SOLIDPHASE REACTIONS IN FILM TWO-LAYERS STRUCTURES OF TRANSION METALS

Full Text

Тонкие пленки являются материалами, с помощью которых можно найти решение многих задач современной наноэлектроники. Структурные и магнитные свойства тонких пленок FePd, упорядоченных по типу L10, исследуются в связи с их потенциальной пригодностью для высокоплотной магнитной записи информации и создания специальных магнитожестких сред [1; 2]. Упорядоченные FePds-пленки в настоящее время изучены недостаточно и поэтому их исследование представляет научный и практический интерес. Система Co/Cr - это перспективный материал для использования в качестве сред с возможностью перпендикулярной записи информации и также еще не до конца изучена [3-5]. Работа выполнена при финансовой поддержке АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы (2011)», проект № 2.1.1/9193. Получение этих пленочных систем методом твердофазного синтеза (ТФС) еще не производилось. В связи с этим в данной работе обращалось внимание на возможные механизмы и процессы, способствующие синтезу фаз в исследуемых системах, а также изучались магнитные и анизотропные свойства этих пленок [6; 7]. Идентификация фаз проводилась с использованием рентгеноструктурного анализа. Полученные результаты позволяют рекомендовать использование твердофазных межслойных химических взаимодействий для синтеза пленочных образцов с меньшими энергетическими и экономическими затратами [8]. 138 Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева Образцы и методика эксперимента. Для получения образцов был использован новый способ изготовления пленок - твердофазный синтез. В качестве исходных образцов были изготовлены две серии пленок Fe(001)/Pd(001) на подложках из монокристалличе-ского Mg0(001) с атомным соотношением железа и палладия 1/1 и 1/3, а также образцы Co/Cr с атомным соотношением кобальта и хрома 1/1, 1/3 и 1/4 на подложках из кварцевого стекла. Двухслойные структуры изготовлялись методом электронной бомбардировки тигельных испарителей с кольцевым катодом, в вакууме 10-6 торр на установке вакуумного напыления УВН-2М-1. Для определения толщин слоев был использован рентгенофлуоресцентный анализ. В дальнейшем исходные образцы подвергались термическому отжигу в диапазоне от 300 до 700 оС с шагом в 50о и выдержкой при каждой температуре в течение 30 мин. В результате термообработки между слоями формировались последовательности фаз [9; 10]. После каждой ступени отжига и охлаждения до комнатной температуры в образцах измерялись первая константа магнитной анизотропии и намагниченность насыщения методом крутящих моментов с максимальным магнитным полем 18 кЭ, а также исследовались структурные и фазовые превращения. Идентификация образовавшихся фаз была проведена на дифрактометре ДРОН-4-07 (CuKot-излучение). Рентгенографические исследования эпитаксиальной ориентации фаз проводились на дифрактометре PANalytical X’Pert Pro c матричным твердотельным детектором PIXel. В пленках CoCr наряду с намагниченностью насыщения определялись ориентации осей легкого намагничивания относительно плоскости пленки. Результаты исследования пленок системы Fe/Pd. Получена зависимость первой константы анизотропии (К1) от температуры отжига для пленок с атомным соотношением Fe/Pd, равным 1/1 и 1/3 (рис. 1). Видно, что в образцах, при отжиге вплоть до 400 оС, практически отсутствуют изменения анизотропных свойств по отношению к исходным образцам. Однако отжиги при Т > 400 оС приводят к увеличению константы анизотропии в пленках с атомным соотношением 1/1 примерно на порядок и к частичному исчезновению анизотропии в пленках с соотношением 1/3. Такая модификация анизотропных свойств должна приводить к различным значениям коэрцитивности (НС). Как показали дополнительные исследования магнитостатических свойств, коэрцитивная сила в первом случае выросла и составляет ~1 кЭ, в другом случае пленки становятся магнитомягкими и НС составляет менее 1 Э (рис. 2). Получены зависимости намагниченности насыщения (MS) для тех же образцов от температуры отжига (Т) (рис. 3), из которых видно, что для обеих структур относительная намагниченность насыщения увеличивается по мере увеличения Т. Однако для пленки с атомным соотношением 1/3 это увеличение составило более чем 60 %. Легко предположить, что рост значений MS связан с приростом магнитного момента за счет магнитной поляризации атомов палладия. При этом большее содержание палладия в образце приводит к большему увеличению намагниченности. Рис. 1. Зависимость константы анизотропии от температуры отжига для образов FePd и FePd3 Рис. 3. Зависимость относительной намагниченности насыщения от температуры отжига для образцов FePd и FePd3 Рис. 2. Зависимость коэрцитивной силы от температуры отжига для образцов FePd и FePd3 градусы Рис. 4. Рентгенограмма исходного образца Fe/Pd 139 Технологические процессы и материалы Рис. 5. Рентгенограмма с образца FePd, отожженного при температуре 600 °С . в сз ” 2 PH N : 1 ^ СЧ Х-... 1 1., д ., 20 30 40 50 60 20, градусы 70 Рис. 6. Рентгенограмма образца FePd3, отожженного при температуре 600 °С Изменения магнитных и анизотропных свойств связаны с фазовыми превращениями в двухслойных структурах Fe/Pd под воздействием отжигов. Анализ рентгеновских измерений показал, что слои Fe и Pd в исходном состоянии растут на подложках Mg0 эпитаксиально (рис. 4). В процессе отжига на базе этих эпитаксиальных слоев формируются основные фазы L10-FePd для пленки с соотношением атомов 1/1 при Т = 400 оС (рис. 5) и L12-FePd3 для пленки с соотношением Fe/Pd = 1/3 при Т = 550 оС (рис. 6). Первая фаза имеет тетрагональное искажение решетки, что и явилось причиной появления высокой анизотропии, вторая фаза имеет простую кубическую решетку без существенных анизотропных свойств. Следует отметить, что фазы формируются с высокой степенью упорядочения, о чем свидетельствует появление запрещенной плоскости (001). Результаты исследования пленок системы Co/Cr. Получены графики зависимостей намагниченности насыщения от температуры отжига в образцах Co/Cr разного состава, из которых были определены температуры инициирования начала протекания твердофазных реакций и особенности процесса синтеза новых фаз (рис. 7). Как видно, значения намагниченности меняются с повышением температуры отжига, при этом в зависимости от атомного соотношения кобальта и хрома в системе ход указанных зависимостей существенно разный. До Т = 390 оС величина намагниченности соответствует исходным значениям, а при Т > 400 oC наблюдается резкое уменьшение MS, что несомненно связано с началом твердофазной межслойной реакции. Следует отметить, что спад намагниченности тем больше, чем больше содержание хрома в системе. Уменьшение значения MS с необходимостью приводит к уменьшению величины поля плоскостной анизотропии формы (H^. = 4nMS). Анизотропия формы способствует формированию оси легкого намагничивания (ОЛН) в плоскости пленки. Представлены определенные с помощью анизометра направления легкой оси в пленках ^/Cr с разным концентрационным составом и отожженных при Т ~ 500 оС (рис. 8). Как видно, при содержании хрома 25 ат. % ось легкого намагничивания лежит в плоскости пленки. Увеличение содержания хрома до 33 ат. % способствует выходу вектора намагниченности из плоскости пленки на угол примерно в 45о. Содержание хрома в системе, равное 50 ат. %, способствует появлению перпендикулярной анизотропии, при этом угол выхода намагниченности близок к 90о. Для появления перпендикулярной магнитной анизотропии в пленочных образцах необходимо, чтобы механизмы, ответственные за перпендикулярную анизотропию, преобладали над механизмами, определяющими плоскостную анизотропию (H| > H^). С уменьшением намагниченности плоскостная анизотропия (H^) уменьшается, а для определения механизмов, ответственных за появление Н|, были проведены рентгеноструктурные исследования [11]. Рентгеноструктурные исследования были проведены на пленках с содержанием хрома 50 ат. % в зависимости от температуры отжига (рис. 9). Пленки с таким содержанием реагентов, отожженные при температуре более 450 оС, имели текстуриро-ванную структуру с преобладающим рефлексом e-Co(Cr)(002), который стал причиной появления перпендикулярной анизотропии. Анализ рентгеновских спектров позволяет обратить внимание на две особенности. 1. Температурная обработка приводит к формированию фазы, обладающей гексагональной плотной упаковкой, подобной кристаллографии элементарного кобальта. В таблице приведены сравнительные значения кристаллографических рефлексов е-Со и вновь синтезированной фазы Co-Cr. 2. В процессе твердофазного синтеза фаза Co(Cr) растет с высокой степенью текстурированности. Основным становится рефлекс (002), который и определяет кристаллографическую с-ось гексагональной упаковки. С увеличением температуры отжига степень текстурированности возрастает [11]. Таким образом, удалось установить последовательность фазовых превращений в зависимости от температуры термообработки двухслойных тонкопленочных структур Fe/Pd/Mg0(001) c атомным соотношением веществ 1/1 и 1/3: Fe/Pd(1/1) ^ (Т = 400 оС) ^ L10-FePd Fe/Pd(1/3) ^ (Т = 400 оС) ^ L10-FePd ^ ^ (T = 550 оС) ^ L12-FePds 140 Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева Соответствие параметров решетки s-Со и s-Co(Cr) Фазы d(hkl) d(hkl) d(hkl) d(hkl) e-Со 2,18 (100) 2,06 (002) 1,92 (101) 1,49 (102) e-Co(Cr) 2,16 (100) 2,02 (002) 1,91 (101) 1,44 (102) Рис. 7. Влияние температуры отжига Т на намагниченность насыщения MS Рис. 8. Зависимость изменения направления анизотропии от концентрации хрома 100 25 35 E-Co 45 2.032 55 65 75 (002) I 1.903 l/tr 1.766 1 443 350°C 25 35 45 55 65 20: град Рис. 9. Рентгеновские спектры в пленке ^(Cr) состава 50 ат. % в зависимости от температуры отжига Термообработка образцов Fe/Pd при температуре более 400 оС приводит к увеличению константы анизотропии в пленках с атомным соотношением 1/1 практически в 12 раз и к полному исчезновению анизотропии в пленках с атомным соотношением 1/3. Использование высокоанизотропных пленок FePd в будущем позволит увеличить плотность записи информации на пластинах для магнитной записи данных. Измерения намагниченности насыщения (MS) показали, что при температуре отжига 600 оС у пленок с атомным соотношением 1/1 зафиксирован рост намагниченности на атом железа примерно на 20 %. Для пленки с атомным соотношением Fe/Pd, равным 1/3, увеличение MS составляет 60 % в сравнении с намагниченностью исходного образца. Для пленок CoCr различных составов установлено следующее. 1. Температура инициирования твердофазных реакций —400 оС. 2. Основной синтезированной фазой является твердый раствор хрома в e^o. 3. Синтезированные пленки £-Со(Сг) состава 50 ат. % хрома обладают перпендикулярной магнитной анизотропией. 4. Причиной появления перпендикулярной анизотропии является уменьшение анизотропии формы (плоскостной анизотропии) и текстурированный рост пленки гексагональной с-осью нормально к плоскости пленки. Полученные результаты представляют большой научный и прикладной интерес и нуждаются в дальнейшем исследовании.

About the authors

V. A. Semуachkov

Email: viktorsa@inbox.ru

A. N. Rybakova

Email: sashely2008@rambler.ru

V. S. Zhigalov

Email: zhigalov@iph.krasn.ru

V. G. Myagkov

Email: miagkov@iph.krasn.ru

References

Supplementary files