действием упругих напряжений образуется магнитная структура с периодично изменяющимся магнитным контрастом.

В четвертой главе описаны результаты исследования гранулированных пленок никеля, которые были получены электрохимическим осаждением. Показано, что при низкой концентрации никеля образовывались отдельные гранулы, имеющие форму сплюснутых сфероидов. При увеличении концентрации, происходило слияние гранул с образованием сплошной пленки. В результате изменения структуры, в данных образцах наблюдался переход процессов перемагничивания от зарождения и движения магнитного вихря в одиночных гранулах, к образованию магнитных доменов и движению доменных стенок в сплошных пленках.

В заключении выделены основные результаты диссертационной работы.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 1.1. Магнитные нанопроволоки

1.1.1. Получение нанопроеолок

Традиционным методом изготовления магнитных сред с заданными параметрами магнитных элементов является литография. В зависимости от внешнего воздействия различают рентгеновскую литографию, электроннолучевую литографию, интерференционнаую литографию, фотолитографию (ультрафиолетовое излучение) [6]. Вследствие легкой управляемости электронным лучом для создания магнитных сред используют электроннолучевую литографию. С помощью литографии можно создавать структуры размером до 10-15 нм, но данный метод не позволяет быстро создавать магнитные элементы на большой площади.

Для получения систем магнитных элементов различной формы с периодом 100 нм и меньше на большой площади применяется интерференционная литография, в которой используется интерференция двух лучей света на подложке, покрытой резистом [6].

Для создания наноструктур также используется метод сфокусированного ионного пучка. Этот метод основан на локальном воздействии сфокусированным пучком ионов, ускоренных до средних энергий, на поверхность образца [7, 8]. При травлении поверхности твердого тела размер пучка составляет около 15 нм.

Для получения магнитных нанопроволок эффективно используют технологию электролитического осаждения. В основе технологии электролитического осаждения лежит процесс электрохимического восстановления металлов, происходящий под влиянием протекающего через раствор электрического тока.

Особенность этого метода заключается в том, что осаждение металла можно проводить в поры различных нанопористых материалов. При этом

наиболее приемлемым является метод импульсного электролитического осаждения [9].

С химической точки зрения перспективным методом получения упорядоченных массивов наноструктур является подход, связанный с самоорганизацией. Примером самоорганизующихся структур являются пористые пленки анодированного оксида алюминия. Во время анодирования образуются структуры с гексагонально упакованными цилиндрическими порами, при этом поры расположены строго перпендикулярно к поверхности пленки. Уникальная пористая структура, параметрами которой, такими как диаметр, длина и расстояние между соседними порами, можно варьировать в процессе синтеза, позволяет использовать анодированные пленки А120з в качестве шаблона для синтеза упорядоченных массивов наночастиц с контролируемым диаметром и высокой геометрической анизотропией. Данный метод получения наноструктур является относительно простым, недорогим, позволяет получать массивы больших площадей. Кроме того, преимуществом А120з мембран является то, что, изменяя условия анодирования, можно легко варьировать геометрическими параметрами этих структур.

С 1981 года были проведены исследования по изучению магнитных свойств массивов ферромагнитных нанопроволок в неупорядоченных шаблонах оксида алюминия [10, 11, 12]. Эти структуры имели неравн