Оптическая и магнитооптическая спектроскопия магнитных нанокомпозитных материалов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

На правах рукописи

Вашук Мария Владимировна

ОПТИЧЕСКАЯ И МАГНИТООПТИЧЕСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ МАГНИТНЫХ НАНОКОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 01 04 11 - физика магнитных явлений

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

ии—>

Москва - 2008

003164531

/

Работа выполнена на кафедре магнетизма физического факультета Московского государственного университета им М В Ломоносова

Научный руководитель

доктор физико-математических наук, профессор Е А Ганьшнна

Научный консультант

Официальные оппоненты

доктор физико-математических наук, глнс АП Виноградов

доктор физико-математических наук, профессор С А Никитин

Ведущая организация

кандидат физико-математических наук, доцент АН Юрасов

Физико-технический институт,

Уральское отделение Российской Академии наук (ФТИ УрО РАН)

Защита состоится « б » марта 2008 года в 18 00 часов на заседании диссертационного совета Д 501 001 70 при Московском государственном университете им МВ Ломоносова по адресу 119992, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, МГУ им М В Ломоносова, аудитория 2-05А криогенного корпуса

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им М В Ломоносова

Автореферат разослан « /» февраля 2008 года

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 501 001 70 доктор физико-математических наук профессор

Г С Плотников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Анализируя развитие научных и прикладных приоритетов за последнее время, становится очевидно, что темпы и направление научно-технического прогресса в ближайшем будущем главным образом будут определяться развитием нанотехнологий наряду с био- и компьютерно-информационными технологиями Использование

возможностей нанотехнологий может уже в недалекой перспективе привести к кардинальным изменениям во многих сферах человеческой деятельности -в материаловедении, энергетике, электронике, информатике, машиностроении, медицине, сельском хозяйстве, экологии Созданные благодаря нанотехнологиям новые наноразмерные магнитные материалы проявляют ряд необычных свойств гигантское магнитосопротивление (ГМС), гигантский магнитный импеданс, гигантский аномальный эффект Холла, значительный магниторефрактивный эффект, сильный магнитооптический (МО) отклик и аномальные оптические эффекты Все эти явления открывают огромные перспективы, как для фундаментальных исследований, так и для многообещающих возможностей их применения Так, например, нанокомпозитные материалы могут использоваться в высокочувствительных датчиках магнитного поля и температуры, в устройствах для записи и считывания, а также хранения информации, в защитных покрытиях от электромагнитного излучения и во многих других приложениях Природа вышеперечисленных эффектов, наблюдаемых в наноматериалах, остается до конца не изученной, поэтому необходимы как экспериментальные, так и теоретические комплексные исследования микроструктурных, электрических, магнитных, МО и оптических свойств таких материалов

Известно, что электрические, магнитные, оптические и МО свойства нанокомпозитных материалов сильно зависят от их состава и микроструктуры, в особенности от размеров гранул, от их распределения по объему образца, от концентрации магнитной фазы и от свойств интерфейса [1, 2] Поэтому МО методы исследования в комплексе с оптическими представляют значительный интерес, так как позволяют получить уникальную информацию о магнитной и электронной структуре, механизмах рассеяния носителей заряда, характере межзонных переходов, а также о

характерных размерах, форме и топологии нанонеоднородностей Кроме того, оптические и МО исследования крайне чувствительны к микро свойствам Зс/ металлов и сплавов на ¡ах основе, поэтому являются эффективными методами исследований фазовых переходов и критических явлений, происходящих в подобных структурах, как в результате изменения концентрации магнитной фазы, так и вследствие термообработки

Таким образом, изучение оптических и МО свойств магнитных нанокомпозитяых материалов, как с гранулированной, так и с мультислойной структурой, является актуальным и с точки зрения перспектив практического применения подобных структур, и для фундаментальной физики конденсированного состояния

Целью работы являлось комплексное исследование оптических и МО свойств и их эволюции при изменении, как внешних условий, так и внутренних параметров различных типов новых магнитных нанокомпозитных материалов гранулированных систем типа «аморфный ферромагнитный (ФМ) металл - диэлектрик», «ФМ металл - диэлектрик», мультислойных систем типа «аморфный ФМ металл - диэлектрик», «аморфный ФМ металл - полупроводник (ПП)» и полупроводниковых пленок диоксида титана, допированного Со

В работе были поставлены следующие задачи

1 Получить экспериментальные данные по оптическим и МО свойствам нанокомпозитов различного типа гранулированных систем «аморфный ФМ металл - диэлектрик», «ФМ металл - диэлектрик», мультислоек «аморфный ФМ металл - диэлектрик» и «аморфный ФМ металл - полупроводник»

2 Получить дисперсионные зависимости диагональных и недиагональных компонент тензора диэлектрической проницаемости (ТДП) в широком спектральном диапазоне для выяснения природы увеличения МО отклика в гранулированных и мультислойных системах

3 Изучить зависимость оптических и МО свойств различных типов нанокомпозитов от их состава и концентрации металлической фазы Исследовать влияние микроструктурных параметров нанокомпозитов на их оптические и МО характеристики

4 Провести сравнение полученных экспериментальных данных с теоретическими расчетами, выполненными в рамках приближения эффективной среды

5 Исследовать зависимость спектров экваториального эффекта Керра (ЭЭК) полупроводниковых пленок диоксида титана, допированного кобальтом от уровня допирования и технологических параметров изготовления, с целью изучения взаимосвязи структурных, транспортных, магнитных и МО свойств и получения данных о природе ферромагнетизма в исследованных структурах

Для решения поставленных задач был применен комплекс спектральных методов исследования, включающий эллипсометрический метод определения оптических констант и МО метод измерения эффекта Керра в экваториальной геометрии

Достоверность_полученных_результатов обеспечена

обоснованностью используемых в работе экспериментальных методов изучения оптических и МО свойств нанокомпозитов, детальным анализом физических явлений и процессов, определяющих эти свойства, а также корреляцией результатов, полученных на различных образцах В значительной степени достоверность полученных результатов подтверждается хорошим согласованием между экспериментально полученными данными и значениями, рассчитанными в рамках общепринятых физических моделей

Научная новизна результатов, полученных в диссертации

1 Впервые проведено комплексное экспериментальное исследование оптических и МО свойств гранулированных нанокомпозитов аморфный ФМ металл - диэлектрик, позволившее вычислить диагональные и недиагональные компоненты ТДП для исследуемых составов

2 Из анализа найденных спектральных зависимостей диагональных и недиагональных компонент ТДП установлено, что усиление МО отклика нанокомпозитов (Со45Ре452гю)х(8102)юо-х, (Со41Рез9В2о)х(8102)1оо-х, (Со45ре452г1о)х(А12Оз)1оо-х + 02 и (РеР^юо-хСБЮгЗх вблизи порога перколяции не связано с увеличением их МО активности, а обусловлено изменением оптических и МО параметров при изменении топологии и микроструктуры нанокомпозитов

3 Установлено, что в ряду нанокомпозитов (РеРЦюо-х^СУх —> (Со41рез9В2оМ8102)1оо-х -> (Со45Ре45&1о)д(8102)1<ю-х -» (Со45Ре452г10),(А12Оз)1оо-х с ростом плотности поляризованных электронных состояний на уровне Ферми в ФМ гранулах, одновременно растут значения ГМС и ЭЭК

4 Установлено, что изменения оптических и МО свойств системы (Со45ре452г10)х(А12Оз)100-ч + Ог после отжига, обусловлены как изменением микроструктуры, так и изменением электронной структуры композитов, вследствие формирования после отжига сложной многофазной системы с присутствием окислов металлов

5 Впервые проведено исследование оптических и МО свойств наномультислойных структур {СоРе2г(х)-а81(у)}„ Показано, что изменение толщины ФМ и полупроводниковых слоев приводит к сильным изменениям вида спектральных и полевых зависимостей ЭЭК, спектров оптической проводимости и функции потерь

6 Обнаружена корреляция между усилением МО отклика в районе 1,6-2 эВ в мультислойных структурах {СоРе2г(х)-а81 (у)}„ с толщиной слоев ~ 10 нм и появлением максимума в спектральной зависимости функции потерь, что может быть связано с поверхностными плазменными колебаниями в этой области энергий

7 Показано, что аномальное поведение спектральных и полевых зависимостей ЭЭК в мультислойных структурах {СоРе2г(х)-а81(у)}„ в области малых толщин аБ1 слоев свидетельствует о сильном взаимодействии между ФМ слоями через полупроводниковую прослойку и на участие кремния в процессах обменного взаимодействия

8 Впервые исследована эволюция спектров ЭЭК для полупроводниковых пленок диоксида титана, дотированного Со, в зависимости от уровня допирования и технологических параметров получения

9 Показано, что характер спектров ЭЭК для ФМ образцов ТЧ^СохОг с малым уровнем допировния (х~0 004), свидетельствует о том, что ферромагнетизм в этих пленках не связан с ФМ кластерами Научная и практическая ценность работы состоит в получении и

анализе новых результатов, которые являются важными как для понимания

фундаментальных электронных, оптических и МО свойств наноструктур, так и для развития технологий получения наноматериалов с заданными свойствами

Защищаемые положения:

1 Новые экспериментальные данные по оптическим и МО свойствам нанокомпозитов различного типа гранулированных систем (Со45ре452г10)х(8102)1оо-х, (Со41рез9В2о)х(8102)юо-х, (Со45Ре452г1о)х(А12Оз)1оо-х + 02, (РеРОюо-х^Юг)*, Сох(8102)юо-х, мультислойных структур

и {СоРе2г(х)-8Ю2(у)}п в спектральном диапазоне

О 5-4 5 эВ

2 Найденные спектральные зависимости диагональных и недиагональных компонент ТДП систем (Со45ре452г10)х(8102)шо-х, (О^РезрВгоМЗЮгЭюо-х, (Со45ре452г]0)х(А12Оз)1оо-х + 02 и (РеР1)кю-х(8з02)х и вывод о том, что усиление МО отклика в ближней ИК области спектра в данных системах не вызвано увеличением МО активности, а обусловлено особенностями микроструктуры композитов

3 Утверждение об изменении микро- и электронной структуры нанокомпозитов (Со45ре452гю)х(А120з)шо-х + 02 после отжига, вследствие формирования сложной многофазной системы с присутствием окислов металлов

4 Утверждение о корреляции максимальных значений ГМС и ЭЭК в магнитных нанокомпозитах

5 Вывод о сильном взаимодействии между ФМ слоями через полупроводниковую прослойку в мультислойных структурах {СоРе2г(х)-а51(у)} „ в области малых толщин слоев аморфного кремния

6 Полученные спектральные зависимости ЭЭК для полупроводниковых пленок диоксида титана, допированного кобальтом, в зависимости от уровня допирования и технологических параметров получения, и вывод о том, что при низком уровне допировния (х~0 004) примесные кластеры Со в ФМ образцах Т11„хСох02 со структурой анатаза не образуются

Апробация результатов работы. Материалы, вошедшие в диссертацию, опубликованы в 26 работах, из которых 9 статей и 17 тезисов в сборниках докладов и трудов конференций (список основных публикаций приводится в конце автореферата) Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на международных и всероссийских

5

конференциях Международноый симпозиум «Порядок, беспорядок и свойства оксидов» (ODPO), Сочи, (2003, 2005, 2006), «EASTMAG, Euro-Asian Symposium «Trends m Magnetism», Краноярск (2004), «EASTMAG, Euro-Asian Symposium «Magnetism on a Nanoscale», Казань (2007), международная конференции "Функциональные материалы" (ICFM), Крым, Украина (2003), International Symposium on Advanced Magnetic Matenals (ISAM2) Yokohama, Japan (2003), International Magnetics Conference (MMM-Intermag) California, USA (2004), международная школа-семинар «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (НМММ), Москва (2004, 2006), Moscow International Symposium on Magnetism (MISM), Москва (2005), симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний Новгород (2006, 2007), VIII International Workshop on Non-crystallme Solids, Spam (2006)

Личный вклад соискателя. Автором лично получена основная часть экспериментальных результатов исследованы оптические спектры всех представленных образцов, получены спектральные зависимости ЭЭК для некоторых исследованных систем Выполнена математическая обработка спектральных зависимостей, позволившая получить компоненты ТДП Обсуждение и анализ полученных результатов проводились авторами соответствующих работ совместно

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка цитируемой литературы из 119 наименований Общий объем работы составляет 148 страниц машинописного текста, включая 57 рисунка и 2 таблицы

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, сформулирована цель работы, поставлены задачи исследований, обозначена научная новизна и практическая ценность работы, а также представлена степень апробации, количество публикаций и структура диссертации

В первой главе, которая имеет обзорный характер, обсуждается актуальность исследований наноразмерных материалов и возможности их практического применения, также дан обзор экспериментальных и теоретических работ, посвященных исследованию основных свойств магнитных нанокомпозитов структурных, магнитных, электрических, оптических и МО свойств, явлениям магнитосопротивления и перколяции

6

Обсуждаются основные модели эффективной среды, использующиеся при описании оптических и МО свойств композитной системы

Вторая глава посвящена описанию экспериментальных методик и установок, использовавшихся в настоящей работе В параграфе 2.1 описан эллипсометрический метод Битти, применяемый для измерения оптических постоянных птлкъ области энергий падающего света 0,5 - 4,5 эВ Параграф 2.2 посвящен описанию экспериментальной установки по измерению оптических констант п и к В параграфе 2.3 дается определение ЭЭК и приводится уравнение, связывающее величину эффекта 5 с компонентами ТДП[3]

где <р - угол падения света, а = е2(2sx cos2 q> — 1), b = cos2 <p(e\ - e2 +1) + ¿', -1, £л, s2 и s\, s'2 - действительная и мнимая части диагональной и недиагональной компонент ТДП При этом sl = п2 - к2, е2 =2 пк, где - пяк коэффициенты преломления и поглощения соответственно

Таким образом, на основе экспериментально определенных значений ЭЭК (величины 5) при двух углах падения света, а также значений пик, можно разрешить данное уравнение, определив компоненты ТДП, позволяющие достаточно полно описать свойства среды Кроме того, исследуя частотные зависимости мнимых частей диагональных и недиагональных компонент ТДП можно сделать выводы о зонной структуре исследуемой среды

В параграфе 2.4 описан алгоритм проведения эксперимента и экспериментальная установка, позволяющая проводить измерения ЭЭК в области энергий падающего света 0,5 — 4,5 эВ в присутствии переменного магнитного поля, достигающего значений ~ 3,5 кЭ

Третья глава посвящена изучению гранулированных нанокомпозитов «аморфный ФМ металл - диэлектрик» и «ФМ металл- диэлектрик»

Во введении приводится обзор основных свойств гранулированных нанокомпозитов, а также обсуждается актуальность исследования оптических и МО свойств подобных структур

В параграфе 3.2 описаны методы синтеза изучаемых образцов и приведены данные по их аттестации Нанокомпозиты (Co45Fe45Zrio)x(Si02)ioo-

x, (Co4iFe39B2o)x(Si02)ioo-x, (Co45Fe45Zrio)x(Al203)ioo-x и (Co)x(Si02)ioo-x с варьирующейся концентрацией ФМ компоненты были получены в Воронежском государственном техническом университете методом ионно-лучевого напыления в атмосфере аргона, при изготовлении пленок (Co45Fe45Zr1o)x(Al203)ioo-x также добавлялся кислород [4] Гранулированные пленки (FePt)ioo-x(Si02)x были изготовлены в лаборатории профессора М Inoue (Toyohashi University of Technology, Japan) методом последовательного магнетронного распыления

Параграф 3.3 посвящен экспериментальным результатам исследования оптических и МО свойств гранулированных нанокомпозитов (Co45Fe45Zrio)x(Si02)ioo-x, (Co4iFe39B2o)x(Si02)ioo-4 и (Co45Fe45Zr10)x(Al203)ioo-x + 02, (FePt)i.x(Si02)x, и (Co)x(Si02)ioo-x На рис 1 представлены спектральные зависимости ЭЭК нанокомпозитов при различных значениях концентрации ФМ компоненты Видно, что спектры МО отклика всех систем имеют подобное поведение Наблюдается существенное изменение вида спектров композитов по сравнению со спектром соответствующей металлической компоненты Кроме того, в ближней ИК области спектра величина эффекта для образцов, находящихся вблизи порога перколяции х„ер, в несколько раз превосходит величину ЭЭК соответствующего чистого ФМ металла

Четко выраженный максимум эффекта в ближней ИК области вблизи хпер обнаруживается для всех исследованных систем независимо от элементного состава фаз С другой стороны, величина этого максимального значения МО отклика зависит от материала ФМ компоненты нанокомпозитов У всех исследованных систем максимум величины ЭЭК в ближней ИК области имеет большее значение для композитов с большим значением ГМС Такой рост величины ЭЭК в ближней ИК области и ГМС в цепи нанокомпозитов (FePt)ioo-x(Si02)x (Со4 iPe39 B2o)x(S Ю2) i oo-x

(Co45Fe45ZrioKSi02)ioo-x (Co45Fe45Zrio)x(Al203)ioo-x обусловлены, по нашему мнению, тем, что величина как МО эффектов, так и магнитосопротивления прямо пропорциональны плотности поляризованных электронных состояний на уровне Ферми, возникающих при ФМ упорядочении в гранулах

Полученный результат в исследованных системах, отличающихся друг от друга элементным составом, в которых максимальный ЭЭК в ближней ИК диапазоне спектра наблюдается в области перколяционного перехода,

Рис. 1. Спектральные зависимости ЭЭК для нанокомпозитов (а) - (Со41ре39В2о)х(8Ю2)юо-х; (б) - спектры образца {Со45Ре452г¡0)47(810^53, полученные при различных углах падения света; (в) - (СоаРе451гю)х(А120з)1оо-х - 02; (г) - Со/БЮ^юо-х

позволяет использовать МО методы для определения х„ер. Причем значение х, при котором наблюдается появление ФМ фазы, и значение х„ер, определенное из исследования концентрационной зависимости электросопротивления, хорошо согласуются друг с другом.

Так же как в спектрах ЭЭК, в спектральных зависимостях действительной еу и мнимой е2 части диагональной компоненты ТДП гранулированных систем (Со41Рез9В2о)х(8Ю2)10о-х, (Со45Ре452г1о)х(8Ю2)1оо-х, (Со-15ре452г1о)х(А12Оз)1оо-х + 02, Сох(5Ю2)юо-х и (РеР^юо-х^ЮгХ наблюдалось существенное изменение вида и величины оптических спектров нанокомпозитов по сравнению со спектрами соответствующих аморфных сплавов СоРеВ, СоРе7г, РеР1 и Со. £1 нанокомпозитов по сравнению с однородным аморфным сплавом меняет знак на протяжении всей области энергий. Лишь для образца Сох(8Ю2)юо-х с содержанием металлической

1 2 3 4

Е. эВ

-о-л-=33,2% -►-.ч = 42,6% -о-.Г=45,5% -*-х=49,9% -*-х=100%

—с—х=37.4% —О—х = 48.2% —*—л-=53.3% —а— х = 69.7% —с—х = 76.7% -■—л- - 100%

компоненты х = 76,7% наблюдается смена знака е1 в районе 2,8 эВ и уже при энергиях Е > 2,8 эВ поведение подобно действительной части

диэлектрической проницаемости металла Исследования оптических спектров показало, что как £\, так и ег зависят от соотношения концентраций составляющих нанокомпозит материалов, и при замене, как магнитной фазы, так и диэлектрической поведение спектров ех и 8г не претерпевает существенных изменений

Вычисленные недиагональные компоненты ТДП для гранулированных систем имеют существенно иной вид по сравнению с соответствующими компонентами ТДП однородных сплавов Дисперсионные зависимости е[ и е'2 для систем (Со41рез9В2о)х(8102)юо-х, (Со45ре452г1о)х(8102)юо-Х и (Со45ре452г1о)х(А12Оз)1оо-х + 02 приведены на рис 2 Спектры е[ и е'2 нанокомпозитов, в которых в качестве материала ФМ гранул выступает аморфный металл Со^Ре^Вго или Со45ре457гю обнаруживают особенность действительная часть е[ проявляет максимум, в то время как мнимая часть е'г пересекает ноль (при Е ~ 15 эВ для (Со41рез9В2о)х($102)юо-х и

(Со45ре452г10)ч(8Ю2)100-х с х<хпер, для системы (Со45ре452Г|о)х(А12Оз)|оо-х + 02 описанная особенность наблюдается при Е ~ 12 эВ, для нанокомпозита (Со45ре452г10)57(81О2)4з с х>хпер видим резкий сдвиг энергии описанной выше особенности в область 1 эВ )

Следует отметить, что в отличие от спектров ЭЭК, в спектрах недиагональной компоненты ТДП всех нанокомпозитов, ответственной за МО активность материала, мы не наблюдаем усиления по сравнению с однородным аморфным сплавом Более того, в "красной" области спектра величина в\ в случае Со45ре452гю более чем на порядок превосходит

значение е'2 для композита (Со45ре452гю)х(8102)юо-х с х = 43%, который

демонстрировал максимальный эффект именно в этом интервале энергий

Таким образом показано, что усиление МО отклика в ИК диапазоне спектра нанокомпозитов (Со45Ре452г1о)х(8102)юо-х, (Со41Рез9В2о)х(8|02)1оо-х, (Со45Ре452г10)х(А12Оз)100-х + 02 и (РеРОюо-х(8102)х вблизи порога перколяции не связано с увеличением их МО активности, а обусловлено изменением

Рис.2. Спектры действительной е[ (пустые значки) и мнимой е'2 (сплошные

значки) части недиагональной компоненты ТДП систем при различных х: (а)

(Со41ре39В20)х(5Ю^юо-х: (б) - (Со^Ре^г^/БЮ^т.*; (в) (Со45ре457г1о)х(Л12Оз)юо-х + 02; (г) - однородный став Со45ре452гю

х=\00%

совокупности диагональной и недиагональной компоненты ТДП при изменении микроструктуры композита вблизи перколяционного перехода.

Известно, что термическое воздействие сильно влияет на морфологию композитных сплавов. С целью исследования изменения магнитных, МО и оптических свойств гранулированного сплава при изменении микроструктуры композита вследствие термообработки, системы (Со45ре452г1о)х(А120з)1оо-х +Ог и (РеР1)1.х(8102)х были исследованы до и после отжига.

Сильное влияние отжига можно проследить по спектрам коэффициента отражения, вычисленного из оптических констант пик, которые представлены на рис. 3. Для нанокомпозита с х=25,7% отжиг не оказал влияние на отражательную способность, т.е. при малом содержании металлической компоненты образцы до и после отжига структурно

эквивалентны. По мере увеличения х наблюдается уменьшение коэффициента отражения пленок после термической обработки, а при х>46,5% появляется максимум в районе 3,5 эВ.

0,20 0,19 0,18 0,17

К 0,16

0,15 0,14 0,13 0,12

0,0 0,5 1,0 1.5 2.0 2,5 3,0 3,5 4.0 4,5

0,30 0,28 0,26 Я 0,24 0,22 0,20 0,18

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 Е. ЭВ

Рис.3. Спектральные зависимости коэффициента отражения нанокомпозитов (Со45ре451Г)о)х(А120з)юо-х до (светлые значки■) и после отжига (темные значки)

Интерпретация оптических спектральных зависимостей нанокомпозитов с многокомпонентным составом представляется крайне сложной, но, учитывая процессы формирования таких систем и зная оптические свойства элементов входящих в состав композита, можно сделать некоторые предположения. При термической обработки металлические гранулы системы (Со45ре457гю)х(А12Оз)юо-х начинают объединяться и увеличиваться в размере, при этом увеличивается диэлектрическая прослойка между ними, сама же структура становиться более однородной. Ранее было показано, что такие геометрические изменения микроструктуры оказывают влияние как на оптические так и на МО свойства системы [5-7]. Но появление новой особенности в ближнем УФ диапазоне в МО и оптических спектрах отожженных образцов при х>46,5%, по нашему мнению,

Е. эВ

- после отжига исходный

х = 42,6%

х = 54,7%

обусловлено появлением новой фазы в результате отжига, которая может образоваться из сложных оксидов, при достаточно большом содержании металлической компоненты В работе [8] методом рентгено-спектрального анализа вблизи края поглощения было обнаружено присутствие межатомного взаимодействия между элементами металлических и диэлектрических компонентов нанокомпозита (Со^РезэВгоМЗЮг)!-* и присутствие окислов Ре203, РеО, СоО В этой работе было установлено, что уже в процессе осаждения происходит поверхностное окисление металлических гранул независимо от добавления кислорода в распылительную камеру В тоже время, последнее обстоятельство оказывает влияние на содержание и стехиометрию диэлектрической фазы в поверхностном слое нанокомпозитов, что влечет за собой изменение транспортных свойств Аналогично, в нашем случае, при напылении системы (Со45ре45гг10)х(А120з)1оо-х в присутствии кислорода в распылительной камере образуются окислы Ре203, РеО и СоО и в образцах может присутствовать растворенный кислород При термической обработке композитов растворенный кислород вступает в химическую реакцию с элементами металлических и диэлектрических компонентов, таким образом, увеличивая содержание оксидов металлов, образующихся на поверхности металлических гранул Увеличение содержания окислов после отжига приводит к уменьшению величины коэффициента отражения и МО отклика Спектры К и ЭЭК демонстрируют, что влияние окисной оболочки сказывается сильнее при увеличении концентрации металлической компоненты, что свидетельствует о возрастании содержания оксидов металлов при увеличении х

Спектры действительной е/ и мнимой е2' части недиагональной компоненты ТДП системы (Со45ре452гш)д:(А120з)1оо-х также демонстрировали появление дополнительной особенности в спектрах отожженных образцов с большим содержание металлической компоненты (х>45,5%) в области энергий около 3,5 эВ Особенности в районе 1-1,5 эВ в спектрах и е/ (Со45Ре45гг10;Ц81О2)1<,0-х, (Со41рез9В20М81О2)100-х и (Со45Ре45гг10)х(А12Оз)100-х + 02 (рис 2) и в районе 3,5 для отожженных нанокомпозитов (Со45Ре45ггш),(А1203)1оо-1 + 02 с х>45,5% по всей видимости имеют разную природу, так как частота первого перехода не существенно зависит как от х

до порога протекания, так и от структурных изменений в нанокомпозитах вследствие термической обработки В то время как второй переход существенно зависит от обоих этих параметров Такое поведение спектральных зависимостей е/т В2 композитов с х>45,5%, свидетельствует об изменении электронной структуры этих материалов после отжига Это подтверждает наше предположение о появлении новой фазы, которая может образоваться в результате отжига из окислов металлов, при достаточно большом содержании металлической компоненты

В случае системы (РеР^юо-х^Юг)* известно, что при высокотемпературном отжиге неупорядоченная кубическая гранецентрированной структура РеР1 переходит в упорядоченную тетрагональную структуру Анализ кривых намагничивания в сильных полях (~ 20 кЭ) и зависимостей ЭЭК от магнитного поля позволил предположить, что наблюдаемые изменения МО и оптических свойств, а также увеличение магнитной жесткости (при х~57%) нанокомпозитов (РеР^юо-х^Юг^ после термообработки при 700°С вызваны тем, что характер структурного перехода в пленках зависит от концентрации магнитной составляющей Установлено, что структурный переход в высококоэрцитивную упорядоченную структуру происходит только в тех композитах, ФМ гранулы которых обладают достаточно большими размерами

Для интерпретации полученных результатов мы провели моделирование экспериментальных кривых в рамках приближения Бруггемана (ЕМА) [9] и симметризованного приближения Максвелла-Гарнетга (СМГ) [10]

Полученные экспериментальные зависимости эффекта Керра для неупорядоченных нанокомпозитов (РеР^шо-х^Юг^ удалось объяснить в рамках приближения Бруггемана В то время как попытка описать экспериментальные спектры для систем (Со45ре,( $7л\ о)*(5 Юг) 1 оо-х, (Со^РездВгоМБЮгЬоо-хИ (Со45ре,52г10)х(А120з)1оо-л' + 02 в рамках приближении ЕМА не привела к удовлетворительным результатам Очевидно, что выбор теоретической модели, пригодной для описания оптических и МО свойств конкретного гранулированного сплава, обусловлен, прежде всего, особенностями его микроструктуры В нанокомпозитной системе (РеР^юо-х^Юг)*, где металлическая фаза обладает кристаллической структурой.

гранулы металла формируются отдельно от диэлектрической матрицы, а распределение частиц по форме и размерам более однородно, чем в случае с плавов "аморфный металл - диэлектрик", в которых возможно смешивание (взаимное растворение) компонент. Этим можно объяснить необходимость использования более сложного метода при описании оптических и МО с войств таких материалов, каким является приближение СМГ.

А Эксперимент е.

Рис. 4. Полученные экспериментально (сплошные и пустые точки) и рассчитанные в приближении СМГ (сплошные и пунктирные линии) диагональные и недиагональные компоненты ТДП, а также спектральные зависимости ЭЭК нанокомпозита (Со^Ре^г^^М^Оз)}* Параметры использованные при рассчете: х=46 ([=42), Ьа=0.25, ЬЬ=0.4 и а=0.7

В приближении СМГ рассматривается среда, в которой один тип частиц (А) представляет собой компоненту материала 1 внутри компоненты материала 2, другой тип ([>') наоборот - компоненту 2 внутри компоненты 1.

В нашем случае материал 1 есть металлическая компонента сплава, а материал 2 - диэлектрическая

При использовании для расчета значений форм-факторов частиц Ьа и Ьв из очень узкого диапазона величин, удалось получить как качественное, так и количественное согласование теории и эксперимента Таким образом, на основе результатов моделирования, можно сделать вывод о форме частиц композита (рис 4)

В рамках приближения СМГ не удалось описать экспериментальные результаты для отожженной системы (Со45ре452гю)*(А12Оз)1оо-;Е + 02, при этом расхождение рассчитанных и экспериментальных спектров увеличивалось при увеличении х Это обстоятельство хорошо объяснимо, если принять во внимание присутствие окислов (Ре203, РеО, СоО) в композитах и появление новой фазы, содержание которых увеличивается после отжига при увеличении х

В заключение к данной главе сформулированы основные выводы и результаты по исследованию оптических и МО свойств гранулированных нанокомпозитов

В четвертой главе представлены результаты исследования наномультислойных систем «аморфный ФМ металл-ПП» {Соо>45рео,452год(х)-а81(у)}п и «аморфный ФМ металл-диэлектрик» {Соо45Рео,4ъ^о, 1 (х)- 8Ю2(у)}п

Во введении приводится обзор основных свойств мультислойных систем ФМ металл - ПП. а также обсуждается актуальность исследования оптических и МО свойств подобных структур

В параграфе 4.2 описаны методы синтеза изучаемых образцов и приведены данные по их аттестации Многослойные магнитные пленки составов {Соо|45рео)452год(х)-а8](у)}п с числом бислоев п = 54, 101, 215 и {Соо,45рео,45ггод(х)-8102(у) }„ п = 55 и 32 были получены в вакуумной установке путем ионно-лучевого распыления мишеней из Со0«Г-еоаз^о 1 и 81/или 8Ю2 на ситаловые подложки при комнатной температуре

Параграф 4.3 посвящен экспериментальным результатам исследования оптических и МО свойств мультислойных систем {СоРеХфс)-а81(у)}п и {СоРе2г(х)-8Ю2(у)}„ Измерения ЭЭК показали, что вид и величина МО спектров сильно изменяются в зависимости от толщины металлических (х) и полупроводниковых (у) слоев Для системы с наиболее

толстыми слоями (х, у-10 им) и 11=54, как для нанокомпозитов ФМ металл -диэлектрик, наблюдалась немонотонная зависимость величины ЭЭК от объемного содержания (f) CoFeZr и появление максимума МО отклика в ближней ИК области в районе 1,6 эВ, который незначительно смещался в зависимости от толщины металлических и полупроводниковых слоев Для систем с меньшими толщинами слоев (х, у~1-5 нм) и п=101, 215 наблюдалось увеличение эффекта в видимой и УФ области спектра при малых толщинах слоя кремния (у = 1,4 и 0,9 нм) и падение величины эффекта с его ростом

Спектры ЭЭК мультислоев {CoFeZr(x)-Si02(y)}55 демонстрировали сходство между собой при различных толщинах слоев и со спектрами чистого сплава CoFeZr, а также монотонное падение величины эффекта с уменьшением металлической компоненты f

Анализ полевых зависимостей ЭЭК показал, что для системы с толстыми слоями (х,у~10 нм) взаимодействие между слоями не играет существенной роли В то время как для образцов с меньшими толщинами слоев наблюдалось сильное влияние полупроводниковой прослойки на магнитную структуру образцов и участие aSi в процессах обменного взаимодействия

Моделирование МО спектров в приближении Бруггемана (ЕМА) и на основе макроскопической френелевской магнитооптики для ультратонких слоев, с учетом интерференции лучей, отраженных от границ слоев [11], показало, что приближение эффективной среды дает хорошее согласование экспериментальных МО спектров с расчетными для системы с наиболее толстыми слоями (х, у~10 нм) и п=54, в то время как на основе макроскопической френелевской магнитооптики для ультратонких слоев не удалось описать поведение спектральных зависимостей ЭЭК этих образцов По всей видимости, это связано с тем, что слои в исследованных системах не имеют четких границ Размытие границ между слоями может происходить вследствие взаимной диффузии металла и кремния с образованием силицидов, а соседние слои в мультислойке могут представлять собой островковые пленки Образцы с наиболее толстыми слоями возможно рассматривать как агрегатную среду, свойства которой хорошо объясняются в приближении Бруггемана Поведение МО спектров для систем с меньшими толщинами слоев (х, у~1-5 нм) и п=101, 215 не удалось объяснить ни в приближении простой эффективной среды, ни на основе макроскопической

френелевской магнитооптики для ультратонких слоев, что свидетельствует о более сложной реальной микроструктуре данных образцов С одной стороны здесь может в значительно большей степени сказываться влияние на оптические и МО свойства диффузного интерфейса из силицидов, чем в мультислоях с большой толщиной слоев С другой стороны в образцах с малыми толщинами aSi в большей степени может происходить окисление аморфного кремния, что также в значительной степени изменяет оптические и МО свойства системы

На рис 5 приведены спектральные зависимости диагональной компоненты ТДП мультислойных систем {CoFeZr(x)-aSi(y)}„ (а, б), (CoFeZr(x)- Si02(y)}55 (в) и однородного аморфного сплава CoFeZr (г) В дисперсионных зависимостях s¡ и s2 для системы с наиболее толстыми слоями (х, у~10 нм) (рис 5а) проявляются как особенности в ИК области, связанные с вкладом электронов проводимости в CoFeZr слоях, так и особенности в районе 3,7 эВ характерные для межзонных переходов в аморфном кремнии, в этой области энергий s¡ обнаруживает максимум, a e¡ пересекает ноль (значения s¡ и s¡ для aSi приведены на вставке к рис 5г) Для образца с большим содержанием металлической компоненты (f=71,l%) поведение спектров диагональной компоненты, как и спектров ЭЭК, близко к спектрам для чистого сплава CoFeZr Для систем с меньшими толщинами слоев (х, у~1-5 нм) (рис 56) особенностей в поведении кривых в области 3,7 эВ, характеризующих межзонные переходы в a-Si, не наблюдается, также как в оптических спектрах мультислойной системы {CoFeZr(x)-Si02(y)}55 (рис 5в)

Для выяснения природы наблюдаемых особенностей для мультислоев с х, у~10 нм были рассчитаны спектры оптической проводимости a =e¡*E, где Е - энергия падающего излучения, и функции энергетических потерь L(hw) ~ -Im(s"1)=s/(sj2-rs22) По спектрам оптической проводимости наблюдалось резкое увеличение значения а в районе энергий 3,7 эВ, обусловленное межзонными переходами в аморфном кремнии В дисперсионных зависимостях функции энергетических потерь обнаруживался максимум в районе 1,6 эВ, который незначительно смещался в зависимости от толщины металлических и полупроводниковых слоев, как и максимум в спектрах МО

0,6 1,2 1.8 2,4 3,0 3,6 4,2 4,8 Е, эВ

Рис.5. Действительная еу (пустые точки) и мнимая е2 (сплошные точки) части диагональной компоненты ТДП систем {СоРе2г(х)-а&(у)}„ (а, б), {СоРе2г(х)-8Ю2(у)}з5 (в) при различных толщинах слоев и однородного алюрфного сплава СоРе2г (г)

эффекта, обнаруженный в этой же области энергий. Поскольку максимум в функции потерь проявлялся в районе энергий, где наблюдалось уменьшение е2 и то можно предположить, что мы наблюдали потери, обусловленные плазменными колебаниями, тогда как другие потери, обусловленные, например. межзонными переходами, должны характеризоваться относительным максимумом в е2. Действительно, оценка энергии поверхностных плазмонов мультислойной системы {Со1:е7,г(х)-аЯ ¡(у)}„ по формуле ка>$ = + , также дает величину Иа, = 1,6 эВ (для расчета

были взяты следующие параметры: И со" х 5.6 эВ и £¿»12). Следовательно, наблюдаемый максимум МО отклика для системы с толстыми слоями (х, у~10 нм) в районе 1,6 эВ связан с поверхностными плазменными колебаниями в этой области энергий. Подобный максимум отсутствовал для НЕНомультислойных пленок с меньшими толщинами слоев (х, у-1-5 нм), что может быть связано, как с большей неоднородностью мультислоев с малыми

19

толщинами, те с большим влиянием интерфейсов, так и с возможным влиянием туннелирования через а81 на плазменные колебания

В заключении перечислены основные результаты данной главы и сформулированы основные выводы

В пятой главе описаны результаты исследования оптических, магнитных и МО свойств полупроводниковых пленок диоксида титана, доггарованного кобальтом

Во введении к пятой главе речь идет о перспективах применения этого нового класса магнитных материалов в спиновой электронике и магнитофотонике, а также приводится обзор основных свойств таких структур Описываются методы создания однофазного магнитного полупроводника в котором ферромагнетизм, обусловлен локальным обменным взаимодействием между спином носителей и локальным магнитным моментом примеси в гомогенном материале Показано, что МО спектроскопия является одним из эффективных методов изучения разбавленных магнитных полупроводников

В параграфе 5.2 описан процесс изготовления изучаемых образцов и приведены данные по их аттестации, а также результаты исследования структурных, магнитных и электрических свойств Пленки оксидов титана, легированных Со, толщиной 0 2-0 3 мкм были получены методом высокочастотного магнетронного распыления металлической сплавной мишени в смеси Аг-02 при парциальном давлении кислорода 2 10"6 - 2 10"4 тор на подложках ЬаАЮз Изменение парциального давления кислорода в процессе получения пленок позволяло фиксировать в них различные структурные фазы ТЮ2-а, которые возможно было изменять проведением дополнительных термических обработок

В параграфе 5.3 приведены экспериментальные результаты по МО и оптическим исследованиям пленок Тх1_хСох02 5

На рис 6 представлены МО спектры ФМ пленок Т1О2-5 8%Со при различных структурных состояниях матрицы ТЮ2 Видно, что как значения ЭЭК, так и форма спектров зависят от структуры пленок Не смотря на низкий уровень допирования, для пленки со структурой анатаза в области прозрачности матрицы наблюдается большое значение МО эффекта, превышающее даже значение для кобальта, что может иметь практическое

нанокомпозит

X \

применение. Для всех

представленных случаев

значение МО отклика и форма спектров отличается от спектров для поли- и

микрокристаллического Со.

Для пленок монооксида ТЮ и рутила, дотированных 0.08 Со форма спектров ЭЭК похожа на спектры

нанокомпозитов Сох(ТЮ2^)1-х> что может свидетельствовать об образовании кластеров Со в пленках монооксида титана и рутила. Но в отличие от нанокомпозитов, где при х<хтр наблюдается суперпарамагнитное поведение, исследованные образцы были ферромагнитном и обладали хорошо выраженной петлей гистерезиса.

После вакуумной закалки от 950°С пленки со структурой анатаза характер и величина спектра ЭЭК не изменились, и наблюдалось только незначительное смещение спектра (при этом по рентгеновским исследованиям матрица полностью переходит в фазу рутила, а намагниченность уменьшается). Гораздо большие изменения в МО спектрах проявились для пленки с матрицей монооксида титана ТЮ. Величина ЭЭК после закалки пленки выросла в 2 раза (при Е<3.0 эВ) и в спектре появились новые особенности. Спектры ЭЭК пленок (Соо,ов)ТЮ и (Соо.о8)ТЮ2 после закалки различны, несмотря на то, что согласно структурным исследованиям в образце с ТЮ после термообработки тоже фиксируется фаза рутила ТЮ2: Со, а также фаза

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 Е, эВ

Рис. 6. Спектральные зависимости ЭЭК пленок Т1од2Соо.о802-5 прч различных структурных состояниях матрицы ТЮ2-ь и нанокомпозита Соо, н(ТЮ2-8)0,75-

ТлСо, которая при комнатной температуре не должна давать вклада в МО отклик. Различие после закалки спектров пленок (Соо,о8)ТЮ и (Соо,о8)ТЮ2, в которых матрица переходит в фазу рутила, свидетельствует о разных механизмах, вносящих вклад в МО эффект. Если, как говорилось выше, в случае монооксида титана, Со собирается в кластеры, то для пленки (Со0,08)ТЮ2 можно выделить другие механизмы появления МО эффекта, которые могут быть связаны со специфическим ближним окружением ионов Со в матрице ТЮ2-а или изменением электронной структуры ТЮ2_8:Со при вхождении Со в матрицу. Полученные результаты могут свидетельствовать о том, что после закалки в пленке (Соо.о8)ТЮ2 локальное окружение атомов Со меняется мало. И если в свежеосажденной пленке образовались кластеры, обогащенные Со, в которых Со замещает П со структурой анатаза, то несмотря на структурные превращения в матрице, микроструктура кластеров сильно не изменяется.

При исследовании пленок со структурой анатаза с различным уровнем легирования установлено, что с уменьшением концентрации кобальта. МО эффект уменьшается, так же как и величина намагниченности, но при этом спектр становится более структурированным.

На рис.7 представлены МО спектры для пленок анатаза Т1ЬхСох02,о при х=0.004. Подчеркнем, что при столь низкой концентрации легирования, заведомо меньшей порога растворимости Со в ТЮ2„з, образование кластеров

Со весьма маловероятно. Наблюдаемая тонкая структура МО спектров также

свидетельствует, что ФМ кластеры Со не формируются.

Так как измеренный МО спектр целиком расположен в области относительной

прозрачности (ширина щели анатаза и рутила ТЮ2 составляет 3.2 и 3.03 эВ, соответственно), то, очевидно, попытаться связать наблюдаемые особенности

анатаз X — 0.004 / • ^

- К /

Е, эВ

Рис. 7. Спектральные зависимости ЭЭК пленок Tii.xCo.xO2-з с х=0.004

спектра ЭЭК пленки с содержание Со 0,004 с примесями или дефектами Спектральные позиции внутриионных оптических переходов в наиболее стабильных примесях Со2+ в октаэдрической координации анионов кислорода обычно составляют 2 5, 1 8, 0 9 эВ, а в тетраэдрической координации 2 0-1 9, 0 9-0 8, 0 5 эВ Очевидно, что точное положение этих линий зависит от величины кристаллического поля Таким образом, наблюдаемые особенности спектра ЭЭК могут быть обусловлены внутриионными переходами в ионах Со2+, находящихся в различных координационных окружениях С увеличением уровня легирования уже необходимо рассматривать не просто отдельные примесные ионы Со2+, а примесные зоны, что должно приводить к размытию тонкой структуры МО спектров

Поведение МО спектров исследованных образцов не противоречит имеющимся представлениям об изменении электронной структуры для допированных пленок оксида титана Вычисление из первых принципов изменения плотности состояний при замещении титана кобальтом в анатазной и рутильной фазах показало, что влияние допирования больше для анатаза [12] и, следовательно, для этой фазы должны наблюдаться в (области прозрачности анатаза) новые МО переходы Для рутила влияние допирования существенно меньше

В заключение к данной главе сформулированы основные результаты

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1 Впервые проведено комплексное исследование оптических и МО свойств гранулированных нанокомпозитов аморфный ФМ металл - диэлектрик, позволившее вычислить диагональные и недиагональные компоненты ТДП для исследуемых составов

• Обнаружено существенное усиление МО отклика в узком спектральном диапазоне, при этом максимальная величина ЭЭК систем (Со45ре45гг1о)х(8102)1оо-х, (Со41рез9В2о)х(8102)1оо-х, (Со^Ре^ГюМ^гОз^оо-х + 02, (РеРу]оо х(810г)х и Со^Юг^оо-х наблюдалась при концентрации ФМ компоненты хшр, соответствующей порогу перколяции

• Анализ дисперсионных зависимостей диагональных и недиагональных компонент ТДП позволил установить, что усиление МО

отклика нанокомпозитов (Со45ре45ггю)х(8102)1оо-х, (Со41рез9В2о)х(8102)юо-х, (Со45Ге452г10)х(А12О3)100.х + 02 и (РеРОюо-х(8х02)х вблизи порога перколяции не связано с увеличением их МО активности, а обусловлено изменением оптических и МО параметров при изменении топологии и микроструктуры нанокомпозитов

• Установлено, что в ряду нанокомпозитов (РеР^юо-х^Юг)* —» (С041 РезэВгоХСБ Ю2) юо-х ~> (Со45ре4521шМ8Ю2)1оо-х (Со45Ре452гю)х(А120з)то-х, где с ростом плотности поляризованных электронных состояний на уровне Ферми в ФМ гранулах растет значение ГМС, одновременно растет и величина ЭЭК

• Установлено, что изменения оптических и МО свойств системы (Со45ре452гю)х(А120з)юо-х + 02 после высокотемпературного отжига, обусловлены как изменением микроструктуры, так и изменением электронной структуры композитов, вследствие формирования после отжига сложной многофазной системы с присутствием окислов металлов

2 Впервые проведено исследование оптических и МО свойств наномультислойных структур { СоРе2г(х)-а81(у)} п

• Показано, что изменение толщины ФМ и полупроводниковых слоев приводят к сильным изменениям вида спектральных и полевых зависимостей ЭЭК, спектров оптической проводимости и функции потерь

• Обнаружена корреляция между усилением МО отклика в районе 1,6-2 эВ в мультислойных структурах {СоРе7т(х)-а8](у)}„ с толщиной слоев ~ 10 нм и появлением максимума в спектральной зависимости функции потерь, что может быть связано с поверхностными плазменными колебаниями в этой области энергий

• Показано, что аномальное поведение спектральных и полевых зависимостей ЭЭК в области малых толщин а8г слоев свидетельствует о сильном взаимодействии между ФМ слоями через полупроводниковую прослойку и на участие аБ1 в процессах обменного взаимодействия

3 Впервые исследована эволюция спектров ЭЭК для полупроводниковых пленок диоксида титана, допированного Со, в зависимости от уровня допирования и технологических параметров получения

• Показано, что характер спектров ЭЭК для ФМ образцов Tii.xCox02 с малым уровнем допировния (х~0 004), свидетельствует о том, что ферромагнетизм в этих пленках не связан с ФМ кластерами

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:

1 MB Вашук, А Н Виноградов, Е А Ганыпина, П Н Щербак, Ю Е Калинин, А В Ситников, О В Стогней, Chong-Oh Kim, Cheol Gi Kim "Оптические и магнитооптические свойства гранулированной нанокомпозитной системы (Co45Fe45ZrioMSi02)ioo-x" Н Известия Академии Наук Серия физическая, 2004, т 68, №5, 718-720

2 Е А Ганыпина, MB Вашук, АН Виноградов, А Б Грановский, ВС Гущин, П Н Щербак, Ю Е Калинин, А В Ситников , Chong-Oh Kim and Cheol Gi Kim "Эволюция оптических и магнитооптических свойств нанокомпозитов аморфный металл-диэлектрик" //ЖЭТФ, 2004, т 125 (5), 1172-1183

3 Е Gan'shma, К Aimuta, A Granovsky, М Kochneva, Р Sherbak, М Vashuk, К Nishimura and М Inoue "Optical and magneto-optical properties of magnetic nanocomposites FePt-S1O2" // J Appl Phys , 2004, V 95, №11, 6882

4 Ганыпина E A , Кочнева M Ю , Вашук M В , Щербак П H , Axmuta К , Inoue М 'Оптические и магнитооптические свойства магнитных нанокомпозитов FePt-SlOi" // ФТТ, 2005 V 47, 9, 1701-1706

5 MB Вашук, А С Батырев, Е А Ганыпина, И И Тульский, П Н Щербак, Ю Е Калинин, А В Ситников 'Оптические и магнитооптические свойства магнитных пленок {CoFeZr(x)-aSi(y)}n с мультислойной структурой" // Известия Академии Наук Серия физическая, 2006, т 70 №7, 945-948

6 Gan shina Е, Kochneva М, Vashuk М, Vinogradov А, Granovsky А , Guschin V, Scherbak Р, Кат Ch -О, Kim Ch G 'Magneto-optical properties of magnetic nanocomposites" // The Physics of Metals and Metallography, 2006, V 102, Suppl 1, pp S32-S35

7 M V Vashuk, E A Gan'shma, S Phonghirun, 11 Tulsky, P N Scherbak, Yu E Kalmin "Optical and magneto-optical properties of {Coo/sFeiMsZrc^i/a-Si},, multilayers" // Journal of Non-Crystalline Solids, 2007, V 353, 8-10, 962-964

8 MB Вашук, E А Ганыпина, И И Тульский, П Н Щербак, Ю Е Калинин, А В Ситников «Оптическая и магнитооптическая спектроскопия мультислойных наноструктур {CoFeZr(x)-aSi(y)}n и {CoFeZr(x)-Si02(y)}n» И Журнал функциональных материалов, 2007, т 1, №9, 322-328

9 MB Вашук, А Н Виноградов, Е А Ганыпина, П Н Щербак, Ю Е Калинин, А В Ситников, О В Стогней, Chong-Oh Kim, Cheol Gi Kim "Оптические и

магнитооптические свойства гранулированной нанокомпозитной системы (Co4sFe4sZrio)x(Si02)ioo-x" Н Сборник трудов ODPO-2003,2003, Сочи, 61-63

10 МВВашук, АН Виноградов, ЕАГаныпина, ПН Щербак, ЮЕ Калинин, А В Ситников, О В Стогней, Chong-Oh Kim and Cheol Gi Kim "Моделирование магнитооптических и оптических спектров гранулированной системы (Co4iFe39B2o)x(Si02)i-x" И Сборник трудов ODPO-2003, 2003, Сочи, 286-287

11 Е Gan'shma, М Kochneva, М Vashuk, A Vmogradov, A Granovsky, V Guschm, Р Scherbak, Chong-Oh Kim and Cheol Gi Kim "Magneto-optical properties of magnetic nanocomposites" // Book of abstracts «Eastmag - 2004» Krasnoyarsk, Russia, 2004, p 337

12 Gan'shma E , Kochneva M , Vashuk M . Aimuta K, Nishimura K, Inoue M "Influence of order on magneto-optical properties of nanocomposite FePt-SiCb" H ICFM 2003, Cnmea, Ukraine

13 К Aimuta E Gan'shma, A Granovsky, M Kochneva, P Tsherbak, M Vashuk, К Nishimura, H Uchida, M Inoue "Optical and Magneto-Optical Properties of Magnetic FePt-Si02 Nanocomposites" // ISAM2 2003,, Japan, We-Q-2

14 E Gan'shma, К Aimuta, A Granovsky, M Kochneva, P Sherbak, M Vashuk, К Nishimura, and M Inoue "Optical and magneto-optical properties of magnetic nanocomposites FePt-Si02" // 9-th MMM-Intermag conference 2004, California

15 MB Вашук, E А Ганыпина, M Ю Кочнева, П H Щербак, Ю E Калинин, А В Ситников, Чонг-О Ким и Чеол Джи Ким "Корреляция между оптическими и магнитооптическими свойствами нанокочпозигов (Co45Fe45Zrio)x(Al203)ioo-x и их микроструктурой" // Сборник трудов «НМММ-2004», 2004, Москва, 661

16 Вашук MB, Ганыпина ЕА, Ерохин СГ, Виноградов АП "Метод определения компонент тензора диэлектрической проницаемости прозрачных магнитооптических материалов" // Сборник трудов «НМММ-2004», 2004, Москва 623

17 АСБатырев, МВВашук, ЕАГаныпина, ИИТучьский, ПН Щербак, ЮЕ Калинин, А В Ситников "Оптические и магнитооптические свойства композитных пленок {CoFeZr(x)-aSi(y)}„ с мультислойной структурой" // Сборник трудов ODPO-2005 (часть 2), 2005, Сочи, 58-60

18 М В Вашук, Е А Ганыпина, И И Тульский, П Н Щербак, Ю Е Калинин, А В Ситников "Эволюция оптических и магнитооптических свойств в мультислойных системах ферромагнитный металл-полупроводник {CoFeZr(x)-aSi(y)}„" // Сборник трудов Х-го Ежегодного Симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника», 2006, Нижний Новгород, 261

19 JIА Балагуров, С О Климонский, С П Кобелева, А Ф Орлов, Н С Перов, М Е Докукин, А С Константинова, П М Шевердяева, М В Вашук, Е А Ганыпина, Е А Петрова, Д Г Яркин, A Sapelkm "Структурные особенности пленок полупроводниковых оксидов титана с примесями З-d переходных металлов" // Сборник трудов «НМММ-2006», М Изд-во МГУ, 2006 790-791

20 М V Vashuk Е A Gan shma, A S Baturev, S Phonghmin, 11 Tulsky, P N Scherbak and Yu E Kalinin "Optical and magnetooptical properties of {Coo,45Feo,45Zro,i/a-Si}n multilayers' // Books of Abstracts VIII International Workshop on Non-crystallme Solids, Spain, 2006, 52

21 EA Ганыпина, MB Вашук, А К Константинова, НС Перов, Л А Балагуров, А Ф Орлов, Д Г Яркин, A Sapelkm ' Магнитные и магнитооптические свойства почупроводниковых пленок оксидов титана тегированных Со" // Сборник трудов ODPO-2OO6, т 1,2006, Сочи, 96-98

22 EAGan'shma, А В Granovsky, A F Orlov, N S Perov, MV Vashuk DG Yarkm "Transversal Kerr effect in the semiconductor of titanium oxide films doped with Co' // Book of abstracts «Eastmag - 2007» Kazan, Russia, 2007

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА.

1 E Ganshina, A Granovsky, В Dieny, R Kumantova, A Yurasov//Physica B, 2001, 299, 260

2 H Akinaga, M Mizuguchi, T Manado, E Gan'shma, A Granovsky, I Rodm, A Vinogradov and A Yurasov // Journ Magn Magn Mat, 2002, v 242-245,470

3 КринчикГС Физика магнитных явлений М Изд-во МГУ, 1985

4 Ю Е Калинин, А Т Пономаренко, А В Ситников, О В Стогней // Физика и химия обработки материалов, 2001,5 14

5 Е Gan'shma, A Granovsky V Gushin, М Kuzmichev, Р Podrugin, A Kravetz, Е Shipil // Physika А, 1997,241 45-51

6 Е Gan'shma, R Kumantova, A Bogorodisky M Kuzmxchov, S Ohnuma, // The Journal of the Magnetics Society of Japan, 1999,23,379

7 Y Wang, X X Zhang, X Yan R J Zhang, L Y Chen, Y X Zheng, S Y Wang, S M Zhou, Y M Yang and N Dai//Phys B,2000 279, 113-115

8 Домашсвская Э П, Сторожи гов С А , Турищев С Ю , Кашкаров В М , Стогней О В , Калинин Ю Е , Мочодцов С Л // Химия твердого тела и современные микро и нанотехнодогии VI Международная конференция Кистоводск - Ставрополь СевКавГТУ, 2006

9 ТК Xia, Р М HuiandDS Stroud //J Appl Phys 1989,67,2736

10 A Granovsky, M Kuzmichov JP Clerc//J Magn Soc Japan, 1999,23,382

11 Борискина Ю В Ерохин С Г, Грановский А Б, Виноградов А П, Инуе М // Физика тв тела, 2006, 48, вып 4, 674

12 Hongmmg Weng, Jinmmg Dong, T Fukumura, M Kawasaki, and Y Kawazoe // Phys Rev B, 2006,73,121201(R)

Подписано в печать 30 января 2008 г

Формат 60x90/16

Объем 1,7 п ч

Тираж 100 экз

Заказ №300108111

Оттиражировано на ризографе в ООО «УниверПринт» ИНН/КПП 7728572912Y772801001

Адрес 117292, г Москва, ул Дмитрия Ульянова, д 8, кор 2 Тел 740-76-47, 125-22-73 http //www univerpnnt ru

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Обзор основных физических свойств магнитных нанокомпозитных материалов.

1.1. Актуальность и перспективы применения наноразмерных материалов.

1.2. Структурные свойства.

1.3. Магнитные свойства.

1.4. Электрическое сопротивление.

1.5. Магниторезистивные свойства.

1.6. Оптические свойства.

1.7 Магнитооптические свойства.

ГЛАВА 2. Экспериментальные методики.

2.1. Эллипсометрический метод Битти.

2.2. Описание экспериментальной установки по измерению оптических констант п и к.

2.3. Методика проведения измерений ЭЭК.

2.4. Описание экспериментальной установки для измерения

ГЛАВА 3. Гранулированные наноструктуры.

3.1. Введение.

3.2. Образцы.

3.3 Экспериментальные результаты и их обсуждение.

3.3.1. Экваториальный эффект Керра в гранулированных нанокомпозитах ферромагнетик - диэлектрик.

3.3.2.Оптические свойства гранулированных нанокомпозитов.

3.3.3. Недиагональные компоненты ТДП гранулированных наноструктур.

3.3.4. Влияние отжига на оптические и МО свойства гранулированных систем.

3.3.5. Теоретическое описание оптических и МО свойств гранулированных систем.

4.2. Образцы.100

4.3. Экспериментальные результаты по мультислойным системам {СоРе2г(х)-а81(у)}п и (СоРе2г(х)-8Ю2(у)}п и их обсуждение.101

4.4. Заключение .110

ГЛАВА 5. Полупроводниковые пленки диоксида титана, допированного кобальтом.112

5.1. Введение.112

5.2. Образцы.116

5.3. Экспериментальные результаты и их обсуждение.120

5.4. Заключение .129

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.130

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ.133

ЛИТЕРАТУРА.137

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

ГМС — гигантское магнитосопротивление

ЕМА - приближение Бруггемана

ИК - инфракрасный

УФ - ультрафиолетовый

МО - магнитооптический

МС - магнитосопротивление

1111 - полупроводник

СМГ - симметризованное приближение Максвелла - Гарнетта

ТДП - тензор диэлектрической проницаемости

ФМ - ферромагнитный

ЭЭК - экваториальный эффект Керра

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Анализируя развитие научных и прикладных приоритетов за последнее время, становится очевидно, что темпы и направление научно-технического прогресса в ближайшем будущем главным образом будут определяться развитием нанотехнологий наряду с био- и компьютерно-информационными технологиями. 1 Использование возможностей нанотехнологий может уже в недалекой перспективе привести к кардинальным изменениям во многих сферах человеческой деятельности -в материаловедении, энергетике, электронике, информатике, машиностроении, медицине, сельском хозяйстве, экологии. Созданные благодаря нанотехнологиям новые наноразмерные магнитные материалы проявляют ряд необычных свойств: гигантское магнитосопротивление (ГМС), гигантский магнитный импеданс, гигантский аномальный эффект Холла, значительный магниторефрактивный эффект, сильный магнитооптический (МО) отклик и аномальные оптические эффекты. Все эти явления открывают огромные перспективы, как для фундаментальных исследований, так и для многообещающих возможностей их применения. Так, например, нанокомпозитные материалы могут использоваться в высокочувствительных датчиках магнитного поля и температуры, в устройствах для записи и считывания, а также хранения информации, в защитных покрытиях от электромагнитного излучения и во многих других приложениях. Природа вышеперечисленных эффектов, наблюдаемых в наноматериалах, остается до конца не изученной, поэтому необходимы как экспериментальные, так и теоретические комплексные исследования микроструктурных, электрических, магнитных, МО и оптических свойств таких материалов.

Известно, что электрические, магнитные, оптические и МО свойства нанокомпозитных материалов сильно зависят от их состава и микроструктуры, в особенности от размеров гранул, от их распределения по объему образца, от концентрации магнитной фазы и от свойств интерфейса. Поэтому МО методы исследования в комплексе с оптическими представляют значительный интерес, так как позволяют получить уникальную информацию о магнитной и электронной структуре, механизмах рассеяния носителей заряда, характере межзонных переходов, а также о характерных размерах, форме и топологии нанонеоднородностей. Кроме того, оптические и МО исследования крайне чувствительны к микро свойствам 3с1 металлов и сплавов на их основе, поэтому являются эффективными методами исследований фазовых переходов и критических явлений, происходящих в подобных структурах, как в результате изменения концентрации магнитной фазы, так и вследствие термообработки.

Таким образом, изучение оптических и МО свойств магнитных нанокомпозитных материалов, как с гранулированной, так и с мультислойной структурой, является актуальным и с точки зрения перспектив практического применения подобных структур, и для фундаментальной физики конденсированного состояния.

Целью работы являлось комплексное исследование оптических и магнитооптических свойств и их эволюции при изменении, как внешних условий, так и внутренних параметров различных типов новых магнитных нанокомпозитных материалов: гранулированных систем типа «аморфный ферромагнитный (ФМ) металл - диэлектрик», «ФМ металл - диэлектрик», мультислойных систем типа «аморфный, ФМ металл - диэлектрик», «аморфный ФМ металл - полупроводник (ГШ)» и полупроводниковых пленок диоксида титана, допированного Со.

В работе были поставлены следующие задачи:

1. Получить экспериментальные данные по оптическим и МО свойствам нанокомпозитов различного типа: гранулированных систем «аморфный ФМ металл - диэлектрик», «ФМ металл - диэлектрик», мультислоек «аморфный ФМ металл - диэлектрик» и «аморфный ФМ металл - полупроводник».

2. Получить дисперсионные зависимости диагональных и недиагональных компонент тензора диэлектрической проницаемости (ТДП) в широком спектральном диапазоне для выяснения природы увеличения МО отклика в гранулированных и мультислойных системах.

3. Изучить зависимость оптических и МО свойств различных типов нанокомпозитов от их состава и концентрации металлической фазы. Исследовать влияние микроструктурных параметров нанокомпозитов на их оптические и МО характеристики.

4. Провести сравнение полученных экспериментальных данных с теоретическими расчетами, выполненными в рамках приближения эффективной среды.

5. Исследовать зависимость спектров экваториального эффекта Керра (ЭЭК) полупроводниковых пленок диоксида титана, допированного кобальтом от уровня допирования и технологических параметров изготовления, с целью изучения взаимосвязи структурных, транспортных, магнитных и МО свойств и получения данных о природе ферромагнетизма в исследованных структурах.

Для решения поставленных задач был применен комплекс спектральных методов исследования, включающий эллипсометрический метод определения оптических констант и МО метод измерения эффекта Керра в экваториальной геометрии.

Защищаемые положения:

1. Новые экспериментальные данные по оптическим и МО свойствам нанокомпозитов различного типа: гранулированных систем

Со45ре45гг1о)х(8Ю2)1оо-х, (Со41рез9В20)х(8Ю2)1оо-х,

Со45ре45гг1о)х(А12Оз)1оо-х + 02, (РеР1)100-х(8Ю2)х, Сох(8Ю2)10о-х, мультислойных структур {СоРе2г(х)-а81(у)}п и {СоРе2г(х)-8Ю2(у)}п в спектральном диапазоне 0.5-4.5 эВ.

2. Найденные спектральные зависимости диагональных и недиагональных компонент ТДП систем (Co45Fe45Zrlo)x(Si02)loo-x^ (Со41рез9В2о)х(8Ю2)1оо-х, (Со45ре457г, 0)х(А12О3) ]00-х + 02 и (БеР^оо-Х(8Ю2)Х и вывод о том, что усиление МО отклика в ближней ИК области спектра в данных системах не вызвано увеличением МО активности, а обусловлено особенностями микроструктуры композитов.

3. Утверждение об изменении микро- и электронной структуры нанокомпозитов (Со45ре457г1о)х(А1203)1оо-х + 02 после отжига, « вследствие формирования сложной многофазной системы с присутствием окислов металлов.

4. Утверждение о корреляции максимальных значений ГМС - и ЭЭК в магнитных нанокомпозитах.

5. Вывод о сильном взаимодействии между ФМ слоями через полупроводниковую прослойку в мультислойных структурах {СоРе2г(х)-а81(у)}п в области малых толщин слоев аморфного кремния.

6. Полученные спектральные зависимости ЭЭК для полупроводниковых пленок диоксида титана, допированного кобальтом, в зависимости от уровня допирования и технологических параметров получения, и вывод о том, что при низком уровне допировния (х~0.004) примесные кластеры Со в ФМ образцах Т1].хСох02 со структурой анатаза не образуются.

Достоверностьполученныхрезультатов обеспечена обоснованностью используемых в работе экспериментальных методов изучения оптических и МО свойств нанокомпозитов, детальным анализом физических явлений и процессов, определяющих эти свойства, а также корреляцией результатов, полученных на различных образцах. В значительной степени достоверность полученных результатов подтверждается хорошим согласованием между экспериментально полученными данными и значениями, рассчитанными в рамках общепринятых физических моделей.

Научная новизна результатов, полученных в диссертации:

1. Впервые проведено комплексное экспериментальное исследование оптических и МО свойств гранулированных нанокомпозитов аморфный ФМ металл - диэлектрик, позволившее вычислить диагональные и недиагональные компоненты ТДП для исследуемых составов.

2. Из анализа найденных спектральных зависимостей диагональных и недиагональных компонент ТДП установлено, что усиление МО отклика нанокомпозитов (Со45ре^Гю)х(8Ю2)юо-х,

Со41рез9В2о)х(8Ю2)1оо-х, (Со45ре452г,0)х(А1203) 100-х + 02 и (РеР^юох(8Ю2)х вблизи порога перколяции не связано с увеличением их МО активности, а обусловлено изменением оптических и МО параметров при изменении топологии и микроструктуры нанокомпозитов.

3. Установлено, что в ряду нанокомпозитов (РеР1)юоч(8Ю2)ч -> (Со41Рез9В2оМ8102)10о-х -» (Со45Ре43гг1о)л(8102)1оо-х (Со45ре^Гю)х(А12Оз) юо-х- с ростом плотности поляризованных электронных состояний на уровне Ферми в ферромагнитных гранулах, одновременно растут значения ГМС и ЭЭК.

4. Установлено, что изменения оптических и МО* свойств системы (Со45Ре^Гю)х(А12Оз) юо-х + 02 после отжига, обусловлены как изменением микроструктуры, так и изменением электронной структуры композитов, вследствие формирования после отжига сложной многофазной системы с присутствием окислов металлов.

5. Впервые проведено исследование оптических и МО свойств наномультислойных структур {СоРе2г(х)-а81(у)} п Показано, что изменение толщины ФМ и полупроводниковых слоев приводит к-сильным изменениям вида спектральных и полевых зависимостей ЭЭК, спектров оптической проводимости и функции потерь.

6. Обнаружена корреляция между усилением МО отклика в районе 1,6-2 эВ в мультислойных структурах {CoFeZr(x)-aSi(y)}n с толщиной слоев ~ 10 нм и появлением максимума в спектральной зависимости функции потерь, что может быть связано с поверхностными плазменными колебаниями в этой области энергий.

7. Показано, что аномальное поведение спектральных и полевых зависимостей ЭЭК в мультислойных структурах {СоРе2г(х)-а81(у)}п в области малых толщин аБ1 слоев свидетельствует о сильном взаимодействии между ФМ слоями через полупроводниковую прослойку и на участие кремния в процессах обменного взаимодействия.

8. Впервые исследована эволюция спектров ЭЭК для полупроводниковых пленок диоксида титана, допированного Со, в зависимости от уровня допирования и технологических параметров получения.

9. Показано, что характер спектров ЭЭК для ФМ образцов Т^.хСохОг с низким уровнем допировния (х~0.004), свидетельствует о том, что ферромагнетизм в этих пленках не связан с ФМ кластерами.

Научная и практическая ценность работы состоит в получении и анализе-новых результатов; которые являются-важными как для понимания фундаментальных электронных, оптических- и МО свойств наноструктур, так и для развития технологий получения наноматериалов с заданными свойствами.

Апробация результатов работы. Материалы, вошедшие в диссертацию, опубликованы в 26 работах, из которых 9 статей и 17 тезисов'в сборниках докладов5 и трудов конференций (список публикаций представлен в конце диссертации). Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях: Международный симпозиум «Порядок, беспорядок и свойства оксидов» (ODPO), Сочи, (2003, 2005, 2006); «EASTMAG, Euro-Asian Symposium «Trends in Magnetism», Краноярск (2004); «EASTMAG, Euro-Asian Symposium «Magnetism on a Nanoscale», Казань (2007); международная конференции "Функциональные материалы" (IGFM), Крым, Украина (2003); International Symposium on Advanced Magnetic Materials (ISAM2) Yokohama, Japan (2003); International Magnetics Conference (MMM-Intermag) California, USA (2004); международная школа-семинар «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (НМММ), Москва (2004, 2006); Moscow International Symposium on Magnetism (MISM), Москва (2005); симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний Новгород (2006, 2007); VIII International Workshop on Non-crystalline Solids, Spain, (2006).

Личный вклад соискателя. Автором лично получена основная часть экспериментальных результатов: исследованы оптические спектры всех представленных образцов, получены спектральные зависимости ЗЭК для некоторых исследованных систем. Выполнена математическая обработка спектральных зависимостей, позволившая получить компоненты ТДП. При участии автора проводились работы по автоматизации и модернизации экспериментальной установки. Обсуждение и анализ полученных результатов проводились авторами соответствующих работ совместно.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения^ пяти глав, основных результатов и выводов, списка цитируемой литературы из 119 наименований. Общий объем работы составляет 148 страниц машинописного текста, включая 57 рисунка и 2 таблицы.

Основные результаты диссертационной работы можно сформулировать следующим образом:

1. Впервые проведено комплексное исследование оптических и МО свойств гранулированных нанокомпозитов аморфный ФМ металл - диэлектрик, позволившее вычислить диагональные и недиагональные компоненты ТДП для исследуемых составов.

•Обнаружено существенное усиление МО отклика в узком спектральном диапазоне, при этот максимальная величина ЭЭК систем (Со45ре45гг,о)х(8102)1оо-х, (Со41Ре39В2о)х(8Ю2)1оо-х, (Со45ре45гг10)х(А12Оз)1оо-х + 02, (РеРО,оох(8Ю2)х и (Со)х(8Ю2)юо-х наблюдалась при концентрации ФМ компоненты хпер, соответствующей порогу перколяции.

•Анализа дисперсионных зависимостей диагональных и недиагональных компонент ТДП позволил установить, что усиление МО отклика нанокомпозитов (Со45Ре45гг1о)х(8Ю2)юо-х, (Со41рез9В2о)х(8Ю2)1оо-х, (Со45Ре45гг1о)х(А12Оз)1оо-х + 02 и (РеР^юо-х(8Ю2)х вблизи порога перколяции не связано с увеличением их МО активности, а обусловлено изменением оптических и МО параметров при изменении топологии и микроструктуры нанокомпозитов.

•Установлено, что в ряду нанокомпозитов (РеР1)юо-х(8102)х (Со41Рез9В2о)*(8Ю2)1оо-х -» (Со45Ре45гг1о);с(8Ю2)1оо-х -» (Со45Ре^г 10)х( А1203)1оо .х, где с ростом плотности поляризованных электронных состояний на уровне Ферми в ферромагнитных гранулах растет значение ГМС, одновременно растет и величина ЭЭК.

•Установлено, что изменения оптических и МО свойств системы (Со45Ре45гг1о)х(А12Оз) юо-х + 02 после высокотемпературного отжига, обусловлены как изменением микроструктуры, так и изменением электронной структуры композитов, вследствие формирования после отжига сложной многофазной системы с присутствием окислов металлов.

2. Впервые проведено исследование оптических и МО свойств наномультислойных структур {СоРе7г(х)-а81(у)}п.

•Показано, что изменение толщины ФМ и полупроводниковых слоев приводят к сильным изменениям вида спектральных и полевых зависимостей ЭЭК, спектров оптической проводимости и функции потерь.

•Обнаружена корреляция между усилением МО отклика в районе 1,6-2 эВ в мультислойных структурах {СоРе2г(х)-а81(у)}п с толщиной слоев ~ 10 нм и появлением максимума в спектральной зависимости функции потерь, что может быть связано с поверхностными плазменными колебаниями в этой области энергий.

•Показано, что аномальное поведение спектральных и полевых зависимостей ЭЭК в области малых толщин а81 слоев свидетельствует о сильном взаимодействии между ФМ слоями через полупроводниковую прослойку и на участие а8г в процессах обменного взаимодействия.

3. Впервые исследована эволюция спектров ЭЭК для полупроводниковых пленок диоксида титана, допированного кобальтом, в зависимости от уровня допирования и технологических параметров получения.

• Показано, что характер спектров ЭЭК для ФМ образцов Тц.хСОхОг с малым уровнем допировния (х~0.004), свидетельствует о том, что ферромагнетизм в этих пленках не связан с ФМ кластерами.

В заключении выражаю глубокую благодарность своему научному руководителю д.ф-м.н профессору Ганыпиной Елене Александровне за интересные задачи диссертационной работы, внимательное руководство, ценные советы и чуткую поддержку.

Особую благодарность выражаю д.ф.-м.н. Виноградову Алексею Петровичу за ценные консультации и интересное обсуждение диссертационной работы.

Благодарю сотрудников лаборатории МО спектроскопии кафедры магнетизма к.ф.-м.н. Виноградова А.Н. и Щербака П.Н. за помощь в работе и в решении поставленных задач.

Также благодарю весь коллектив кафедры магнетизма физического факультета МГУ за создание теплой, благоприятной для развития и творчества атмосферы.

5.4 Заключение

1. Алферов Ж.И., Асеев A.JL, Гапонов С.В., КопьевП.С, Панов В.И., Полторацкий Э.А., Сибельдин Н.Н., Сурис Р.А. Наноматериалы и нанотехнологий // Микросистемная техника, 2003, 8, 3-13.

2. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления развития / Под ред. М.К.Роко, Р.С.Уильямса и П.Аливисатоса / Пер. с англ. М.: Мир, 2002, 292.

3. ГлинкБ., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение / Пер. с англ. М.: Мир, 2002, 589.

4. И.В. Золотухин, Ю.Е. Калинин, А.В. Ситников, Нанокомпозитные структуры на пути в наноэлектронику // Природа, 2006,1, 11-19.

5. Золотухин И.В., Калинин Ю.Е., Стогней О.В. Новые направления физического материаловедения: Учебное пособие. Воронеж: Издательство Воронежского гос. университета, 2000, 360.

6. Ю. Е. Калинин, А. Т. Пономаренко, А. В. Ситников, О. В. Стогней, Гранулированные нанокомпозиты с аморфной структурой // Физика и химия обработки материалов, 2001, 5,14.

7. Saito Т., Kitakami О., Shimada Y., Grain growth and Ll0 ordering in FePt-Si02 granular films // J. Magn. Magn. Mat. 2002, 239, 1-3, 310-312.

8. Milner A., Gerber A., Groisman B. et al., Spin-dependent electronic transport in granular ferromagnets // Phys. Rev. Lett. 1996, 76, 3, 475-478.

9. Yu.E. Kalinin, К.A. Sitnikov, J.A. Fedotova, А.К. Fedotov , Influence of reactive gases on the properties of CoFeZr-Alumina nanocomposites // Book of Abstracts: E-MRS Fall Meeting 2006, 48-49.

10. Strijkers G.J., Kohlepp J.T., Swagten H.J.M., de Jonge W. J. M. Origin of Biquadratic Exchange in Fe/Si/Fe II Phys. Rev. Lett. 2000, 84, 1812.

11. Gareev R.R., Bugler D.E., Buchmeier M., Olligs D., Schreiber R., Grunberg P. Metallic-Type Oscillatory Interlayer Exchange Coupling across an Epitaxial FeSi Spacer // Phys. Rev. Lett., 2001, 87, 157202.

12. R.R. Gareev, D.E. Bugler, M. Buchmeier, R. Schreber, P. Grunberg, Very strong interlayer exchange coupling in epitaxial Fe/FeixSix/Fe trilayers (x=0.4-1.0) // J. Magn. Magn. Mater. 2002, 240, 235.

13. О.В. Стогней, Ю.Е. Калинин, А.В. Ситников, И. В. Золотухин, А. В. Слюсарев, Резистивные и магниторезистивные свойства гранулированных аморфных композитов CoFeB-SiO„ // Физика металлов и металловедение, 2001, 91, №1, 24—31.

14. Калинин Ю.Е., Ситников А.В. // Новые магнитные материалы микроэлектроники. Сб. трудов XIX международной школысеминара, 28 июня — 2 июля 2004 г. М., 2004. С.354—356.

15. P.M.Levy, Giant magnetoresistance in magnetic layered and granular materials // Solid State Physica, 1994, 47, 367-462.

16. А. Б. Грановский, А В. Ведяев, А. В. Калицов, Анизотропия гигантского магнитосопротивления в магнитных многослойных структурах и гранулированных пленках // ФТТ, 1995, 37, 337.

17. М. A. Gijs, Е. W. Bauer, Perpendicular giant magnetoresistance of magnetic multilayers //Adv. Phys. 1997, 46, 285.

18. Gittleman J.L., Goldstain Y., Bozowski S. Magnetic roperties of Granular Nikel Films //Physical Review B, 1972, B5, 3609-3621.

19. Helman J.S., Abeles B. Tunneling of Spin-Polarized Electrons and Magnetoresistance in Granular Ni Films // Phys.Rev.Lett. 1976, 37, 21, 1429.

20. Sheng P., Abeles B. and Arie Y. Hopping conductivity in granular Metals // Phys. Rev. Lett. 1973, 31, 1, 44-47.

21. Kalinin Yu.E., Sitnikov A.V., Stognei O.V., Zolotukhin I.V., Neretin P.V., Electrical properties and giant magnetoresistance of the CoFeB-Si02 amorphous granular composites // Mat. Scien. Engin. 2001,304-306, 941-945.

22. J.C. Jacquet, T. Valet. A new magnetooptical effect discovered on magnetic multilayers: the magnetorefractive effect // Magnetic Ultrathin Films, Multilayers and Surfaces ed. Marinero E. Pittsburgh, PA: MRS Symposium Proceeding, 1995, 384, 477 490.

23. G.A. Niklasson, C.G. Granqvist, Optical properties and solar selectivity of coevaporated Со-А12Оз composite films // J. Appl. Phys. 1984, 55, 3382.

24. J. C. M. Garnett. Philos. Trans. Royal "Colours in metal glasses and in metal films" Soc. London, 1904, 203, 385.

25. D. A. G. Bruggeman, Berechnung verschiedener physikalischer Konstanten von heterogenen Substanzen. I. Dielektrizitätskonstanten und Leitfähigkeiten der Mischkorper aus isotropen Substanzen // Ann. Phys., 1935, 24, 636.

26. T.K. Xia, P.M. Hui and D.S. Stroud, Theory of Faraday rotation in granular magnetic materials // J. Appl. Phys. 1989, 67, 2736.

27. P. Sheng, Pair-cluster theory for the dielectric constant of composite media // Phys. Rev. B, 1980, 22, 6364.

28. P. Sheng, Theory for the Dielectric Function of Granular Composite Media // Phys. Rev. Lett. 1980, 45, 60.

29. U. J. Gibson and R. A. Buhrman, Optical response of Cermet composite films in the microstructural transition region // Phys. Rev. B, 1983, 27, 5046-5051.

30. Ю. И. Петров, Физика малых частиц. M.: Наука, 1982, 359.

31. Ю. И. Петров, Оптика и спектроскопия, 1969, 27, 665-673.

32. J. P. Marton, J. R. Lemon, Optical Properties of Aggregated Metal Systems. I. Theory // Phys. Rev. B, Solid State, 1971, 4, 271-280.

33. J. P. Marton, J. R. Lemon, Optical properties of aggregated metal systems: Real metals //J. Appl. Phys., 1973, 44, 3953-3959.

34. B. D. Jordan, J. P. Marton, Optical properties of aggregated metal systems: Interband transitions//Phys. Rev. B, Solid State, 1977,15, 1719-1727.

35. Ю. И. Петров, Кластеры и малые частицы, M.: Наука, 1986, 368.

36. Кринчик Г.С. Физика магнитных явлений, M.: Изд-во МГУ, 1985.

37. Р. M. Hui and D. Stroud, Theory of Faraday Rotation by Dilute Suspensions of Metal Spheres // Appl. Phys. Lett. 1987, 50, 950.

38. V.G Kravets, A.K. Petford-Long, A.F. Kravets, Optical and magneto-optical properties of (CoFe)A(Hf021 magnetic granular films // Journ.App.Phys., 2000, 87 №4,1762-1768.

39. Т.К. Xia, P.M. Hui and D.S. Stroud, Theory of Faraday rotation in granular magnetic materials // J. Appl. Phys. 1990, 67, 2736.

40. A. Granovsky, M. Kuzmichov, J.P. Clerc. J. Magn. Soc. Japan 23 (1999) 382.

41. Кринчик Г.С., Никитин Л.В., Магнитооптическое исследование ферромагнитных катализаторов // ФТТ, 1978, 20, вып.8.

42. Никитин JI.B., Касаткина О.В., Магнитооптическое исследование мелкодисперсных структур железа // Тезисы докладов XV Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений, 1981.

43. Г.С. Кринчик, JI.B. Никитин, О.В. Касаткина, Магнитооптические эффекты при диффузном отражении света // Оптика и спектроскопия, 1983.

44. Г.С. Кринчик, JI.B. Никитин, JI.C. Касаткина // Поверхность: физика, химия, механика, 1985, №7, 140.

45. Никитин JI.B., Накашидзэ О.М., Непийко С.А., Остраница А.П., Исследование островковых плёнок кобальта магнитооптическим методом // Свойства малых частиц и островковых плёнок, 1985.

46. Никитин Л.В.,, Накашидзэ О.М., Непийко С.А., Остраница А.П. Магнитооптические свойства островковых плёнок никеля // Тезисы докладов X Всесоюзной школы семинара «Новые магнитные материалы для микроэлектроники», 1986.

47. Е. Gan'shina, A. Granovsky, V. Gushin, М. Kuzmichev, P. Podrugin, A.Kravetz, E. Shipil, Optical and magneto-optical spectra of magnetic granular alloys // Physika A, 1997, 241, 45-51.

48. Ганылина Е.А., Грановский А.Б., Диени Б., Кумаритова Р.Ю., Юрасов А.Н., Особенности магнитооптических спектров гибридных мультислоев Co/Si02 // ФТТ, 2000, 42, вып. 10, 1860.

49. Н. Akinaga, М. Mizuguchi, Т. Manado, Е. Gan'shina, A. Granovsky, I. Rodin, A. Vinogradov and A. Yurasov, Enhanced magnetooptical response of magnetic nanoclusters embedded in semiconductor // Journ.Magn.Magn.Mat., 2002, v.242-245, 470.

50. И.В. Быков, E.A. Ганылина, А.Б. Грановский, Гущин B.C., Магниторефрактивный эффект в гранулированных пленках с туннельным магнитосопротивлением // ФТТ, 2000, 42, вып.З, 48.

51. А.Б. Грановский, И.В. Быков, Е.А. Ганылина, В. Гущин, А. Козлов, А. Юрасов, Ю. Калинин, М. Инуе, Магниторефрактивный эффект в магнитных нанокомпозитах // ЖЭТФ, 2003,123, №6, 1256.

52. E. Gan'shina, R. Kumaritova, A. Bogorodisky, M. Kuzmichov, S. Ohnuma, Magneto-optical spectra of insulating granular system Co-Al-O // The Journal of the Magnetics Society of Japan, 1999, 23, 379.

53. T.V.Murzina, E.A.Gan'shina, V.S.Guschin, T.V.Misuryaev, O.A.Aktsipetrov, Non-linear magnetooptical Kerr effect and second harmonic generation interferometry in Co-Cu granular films // Appl. Phys. Lett. 1998, 73, 3769.

54. Аззам P., Башара H. Эллипсометрия и поляризованный свет. М.: Мир, 1981.

55. М.Борн, Э.Вольф. Основы оптики, М.: Наука, 1973.

56. Beatti Y.R. Optical Constants of Metals in Infrared-Experimental methods // Phil. Mag., 1955, 460, 235-245.

57. A. Pakhomov, X. Yan, Y. Xu, Observation of giant Hall effect in granular magnetic films // J. Appl. Phys. 1996, 79, 6140.

58. E. Ganshina, A.Granovsky, В. Dieny, R. Kumaritova, A. Yurasov, Magneto-optical spectra of discontinuous multilayers Co/Si02 with tunnel magnetoresistance // Physica B, 2001, 299, 260.

59. L. M. Socolovsky, J. C. Denardin, A. L. Brandl and M. Knobel, Magnetotransport, magnetic, and structural properties of TM-Si02 (TM=Fe, Co, Ni) granular alloys // Mat.Char. 2003, 50, 117.

60. A. L. Brandl, J. C. Denardin, M. Knobel, M. E. R. Dotto and M. U. Kleinke, Study of interactions in Co-Si02 granular films by means of MFM and magnetization measurements // Physica B, 2002, 320; Issues 1-4, 213.

61. S. Asakura, S. Ishio, A. Okada and H. Saito, Magnetic domain percolation of Cox(Si02)ioo-x granular films // J. Magn. Magn. Mater. 2002, 240, 1-3, 485.

62. J. C. Denardin, A. B. Pakhomov, M. Knobel, H. Liu and X. X. Zhang, Ordinary and extraordinary giant Hall effects in Co-Si02 granular films // J. Magn. Magn. Mater. 2001, 226-230, 680.

63. A.P. Lenham, D.M. Treherne, The optical properties of the transition metals // Proceedings of the International Colloquium "Optical properties and electronic structure of metals and alloys", 1965, 196-201.

64. Ганыпина E.A., Джураев Д.Н., Кринчик Г.С. Оптические и магнитооптический свойства неупорядоченных сплавов на основе железа// Деп. В ВИНИТИ21.04.1987, 2782, 87, 31-35.

65. Даринский Б.М., Калинин Ю.Е., Кудрин A.M., Ремизов А.Н., Ситников А.В., Влияние термической обработки на плотность локализованных состояний в нанокомпозитах (Co45Fe45ZrIo)x(Al203)ioo-x Н Известия ТулГУ. Серия Физика. 2006, вып. 6, 3.

66. Y. Wang, X. X.Zhang, X. Yan R. J. Zhang, L. Y. Chen, Y. X. Zheng, S. Y. Wang, S. M. Zhou, Y. M. Yang and N. Dai, Study of optical properties of metallic Aux(Si02)bx and Nix(Si02)bx films // Phys. B, 2000, 279, 113-115.

67. Домашевская Э.П., Сторожилов C.A., Турищев С.Ю., Кашкаров В.М., Стогней О.В., Калинин Ю.Е., Молодцов СЛ. Межатомное взаимодействие на границах гранул в нанокомпозитах (Co4iFe39B2o)i-x

68. SiC>2)x II Химия твердого тела и современные микро и нанотехнологии. VI Международная конференция. Кисловодск-Ставрополь: СевКавГТУ, 2006.

69. С.Р. Luo and D.J. Sellmyer, Structural and magnetic properties of FePt:Si02 granular thin films // J. Appl. Phys. Lett. 1999, 75, 20, 3162-3164 .

70. Ristau R.A., Barmak K., Lewis L.H:, Coffey K.R. and Howard J.K., On the relationship of high coercivity and L10 ordered phase in CoPt and FePt thin films // J. Appl. Phys. 1999, 86, 8, 4527-4533.

71. Abeles В., Sheng P., Coutts M.D. and Arie Y. Structural and electrical properties of granular metal films // Advances in Physics, 1975,24, 407-461.

72. Sarychev A.K. and Vinogradov A.P. Effective Medium Theory for the Magnetoconductivity Tensor of Disordered Materials // Physica Status Solidi, B, 1983,117,K113-K118.

73. А. Б. Грановский, M. В. Кузьмичев, A. H. Юрасов, Влияние квазиклассического размерного эффекта на оптические и магнитооптические свойства гранулированных сплавов // Вестник МГУ Серия 3. Физика. Астрономия, 2000, 6, 67.

74. Inomata К., Yusu К., Saito Y. Magnetoresistance Associated with Antiferromagnetic Interlayer Coupling Spaced by a Semiconductor in Fe /Si Multilayers //Phys. Rev. Lett. 1995, 74, 1863.

75. L.N. Tong, M.H. Pan, J. Wu, X.S. Wu, J. Du, M. Lu, D. Feng, H.R. Zhai, H. Xia, Magnetic and transport properties of sputtered Fe/Si multilayers // Eur. Phys. J. B. 1998, 5,61.

76. Вызулин С.А., Лебедева E.B., Максимочкина A.B., Перов Н.С., Сырьев Н.Е., Трофименко И.Т. Особенности ферромагнитного резонанса в многослойных пленках CoFeZr-a-Si // Труды симпозиума «Порядок, беспорядок и свойства оксидов», Сочи, 2006, Т.2, 150.

77. Борискина Ю.В., Ерохин С.Г., Грановский А.Б., Виноградов А.П., Инуе М. Усиление магниторефрактивного эффекта в магнитофотонных кристаллах // Физика тв. тела. 2006, 48, вып.4, 674.

78. Y. Matsumoto, M. Murakami, T. Shono, T. Hasegawa, T. Fukumura, M. Kawasaki, P. Ahmet, T. Chikyow, S. Koshihara, H. Koinuma, Room Temperature Ferromagnetism in Transparent Transition Metal-doped Titanium Dioxide // Science, 2001, 291, 854.

79. W.K. Park, RJ. Ortega-Hertogs, J.S. Moodera, A. Punnoose and M.S. Seehra, Semiconducting and Ferromagnetic Behavior of Sputtered Co-doped Ti02 Thin Films Above Room Temperature // J.Appl. Phys. 2002, 91, 8093.

80. A. Punnoose, M.S. Seehra, W.K. Park and J.S. Moodera, On the room temperature ferromagnetism in Co-doped Ti02 films // J. Appl. Phys. 2003, 93, 7867-7869.

81. Stampe P.A, Kennedy R.J., Xin Yan, and Parker J.S. Investigation of the cobalt distribution in the room temperature ferromagnet Ti02:Co // J. Appl. Phys. 2003, 93, 7864.

82. T.Fukumura, H.Toyosaki and Y.Yamada, Magnetic oxide semiconductors // Semicond. Sci. Technol. 2005, 20, S103-S111.

83. P.R. Bandaru, J. Park, J.S. Lee, Y.J. Tang, L. H. Chen, S. Jin, S.A. Song, and J. O'Brien, Enhanced room temperature ferromagnetism in Co- and Mn-ion-implanted silicon // Appl. Phys. Lett. 2006, 89, 112502.

84. M.Bolduc, C.Awo-Affouda, A.Stollenwerk, M. B. Huang, F. G. Ramos, G. Agnello, V. P. LaBella, Above room temperature ferromagnetism in Mn-ion implanted Si // Phys.Rev. 2005, B71, 033302.

85. H.Braak, R.Gareev, D.E,Burgler R. Schreiber, P. Grunberg and C.M. Schneider, Magnetic characteristics of epitaxial Ge(Mn,Fe) diluted films —a new room temperature magnetic semiconductor? // J. of Magnetism and Magnetic Materials, 2005, 286, 46.

86. A.Urushibara, Y. Moritomo, T. Arima, A. Asamitsu, G. Kido and Y. Tokura, Insulator-metal transition and giant magnetoresistance in La^SrJVlnOs // Phys.Rev. 1995, B51, 14103.

87. S. Sonoda, S. Shimizu, T. Sasaki Y. Yamamoto and H. Hori, Molecular Beam Epitaxy of Wurtzite (Ga,Mn)N Films on Sapphire(OOOl) Showing the Ferromagnetic Behaviour at Room Temperature // arXiv.org/abs/cond-mat, 2001,0108159.

88. S-J. Han, S.W.Song, C.-H. Yang S. H. Park, J.-H. Park, Y. H. Jeong, K. W. Rhie, A key to room-temperature ferromagnetism in Fe-doped ZnO: Cu // Appl.Phys.Lett. 2002, 81, 4212.

89. D.Kumar, J.Antifacos, MJ.Blamir, Z.H.Barber, High Curie temperatures in ferromagnetic Cr-doped A1N thin films // Appl.Phy s.Lett. 2004, 84, 5004.

90. N.H.Hong, J.Sakai, A.Hassini, Ferromagnetism at room temperature with a large magnetic moment in anatase V-doped Ti02 thin films // Appl.Phys.Lett. 2004, 84, 2602.

91. Z.Wang, J.Tang, H. Zhang, V. Golub, L. Spinu, L.D.Tung, Ferromagnetism in chromium-doped reduced-rutile titanium dioxide thin films // J.Appl.Phys. 2004, 95, 7381.

92. Z.Wang, J.Tang, Y.Chen, L. Spinu, W. Zhou, L.D. Tung, Room-temperature ferromagnetism in manganese doped reduced rutile titanium dioxide thin films // J.Appl.Phys. 2004, 95, 7384.

93. Z.Wang, J.Tang, L.D.Tung, W.Zhou, L. Spinu, Ferromagnetism and transport properties of Fe-doped reduced-rutile ТЮ2$ thin films // J.Appl.Phys. 2003, 93, 7870.

94. N.H.Hong, W.Prellier, J.Sakai, A.Hassini, Fe- and Ni-doped ТЮ2 thin films grown on LaAlOa and SrTi03 substrates by laser ablation // Appl.Phys.Lett, 2004,84,2850.

95. S;Duhalde, M.F.Vignolo, C.Chilotte С. E. Rodriguez Torres, L. A. Errico, A. F. Cabrera, M. Renter'ia, and F. H. S'anchez, M. Weissmann, Appearance of room temperature ferromagnetism? in Cu-doped ТЮг-г films // cond-mat/0505602,2005. .

96. Dietl Т., Ohno Hi, Matsukura F., Cibert J:, Ferrand D. Zener Model Description of Ferromagnetism in Zinc-Blende Magnetic Semiconductors // Science, 2000, 287, 1019.

97. K. Nishizawa, O. Sakai, S. Suzuki, Magnetic and transport properties of low-density carrier ferromagnetic, semiconductors // Physica B, 2000, 281/282, 468.

98. Hl.Schliemann J., Konig J. and MacDonald A.H. Monte: Carlo study of ferromagnetism in (lll,Mn)V semiconductors // Phys. Rev. B, 2001s, 64, 165201.

99. Hongming Weng, Jinming Dong, Т. Fukumura, M. Kawasaki, and Y. Kawazoe, First principles investigation of the magnetic circular dichroism spectra of Co-doped anatase and rutile Ti02 // Phys. Rev. B, 2006, 73, 121201(R).

100. Никитин JIB., Миронова JI.C., Летвинцев B.B., Каткевич B.H. Исследование рентгеноаморфных пленок кобальта магнитооптическим методом // ФММ, 1991, 2, 92-99.

101. Е. A. Gan'shina, М. Yu. Kochneva, P. N. Scherbak, К. Aimuta, M. Inoue, Magneto-optical properties of Co-based nanocomposites // Magnetics Conference, 2005, INTERMAG Asia 2005, Digests of the IEEE International, 4-8 April 2005, 2077 2078.