Модификация свойств эпитаксиальных монокристаллических пленок ферритов-гранатов (YSmLuCa)3 (FeGe)5 O12 воздействием j-квантов Co60 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

■ РГ Б ОД

2 5 СЕН 1535

На правах рукописи

КОСТИШИН Владимир Григорьевич

МОДИФИКАЦИЯ СВОЙСТВ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ. ПЛЕНОК ФЕРРИТОВ-ГРАНАТОВ (У&лЬ£а)3(РеСе).5012 ' ВОЗДЕЙСТВИЕМ КВАНТОВ Со60

Специальность 01.04.10 - "физика полупроводников и диэлектриков"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1995 г.

Работа выполнена на кафедре технологии материалов твердотельной электроники Московского государственного института ' стали и сплавов (Технологический университет)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор ЛЕТЮК Л.М.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор БУБЛИК В.Т. (МИСиС)

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник НАЩОКИН П.И. (НИЦФТ, г.Москва)

Ведущая организация: Московский энергетический институт

на заседании диссертационного совета д uoa.ud.uo в московском институте^ стали и сплавов по адресу: 117936, Москва, Ленинский проспект, д.4.

С диссертацией ыожшо ознакомиться в библиотеке Московского института стали и сплавов.

Защита состоится

часов

Автореферат разослан Справки по телефону: 236-81-33

1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.ф.-м.н., доцент

ГЕРАСЬКИН В.В.

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Благодаря высоким значениям подвижности Ц температуры Кюри-Нееля эпитаксиальные монокристаллические плеп-йи ферритов-гранатов (ЭМПФГ) Шм^иСаЭдСРебе^О^ являются одними из наиболее зарекомендовавших себя материалов для изготовления логических и запоминающих устройств на цилиндрических магнитных .доменах (ЦМД). Специфика применения таких устройств (электроника ядерных реакторов, военная и космическая техника) выдвигает в ^ис-ло актуальных задач изучение процессов, происходящих в материале-носителе ЦМД под влиянием различных видов радиационных воздействий, выяснение структуры и механизмов образования радиационных дефектов, роли генетических дефектов в радиационном дефектообразовании, а также установление уровня радиационной стойкости материала.

Эти задачи являются одними из первоочередных как для магнитной микроэлектроники, так и для радиационной физики твердого тела. • В радиационной технологии интерес к подобным исследованиям обусловлен возможностью использования облучения для целенаправленного . изменения свойств магнитных пленок.

Как стало известно к началу выполнения настоящей работы, из всех видов радиационных воздействий на ЭШФГ наименее изучено влияние ^ - облучения. Проведенные й этом направлений исследования носили самый общий и тенденциозный характер я были направлены, в основном, на выяснение радиационной стойкости пленок. Изучения же влияния интенсивного ^ - облучения (повышенные мощности дозы и • большие поглощенные дозы) на свойства и эксплуатационные параметры ЭМП5Г не проводилось вообще.

I

1

-4 -

Основной целью работы явилось:

- установление предела радиационной стойкости ЭМПФГ

fin

(ySmLtÁ Ca)g(PeGe)g0j2 к J- облучеюш CoDUj сравнение его с пределами радиационной стойкости других ЦМД - материалов;

- определение структуры радиационных дефектов, наводимых в ЭМПФГ (YSmLu Ca)g(FeGe)gOjg квантами Со60, а также выяснение механизмов радиационного дефектообразования в зависимости от характеристик облучения;

. - изучение роли генетических дефектов (Са,Ge)-феррит-гранатовых пленок в радиационном дефектообразовании;

- выяснение возможности управления параметрами ЭМПФГ (y&n¿MCa)3(PeGe)50j2 посредством использования больших поглощенных доз J- - облучения (при высоких значениях мощности дозы).

Научная новизна работы

1. Впервые установлены пределы радиационной стойкости апитак-

сиальных монокристаллических пленок ферритов-гранатов (УSmLu Ca)g

(FeGe)50j2 со сверхстехиометрическим содержанием ионов Са2+, Gd-

-Со-Мо- металлических, аморфных пленок, а также эпитаксиальных моно-

60

кристаллических пленок феррошпинели M^MnFeO^ к J-- облучению Со .

2. Впервые выявлены закономерности изменения физических свойств и структурного состояния, а также релаксации этих изменений в ЭМПФГ (ySwiuCaîgCFeGeîgOjg со сверхстехиометрическим содержанием кальция под воздействием квантов Со60 в широком диапазоне значений мощности дозы и поглощенной дозы облучения.

3. Впервые определена роль генетических дефектов эпитаксиальных феррит-гранатовых пленок (KmLuCa)3(FeGe)50j2 в радиационном

60

дефектообразовании под воздействием J- облучения Со .

4. Впервые установлены механизмы радиационно-стимулированных изменений свойств ЭМПФГ (ySn,¿,«Ca)3(FeGe)50I2, содержащих сверхсте- ^ хиометрическое количество ионов Са2+, под воздействием ^-квантов Со.

• - 5 -

5. Впервые для магнитных кристаллов со структурой граната определены параметры локальных центров, соответствующих кислородным вакансиям и .

Практическая ценность работы

1. Полученные значения коэффициентов "пересчета дозы £ - облучения могут быть использованы при определении поглощенной дозы ЗМПФГ, пленок феррошпинели и аморфных металлических пленок сходных составов.

2. Показано, что ЭШЙГ (У5т/,иСа)д(Реее)5012 со сверхстехиомет-рическим содержанием кальция можно использовать как ЦМД-материал, стойкий к потокам ' квантов Со®® до значения поглощенной дозы облучения Ъп = (1+2).Юб Гр.

3. Даны практические рекомендации по выбору эпитаксиальных феррит-гранатовых пленок для изготовления ЦМД-приборов, предназначенных для работы в условиях радиационных воздействий.

4. Разработан метод обработки спектров термостимулированных токов (ТСТ), значительно повышающий достоверность расчета параметров электрически активных центров за счет использования при анализе всех экспериментальных точек зависимости I (Т).

5. Разработан способ подавления интенсивным ^ - облучением Со®® жестких цилиндрических магнитных доменов (ЖЦМЦ) в ЭМПФГ (У&яАиСаЭдСРебе),^)^, позволяющий тарже одновременно повышать термостабильность и оптическое пропускание пленок.

Научные положения, выносимые на защиту.

I. Зарядовая компенсация сверхстёхиометрической концентрации ионов Са2+ в (Са,бе)-5МПФГ осуществляется кислородными вакансиями

(Р-центрами), (Р+-центрами) и У0г- ; при этом общая концентрация кислородных вакансий определяется содержанием сверхстехи-ометричоского количества кальция, а концентрации вакансий - приблизительно равны между собой.

2. Высокие значения коэрцитивной силы, энергии магнитной ани- . зотропии и оптического поглощения в ЗМПФГ (У<$щЬи.Са)3(РеСе)5012 при Са2+/Се^+ > I, а также своеобразные форма петли магнитного гистерезиса и вид спектра оптического поглощения в пленках этого типа при повышенных значениях сверхстехиометрического количества ионов Са2+ обусловлены наличием кислородных вакансий, причем ответственными за специфическую форму петли гистерезиса и высокую коэрцитив-ность пленок, являются кластеры Р-центров.

3. Характер радиационно-стимулированных изменений под воздействием ^ - квантов Со®® свойств и структурного состояния ЭМПФГ (У5/ч/лСа)д(РеСе)^0^2 со сверхстехиометрическим содержанием кальция, а также процессы релаксации этих изменений определяются мощностью дозы и поглощенной дозой облучения.

4. Заряженные кислородные вакансии Ч0г.- и У0г- создают в запрещенной зоне ЭМПФГ (У^т^иСаЭдСРебе)!^)^ донорные локальные центры со следующими параметрами, соответственно: энергия активации Е41 « 0,87 эВ, Е±А = 1,1 эВ; частотный фактор 6,0.Ю6 с"1,

ж 4,4.10*® с"*; время релаксации Хх •= 1,2.10® с, = 2,4 с; сечение захвата * 2,0Л0"19 см2, 1,3.Ю"15 см2.

5. Радиационно-стимулированные превращения под воздействием

квантов Со60 в ЭМЛФГ (УЫлСа)3(РеСе)5012 со сверхстехиометрическим содержанием кальция при режимах облучения, исключающих интенсивный радиационный отжиг, сводятся к р»т—">"°дке кислородных вакансий;.при этом наблюдаемые изменения свойств пленок обусловлены искажением симметрии внутрикристаллического поля на близлежащих к комплексам "Са2+ - Р+ - центр" ионах.

Дпробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены и обсуждались на ХУШ Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений (г.Калинин, 1988 г.); координационном совещании ооц.стран по физическим проблемам оптоэлектроники (г.Баку,

1989 г.); Всесоюзной конференции "Современные проблемы физики и её приложений" (г.Москва, 1990 г.); 1-й Всесоюзной конференции "Актуальные проблемы технологии композиционных материалов и радиоком-понентрв в микроэлектронных информационных системах (г.Ялта,1990г.); ХП Всесоюзной школе-семинаре."Новые магнитные материалы микроэлектроники" •(г.Новгород, 1990 г.); Европейской конференции по магнитным материалам и их использовании (г.Кошице, Словакия,1993 г.); 12-й Международной конференции по магнитомягким материалам (г.Краков, Польша, 1995 г.). ,

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 22 научных работы, включая 2 положительных решения по заявкам на изобретение.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов и списка литературы, содержащего 166 наименований. Работа изложена на т страницах, включая 34 рисунка и 20 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована ее основная цель, определена научная новизна полученных результатов, их практическая значимость, изложены положения, выносимые на защиту.

Первая глава представляет собой литературный обзор. Освещаются особенности структуры и определяемые его основные физические свойства (Са,6е)-ЭМПФГ. Проводится анализ влияния неизовалентных замещений в катионной подрешетке и индуцируемых ими дефектов на свойства и эксплуатационные параметры феррит-гранатовых пленок данного типа. После рассмотрения основных характеристик и особенностей гамма- и электронного облучений проанализированы возможные механизмы радиа- . ционного дефектообразовании под их воздействием в кристаллических материалах со структурой граната. Приведен•подробный анализ имею--

щейся в научной печати информации о радиационно-стимулированных изменениях свойств и структуры магнитных оксидов-гранатов при облучении у - квантами Со®® и быстрыми электронами.

. В конце главы определен круг задач, направленных на решение основной цели диссертационной работы и сформулирован научный подход для их решения.

Во второй главе охарактеризованы объекты исследования и технология их получения, проведено обоснование и характеристика применяемых в работе методов исследования свойств и структурного состояния ЭМПФГ. Рассмотрены параметры использующихся для облучения изотопных установок и вопросы дозиметрии j - излучения.

Объекты исследований. В качестве объектов исследования использовались ЭМПФГ трех разных промышленных составов. Пленки были получены методом жидкофазной эпитаксии из раствора в расплаве на основе PßO-BgOg на подложках ScigGagOjg ориентации (III). Для каждого из составов использовались близкие технологические условия роста и значения молярных параметров (отношений компонент в расплаве) Rj - Р^ и Fg, а параметр Rg, соответственно, был равен: 0,31;0,48; 0,5. Следует отметить, что:

D F<*03 . ■ р _2QA.' ъ

'2 ¿LRzD^FeA+GeO^CaO . '

d са-0____£> -

: Rs~Ge0z+CaO ' К6 7 2ЖЩ' '

где: ~ сумма оксидов редкоземельных элементов в расплаве

(моль).

Уточнение состава пленок после выращивания проводилось путем их рентгено-Спектрального анализа. Результаты анализа (табл.1) обна-

■ - 9 -

.ружили, что для всех использованных в работе ЭШТФГ характерно наличие сверхстехиометрических ионов кальция, причем концентрация последних растет с увеличением значения коэффициента

Таблица I

Уточненные составы используемых в работе ЭМПФГ (У£мЫЗа)3(Реее)5012

Номер !3наче-! Уточненная химическая формула состава!ние К^!"

I •'•' 0,31 уг 37^0,29^0,58Рв0,01Са0,83?е4,11Р{-0,01Се0.8°12 •

п 0,48 У1 6^0,16^0,26Рв0,01Са0, 9бре4,09Р<-0,025е0,87°12

Ш (I) 0,5 У1 52^0,21и0.31Рв0,0ГСа0.39ре4.06Р*0,01®е0,89°12

Ш (2) 0,5 УГ 48^м0, 2^0.31Рв0,02^0,99ре4.02Р<-0.036е0.88°12

Для проведения структурных исследований методом конверсионной электронной мессбауэровской спектроскопии (КЭМС) пленки состава Ш были обогащены на 10* изотопом Ре^7.

Методы исследования. Основные магнитостатические характеристики пленок измерялись визуальными магнитооптическими методами на ос--нове эффекта Фарадея. Некоторые из параметров дублировались методом ферромагнитного резонанса и по квазистатической петле гистерезиса. Коэрцитивная сила дополнительно измерялась также методом осциллирующего поля.

Спектры оптического поглощения объектов исследования рассчитывались по их пропусканию и отражению. Величина пропускания регистрировалась на двухлучевых спектрофотометрах типа и£реС0Кс{. коэффициент отражения определялся по показателю преломления, а значение последнего находилось из интерференционной картины ЭМПФГ в ИК-облас ти. Из интерференционной картины определялась также и толщина пленок.

Регистрация спектров КЭМС феррит-гранатовкх пленок состава Ш

J 1

ю -

проводилась с использованием комплекса, включающего промышленный спектрометр ЯГРС-4М и анализатор импульсов УН0-4096-90, работающий в режиме "медленного анализа". Конверсионная приставка представляла собой пропорциональный проточный газоразрядный счетчик (94% Не + + 6% СН^). Усиление импульсов и выбор энергетического диапазона регистрируемых электронов проводился с помощью анализатора АИ-1024, работающего в режиме амплитудного анализа. Набор спектров проводился в 256 каналов.

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия* (РФЭС) исследуемых ЭМГ0Г проводилась на спектрометре "К1?АТ0£ Х5АМ-800" с полусферическим анализатором при постоянном разрешении. Возбуждение осуществлялось М^К^ - излучением, фотоэлектроны регистрировались 512-канальным детектором. Использовался химический способ очистки поверхности.

Изучение структуры генетических и радиационных дефектов в (Са,6е)-ЭШ1$Г проводилось методом термостимулированных токов проводимости (ТСТП) в обычном режиме и режиме короткого замыкания (ТСТП КЗ). Использовались стандартные аппаратура и методики расчета. В качестве измерителя малых токов применялся прибор ИМТ-05. Возбуждение образцов проводили при комнатной температуре УФ-светом или отрицательным коронным разрядом. Приводится описание разработанного метода обработки спектров ТОТ, значительно повышающего достоверность расчета параметров электрически активных центров за счет использования при анализе всех экспериментальных точек зависимости 1(Т).

Облучение образцов I - квантами проводилось на-промышленных изотопных установках на основе, радионуклида Со (Е = 1,25МэВ) КРХ—^ -100 и УКП 100 ООО. Мощность дрзы при облучении варьировалась

*РФХ исследуемых образцов была любезно проведена Ткаличем А.К.(МИСиС)

. - II -

В пределах (2,5440) Гр/с. В качестве дозиметра использовалась тонная органическая пленка 3^2' Приводятся расчеты и значения коэффициентов пересчета экспозиционной, а также поглощенной дозиметром дозы облучения в поглощенную пленкой дозу для шести составов ЭМПФГ, двух составов аморфных металлических пленок . типа G(i— Со - Мо и монокристаллической пленки феррошпинели М^МпРеО^.

В третьей главе приведены экспериментальные и расчетные значения магнитных характеристик объектов исследования. Показано, что увеличение молярного параметра Ид (сверхстехиометрической концентрации ионов Са^+) ведет к линейному росту коэрцитивной силы Нс и поля эффективной анизотропии Нн, а для ЭМПФГ с повышенными значениями сверхстехиометрического содержания кальция характерны своеобразные петли гистерезиса, обладающие в области полей перемагничивания,близких к значению поля эллиптической неустойчивости, неким "аппендиксом", форма которого не является постоянной. На основе экспериментальных и литературных данных выдвигается предположение, что обнаруженные особенности ЭМПФГ (Уйт^иСа^Ребе^О^ обусловлены кислородными вакансиями (кластерами кислородных вакансий).

Анализируются радиационно-стимулированные изменения основных ■ магнитных параметров исследуемых пленок в диапазоне значений поглощенной дозы квантов Со60 (1.103 т 2.Ю8) Гр. Было обнаружено, что величина максимальных изменений магнитных параметров при облучении определяется сверхстехиометрической концентрацией кальция-и'линейно растет с увеличением последней. На рис.1 представлены характерные дозовые зависимости некоторых параметров ЭМПФГ составов П . и Ш. Максимальные изменения периода доменной структуры Р0 достигали (+5,2г +7,1)96, поля коллапса Н0 - (-4,0 т -5,5)%, поля эффективной анизотропии Нк - (+4,0 т +5,0)%, поля эллиптической неустойчивости Н0 - (- 6,0 г - 8,5)%.

2Ю

Рис.1. Характерные дозо-вые зависимости некоторых магнитных характеристик . -ЭШЖ (У£т1иСа)3(Реде)501£

составов П и Ш при облучении Со60: участок АБС: Рв =2,5т5Гр/с; участок СД: %=10+20 Гр/с.

Дпр ЭМПФГ состава I обнаружены только изменения таких параметров,как Р0 и Н2. Графические зависимости Р0= 4 (Вп) и Н2 = 4 С Ъп) для этих пленок имели такой же вид, как и для составов П и Ш, но величина изменений только незначительно превышала ошибку измерений. Максимальные изменения Р0 и Нк для образцов всех составов были зафиксированы при Вп= (1,3*2,0) ЛО7 Гр, Но и Н2 - при Д,= (0,8+2,0)ЛО7 Гр. Изменений намагниченности насыщения й коэрцитивной силы Нс при облучении исследуемых пленок обнаружено не было. Возврат Р0, Нк, Н0 и Н2 к исходным значениям (рисЛ, участок СД) объясняется радиационным отжигом наводимых в процессе облучения дефектов за счет использования повышенных значений Рв .

В главе проводится также сравнение радиационной стойкости к квантам Со®0 разных типов ЦМД- материалов: ЭМПФГ (У.&71иСа)3(Ре6е)3022 четырех составов (табл.1), 6о1 - Со - Мо - аморфных пленок, пленок . феррошпинели МдМпРе04, а также ЭМПФГ У2,59-^0,4Рв0,01ре3,86а1,2°12 и ¿"2,Л,41Ч,59Рв0,01ре4,42еа0,58012- Показано, что предел радиационной стойкости (Са,6е>-феррит-гранатовых пленок к облучению Со^ составляет (1т2)Л06 Гр, металлические пленки типа 6о1 - Со - Мо проявляют, в 20гЗЗ раза, а феррошпинель-вЮ?20 раз меньшую стойкость.

.Изменений магнитных параметров ЗМПФГ с изовалентными замещениями в катионной подрешетке вплоть до Т)п = 3.10? Гр обнаружено не- было. Даются рекомендации по выбору материалов для производства ЦМД-при-боров, предназначенных для работы в условиях радиационных воздействий.

В заключении главы анализируются возможные радиационные повреждения, наводимые ^-'квантами Со в кристаллической решетке (У^т1иСа)3(Ре5е)5012- Проведен расчет средней концентрации дефектов Френкеля, образующихся по ударному механизму в ЭМПФГ (У-М.иСа)3(РеСе)50£2. Получено, что для состава Ш при Ъп= 2Л07 Гр (когда изменения контролируемых магнитных параметров - максимальны) .^Л = (0,Зт1,2)Л0^ см-3, что на Зт4 порядка ниже концентрации ге- . нетических дефектов в данном материале. Сделан вывод, что за наблюдаемые под действием облучения Со®^ изменения магнитных свойств ответственны дефекты электронной структуры. Рассмотрены и проанализированы наиболее вероятные из них. Выдвигается предположение, что ответственным за наблюдаемые радиационно-етимулированные изменения ' свойств ЭНПФГ (У$^ыСа)3(РеСе)^0|2 является процесс перезарядки кислородных вакансий. '

В четвертой главе рассмотрены особенности спектров оптического поглощения ЭМПФГ (У^тАцСа^Ребе^О^ со сверхстехиометрической концентрацией кальция в диапазоне X = (0,540,9) мкм. Приведены характерные спектры <?£= / (~Х ) для всёх четырех составов исследуемого типа пленок в сравнении со спектром эталона (выращенный методом • БЗП из высокочистого сырья монокристалл УдРйд дСа^ ^Од;^'' а также с усредненным по пяти образцам спектром состава I (как обладающего . минимальным сверхстехиометричесним содержанием кальция). Показано, что увеличение сверхстехиометрической концентрации ионов Са2+ ведет к линейному росту пленок, несмотря на разбавление железной под-решетки. В разностных .спектрах поглощения До£= оС- объектов

исслодовачия четко выделяются три пика: 0,56 мкм,

0,60 мкМ, мкм. Еще одной особенностью ЭМПФГ •

(Ребе^О^ является сдвиг .в сторону меньших X по сравнению с эталоном и Уз^е^О^ пиков оптического поглощения, соответствующих электродипольным переходам ионов Ре3+, что, по всей видимости,обусловлено сильным отличием ближайшего окружения ионов Кроме того, с ростом сверхстехиометрического содержания ионов Са^+ изменяется форма пика поглощения, соответствующего переходу ^А-^ (Ре®+тетр) : от четко выраженного максимума к плат.о.

Показано, что при энергиях фотонов Е = ^>2,3 эВ оптическое поглощение, в ЭМПФГ (У&п/иСа^Ребе),^^ обусловлено прямыми и непрямыми разрешенными переходами. Рассчитаны значения ширины запрещенной зоны для прямых ) и непрямых (Е^) разрешенных оптических переходов для четырех составов исследованных пленок. С ростом сверхстехиометрической концентрации ионов Са^+ от 0,03 ф.е. до (0,10+0,11$ ф.е. уменьшается от 2,44 эВ до 2,40 эВ, а Е^ь - от 2,28 эВ до (2,14+2,15) эВ. Уменьшение ширины запрещенной зоны объектов исследования с ростом сверхстехиометрического содержания ионов

следует связывать с размытием краев разрешенных зон вследствие увеличения концентрации кислородных вакансий, компенсирующих избыточный кальций, а также со слиянием индуцируемой последним примесной зоны с ближайшей из валентных зон.

Исследования радиационно-оптических свойств ЭМПФГ (У&пАиСа)д

АП

(Ре6е)^0^2 обнаружили, что облучение Со приводит к их "просветлению", в частности, к сдвигу края фундаментального поглощения (Ш1) в область меньших значений Л ; причем, как величина максимального "просветления", так и величина сдвига КФП прямопропорцио-нально связаны со значением молярного параметра ^(сверхстехиометрической концентрации ионов Са2+) (рис.2). Максимальные изменения спектров сС имели место при тех значениях £>л (или близких), что и изменение магнитных параметров. При максимальном сдвиге КФП пленок

Рис.2. Изменение оптического поглощения ЭМПФГ при -облучении Со®®:

а) характерное изменение спектра пленок составов П и Ш (случай максимального просветления)

1-исходное состояние;

2-спектр после облучения;

б) зависимость сдвига КФП от молярного параметра И с,.

составов П и Ш значение Е^ увеличивалось на (5,0+5,3)%, а Е^ - на (2,0+2,4)%.

Мёссбауэровские исследования облучешшх ЭМПФГ состава Ш показали, что кванты Соьи не вносят существенных изменений в вид спектров КЭМС. При

Ъп= 1,095ЛО7 Гр (когда изменения магнитных параметров пленок близки к максимальным), значения эффективных полей на ядрах ионов Ре57 практически не изменялись. В то же время, в диапазоне Ъп = = (1+6) ЛО6 Гр обнаружено следующее уменьшение значений эффективной ширины компонент спектра,КЭМС исследуемых пленок: для ^ -подрешетки - на ДГ^ = (14,5+23,6)%, для а-подрешетки - на Д Га = = (4,3+9,5)%. Данный факт можно связывать с уменьшением магнитной и структурной неэквивалентности ионов Ре^+, локализованных в сС-подрешетке, а также с изменением типа (концентрации) дефектов в Ли -подрешетках. Причем, в последней эти изменения происходят интенсивнее. Из параметров спектра КЭМС наибольших изменений при

^-облучении претерпевал изомерный сдвиг <Г . Характерные дозовне зависимости сГ ЭМПФГ состава Ш представлен на рис.3. ,

Как видно из рис.3, графики сГ = £ (Юп) для всех трех род-

Рис.3. Изменение изомерного сдвига спектра КЭМС ЭМПФГ (УЛп/яСа)3(Реее)5012 состава Ш при ^ - облучении;

1 - с£- подрешетка

2 - подрешетка

3 - подрешетка

решеток по виду повторяют ход

^___ дозовых зависимостей Р0 и Нк

^ ^ ^ (рис.1). Максимальное увеличение

¿■(Бп= 1,095. К)' Гр) достигало следующих значений: для (£ - под-решетки - (40^44)*, для СЦ- подрешетки - (3(Н-32)%, для (Хг- под-решетки - (32т34)Я. Так как изомерный сдвиг является мерой электронной плотности на ядрах , то рост 6" при / - облучении можно связывать с индуцированием ионов (Ре^+<2, < . Однако, присутствие ионов Ре^+должно приводить к существенному росту. сС , а экспериментально наблюдалось интенсивное просветление (рис.2).

Для разрешения вышеуказанного противоречия изучались РФЭС-спектры ионов Ре^1" ЭМПФГ составов I и Ш в исходном состоянии и при 1)п= 1.107 Гр. Результаты исследований показали, что спектры 2р-электронов ионов - идентичны для всех пленок обоих составов (I и Ш) и представляют собой дублет линий 2р^2 - 2р^2. Гамма-облучение не оказывало влияния ни на форму линий дублета, ни на значение их энергии связи. Величина мультиплетнбго расщепления линии Яе35 как в исходных, так и в облученных образцах составляла Д = = 6,1 эВ. То есть, ни в одной из исследованных пленок ионов яелеза с валентностью, отличной от "3+", обнаружено не было.

Результаты проведенных мёссбауэровских исследовании позволили также исключить предположение об образовании под действием £ -облучения в исследуемых материалах дырочних центров 0": прк реализации последних в спектрах КЭМС о^'лученш.'Х пленен; должен бь:л н:>'.лю-

- 17 -

даться отрицательный изомерный сдвиг, а не положительный.

Окончательное выяснение структуры генетических и радиационных дефектов, ответственных за обнаруженные в данной работе эффекты, проводилось с использованием термоактивационной токовой спектроскопии. С целью повышения достоверности идентификации генетических дефектов, индуцируемых в эпитаксиальных феррогранатах CifSmLuCa)^ (PeGe)g0j2 сверхстехиометрическим содержанием ионов Са2+, наряду со спектрами ТСТП пленок данной системы регистрировались также тер-мостимулированнне токи ЭМПФГ следующих составов: ^PegO^» CFeGa)50I2, (УВь)3(Реда)'5012, (Вь Tm )3(Реба)5012, ^2,59-^0,4

PB0,0IFe3,8GaI,I°I2' ^2,07^т0,41^а0,52рв0,01ре4,42еа0,58°12' а также (У&|7niCa)3(FeGe)g0j-2- Последний состав обладал сверхстехиометрическим количеством ионов Са2+.

Для всех образцов ЭШФГ с изовалентными замещениями в катион-ных подрешетках, а также для J^PegOjg при использовании разных электродов и различного возбуждения наблюдалась экспоненциальная зависимость силы тока от температуры. При нагреве структур (y.iWxiCa)3 (PeGe)g0j2 состава Ш в интервале (370^500) К всегда удавалось зарегистрировать два близкорасположенных пика ТСТП, которые при скорости нагрева jS-? 6 К/мин "сливались". Проведенная "термическая очист-. ка" позволила убедиться, что за формирование спектра ТСТП ЭМПФГ (ySfnLuCa)^(Fede)tPj2 отвественны два вида локальных центров, но в то же время, не дала возможности "разделить" на кривых 1=4 (Т) соответствующие этим центрам пики. Проведенные по методам Урбаха, а также Рандалла и Уилкинса оценки показали, что глубина залегания центров захвата, соответствующих низкотемпературному пику, находятся в пределах (0,84-гО,92) эВ, а высокотемпературному - (0,93т1,01) оВ. Результаты Ларсена и Метселера, а также проведенные нами расчеты позволили заключить, что обнаруженные локальные центры обусловлен!! наличием в объектах исследования заряженных кислородных лакан-

сий. Причем, низкотемпературный пик на кривой ТСТП соответствует вакансии ^-({^-центру), а высокотемпературный - вакансии У^з.-. Применение метода ТСТПКЗ и уменьшение р в 2-тЗ раза позволило добиться "разделения" на кривой I = 4 (Т) пиков, соответствующих вышеуказанным центрам (рис.4) и уточнить характеристики последних. Рассчитанные по спектрам параметры центров представлены в табл.2.

Рис.4. Кривые ТСТПКЗ ЭМПФГ (У<Гт1цСа)3(Реее)5012 (начальное заполнение центров); а) состав I; б) состав Ш (I).

С использованием полученных по экспериментальным кривым ТСТП КЗ значений концентрации заряженных кислородных вакансий и требований зарядовой компенсации получено, что концентрация Р-центров в ЭМПФГ состава I составляет А/р = (3,7т4,5) .Ю1® см-3, а в пленках состава Ш (I) - = (1,3*1,6) ДО20 см"3. На основе результатов Ткалича А.К. по детальному анализу диффузного рассеяния рентгеновских лучей в ЭМШГ (У1?«АыСа)д(Ре6е)с)0|2 со сверхстехиометрическим содержанием ионов Са2+ делается вывод, что ответственными за специфическую форму петли магнитного гистерезиса и высокие значения коэрцитивной силы данных материалов являются кластеры Р-центров. Показано, что концентрация данных кластеров в пленках с наибольшим значением Нс (состав Ш (I)) составляет (1,7т2,2).Ю*2 см"3.

Анализ спектров ТСТПКЗ облученных ^-квантами образцов ЗМПФГ (У5>ч/."Са)3(Ре6е)5С^2 обнаружил, что под воздействием ^ -облучения в пленках происходит перезарядка локальных центров, соответствующих

Таблица 2

Параметры локальных центров, соответствутацих заряженным кислородным вакансиям в ЭМПФГ (У^тЫСаЭдСРеСе^О^

Номер состава ЭМПФГ Тип ¡Темпера- ! Энергия ¡Частотный! Время центра ¡турное ¡активации! фактор ! релакса-!положение! ! ! ции X, ¡пика К! эВ ' ! с"1 ! с Сечение ¡Начальная кон-захвата ¡центрация '.электронов , см2 ■ ! см"3 Концентрация центров ^ -3 см -3.

I (1,27.ТО20 -•5 см сверх-стехномет-гических Са2+) Л , (Р^-центр) 445 ■ 0,87 6,0Л06 1,2.10® 2,0Л0"19 (1,0+1,2) ЛО18 (5,0+7,2).Ю18

V2;-V центр 503 1.1 4,4.Ю10 2,36 1,ЗЛ0"15 (1,1т1,3)Л018 (5,5+7,8).10^®

Ш (I) (4.22Л020 см-3 сверх-стехиомет-рических Са2+) (^-иентр) 443 0,87 6,7 Л0б 1,2Л03 2,0ЛО"19 (1,5+1,8)Л018 (1,5+2,2) ЛО^9

V- центр 503 1,1 4,4Л010 2,36 1.3.10"15 (1,0г1,3)Л018 (1,Зг2,5)Л019

I /г+ „+

заряженным кислородным вакансиям: переход - центров в Р -

центры! Это хорошо видно по "перекачке" пиков на кривой термо-

Рис.5.Изменение спектра ТСГПКЗ ЭМПФГ (УЫ,мСа)3 (Ребе)5012 состава Ш (I) при облучении Со®®:

а) 1-исходный (большое заполнение центров); 2-после облучения ( Ъп = =1Л07 Гр; Рд, =2,5 Гр/с);

б) 1-дозовая зависимость интенсивности.максимума тока, соответствующего Р+ - центру;

2-дозовая зависимость интенсивности максимума тола21

ка, соответствующего 4$.-' -центру.

В пятой главе представлены результаты изменений под воздействием интенсивного ^ - облучения (высокие значения Рв и 1)п ) Со®0 физических свойств ЭМПФГ (У<л1/,иСа)3(Реее)5012; проанализированы механизмы радиационно-стимулированных изменений, а также процессы релаксации последних в зависимости от характеристик облучения.

Приводятся экспериментальные данные, показывающие, что облучение объектов исследования большими дозами ^ -квантов эффективно подавляет жесткие ЦМД (ЖЦМД). Полное подавление ВДЩ сопровождается увеличением оптического пропускания пленки на (10т15)% и -ростом её температуры Кюри-Нееля на (5*9) К. Магнитные параметры при этом изменяются несущественно. Оптимальный режим обработки £ -квантами, позволяющий в едином акте облучения при неизменности

' стимулированного тока (рис.5).

основных эксплуатационных параметров материала-носителя ЦМД достичь полного подавления ЩВД, повышения оптической прозрачности и термостабильности ЭМПФГ, реализуется при выполнении следующих условий:

а) облучение у--квантами до дозы 1)п= 8.10^ Гр проводят непрерывно;

б) по достижении Лп= 8.10^ Гр пленки облучают порциями доз величиной в (1,5т2,5)Л0 Гр с проведением контрольных измерений до полного подавления ЖЦМД; в) облучение проводят при Рв = (5+25)Гр/с.

Проводимые на протяжении двух лет по окончании радиационной обработки контрольные измерения показали отсутствие процессов релаксации для обнаруженных эффектов. Разработанный способ обработки ЭМПФГ может найти применение в производстве логических и запоминающих устройств на ЦМД.

Анализируются процессы релаксации наводимых квантами изменений и при невысоких значениях Рв и Эп (Рц^ 5 Гр/с5.10^ Гр), когда радиационный отжиг является несущественным. В этом случае радиационно-стимулированние превращения в объектах исследования сводятся к перезарядке кислородных вакансий, что приводит к нарушению действующего механизма зарядовой компенсации. Фактически, происходит фотополяризация пленок или формирование в них радио-электретного состояния. Такое состояние является энергетичеоки невыгодным, и с течением времени свойства облученных ЭМПФГ возвращаются к исходным значениям. Полное восстановление исходного состояния объектов исследования происходило в течение ДВух-четырех месяцев. Показано, что процесс установления и разрушения релаксационной поляризации при облучении ЭМПФГ (У^/.мСа)д(Ребе)^0|2 со сверхстехнометрическими ионами Са2+ следует классифицировать как монорелаксационный.

При анализе механизма радиационно-стимулированных изменений свойств ЭМПФГ (У&ЬСа)3(Реде)5012 со сверхстехнометрическими ионами Са2+ в случае невысоких значений Рв и Дп отмечается главрнст-

вующая роль кислородных вакансий. Показано, что наличие положительного изомерного сдвига 5" и уменьшение эффективной ширины компонент Г спектров КЭМС облученных объектов исследования обусловлены ростом электронной плотности на ионах Ре° за счет индуцирования . Р*-центров, Это подтверждается тем, что рост & и уменьшение Г для сС- подрешетки выражены ярче в силу разницы расстояний Р+ - центр - 57Ре3+(а) и Р+-центр - 57Ре3+ (с£) (первое-больше). На основе детального анализа существующих механизмов формирования ростовой анизотропии, а также ее выражений для Ре3+ ( с£ ) и Ре3+ (а)-ионов доказано, что наблюдаемый в объектах исследования при у- -облучении Со®® рост Нк обусловлен увеличением ее ростовой компоненты за счет искажения симметрии внутрикристаллического поля на близлежащих к комплексам "сверхстехиометрический ион Са^+-индуцированный Р+--центр" ионах Ре3+ (. с1).

Так как М^ исследуемых пленок при облучении оставалась неизменной, то рост Р0, снижение Н0 и Н2 (рис.1) обусловлены изменением Нд.

Искажение индуцированными облучением Р+-центрами (комплексами "Са^+-Р+-центр") симметрии кристаллического поля на ионах Ре3+ и У3+ (РЗИ) приводит к изгибу зоны проводимости, на ионах к изгибу валентной зоны, что ведет к уменьшению оптического поглощения, в частности, к сдвигу КФП в сторону меньших Л- . Фактически, здесь имеет место эффект типа Франца-Келдыша. Разница только в том, что в данном случае электрическое поле обусловлено дефектами и является внутренним, а не внешним по отношению, к решетке.

При повышенных значениях мощности дозы облучения весьма существенным становится температурный фактор. Длительный радиационный от-;.жиг при наборе доз ])п>5.1(Р Гр разрушает дефекты электронной структуры, но может стимулировать диффузионные процессы. Предполагается, что подавление ®ВД, повышение оптического пропускания и термоста-

бильности ЭМПФГ (У£т1*иСа)2(¥еее)ьР12 ПРИ интенсивном ^-облучении обусловливается протеканием трех процессов: а) упорядочением кристаллической решетки пленки посредством ее перехода под воздействием вторичных электронов и температуры в термодинамически равновесное состояние; б) стимулированной температурой и вторичными электронами диффузией ионов 0 из подложки в пленку; в) стимулированной температурой и вторичными электронами диффузией ионов • ба^*" из подложки в тонкий слой магнитной пленки, прилегающий к переходному слою "пленка-подложка". Первые два процесса являются ответственными за оптическое пропускание и термостабильность, третий, по всей видимости, лежит в основе механизма подавления ЖЦМД. Ионы

замещая Ре®+ ( <£ )-ионы, приводят к снижению М3 в тонком слое. При этом, как бы образуется двухслойная магнитная пленка со 180-градусной доменной границей. ЦМД в основном слое содержат по две вертикальные блоховские линии и, таким образом, являются нормальными.

основные результаты.и вывода

1. В работе в широком диапазоне значений мощности дозы и поглощенной дозы облучения проведено комплексное исследование радиа-ционно-стимулированных процессов, индуцируемых в эпитаксиальных феррит-гранатовых пленках (У^^и Са)3(РеСе)^2 со сверхстехиомет-рическим содержанием ионов Са^+ воздействием ^ -квантов Со®®. Выяснена роль кислородных вакансий в формировании свойств вышеуказанных ЭМПФГ и радиационном дефектообразовании в них при £ -облучении Со®®; установлена структура наводимых радиационных дефектов и механизмы их образования.

2. Зарядовая компенсация сверхстехиометрической концентрации

ионов Са2+ в (Са,бе)-ЭМПФГ осуществляется кислородными вакансиями .

+ 1 г^ +

Уг-(Г-центрами), \£г.-(Р+-центрами) и У0г- ; при этом общая концент-

рация кислородных вакансий определяется содержанием сверхстехиомет-ричсскЬго количества кальция, а концентрации вакансий приблизительно равны между собой.

3. Заряженные кислородные вакансии и \да.- создают в за- . прещенной зоне ЭМПФГ (У^1иСа)3(Ребе)5012 донорные локальные центры со следующими параметрами, соответственно: = 0,87 эВ; Е£г=

= 1,1 эВ; 4= 6.0.106 с-1, 4,4,Ю10 с"1; Г, = 1.2.103 с, ^ = = 2,4 с; ££= 2.0.10"19 см-2, 1,ЗЛ0"15 см2.

4. Высокие значения коэрцитивной силы, энергии магнитной анизотропии и оптического поглощения в ЭМПФГ (У^^ыСаЭдСРебе^О^ при Са2+/Се^+ >1, а также своеобразные форма петли гистерезиса и вид спектра оптического поглощения в пленках этого типа при повышенных значениях сверхстехиометрического количества ионов Са2+ обусловлены наличием кислородных вакансий. Причем, ответственными за специфическую форшу петли гистерезиса и высокую коэрцитивность пленок являются кластеры Р-центров.

5. В феррит-гранатовых пленках (У^/.иСаЭдСРебеЭдО^ со сверх-стехиометрическим содержанием кальция ростовая магнитная анизотропия обусловлена двумя факторами: занятием РЗИ неэквивалентных доде-каэдрических позиций, упорядочением кислородных вакансий; последнее, очевидно, определяется распределением избыточных ионов Са2+.

6. Уменьшение оптической ширины запрещенной зоны для прямых и

непрямых разрешенных переходов в ЭМП§Г (УЯ^мСаЭдСРебе),^)-^ с рос. р,

том сверхстехиометрического содержания ионов Са следует связывать с размытием краев разрешенных зон вследствие роста концентрации кислородных вакансий, компенсирующих избыточный кальций, а также со слиянием индуцируемой последним примесной зоны с ближайшей из валент-,ных зон.

7. ЭМПФГ (У5т/шСа)д(Ре5е)рО|2 можно использовать как ЦМД-мате-риал, стойкий к потокам .^ -квантов Со®^ до значений поглощенной

дозы облучения 1)п= (1+2).10б Гр. При этом радиационная стойкость ЭМПФГ (У£т1иСа)д(Ребе)22 к квантам Со60 в 20+33 раза выше стойкости к этому виду радиационного воздействия вА - Со - Мо-аморфных металлических пленок и в 10+20 раз выше стойкости моно-криеталлических пленок феррошпинели Мс^МпРеО^.

8. Для производства логических и запоминающих устройств на ЦМД, предназначенных для работы в полях радиационных излучений, ■ следует использовать феррит-гранатовые пленки с изовалентным замещением в катионной подрешетке. Если же применение ЭМПФГ,содержащих ионы Ме2+ и Ме^+-неизбежно, то предпочтение следует отдавать пленкам, выращенным при минимальных значениях молярного параметра

0,3).

9. Радиационно-стимулированные превращения под воздействием ^ -квантов Со6® в ЭМПФГ (У^>п1иСа)3(Ре6е)5012 со сверхстехиомет-

рическим содержанием кальция при режимах облучения, исключающих радиационный отжиг, сводятся к перезарядке кислородных вакансий; при этом, наблюдаемые изменения свойств пленок обусловлены искажением симметрии внутрикристаллического поля на близлежащих к комплексам "Са2+ - Р+ - центр" ионах, а интенсивность изменений определяется концентрацией кислородных вакансий, компенсирующих сверх-стехиометрический кальций.

10. Разработан способ подавления интенсивным ^-облучением Со60 ЖЦМД в ЭМПФГ (У5Ау,^мСа)3(Реве)5012, позволяющий также одновременно повышать термостабильность и оптическое пропускание пленок.

Основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях:

I. Костивши В.Г.,Костюк В.Х.,Летюк Л.М. и-др. Влияние коронного разряда на энергетический спектр глубоких уровней захвата в феррит-гранатовых пленках// Электронная техника.Сер.6.Материалы.-1987, вып.4.-С.32-34.

- 26 -

2. Костюк В.X.»Костишин В.Г.,Летюк Л.М. и др. Исследование активнкх центров в феррит-гранатовых пленках с цилиндрическими магнитными доменами методом термостимулированных токов //1Ш.-I988.-T.33, Р 2.-С.261-263.

3. Костишин В.Г.,Костюк В.Х.,Летюк Л.М. и др. Энергетический спектр активных центров в феррит-гранатовых пленках с ЦМД и его изменение,■индуцированное отрицательным коронным разрядом //Материалы ХУШ-й Воес. конференции по физике магнитных явлений.-Калинин, 1988. ЧДУ. - С.993-994. ■

4. Костишин В.Г.,Летгок Л.М.,Морченко А.Т. Модификация свойств материалов магнитоэлектроники при радиационном и ионном воздействиях./ В кн.: Труды координационного совещания соц.стран по физическим проблемам оптоэлектрокики.-Баку, 1988. - С.38.

5. Костишин В.Г.,Летюк Л.М..Морченко А.Т.,Шипко М.Н.Модифицирование свойств эпитаксиальннх ферритов-гранатов под воздействием

/ -облучения и коронного разряда/ Материалы ХП-й Всес.школы-семинара "Новые магнитные материалы микроэлектроники". - Новгород, 1990. - 4.1.- С.28.

уеуЬ сЛ Мл^ьл^гс. Мс^еЬ^аЛ* Сен^/с-

гсме (ЕММА'95),-&>&сг, ¿992. - Р. -4(1.

7. Положительное решение от 28 июня 199ё г. по 'заявке на патент Я? 93-028172/26, МКИ5 СЗОВ 29/28. Применение эпитаксиальннх феррит-гранатовых пленок (Са,6е)-системы в качестве материала,стойкого к потокам £ - квантов/ Костишин В.Г.,Летюк Л.М.,Чуков И.И.-

■ ¡Заявлено 25.05.1993 г.

8. Положительное решение от 1995 г. по заявке на патент Я? 94010992, МКИ5 Н0121/40. Способ обработки эпитаксиалышх

феррит-гранатовых пленок /Костишин В.Г.,Летюк Л.М.,Кириенко А.Г. и др.- Заявлено 31.03.1994 г. ■

9.Zloy&îJL^, V.G., "sUiuuÂL.M., My&tkxi. V.A., Baiuf&vrS.H.j S&zpÂo M. M Moùxk. Butix~u>£jz>i_ R&beteèes CL^JL ¿é^ci^xe. <4JX^c^izc. CCUajuL ££¿^4 (YS^LjCaj^ (Fe_ Gt)z /Zftytvi- f»/ l3- Strié UiocbeXc -cdk iC&nJeX**^

РЯ-iS,

10. XwizAL^ V.&.t '¿¿bfJlLM., SiyJo H y. w Fedcrco- V.%, Соыо^нЛоп. ¿АоОи^Л 'Я£глё<х.иеу~ ¿^¿л&ъсуЬу s4 ^oUtoAic^.

iv*. -

(^evi в4 iZ Jlc^AJuLài jUcc6e)iX&Ai

ге^е. (S. M H12). ~3d*aÂÔvCr> Sydc^Jt*-11.-14, 43SS. - 4.

boA.T. cuU ЩЛо MX jw &uM& ¿к (&.,&)-

iixi'sti-^'tecC MfZ^vLcai^ S^pca-bJuti fy ЦсаЯ

dcccèà^. ¡■ticpMt- <r£ iZ S&fé. JUttzUaJd CSM M H). 4Z-Î4, i99S. - Pfi-St.

à