Микроволновые и структурные особенности тонких магнитных плёнок на основе Co и Fe70Co30, получаемых методом магнетронного распыления тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

00501674а

На правах рукописи

Р

Маклаков Сергей Сергеевич

Микроволновые и структурные особенности тонких магнитных плёнок на основе Со и Ре7оСо3о, получаемых методом магнетронного распыления

01.04.13 -электрофизика, электрофизические установки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2012

3 МАЙ 2012

005016749

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте теоретической и прикладной электродинамики РАН

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Рыжиков Илья Анатольевич

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Перов Николай Сергеевич, доктор физико-математических наук,

профессор физического факультета Московского государственного

Университета им. М.В. Ломоносова

Слепцов Владимир Владимирович, доктор технических наук, зав. кафедрой радиоэлектроники,

телекоммуникаций и нанотехнологии Российского государственного

технологического университета им. К.Э. Циолковского «МАТИ»

Федеральное государственное

бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН

Защита состоится «23» мая 2012 г. в 11 часов 00 минут на заседании Диссертационного совета ДМ 002.262.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте теоретической и прикладной электродинамики РАН при участии Федерального государственного бюджетного учреждения науки Объединённого института высоких температур РАН по адресу: 125412, Москва, ул. Ижорская, 13, экспозал ОИВТ РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Объединённого института высоких температур РАН.

Автореферат разослан «18» апреля 2012 г. Учёный секретарь

диссертационного совета ДМ 002.262.01 кандидат физико-математических наук Кунавин А.Т.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Для развития электронной техники необходимо создание ферромагнитных материалов с высокой магнитной проницаемостью. Тонкие ферромагнитные плёнки являются перспективными объектами для решения данной задачи. Данные материалы интенсивно исследуют в связи с созданием электрофизических устройств: средств для хранения информации высокой плотности, датчиков магнитного поля и приборов для СВЧ диапазона. Наиболее полно изучена взаимосвязь между структурой и статическими магнитными параметрами тонких плёнок. Установлены закономерности, позволяющие получать материалы с требуемым значением коэрцитивной силы, активно изучаются причины возникновения и способы изменения степени магнитной анизотропии. В то же время, взаимосвязь между структурой и динамическими магнитными свойствами тонких плёнок неизвестна. Необходимо исследование корреляций между структурными и высокочастотными магнитными параметрами тонких ферромагнитных плёнок.

Наиболее перспективными магнитомягкими материалами являются вещества на основе твёрдого раствора Ре1.хСох, обладающие максимальным значением намагниченности насыщения среди известных ферромагнетиков. При этом, для изучения магнитной анизотропии тонких плёнок целесообразно использование модельного магнитоодноосного материала Со.

Вакуумные методы нанесения тонких плёнок позволяют получать объекты высокой плотности, однородности и чистоты. Подбор условий роста тонких ферромагнитных плёнок позволяет получать материалы со специфическими характерным размером кристаллов ферромагнетика, распределением кристаллов по размерам и относительным содержанием фазы аморфного металла, что используют для управления магнитными свойствами тонких плёнок в широком диапазоне. При использовании вакуумных методов получения тонких плёнок существует возможность одновременного нанесения ферромагнитного и диэлектрического веществ, что приводит к формированию тонкоплёночных композиционных материалов. Совместимость технологических режимов нанесения металлических и диэлектрических веществ определяется конструкцией вакуумной установки; композиционные материалы с магнитным наполнителем дают дополнительную возможность управления магнитными свойствами тонких плёнок.

Магнетронное распыление на постоянном токе приводит к получению плёнок с размерами кристаллитов от единиц до десятков нм. В силу специфики процессов массопереноса и распыления, задача масштабирования технологических установок с использованием магнетронов постоянного тока облегчена. Разработка технологических подходов получения тонких ферромагнитных плёнок с использованием магнетронов постоянного тока, основанная на понимании взаимосвязи структура - магнитные свойства,

актуальна для поиска и производства эффективных материалов - поглотителей электромагнитного излучения требуемого частотного диапазона.

Цель работы

Целью данной работы являлось определение взаимосвязи между строением и динамическими магнитными параметрами тонких плёнок на основе Со и РсуоСоза и изучение возможности управления высокочастотными магнитными свойствами тонкоплёночных материалов на основе Со и Ре70Со30 в частотном диапазоне 1-10 ГГц. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

• Получение тонких плёнок Со магнетронным распылением на постоянном токе с использованием различных значений набора технологических параметров; изучение взаимосвязи между строением и магнитными параметрами плёнок Со.

• Получение тонких плёнок твёрдого раствора Ге70Соз0, выявление взаимосвязи структура - магнитные параметры для данных объектов.

• Получение тонких плёнок композиционного материала Ь'етоСозо-ЗЮг магнетронным сораспылением в вакууме. Исследование взаимосвязи между высокочастотными магнитными свойствами и структурой композиционных плёнок на основе Ре70Соз0.

• Создание многослойных структур на основе металлических и композиционных плёнок Ре7оСо3о. Определение изменения высокочастотных магнитных параметров полученных объектов в зависимости от параметров многослойного материала.

Научная новизна

Обнаружен и впервые опубликован способ управления частотой естественного ферромагнитного резонанса (е-ФМР) в плёнках Со в диапазоне 2,9 - 7,3 ГГц при помощи изменения скорости нанесения металла. Предложена модель, описывающая формирование кристаллитов определённого размера в плёнках Со, приводящее к изменению частоты е-ФМР. Подробно исследовано влияние кристаллической текстуры на магнитные свойства плёнок Со. Предложен способ изменения ориентации оси текстуры при помощи регулирования направления стока заряда, проходящего через ферромагнитную плёнку в процессе роста.

Установлено, что выявленные закономерности роста плёнок Со не работают при росте плёнок твёрдого раствора Ре70Соз0. При этом, для плёнок Ре70Соз0, зависимость частоты е-ФМР от размера кристаллитов аналогична зависимости, обнаруженной для плёнок Со. При формировании композиционного материала (Ре70Соз0)|-х(8Ю2)х частота е-ФМР уменьшается от 10,2 до 5,7 ГГц. Обнаружено, что уменьшение частоты е-ФМР и максимального значения при увеличении количества ферромагнитных слоев для

многослойного материала (Ре70Созо)97(5Ю2)з-8Ю2 происходит медленнее, чем для многослойного материала Рс70Созо-8Ю2. Предложен новый подход к исследованию степени упорядочения в твёрдых растворах системы Ре^Со*,

основанный на изучении эффекта Мёссбауэра и оценке вероятности осуществления комбинаций относительного расположения атомов Ре и Со. Показано, что твёрдый раствор Ре7оСо30 обладает большей степенью упорядочения по типу СяС/ в композиционных плёнках (Ре7оСо3о)95(8Ю2)5 по сравнению с металлическими плёнками Ре70Соз0.

Практическая значимость работы

Разработанные способы формирования заданных магнитных параметров тонких ферромагнитных плёнок могут быть использованы при создании опытно-конструкторских электрофизических установок по изготовлению материалов с интенсивным поглощением СВЧ излучения в частотном диапазоне современной сотовой связи. Результаты работы могут быть использованы для разработки новых магнитных материалов для СВЧ диапазона. Предложенный подход к созданию новых магнитных материалов, основанный на изучении строения тонких магнитных плёнок, применим для развития теоретических представлений о динамических магнитных свойствах вещества.

Основные результаты и положении, выносимые на защиту

1. Частота естественного ферромагнитного резонанса плёнок кобальта монотонно возрастает от 2,9 до 7,3 ГГц при увеличении скорости нанесения от Уа = 4,3 до 7,0 нм/мин. Возрастание частоты коррелирует с возрастанием размера кристаллитов кобальта от 5 до 50 нм и шириной распределения кристаллитов Со по размерам от 5 до 70 нм.

2. Плёнки Со, полученные магнетронным распылением на постоянном токе, обладают одноосной текстурой. Ось текстуры изменяет ориентацию в зависимости от скорости нанесения кобальта. При скорости Уц = 4,3 нм/мин ось текстуры находится в плоскости плёнки и перпендикулярна оси лёгкого намагничивания. В случае Уа = 7,0 нм/мин ось текстуры перпендикулярна подложке. Изменение ориентации оси текстуры связано с направлением стока заряда, проходящего через металлическую плёнку при нанесении.

3. Предложена модель, объясняющая изменение частоты естественного ферромагнитного резонанса при изгибе ферромагнитных поликристаллических плёнок. В рамках предложенной модели, анализ значений частот /г№ измеренных для изогнутых плёнок, показывает, что плёнки Со с частотой /•„ = 2,9 ГГц обладают большей свободной энергией, чем плёнки Со с частотой = 7,3 ГГц. Уменьшение свободной энергии связано с уменьшением объёма аморфного кобальта и переходом магнитных моментов в плоскость плёнки.

4. Структурные изменения при повышении скорости нанесения У,/ вызваны увеличением поверхностной температуры подложки при росте плёнки. Сравнение плёнок Со, полученных при минимальной и максимальной доступных скоростях нанесения показывает, что в случае У,^ = 4,3 нм/мин доминирующий процесс при росте плёнки - зародышеобразование. Для = 7,0 нм/мин становится возможным расширенный рост зародышей.

з

5. Частота fres понижается от 10,2 до 5,7 ГГц при формировании композиционных плёнок (Fe7oCo3o)94(Si02)6 по сравнению с металлическими плёнками Fe70Co30. При этом происходит уменьшение коэрцитивной силы от 200 до 20 Э. При содержании а композите c(SiO,) >21 об. % происходит переход плёнок в суперпарамагнитное состояние.

6. Изменение высокочастотных магнитных параметров при формировании десятислойного материала с прослойками Si02 сильнее в случае использования Fe70Co30 по сравнению с (Fe70Co30)97(SiO2)3. Уменьшение частоты е-ФМР и максимального значения ц" составляет Afres = 2,4 ГГц, Ац" = 8 для Fe7oCo3o и Д/„, = 1 ГГц, Дц" = 10 для (Fe70Co3o)97(Si02)3.

7. Предложена модель, описывающая изменение распределения сверхтонкого поля на ядрах 57Fe в зависимости от атомной структуры твёрдого раствора Fe70Co30. Степень упорядочения Fe70Co30 по типу CsCl в композиционной плёнке (Fe70Co30)95(SiO2)5 выше, чем в плёнке Fe7oCo3o. Упорядочение вызвано повышенной поверхностной температурой при росте плёнки за счёт сообщения энергии подложке потоком Si02.

8. Разработан технологический подход, позволяющий получать методом магнетронного распыления плёнки на основе Со и Fe^Co* с заданными высокочастотными свойствами.

Апробация результатов работы

Основные результаты работы доложены на двенадцати международных и всероссийских конференция. Среди них: международная выставка-симпозиум Американского вакуумного общества «AVS-58» (Нэшвил, США, 2011); 20-я международная конференция, посвящённая магнитомягким материалам «SMM-20» (Кос, Греция, 2011); Вторая Всероссийская научная конференция с международным участием «Успехи синтеза и комплексообразования» (Москва, 2012); VI Всероссийская конференции «Менделеев-2012» (Санкт-Петербург, 2012); Московский международный симпозиум по магнетизму «MISM-2011» (Москва, 2011); Ежегодная научная конференция ИТПЭ РАН (Москва, 2011, 2010, 2012); 5-я Всерос. конференция студентов и аспирантов «Химия в современном мире» (Санкт-Петербург, 2011); Междунар. Конфер. студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов» (Москва, 2012, 2011, 2010).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ. Среди них 3 статьи в зарубежном и отечественных реферируемых журналах из списка ВАК и 12 тезисов докладов на научных конференциях.

Личный вклад автора

Автором выполнена синтетическая часть работы: получены тонкоплёночные материалы, использованные для исследования. Осуществлена интерпретация результатов физико-химических исследований. Обнаружена

кристаллографическая текстура плёнок Со и корреляция между строением и магнитными свойствами плёнок Со. Предложен способ описания состояния

плёнок Со при помощи термодинамической функции состояния. Предложена модель, объясняющая сдвиг частоты естественного ферромагнитного резонанса при изгибе плёнок, основанная на использовании изменения свободной энергии. Предложен способ исследования степени упорядоченности твёрдого раствора Ре1_хСох в тонких плёнках при помощи изучения эффекта Мёссбауэра. Разработана качественная модель, описывающая изменение структуры плёнок Со и Ре7оСо3о в зависимости от параметров нанесения вещества при магнетронном распылении.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и списка цитируемой литературы, содержащего 138 ссылок. Работа изложена на 106 страницах печатного текста и содержит 63 рисунка, 1 схему и 8 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель исследования и представлены основные результаты, выносимые на защиту.

Первая глава представляет собой обзор литературы, посвященной тонким плёнкам Со и Рс1.хСох: описанию свойств и особенностей технологий изготовления.

В разделе § 1 описаны основные процессы, протекающие при магнетронном распылении на постоянном токе. Приведены данные о влиянии изменения параметров процесса на строение плёнок. Представлен современный подход к объяснению взаимосвязи между параметрами распыления и свойствами плёнок.

Раздел § 2 посвящён тонким плёнкам кобальта. Представлены известные данные о взаимосвязи между магнитными свойствами и строением плёнок кобальта. Представлена оценка данных о фазовом переходе /сс-Иср Со, часто упоминаемом в литературе по плёнкам кобальта. Представлены современные данные о текстуре плёнок кобальта и методах её создания.

Раздел § 3 посвящён тонким плёнкам на основе Ре].хСох. Представлена диаграмма состояния бинарной системы Ре-Со. Рассмотрены известные данные об изучении фазового перехода типа порядок-беспорядок. Обоснован выбор состава твёрдого раствора для проведения эксперимента. Представлены магнитные свойства плёнок Ре!_хСох. Проведён анализ изменения магнитных свойств плёнок Ре|.хСох в зависимости от используемой подложки.

Раздел § 4 посвящён композиционным плёнкам (Ре1.уСоу)1.х(8Ю2)х. Описаны способы получения данных объектов, приведены основные структурные характеристики. Представлены способы определения состава композиционных плёнок. Приведены данные о статических и динамических свойствах композиционных плёнок в зависимости от состава композита.

Раздел § 5 посвящён теоретическим аспектам магнетизма тонких ферромагнитных плёнок. Представлены основные положения, рассматривающие

динамические магнитные свойства ферромагнитных плёнок, опубликованные в течение последних десяти лет.

Во второй главе приведено описание оборудования, использованного для получения тонких плёнок Со и Ре].хСох и структур на их основе. Описаны методики получения исследованных плёнок. Для распыления Со и Ре7оСозо использованы магнетроны постоянного тока. Распыление 8Ю2 осуществлялось при помощи ВЧ магнетрона (13,56 МГц). Разрежение в газовой камере создавалось при помощи криогенного вакуумного насоса.

Третья глава посвящена методикам исследования тонких плёнок. Основные результаты работы получены при помощи измерений магнитной радиоспектроскопии, магнитостатических измерений, изучения интерференции на тонких плёнках, удельного электрического сопротивления плёнок, рентгеновской дифрактометрии, просвечивающей электронной микроскопии, сканирующей электронной микроскопии с локальным рентгеноспектральным анализом, и исследования эффекта Мёссбауэра.

Б четвёртой главе приведены экспериментальные результаты и их обсуждение.

Тонкие плёнки кобальта

Частота естественного ферромагнитного резонанса плёнок Со

Кобальт был выбран в качестве модельного материала для экспериментов по определению возможности получения ферромагнитных плёнок с различной структурой и выявлению корреляций между строением и значением частоты е-ФМР плёнок. В качестве параметра, характеризующего процесс роста плёнки, выбрана скорость нанесения, измеряемая после окончания процесса. Плёнки Со получены магнетронным распылением мишени Со (99,95 %, 0 = 6 см) на постоянном токе в атмосфере Аг. Поток частиц Со осаждался при комнатной температуре на прямоугольную подложку из полиэтилентерефталата размером 6 х 60 см, закреплённую на вращающемся металлическом барабане.

При нанесении Со, напряжение и ток газового разряда существенно зависят от давления внутри камеры. В качестве параметра, характеризующего процесс нанесения Со, была выбрана скорость нанесения нм/мин, определяемая после окончания процесса. Скорость нанесения изменяется от 4,3 до 7,0 нм/мин при изменении мощность газового разряда от 336 до 770 Вт, что вызвано увеличением силы тока разряда от 0,4 до 0,95 А соответственно (табл. 1).

Обнаружено повышение частоты е-ФМР плёнок Со от 2,9 до 7,5 ГГц при повышении скорости нанесения от 4,3 до 7,0 нм/мин (рис. 1, табл. 1). Частота ФМР определялась как экспериментальное значение частоты при //' = 1. Для проведения экспериментов были выбраны плёнки Со толщиной Л = 30 ± 3 нм. При И < 30 нм затруднительно исследование плёнок методом магнитной радиоспектроскопии, что связано с недостаточной чувствительностью частотного анализатора. При И > 30 нм наблюдается уширение полосы

поглощения на кривой ц"ф\ металлические плёнки теряют прозрачность для электронного луча в просвечивающем электронном микроскопе.

Частота, ГГц Частота. ГГц

Рис. 1. Частотные дисперсии (а) - действительной, (Ь) - мнимой частей магнитной проницаемости плёнок Со, полученных при разных скоростях нанесения Vd.

Частота е-ФМР определяется величиной внутреннего эффективного поля (табл. 1)\ величину Heff рассчитывают по формуле Киттеля (1):

Heff = rAs ■ , где (1)

намагниченность насыщения Со 4лМх = 18,188 кГс, магнитомеханическое отношение у = 3,05 ГГц/кЭ.

Увеличение скорости нанесения приводит к росту коэрцитивной силы Нс плёнок Со от 25 до 125 Э (рис. 2, табл. 2). При этом наблюдается уменьшение параметра прямоугольное™ петли гистерезиса1 (табл. 1). _____

.... vd = 4.3 нм/мин

---Vd = 5.3 нм/мин

-Vd = 6.6 нм/мин

-----Vd = 7.0 нм/мин ;

Рис. 2. Петли магнитного гистерезиса в Рис. 3. Планарные изображения просвечивающей

направлении оси лёгкого намагничивания плёнок электронной микроскопии плёнок Со; (а), (с), (е),

Со, полученных при разных скоростях нанесения (Г) - изображения в режиме светлого поля; (Ь), (с!)

К,;. - изображения в режиме тёмного поля; (Ь) -Нс монотонно увеличивается при увеличении У{1. изображения электронной дифракции.

' Hegyi, U. III Appl. Pliys. 1954 (25) 176

Плёнки кобальта обладают нанокристаллическим строением с кристаллической модификацией а-Со (рис. 3). Искажения кристаллической решётки по сравнению с табличными параметрами не обнаружено (а = 2,49(1) А, с = 4,15(7) А; карточка № 05-0727). Присутствия кубической фазы кобальта,

упоминаемой в литературе, не обнаружено.

Плёнки Со, полученные со скоростью Уа= 4,3 нм/мин обладают узким (АЭ = 3 нм) распределением кристаллитов по размерам со средним размером кристаллитов £> = 5 нм. Повышение скорости нанесения приводит к увеличению степени неоднородности плёнки и увеличению размеров кристаллитов Со (рис. 3, 4, табл. 1). При большом увеличении (рис. 3']) плёнки Со, полученные при скорости нанесения Уа = 7,0 нм/мин демонстрируют «полосатую» структуру с шириной полосы 2 нм. Данное изображение предположительно формируется по механизму образования Муарового узора в электронном пучке. Таблица 1. Условия получения, магнитные свойства и структурные параметры плёнок Со.

Параметры газового ш и § § в

§Ц _™_ частота Ш § В _

/А л мм .,1ггц I3*

^ х ^ V ' рт. ст. Ш •§■ 9- я о-

г " ьа ^

4,3 840 0,40 2-10*4 2,9 50 S 5 25 48,5

5,3 830 0,55 5 10"4 5,3 170 20 40 63 11,0

6,6 825 0,75 7 • 10"4 6,5 245 30 60 90 4,2

7,0 810 0,95 10-10"4 7,3 320 50 70 125 1,6

Слабо выраженные линии Кикучи, наблюдаемые при электронной дифракции (рис. 3h) говорят о том, что кристаллиты Со в случае Vj = 7,0 нм/мин достаточно велики для дифракции неупруго рассеянных электронов.

а! _ Ь г>гглг*1 |

АШ

^ О,*!**.-*/«?) ^ С:у_4»>.г»»О. пк

МП лгплгвп I ! __ гкгЛг.эт 4

: М

«те О. пев I). !ГЧ

Рис. 4. Распределение кристаллитов а-Со по размерам для пленок, полученных при разных скоростях нанесения.

Рис. 5. (а), (Ь) - изображение просвечивающей электронной микроскопии поперечного среза плёнки Со; (с) - электронная дифракция с области, изображённой на рис. (а).

Изучение поперечных срезов плёнок Со показывает, что плёнки обладают сложным строением, состоящим из металла и полиэтилентерефталата (рис. 5а и 5Ь). Толщина металлосодержащего слоя на полимерной подложке увеличена до И = 100-150 нм по сравнению с толщиной металла к = 30 ± 3 нм, определённой при помощи интерференции на твёрдой подложке. Для плёнок, полученных при всех доступных скоростях нанесения обнаружено столбчатое расположение кристаллитов Со, что согласуется с приведёнными в литературе данными2.

Обнаружена корреляция между частотой е-ФМР и размером кристаллитов Со (рис. 6). Увеличение размера кристаллитов Со приводит к увеличению внутреннего эффективного поля Нф коэрцитивной силы Нс и понижению прямоугольности петли гистерезиса 5 (рис. 7).

Структурные изменения, вызванные ростом скорости нанесения Со, предположительно, связаны с увеличением поверхностной температуры в процессе роста плёнки при разных режимах распыления. При повышении давления в вакуумной камере протекают конкурирующие процессы, отражающиеся на росте плёнки Со. За счёт термализации и перезарядки ионов Аг+ (Аг1" + Аг —» Аг + Аг+) кинетическая энергия частиц кобальта уменьшается. При этом увеличивается количество частиц кобальта, оседающих на подложке в единицу времени. Поверхностная температура возрастает за счёт увеличения полной энергии, сообщаемой подложке в единицу времени3. Известно, что при магнетронном распылении рост плёнок металлов происходит по механизму Волмера-Вебера. Из анализа структуры плёнок следует, что при скорости нанесения = 4,3 нм/мин доминирующим процессом при росте плёнки является зародышеобразование, что говорит о низкой поверхностной диффузии атомов Со. При У^ = 7,0 нм/мин поверхностная диффузия увеличивается, что приводит к образованию кристаллитов увеличенного размера4 (табл. 1).

Средний размер кристаллитов Со О, нм

Рис. 6. Зависимость частоты е-ФМР от среднего размера кристаллитов Со.

Средний размер кристаллитов о. нм

Рис. 7. Зависимость магнитных параметров плёнок от среднего размера кристаллитов Со.

1 АпЛеп, А. // ТЫп Зо1|с1 РПт5. 2010 (518) 4087

3 Лол, в.Н. //1. РЬуэ. О. 2009 (42) 043001

'Мак/акт, Х.9, е/. Ы. /П. Маёп. МаЁп. Ма1ег. 2012 (324)2108

Кристаллическая текстура плёнок Со

При отсутствии искажений кристаллической решётки а-Со ось симметрии шестого порядка совпадает с осью лёгкого намагничивания. Анализ результатов статических магнитных измерений и рентгеновской дифракции показывает присутствие одноосной кристаллической текстуры плёнок Со.

Плёнки, полученные при скорости нанесения = 4,3 нм/мин, обладают магнитной анизотропией в плоскости плёнки (рис. 8а). На дифрактограмме наблюдается один рефлекс а-Со 002 (рис. 8Ь). Ось текстуры для плёнок данного типа лежит в плоскости плёнки и параллельна оси трудного намагничивания (рис. 9Ь). Плёнки с 7,0 нм/мин магнитно изотропны в плоскости (рис. 8с) и не содержат рефлекса на дифрактограмме (рис. 8ф. Ось текстуры в данном случае перпендикулярна плоскости плёнки (рис. 9ф. Текстура плёнок Со предположительно связана с направлением стока заряда, проходящего через плёнку в процессе роста.

Г в \ 1

/ 1 в

/ ^^ *

* " %.и

СЮ 200 300

••303 -20С

<00 гее зоо

Рис. 8. (а), (с) - петли магнитного гистерезиса плёнок Со, полученные по взаимно перпендикулярным направлениям в плоскости плёнки; (Ь), (с!) - дифрактограммы плёнок Со, полученные в режиме скользящего падения рентгеновского пучка (01X0).

\/д - 4,3 нм/мин

,. & ш

\ Уо = 4.3 нм/мин

Ус! = 7,0 нм/мин

Рис. 9. Схематическое представление строения плёнок Со. 10

Для проведения измерений методом магнитной радиоспектроскопии необходимо достаточное количество магнитного материала, сформированного в тороидальной форме. Для этого из полученной плёнки вырезают узкую длинную (5 х 200 мм) полоску и скручивают в цилиндр. Значения магнитной проницаемости рассчитывают из коэффициента отражения электромагнитной волны от поверхности волновода после прохождения через образец. Возможно изготовление скрутки из полоски металлом «внутрь» и «наружу» (далее образцы «in» и «out» соответственно)5. Перед проведением измерений образцы размагничивают во внешнем поле.

Разница между частотами е-ФМР для образцов «in» и «out» плёнок, полученных при Vd= 4,3 нм/мин, составляет 1,9 ГГц. При Vd = 7,0 нм/минfre""' -fj" = 0,6 ГГц (рис. J0, табл. 2).

J.9 V

• .-» 4,3 нм>'мин. 'in'

■ , - - - Vd* 4.3 hiWiiHK, 'out'

Vtf-ГОим/мии ,fn-

.....Vtf-ЛО нм.'мии, "ou!' 4 -

Рис. 10. Частотные дисперсии (а) - действительной и (Ь) - мнимой частей магнитной проницаемости образцов из пленок Со «т» и «от».

Внутреннее эффективное поле Н^ определяется через плотность свободной энергии плёнки:

Негг = ~1Г- (2)

е1' дМ

При изгибе полимерной подложки в металлической пленке возникает механическое напряжение. В этом случае можно представить полный термодинамический потенциал в виде:

р = рыи + где (3 )

Л^/ш'/ - результирующее изменение внутренней упругой энергии пленки, энергии магнитоупругого взаимодействия и энергии внешних напряжений, которые связаны с магнитострикцией. В этом случае можно Нец можно представить в виде:

Н*ГГ - —ЛГ - ~ 1И---Щ— - + где (4)

//„,„ - эффективное поле свободного состояния пленки, Д#е/а« -магнитоупругое поле. В предположении равенства величин возникающих

напряжений в образцах «in» и «out» из табл. 2 имеем:

Heff = Hinit ~ |AWe/ast| для образцов «in»

s Iakubov, LT. et. at. Hi. Magn. Magn. Mater. 2009 (321) 726

Heff = Hinit + |ДЯе(аП| для образцов «out». (6)

Значения Нш и |Д#С;Ш,|, полученные при решение системы уравнений (5) и (6) представлены в табл. 2. Сравнение равенств (4) и (5) даёт знак ДНе,а„ < 0.

В силу эффекта Пуассона, пленка Со подвержена механическому сжатию при скрутке образца «in» и растяжению в образце «out». Величину AFelas, можно грубо оценить по формуле для плотности магнитоупругой энергии упруго деформированного ферромагнетика:

Д^магнитоупр = ^inza, где (7)

Хсо = -3110"6 - коэффициент магнитострикции Со, а - напряжение и а -угол между вектором намагниченности насыщения и осью напряжений. AFeias, < 0 при сжатии и ДFeias, > 0 при растяжении. Учитывая

= (8)

магнитоупругая энергия AFeias, уменьшается с возрастанием магнитного момента. Можно предположить, что разница значений fres для скруток «in» и «out» уменьшится при измерении магнитной проницаемости в состоянии насыщения.

Таблица 2. Частота е-ФМР /„„ эффективное внутреннее поле Нф поле магнитной анизотропии #,,,„, магнитоупругое поле ДЯ,(о.„ и истинная частота е-ФМР (f„J„ai в зависимости от скорости нанесения Vj пленок кобальта.

Ищи Э АЯ„„.„, Э (fm)mu ГГц 70 37 3,5

175 19 5,5

Изменение энергии Гельмгольца неизогнутых плёнок Со при увеличении Vd от 4,3 и 7,0 нм/мин соответствует обнаруженным структурным изменениям.

о < {Hinit)b0 - (Hinit)4,3 = + -JslVtoKhfl - №,tit)4,3] . (9)

Свободная энергия плёнок Со понижается при повышении скорости нанесения металла. Уменьшение внутреннего эффективного поля и свободной энергии пленки, по-видимому, связано с уменьшением площади границ раздела СоcrySt - Соamorph, уменьшением объёма аморфного металла и поворотом магнитных моментов в плоскость пленки6. Различие значений ДЯе/ш, для плёнок, нанесённых с разной скоростью, вызвано различной текстурой пленок. Известно, что механические напряжения, возникающие при пробоподготовке, приводят к инверсии лёгкой и трудно осей намагничивания для плёнок с плоскостной магнитной анизотропией7. В этом случае, для Vj = 4,3 нм/мин, большая часть магнитных моментов в плоскости пленки становится ортогональна оси напряжений (sin2a ~ 1) и вносит вклад в изменение магнитоупругой энергии. Дополнительный вклад вносят напряжения свободного состояния. В случае Vj = 7,0 нм/мин магнитные моменты направлены

Kf. нм/мин скрутка L, ГГц H„т,Э

4,3 «in» 2,4 33

«ом/» 4,3 106

7,0 nin» 5,2 156

«out» 5,8 194

6 Агапонова A.B. и др. // ФТТ. 2011 (53) 951

7lakubov¡.Т. et. al// J. Magn. Magn. Mater. 2012. DOf: 10.10I6/j.jmmm.20I2.02.048

статистически равномерно в плоскости пленки (5/'л;а = //2); изменение магнитоупругой энергии мало. Для оценки истинной резонансной частоты фе^геы может быть использовано значение Я,„¡, (табл. 2)%.

Тонкие плёнки на основе Ре1.,Со, 1 Тонкие плёнки РстпСо-и,

Состав Ре70Соз0 был выбран для проведения экспериментов по изучению ВЧ магнитных свойств в связи с максимальной намагниченностью насыщения среди известных металлов и сплавов (А/, = 2,42 Т). Мишень из твёрдого раствора Ре70Со70 размером 11,2 х 22,7 см, полученная горячим прессованием, была распылена при помощи магнетрона постоянного тока. В случае распыления Ре7оСо3о напряжение газового разряда слабо зависит от давления в вакуумной камере. Поэтому в качестве характеристики процесса росте плёнок Ре70Соз0 было использовано значение давления.

Обнаружено, что частота/•„ не зависит от изменения параметров газового разряда (рис. II), в отличие от изменения, обнаруженного для плёнок Со. Частота /„, = 9,9 ± 0,5 ГГц для плёнок Ре70Соз0, полученных в диапазоне давлений 3 х 10° -9* 10° мм рт. ст.

Рис. 11. Частотные дисперсии (а) — действительной и (Ь) - мнимой частей магнитной проницаемости

плёнок Ре7(|Созп.

Плёнки Ре70Со3о обладают нанокристаллической структурой со средним размером кристаллитов О = 4,1 нм и узким распределением кристаллитов Ре7аСозо размерам ДО = 1,9 нм (рис. 12). Твёрдый раствор кристаллизуется в виде кубической Ьсс модификации с параметром ячейки а = 2,861(4) А. Размер кристаллитов О не изменяется при изменении параметров нанесения. Неизменность частоты е-ФМР при отсутствии изменения размера кристаллитов О подтверждает корреляцию/г„ - Д обнаруженную для Со.

8 Маклаков, С. С. и др. II Российские нанотехнологии. 2012 (7) (в печати)

Композиционные плёнки (Ре7пСозп)иЛ8Ю7)у

Тонкие плёнки композиционного строения были получены сораспылением при помощи магнетрона постоянного тока (Ре70Со30) и ВЧ магнетрона (8Ю2). Угол между потоками частиц, создаваемых магнетронными устройствами, составляет 90°; потоки частиц не пересекаются. Мощность работы ВЧ магнетрона поддерживалась постоянной. Состав композита изменялся при помощи изменения мощности магнетрона постоянного тока (табл. 3). Количество ферромагнетика в плёнках поддерживалось постоянным за счёт изменения времени нанесения; контроль осуществлялся при помощи статических магнитных измерений. Определение состава композиционных плёнок осуществлялось при помощи локального рентгеноспектрального анализа (ЕБХ). Оценка правильности определения состава проведена при помощи анализа изображений электронной микроскопии, на основе толщин плёнок Ре70Со30 и ЭЮ2, полученных при тех же режимах работы магнетронов, что и композиционные плёнки. Пересчёт между атомными, объёмными и массовыми процентами выполнен с использованием «правила смесей» для композиционных материалов:

Р композита (р-Ю наполнителя (Р ' Юматрицы» гДе

(10)

р(Ее70Со30) = 8,025 г/см3, р(8Ю:) = 2,20 г/см3.

Таблица 3. Условия получения и состав плёнок (Ре7оСозо)1-х(5102)х композиционного строения. Мощность Мощность ВРемя Электрическое Сод ие Содержание Содержание Р Вт Р , кВт нанесения сопротивление % 8,Ог 8Ю2, об. %

реЮСиЗО, . .„„, „ . . ...........'' хм,.,. О/. ^

_I, мин_р, мкОм см_ _масс. %

2352 1,20 4,0 88 3 3 9

600 1,20 15,5 804 5 5 17

375 1,20 24.5 8610 6 6 21

Введение 8Ю2 понижает частоту е-ФМР и увеличивает полуширину максимума поглощения на кривой ^ " (рис. 14). Данный эффект предположительно вызван

Рис. 12. Планарное изображение просвечивающей

ЭЛеКТрОННОЙ МИКРОСКОПИИ ПЛёНОК ГС7иСО;п и распределение кристаллитов Ре7оСо30 по размерам.

Рис. 13. Электронная дифракция на плёнке Ре7оСот.

увеличением расстояния между частицами ферромагнетика. Аналогичное явление описано в работе9.

0,1 1 10 0,1 1 1С

Частота. ГГц Частота, ГГц

Рис. 14. Частотные дисперсии (а) - действительной и (Ь) - мнимой частей магнитной проницаемости композиционных плёнок (Fe7oCo3o)i.x(Si02)x.

Твёрдый раствор Fe70Co30 в композиционных плёнках находится в нанокристаллическом состоянии (рис. 15а). Средний размер металлических кристаллитов в композиционных плёнках составляет D = 3,5 нм, ДD = 1 нм. Параметр кристаллической Ьсс ячейки а = 2,873(1) À увеличен на 0,5 % по сравнению с металлическими плёнками (рис. 15с и 15d). На планарных изображениях композиционных плёнок светлые области поперечного размера до 50 нм, соответствующие аморфному Si02, чередуются с тёмными областями поперечного размера до 100 нм, содержащими частицы металла. Картирование элементов Fe, Со и Si показывает однородное распределение по площади при масштабе более 1 мкм (рис. 15Ь).

Наблюдаемые структурные изменения сопровождаются снижением коэрцитивной силы от 200 до 20 Э. Плёнки на основе Fe70Co30 металлического и композиционного строения магнитно анизотропны в плоскости.

Рис. 15. (а) - планарное изображение электронной микроскопии, (Ь) — картирование элементов Ре, Со и и ((1) электронная дифракция для плёнки (Ре71|Соз(|).)5(8Ю2)5. (с) - дифрактограмма, полученная в режиме скользящего падения рентгеновского пучка для металлической и композиционной плёнок.

Исследование эффекта Мёссбауэра в плёнках Ре-тпСо^ и (Ре^СозпЬ^Ю?);

Мёссбауэровские спектры (57Ре) металлических и композиционных плёнок на основе Ре70Со30 представляют собой уширенные секстеты, которые могут быть

9 Stashkevich, А.А. et. al. //J. Appl. Phys. 2008 (104) 093912

разложены на четыре составляющих секстета (рис. 16). Разложение другим способом даёт суммарный спектр низкого качества. При разложении сохранялась постоянной ширина линии секстетов (0,30(3) мм/сек). Соотношение площадей линий секстетов составило 3:4:1:1:4:3, что даёт полярный угол в = 90°; съёмка проводилась в геометрии на пропускание, поток у квантов падал под углом 90° к плоскости плёнки. Значение в = 90° показывает расположение магнитных моментов в плоскости плёнки. Малая величина поглощения позволяет применить приближение тонкого слоя поглотителя. В этом случае площадь секстета пропорциональна содержанию Мёссбауэровских атомов.

Известно, что значение сверхтонкого поля на ядрах 57Fe составляет Н, = 330 кЭ для a-Fe. Значение Н„ повышается при введении атомов Со и понижается при отсутствии ферромагнитных атомов в первой и второй координационных сферах реперного атома. Обнаружено дискретное увеличение значения Не в металлических и композиционных плёнках с шагом АН„ ~ я-15 кЭ, где п- 1,2 (табл. 4). Для плёнок (Fe7oCo3o)95(Si02)5 достигает максимального значения Яе = 371 кЭ, не встречающегося в литературе.

Щ Ш Щ f®

If w if

..i

■ Experimental

Calculated — - Sextets 1-4

J 0»

tos w W I ш V i il! i У д г \ iW

и i f î в ï ! ¡II! ! I f if í .........Caiculalod

(P.,ce„UStOJ, 1MB filtti

a -s -<

Velocity mm/sec

Velocity, mm/sec

Рис. 16. Мёссбауэровские спектры для металлической и композиционной плёнок на основе Ре70Соз0. Таблица 4. Сверхтонкое поле Н, на ядрах "Ие и площадь секстетов ,">„„„ для Мёссбауэровских

Я„ ± 3. кЭ_%_

спектров, представленных на рис. 16. Состав плёнки

Fe7ijCoio

314 345 359 369

4 13 42 41

(Fev„Co3())95(Si02)5

315 342 357 371

14

40 38

Можно предположить, что увеличение сверхтонкого поля на 15 кЭ вызвано замещением одного атома железа на кобальт в Ьсс ячейке. Это позволяет

провести анализ частоты встречи атомных конфигураций при помощи оценки вероятности с использованием биномиального распределения:

Р(т) = С™ ■ Хп~т ■ (1-ГГ, где (Ш

Р(т) - вероятность состояния, в котором т атомов железа не замещено на атомы кобальта вокруг реперного атома железа при случайном распределении атомов в Ьсс ячейке; п — КЧ реперного атома; X - относительная доля замещённых атомов железа в твёрдом растворе. Величина Р(т) представлена в виде графика на рис. 17. В случае полного упорядочения твёрдого раствора Fei. хСох по типу CsCl, происходит увеличение значений Р(0) и Р(8) и уменьшение значений Р(1) ... Р(7). Относительное содержание в плёнках наблюдаемых атомных конфигураций коррелирует со значением Р(т), при этом плёнки находятся в промежуточном состоянии между полностью упорядоченным и полностью неупорядоченным состояниями. Сравнение величин Р(т) и Ssexle, позволяет приписать состояниям с Не ~ 315, 345, 360 и 370 кЭ атомные конфигурации с т = 8, 6, 5 и 4 соответственно. В рамках данного рассуждения состояния с т = 1, 2, 3 и 4 неразличимы, поскольку величина Не не может превышать значение HL, ~ 370 кЭ. При этом, нельзя исключить присутствия атомов Со в состоянии с Не = 300 кЭ. Увеличение площади секстетов с Не = 360 кЭ и Я, = 370 кЭ и одновременное понижение площади секстетов с Не = 360 кЭ и Не = 345 кЭ говорит об увеличении степени упорядоченности и увеличение площади поверхности частиц твёрдого раствора Fe7oCo3o в плёнках (Fe7oCo3o)95(Si02)5 по сравнению с плёнками Fe70Co30. Обнаруженное явление, предположительно, формируется по механизму образования I зоны Гинье-Престона.

Для системы Fe-Co максимальная величина Не повышается с увеличением степени упорядоченности. Обнаруженное значение Не = 371 кЭ, вероятно, вызвано необычным набором атомных конфигураций в исследованных плёнках.

Н~360 кое « Piabability Pfmi л. /" .......Gaussian fitting / tor probability J Fo..Cow Г / / ^=345 kOe \ \

/ / A \

yH~370 kOe -

ж_______ Hr=315 kOe

The number о! uimiDstitued Fb atoms т

Рис. 17. Вероятность Р(т) окружения атома Fe т атомами Со (т = 0 ... 8), сверхтонкое поле Н, на

ядрах "Fe и площадь секстетов S„„„, составляющих Мёссбауэровский спектр плёнок на основе Fe7oCo3o.

Composition, at. % Fe

Рис. 18. Теоретические и экспериментальные значения параметра а Ьсс решётки твёрдого раствора Fe7oCo30.

Параметр решётки а в бинарной системе Ре-Со уменьшается при повышении содержания Со (рис. 18). Можно предположить, что понижение значения а = 2,859(1) А относительно табличного значения а = 2,863 А для плёнок Ре70Соз0 вызвано понижением степени упорядоченности твёрдого раствора. Повышенное значение а = 2,873 А для плёнок (Ре70Со30)95(8Ю2)5 объясняется повышенной поверхностной энергией кристаллитов Ре70Со30, вызванной образованием границы раздела фаз Ре70Со30 — 8Ю2.

В предположении независимости работы магнетронных устройств обнаруженное изменение степени упорядоченности Ре70Со30 вызвано различием протекания поверхностных процессов при росте плёнок. Дополнительный поток ЗЮ2 при нанесении композиционных плёнок по сравнению с нанесением металлических плёнок повышает поверхностную температуру, что отражается на увеличении упорядоченности твёрдого раствора. Присутствие частиц 8Ю2 на подложке во время роста композиционных плёнок понижает коэффициент поверхностной диффузии атомов Ре и Со, что приводит к уменьшению среднего размера кристаллитов металла О на 0,5 нм по сравнению с металлическими плёнками.

Многослойные структуры на основе Ре7пСо3п и 8Ю?

Многослойные структуры на основе ферромагнетиков используют для увеличения содержания магнитного вещества при сохранении объёма и магнитных свойств материала. Известно, что формирование многослойной структуры приводит к уменьшению частоты е-ФМР и уменьшению максимума поглощения на кривой ц"ф. Получены многослойные структуры, содержащие десять слоев ферромагнетика, разделённых слоями 8Ю2. Толщина диэлектрических прослоек составляла И ~ 20 нм; в качестве ферромагнетиков использованы Ре70Со30 и (Ре70Со30)97(8 Ю2)3. Обнаружено, что в случае Ре70Со30 изменение магнитных (Д£„ = 2,4 ГГц, А/л " = 8; рис. 19) параметров сильнее, чем в случае (Ре70Со30)97(8Ю2)3 {А/т = 1 ГГц, А/л "= 10; рис. 20).

Fe7oCo3Q mulli -{Ю)-1зуег Fe70Co30

Frequency, GHz

Frequency, GHz

Рис. 19. Частотные дисперсии (а) - действительной и (Ь) - мнимой частей магнитной проницаемости десятислойной структуры на основе Ре7оСозо и БЮг и однослойной плёнки Ре70Со30.

• Ре^рСозо mulli-(10)-iayer 0 Fe70Co30

ь

• (Fe70C»30l97<Si°2)3

• (Fe70CO3Q)97(SiO2}3 mmtHim-

Рис. 21. Изображения электронной микроскопии поперечного среза многослойных плёнок: (а) - (Ре7оСозо)!,7(8Ю2)з - ЭГОа, (Ь) - Ре7„Созо - ЭЮз.

Степень изменения магнитных параметров предположительно связана с магнитным взаимодействием между слоями, содержащими частицы Ре70Соз0. Граница между слоем диэлектрика и магнитным слоем обладает шероховатостью Я ~ 10 нм (рис. 21). На таких расстояниях взаимодействия между ферромагнитными частицами, принадлежащими разным слоям, могут оказывать существенное влияние на свойства системы в целом.

В случае многослойных плёнок композиционного строения в приповерхностном объёме границ раздела металл-диэлектрик содержится меньшее количество частиц Ре7оСозо, чем в случае многослойных плёнок с

(Ре70Со30)в7(ЗЮг)3 [Fe70CO30)97(5iO2)3 multbl10)-layer

Frequency, GHz

Frequency, GHz

Рис. 20. Частотные дисперсии (а) - действительной и (Ь) — мнимой частей магнитной проницаемости десятислойной структуры на основе (Ре70Созо)97(5Ю2)з и БЮг и однослойной плёнки (Ре7оСозо)97(8Ю2)з.

Многослойные плёнки на основе Ре70Со30 и (Ре70Со3о)97(8Ю2)з демонстрируют столбчатое расположение металлических кристаллитов (рис. 21). Размеры кристаллитов и параметр решётки металла, полученные для поперечных срезов многослойных плёнок, совпадают с величинами, определёнными в планарной геометрии.

металлическими слоями Fe7oCo3o. Магнитное взаимодействие между слоями ферромагнетика в многослойных плёнках (Fe7oCo3o)97(Si02)3 — Si02 меньше, чем в многослойных плёнках Fe70Co30 - Si02, из-за дополнительного слоя оксида кремния. Понижение частоты е-ФМР для плёнок Fe7oCo30 — Si02 объясняется приближением магнитных свойств к объёмному «bulk» материалу.

Основные результаты н выводы

1. Частота естественного ферромагнитного резонанса плёнок Со повышается с ростом среднего размера кристаллитов металла. Размер кристаллитов увеличивается с ростом скорости нанесения Со.

2. Плёнки кобальта, полученные магнетронным распылением на постоянном токе, обладают одноосной кристаллической текстурой. Положение оси текстуры изменяется в зависимости от стока заряда при нанесении, что определяет магнитную анизотропию плёнок.

3. Повышение скорости нанесения снижает свободную энергию плёнок Со. Явление объясняется уменьшением доли объёма аморфного металла и поворотом магнитных моментов в плоскость плёнки, что соответствует минимуму магнитной энергии.

4. Частота естественного ФМР композиционной плёнки (Fe70Co30)i-x(SiO2)x ниже, чем металлической. Уменьшение частоты естественного магнитного резонанса сопровождается увеличением статической магнитной проницаемости, что соответствует закону Снука.

5. Уменьшение частоты естественного ферромагнитного резонанса и максимального значения мнимой части магнитной проницаемости при формировании многослойного материала ферромагнетик-8Ю2 более ярко выражено при использовании в качестве ферромагнетика слоёв Fe70Co30 по сравнению со слоями (Fe70Co30)i.x(SiO2)x.

6. Композиционные плёнки (Fe7oCo3o)i-x(Si02)x демонстрируют более высокую степень упорядочения твёрдого раствора по сравнению с металлическими плёнками, что вызвано повышенной поверхностной температурой при росте плёнки.

Основные публикации по теме диссертации

1. Maklakov S.S., Maklakov S.A., Ryzhikov I.A., Rozanov K.N., Osipov A.V. Thin Co films with tunable ferromagnetic resonance frequency. // J. Magn. Magn. Mater. 2012. V. 324. P. 2108-2112

2. Маклаков С. С., Маклаков С.А., Рыжиков И.А., Розанов К.Н., Осипов A.B., Набоко A.C., Амеличев В.А., Куликов C.B. Структура и СВЧ магнитная проницаемость тонких пленок кобальта. // Российские нанотехнологин. 2012. Т. 7. (в печати)

3. Агапонова A.B., Быков И.В., Маклаков С.А., Маклаков С.С., Пухов A.A., Рыжиков И.А., Седова М.В., Шалыгина Е.Е., Якубов И. Т. Визуализация доменной структуры ферромагнитных плёнок с использованием магнетохимического эффекта. // Физика Твёрдого Тела. 2011. Т. 53. Вып. 5. С. 951-955

4. Маклаков С.С., Маклаков С.А., Рыжиков И.А., Розанов К.Н., Осипов A.B., Похолок К.В., Амеличев В.А., Лагарьков А.И. Структура и магнитные свойства ферромагнитных плёнок Fe70Co30 и (Fe70Co30)i.x(SiO2)x, полученных методом магнетронного распыления. / Тез. XIII Ежегодной

научной конференции ИТПЭ РАН при поддержке IEEE-APS-LEOS-Chapter. 2012. С. 16-17

5. Маклаков С.С. Исследование эффекта Мёссбауэра в ферромагнитных плёнках FeCo и FeCo-Si02, полученных при помощи магнетронного распыления. / Тез. докл. VI Всерос. конфер. «Менделеев-2012». 2012. Секция Физическая химия. С. 388

6. Маклаков С.С., Похолок К.В., Амеличев В.А. Исследование степени упорядочения твёрдого раствора в плёнках FeCo и FeCo-Si02 при помощи эффекта Мёссбауэра. / Тез. докл. II Всерос. научн. конфер. с междунар. участием «Успехи синтеза и комплексообразования». 2012. С. 284

7. Маклаков С.С., Амеличев В.А. Исследование степени упорядочения твёрдого раствора Fe70Co30 в тонких ферромагнитных плёнках при помощи эффекта Мёссбауэра. / Тез. докл. XIX Междунар. Конфер. «Ломоносов-2012», секция фундам. материаловедение. 2012. С. 80

8. Maklakov S.S., Ryzhikov I.A., Ro:anov K.N., Osipov A.V., Kasurkin O.Yu. Microstructure, Static and Dynamic Magnetic Properties of Thin Co Films Obtained using DC-Magnetron Sputtering. / Book of abstr. of Intl. Symp. Exhib. (AVS 58), 2011. P. 250, MI-ThP2

9. Maklakov S.S., Maklakov S.A., Ryzhikov I.A., Rozanov K.N., Osipov A.V., Kashurkin O.Yu., Amelichev V.A. Microstructure, static and dynamic magnetic properties of thin Co films obtained using DC-magnetron sputtering. / Book of abstr. of 20th Intl. Conf. Soft Magn. Mater. (SMM-20), 2011. P. 375 Maklakov S.S., Maklakov S.A., Ryzhikov I.A., Rozanov K.N., Osipov A.V., Kashurkin O.Yu., Amelichev V.A. Microstructure, static and dynamic magnetic properties of thin Co films. / Book of abstr. of Moscow Intl. Symp. Magn. (MISM 2011), 2011. P. 375-376, 230R-0-7

11 .Амеличев В.А., Маклаков C.A., Маклаков С.С., Осипов А.В., Рыжиков И.А., Якубов И.Т. Исследование взаимосвязи между микроструктурой и магнитными свойствами плёнок Со, полученных магнетронным распылением. / Тез. XII Ежегодной научной конференции ИТПЭ РАН при поддержке IEEE-APS-LEOS-Chapter, 2011. С. 3-4

12.Маклаков С.С., Осипов А.В. Сравнительное исследование микроструктуры и динамических магнитных свойств тонких плёнок Со, полученных магнетронным распылением. / Тез. докл. V Всероссийской конференции студентов и аспирантов «Химия в современном мире», 2011. С. 202

13 .Маклаков С.С., Осипов А.В., Амеличев В.А. Микроструктура и динамические магнитные свойства плёнок Со, полученных магнетронным распылением. / Тез. докл. XVIII Междунар. Конфер. «Ломоносов-2011», секция фундаментальное материаловедение, 2011. Т. 243, С. 75

Ы.Агапонова А.В., Маклаков С.А., Маклаков С.С., Рыжиков И.А., Седова М.В., Шалыгина Е.Е., Якубов И.Т. Магнитохимические эффекты, наблюдаемые на поверхности тонких плёнок железа, окисленных

раствором слабой кислоты. / Тез. докл. XI ежегодн. научи, конфер. ИТПЭ РАН, 2010. С. 43-44 ХЬ.Маклаков С.С., Осипов A.B., Амеличев В.А. Влияние степени кристалличности и текстурирования на высокочастотные магнитные свойства плёнок кобальта. / Тез. докл. XVII Междунар. Конфер. «Ломоносов-2010», секция фундам. материаловедение, 2010. С. 97

Маклаков Сергей Сергеевич

Микроволновые и структурные особенности тонких магнитных плёнок на основе Со и Ре70Соз0, получаемых методом магнетронного распыления

Автореферат

Подписано в печать 10.04. 2012 Формат 60x84/16

Печать офсетная Уч.-изд. л. 1,5 Усл. печ. л. 1,39

Тираж 130 экз. Заказ № 7098

Типография «11 Формат», 115230, Москва, Варшавское ш., 36 ИНН 7726330900 Тел. (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

61 12-1/800

Федеральное х ^^дарственное Оюджетное учреждение науки Институт теоретической и прикладной электродинамики РАН

На правах рукописи

/

г I

Маклаков Сергей Сергеевич V

Микроволновые и структурные особенности тонких магнитных плёнок на основе Со и Ре70Соз0, получаемых методом магнетронного распыления

01.04.13 - электрофизика, электрофизические установки

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель к.т.н., доц. Рыжиков И.А.

Москва - 2012

Содержание

Введение...................................................................................................................4

I. Обзор литературы................................................................................................8

§ 1. Магнетронное распыление...........................................................................8

§ 1.1. Взаимодействие потока ионов с материалом.......................................9

§ 1.2. Влияние газовой среды.........................................................................12

§ 1.3. Процессы на поверхности при росте тонких плёнок........................13

§ 2. Тонкие плёнки кобальта.............................................................................16

§ 2.1. Статические магнитные свойства плёнок Со.....................................16

§ 2.2. Динамические магнитные свойства плёнок Со.................................20

§ 2.3. Кристаллические модификации в плёнках Со...................................22

§ 2.4. Текстура в плёнках Со..........................................................................23

§ 3. Тонкие плёнки Ре1_хСох...............................................................................23

§ 3.1. Общие сведения....................................................................................23

§ 3.2. Магнитные свойства плёнок Ре].хСох..................................................25

§ 4. Тонкие композиционные плёнки (Ре1.хСох)1.у(8Ю2)у...............................31

§ 4.1. Общие сведения....................................................................................31

§ 4.2. Жидкофазные методы получения........................................................32

§ 4.3. Газофазные методы получения............................................................34

§ 5. Микроволновые магнитные свойства тонких плёнок.............................37

§ 6. Постановка задачи.......................................................................................39

И. Оборудование для получения тонких плёнок................................................42

III. Экспериментальная часть...............................................................................48

§ 7. Получение плёнок Со.................................................................................48

§ 8. Получение плёнок РеуоСозо........................................................................50

§ 9. Получение композитных плёнок (Ре7оСозо)1-х(8Ю2)х...............................51

§ 10. Методы исследования...............................................................................52

§ 10.1. Магнитная радиоспектроскопия........................................................52

§ 10.2. Магнитостатические измерения........................................................53

§ 10.3. Просвечивающая электронная микроскопия...................................53

§ 10.4. Рентгеновская дифрактометрия.........................................................55

2

§ 10.5. Интерференционная микроскопия....................................................55

§ 10.6. Электрическое сопротивление тонких плёнок................................56

§ 10.7. Сканирующая электронная микроскопия.........................................56

§ 10.8. Гамма-резонансная спектроскопия...................................................58

IV. Экспериментальные результаты и их обсуждение......................................59

§11. Тонкие плёнки Со......................................................................................59

§ 11.1. Частота естественного ферромагнитного резонанса плёнок Со.... 59

§ 11.2. Кристаллическая текстура плёнок Со...............................................66

§ 11.3. Магнитная анизотропия плёнок Со...................................................71

§ 12. Тонкие плёнки Ре70Соз0............................................................................73

§ 13. Композиционные плёнки (Ре7оСозо)1-х(8Ю2)х.........................................76

§ 14. Эффект Мёссбауэра в плёнках Ре70Соз0 и (Ре7оСо3о)95(8Ю2)5...............81

§ 15. Многослойные структуры на основе Ре70Соз0 и 8Ю2............................87

Выводы...................................................................................................................92

Список литературы................................................................................................93

Введение

Для развития современной электронной техники необходимо создание материалов с высоким значением магнитной проницаемости. В силу закона Снука, тонкие плёнки обладают максимальным значением магнитной проницаемости среди объектов иной геометрической формы, изготовленных из одного ферромагнитного материала [1]. Тонкие магнитные плёнки интенсивно исследуются в связи с созданием электрофизических устройств: средств для хранения информации высокой плотности, датчиков магнитного поля и устройств для СВЧ диапазона. Наиболее широко изучают корреляции между структурой и магнитными свойствами плёнок на основе твёрдых растворов Ре1.хСох и Реьх№х, что объясняется высоким значением намагниченности насыщения М5 данных веществ. Для фундаментальных исследований используют плёнки кобальта, который обладает одноосной магнитной анизотропией. Подробно исследована взаимосвязь между строением и коэрцитивной силой Нс магнитных плёнок [2]. При этом не выявлено структурных параметров, определяющих величину статической магнитной проницаемости ¡л0.

Вакуумные методы нанесения тонких плёнок позволяют получать объекты высокой плотности, однородности и чистоты. Выбор метода перевода вещества в газовую фазу определяет энергию и состав потока частиц, оседающих на подложку. При этом, изменение данных параметров приводит к существенному изменению строения и магнитных свойств тонких плёнок [3]. Данный эффект возможно использовать для получения тонких магнитных плёнок с заданными статическими и микроволновыми свойствами [4, 5]. Дополнительной возможностью управления свойствами тонких магнитных плёнок является возможность формирования плёнок композиционного строения, состоящих из частиц ферромагнетика и диэлектрика. Данные объекты, полученные сораспылением в вакууме, относятся к типу самоорганизующихся структур. В зависимости от состава

композита, магнитные свойства подобных плёнок варьируются от суперпарамагнитных до суперферромагнитных [6].

Магнетронное распыление на постоянном токе приводит к получению поликристаллических плёнок с размером кристаллитов И в диапазоне от единиц до десятков нм. В данной области размеров коэрцитивная сила магнитных плёнок пропорциональная £>6 [2]. Специфика распыления и массопереноса вещества даёт возможность масштабирования лабораторных установок для получения тонких ферромагнитных плёнок до производственных. Разработка технологических подходов получения тонких ферромагнитных плёнок с использованием магнетронов постоянного тока, основанная на понимании взаимосвязи структура - магнитные свойства, актуальна для поиска и производства эффективных материалов -поглотителей электромагнитного излучения заданного частотного диапазона.

В связи с этим была сформулирована цель работы: определение взаимосвязи между строением и динамическими магнитными параметрами тонких плёнок на основе Со и Ре70Со30 и изучение возможности управления высокочастотными магнитными свойствами тонкоплёночных материалов на основе Со и Ре70Соз0 в частотном диапазоне 1-10 ГГц. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи-.

• Получение тонких плёнок Со магнетронным распылением на постоянном токе с использованием различных значений набора технологических параметров; изучение взаимосвязи между строением и магнитными параметрами плёнок Со.

• Получение тонких плёнок твёрдого раствора Ре70Со30, выявление взаимосвязи структура - магнитные параметры для данных объектов.

• Получение тонких плёнок композиционного материала Ре7оСо3о-8Ю2 магнетронным сораспылением в вакууме. Исследование взаимосвязи между высокочастотными магнитными свойствами и структурой композиционных плёнок на основе Ре70Со30.

• Создание многослойных структур на основе металлических и композиционных плёнок Fe7oCo3o. Определение изменения высокочастотных магнитных параметров полученных объектов в зависимости от параметров многослойного материала.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту

1. Частота естественного ферромагнитного резонанса fres плёнок кобальта монотонно возрастает от 2,9 до 7,3 ГГц при увеличении скорости нанесения от Vd = 4,3 до 7,0 нм/мин. Возрастание частоты коррелирует с возрастанием размера кристаллитов кобальта от 5 до 50 нм и шириной распределения кристаллитов Со по размерам от 5 до 70 нм.

2. Плёнки Со, полученные магнетронным распылением на постоянном токе, обладают одноосной текстурой. Ось текстуры изменяет ориентацию в зависимости от скорости нанесения кобальта. При скорости Vd = 4,3 нм/мин ось текстуры находится в плоскости плёнки и перпендикулярна оси лёгкого намагничивания. В случае Vd = 7,0 нм/мин ось текстуры перпендикулярна подложке. Изменение ориентации оси текстуры связано с направлением стока заряда, проходящего через металлическую плёнку при нанесении.

3. Предложена модель, объясняющая изменение частоты естественного ферромагнитного резонанса при изгибе ферромагнитных поликристаллических плёнок. В рамках предложенной модели, анализ значений частот fres, измеренных для изогнутых плёнок, показывает, что плёнки Со с частотой fres — 2,9 ГГц обладают большей свободной энергией, чем плёнки Со с частотой fres = 7,3 ГГц. Уменьшение свободной энергии связано с уменьшением объёма аморфного кобальта и переходом магнитных моментов в плоскость плёнки.

4. Структурные изменения при повышении скорости нанесения Vd вызваны

увеличением поверхностной температуры подложки при росте плёнки.

Сравнение плёнок Со, полученных при минимальной и максимальной

доступных скоростях нанесения показывает, что в случае Vd = 4,3 нм/мин

6

доминирующий процесс при росте плёнки - зародышеобразование. Для = 7,0 нм/мин становится возможным расширенный рост зародышей.

5. Частота /гех понижается от 10,2 до 5,7 ГГц при формировании композиционных плёнок (Ге7оСозо)94($102)б по сравнению с металлическими плёнками Ре70Соз0. При этом происходит уменьшение коэрцитивной силы от 200 до 20 Э. При содержании а композите с(ЗЮ2) > 21 об. % происходит переход плёнок в суперпарамагнитное состояние.

6. Изменение высокочастотных магнитных параметров при формировании десятислойного материала с прослойками 8Ю2 сильнее в случае использования Ге70Со30 по сравнению с (Ре70Со3о)97(8Ю2)з. Уменьшение частоты е-ФМР и максимального значения ¡л " составляет А/ге$ = 2,4 ГГц, Ди " = 8 для Ре70Со30 и А/ге, = 1 ГГц, Ди "=10 для (Ре70Со3о)97(8Ю2)3.

7. Предложена модель, описывающая изменение распределения сверхтонкого поля на ядрах 57Ре в зависимости от атомной структуры твёрдого раствора Ре70Со30. Степень упорядочения Ре70Соз0 по типу С5С/ в композиционной плёнке (Ре70Со3о)95(8Ю2)5 выше, чем в плёнке Ре7оСо30. Упорядочение вызвано повышенной поверхностной температурой при росте плёнки за счёт сообщения энергии подложке потоком 8Ю2.

8. Разработан технологический подход, позволяющий получать методом магнетронного распыления плёнки на основе Со и Рв1.хСох с заданными высокочастотными свойствами.

I. Обзор литературы § 1. Магнетронное распыление

Процесс ионно-плазменного нанесения тонких плёнок состоит из трёх этапов: распыление материала мишени, перенос распылённого материала на расстояние мишень - подложка, осаждение вещества на подложке. Изменение характеристик на каждом этапе процесса существенно влияет на свойства осаждаемых плёнок. Средняя энергия распылённых частиц составляет 3-5 эВ.

Ионно-плазменное нанесение выделяется среди вакуумных методов получения тонких плёнок высокой адгезией плёнок по отношению к подложке, высокой плотностью плёнок, возможностью получения плёнок многокомпонентных материалов без изменения состава, возможностью получения плёнок тугоплавких и неплавящихся материалов, возможностью изменения свойств получаемых плёнок при помощи регулировки газовой среды во время нанесения, возможностью очистки поверхности плёнки и подложки при помощи ионной бомбардировки [7].

Устройства магнетронного распыления обладают наибольшей производительностью и обеспечивают максимальные скорости ионно-плазменного нанесения материалов. Постоянные магниты на обратной стороне катода-мишени формируют на лицевой стороне замкнутое магнитное поле, перпендикулярно которому направлено электрическое поле, создаваемое между анодом и мишенью (рис.1, 2).

Л

А

Рис. 1. Распределение электрического и Рис. 2. Схема магнетронного распыления на

магнитного полей в магнетроне постоянного постоянном токе. 1 - катод, 2 - подложка, 3 -тока [8]. анод [7].

Высокие скорости распыления материалов с использованием магнетронов постоянного тока определяются эффективностью захвата электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях вблизи поверхности распыляемой мишени [8]. Электроны возникают при ионизации газа и в результате вторичной электронной эмиссии с поверхности распыляемого материала.

Для повышения энергии распылённых частиц применяют импульсное магнетронное распыление. В данном процессе на магнетронное устройство подаётся импульсное напряжение высокой мощности. При этом суммарное время интервалов между импульсами приводит к понижению скорости нанесения У^, которая достигает 15 - 80% по сравнению со скоростью нанесения с использованием постоянного тока [8].

Для нанесения плёнок диэлектриков используют устройства ВЧ распыления. Электроны и ионы в диэлектрических веществах обладают различной подвижностью. Переменное электрическое поле (у = 13,56 МГц) вызывает осцилляцию электронов с диэлектрической мишени. В результате столкновения происходит ионизация атомов газа. Высокоподвижные электроны создают отрицательный по отношению к плазме потенциал самосмещения на поверхности диэлектрика, вызывающий распыление материала. Распыление мишени из оксида кремния приводит к получению плёнок аморфного 8Юг [9].

§ 1.1. Взаимодействие потока ионов с материалом В зависимости от энергии потока ионов, происходит внедрение ионов в материал, осаждение на поверхности, или отражение. При внедрении иона в материал происходит каскад упругих и неупругих взаимодействий с атомами мишени, которые вызывают смещение и возбуждение атомов вещества и изменение структуры в зоне столкновений (рис. 3). Отражение бомбардирующих ионов от поверхности может сопровождаться изменением

заряда иона. Внедрение ионов с высокой энергией вызывает распыление частиц материала мишени. Данные взаимодействия сопровождаются вторичной электронной эмиссией и электромагнитным излучением в диапазоне от ИК-излучения до рентгеновского.

/V/® ^А~А°

Рис. 3. Схематические изображение процессов Рис. 4. Схема каскада упругих столкновений при бомбардировке твёрдого тела потоком при ионной бомбардировке [7].

ионов. У - бомбардирующий и обратно рассеянные ионы, А' - распылённые ионы, В -дефекты в материале, е - вторичные электроны, Ую - фотоны [7].

В состав распылённых частиц входят атомы (90 [7] - 99 % [8]), кластеры и многозарядные ионы. Большая часть (> 90 %) энергии бомбардирующего иона расходуется на разогрев материала мишени. При внедрении бомбардирующий ион испытывает ядерное и электронное торможение, происходит потеря энергии и остановка иона. В результате упругого взаимодействия происходит рассеяние бомбардирующих ионов, увеличение колебаний атомов мишени вокруг равновесного положения, смещение атомов мишени. Распыление возможно в случае передачи импульса бомбардирующего иона на поверхность в результате каскада столкновений. Среднее время развития каскада столкновений составляет ~

13

2-10" сек [10]. В результате неупругих столкновений происходит возбуждение вещества мишени, что приводит к вторичной электронной эмиссии, заряду распылённых частиц и перезарядке обратно рассеянных ионов.

В качестве характеристики процесса распыления используют коэффициент распыления & Коэффициент распыления определяют как количество распылённых атомов, приходящихся на один бомбардирующий ион (атом/ион). В случае неопределённости состава продуктов распыления используют скорость распыления ¥р, характеризующую толщину удалённого слоя материала в единицу времени при заданной мощности ионной обработки. Скорость и коэффициент распыления связаны соотношением:

5 = (1)

) ш мишени

где е - заряд электрона, Кл; р - плотность материала мишени, г/см3; у -плотность тока ионов, А/см ; Ммишеии - масса атомов материала мишени, г/моль; Ыа - число Авогадро, моль'1.

Эффективность распыления определяется энергией бомбардирующего иона. Зависимость коэффициента распыления от энергии иона обладает максимумом, после прохождения которого глубина проникновения ионов в мишень достигает критической величины, в результате чего теряется энергия распылённых атомов. Значение 5тах увеличивается с ростом массы бомбардирующего иона [11]. Для выбора эффективного режима распыления используют приведённый коэффициент распыления 8(Е0)/Е0, где Е0 - энергия падающего иона. Оптимальные значения Е0 лежат в диапазоне 200-500 эВ.

В случае распыления многокомпонентных материалов возможно неравномерное распределение кинетической энергии между компонентами, привод