СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ....................................................... 5
ГЛАВА 1. Наноматериалы.......................................... 13
1.1. Нанокристаллические твердые тела........................ 13
1.2. Гранулированные нанокомпозиты........................... 14
1.2. Многослойные наноструктуры.............................. 23
ГЛАВА 2. Магнитооптические эффекты в ферромагнетиках 29
2.1. Классификация магнитооптических эффектов................ 29
2.2. Феноменологическое описание экваториального эффекта Керра........................................................ 33
2.3. Феноменологическое описание экваториального эффекта Керра для многослойных структур.............................. 37
2.3.1. Общие определения................................. 37
2.3.2. ЭЭК для многослойной структуры.................... 39
2.4. Магнитооптические свойства нанокомпозитов............... 42
ГЛАВА 3. Методы измерения....................................... 46
3.1. Экспериментальная установка для измерения экваториального эффекта Керра................................ 46
3.2. Автоматизация установки для измерения экваториального эффекта Керра................................................ 48
3.3. Ошибки измерений........................................ 54
ГЛАВА 4. Технология изготовления образцов....................... 55
4.1. Многослойные структуры па основе пермаллоя и карбида кремния...................................................... 55
4.2. Многослойные и гранулированные структуры на основе ферромагнитных сплавов Со^е^гю. Со4оГе4оВ2о и СовГМЬиТаг................................................... 56
2
ГЛАВА 5. Магнитооптические свойства многослойных
нанострукур пермаллой - карбид кремния.............. 60
5.1. Образцы................................................ 60
5.2. Спектры ЭЭК. Зависимость МО отклика многослойной структуры от толщины образующих слоев............... 67
5.3. Полевые и ориентационные зависимости ЭЭК многослойных пленок....................................... 69
5.4. Роль полупроводника (карбида кремния) в формировании магнитооптических эффектов.......................... 72
5.5. Основные результаты.................................... 76
ГЛАВА 6. Магнитооптические свойства многослойных наноструктур ферромагнетик - аморфный гидрогенизированный кремний.................................. 78
6.1. Образцы................................................ 78
6.2. Зависимость МО отклика многослойных структур от толщины образующ их слоев........................... 81
6.3. Основные результаты.................................... 89
ГЛАВА 7. Магнитооптические свойства гранулированных
наноструктур ферромагнитный сплав - диэлектрик ... 90
7.1. Образцы.............................................. 91
7.2. Спектральные, полевые и концентрационные зависимости ЭЭК объемного нанокомпозита......................... 94
7.3. Спектральные, полевые и концентрационные зависимости
ЭЭК послойно напыленных нанокомпозитов................. 100
7.4. Основные результаты................................... 106
3
ГЛАВА 8. Магнитооптические свойства многослойных
нанострукур гранулированный ферромагнетик -аморфный гидрогенизированный кремний............... 107
8.1. Образцы................................................ 108
8.2. Влияние толщины композитных слоев на магнитооптический отклик пленок
нанокомпозит/кремний................................... 113
8.3. Магнитооптические свойства многослойных пленок на основе гранулированного ферромагнетика с концентрацией
ФМ фазы ниже порога перколяци......................... 117
8.4. Магнитооптические свойства многослойных пленок на основе гранулированного ферромагнетика с концентрацией ФМ фазы в районе порога перколяции 131
8.5. Основные результаты.................................... 137
Заключение.................................................... 139
Список печатных работ по теме диссертации..................... 141
Цитируемая литература........................................ 147
4
ВВЕДЕНИЕ
Устойчивый интерес к наноструктурам, возникший в последнее время, обусловлен возможностью значительной модификации и принципиального изменения качеств известных материалов при переходе в нанокристаллическое состояние. Созданные благодаря нанотехнологиям новые наноразмерные магнитные материалы проявляют ряд необычных свойств: гигантское магнитосопротивелние (ГМС), гигантский магнитный импеданс (ТМИ) [1], аномальный эффект Холла (АЭХ) [2], сильный магнитооптический (МО) отклик [3] и аномальные оптические эффекты [4].
Все эти явления открывают огромные перспективы, как для фундаментальных исследований, так и для многообещающих возможностей их применения. Так, например, нанокомпозитные материалы могут быть использованы при разработке высокочувствительных датчиков магнитного поля и температуры, в создании устройств для записи, считывания и хранения информации [5]. Практический интерес также представляют
многослойные структуры проявляющие значительные спин-вентильный и ^ .
• „ ■ л*1 ''• • а
спин-туннельныи магниторезистивные (МР) эффекты при малых магнитных
полях (до 1кЭ). Разработка элементов на основе этих эффектов имеет
большое значение, т.к. позволит, с одной стороны, резко увеличить
плотность записываемой и считываемой информации, повысить
чувствительность сенсоров, а с другой — создать новые виды
тонкопленочных магниторезистивных элементов. С прикладной точки
зрения особенно перспективными представляются спин-туннельные
магниторезистивные структуры, в которых получены значения гигантского
магнитосопротивления свыше 40% при комнатной температуре. На их
основе уже созданы экспериментальные образцы спинового транзистора,
датчиков магнитного поля которые регистрируют поля порядка 10“6 Э [6],
экспериментальные образцы МР запоминающего устройства с произвольной
5
выборкой (ЗУПВ, MRAM — magnetoresistive random access memory) емкостью 256 Кб и спинового транзистора [7].
Объектом интенсивных экспериментальных и теоретических исследований является вопрос взаимного влияния состава и микроструктуры на магнитные, магнитооптические и магнитотранспортные свойства наногетероструктур. Несмотря на большое количество работ до сих пор нет достаточной ясности в понимании процессов, сопровождающих структурную перестройку вещества, т.к. трудно предсказать свойства пленок, в которых значительную роль играют взаимодействия наночастиц между собой, с матрицей и с подложкой, при огромном влиянии размерных и поверхностных эффектов, накладываемых частицами, их границами и поверхностью пленок.
В связи с этим актуальным оказываются экспериментальные методы,
позволяющие получить представление о внутренней структуре таких
материалов и особенностях магнитного взаимодействия в них. Оптические и
магнитооптические методы являются наиболее простыми, эффективными и
информативными при исследовании наноструктур. МО методы обладают
1 !- -V .
рядом достоинств, главное из которых состоит в том, что в отличие'от
оптических, они чувствительны к спину, что позволяет выделить, к какой
спиновой зоне относится данный оптический переход. МО методы
чувствительны к наличию магнитных неоднородностей, к изменению формы
размера частиц, к их объемному распределению и к появлению новых
магнитных фаз. МО методам присуща уникальная особенность - это, в
принципе, динамические методики, которые несут отклик электронной
системы на модуляцию вектора спонтанной намагниченности, что
обеспечивает высокую чувствительность, характерную для всех
дифференциальных методик. Эти методы, несмотря на долгую жизнь,
продолжают совершенствоваться как в методическом отношении, так и в
чисто научном плане. В подавляющем большинстве случаев, однако,
целенаправленно проводимые эксперименты в идейном отношении не
являются принципиально новыми, но их широкое использование в исследованиях, а также быстрый рост числа соответствующих публикаций свидетельствует о том, что из области “чистых” эффектов они перешли в область рабочих методик физики твердого тела.
Т.о. детальные исследования магнитооптических свойств наногетероструктур в зависимости от состава и технологии получения необходимы для понимания общих закономерностей формирования физических свойств наноструктур, что приведет к реализации практических задач, и в первую очередь для конструирования материалов с заданными магнитными и МО параметрами, для разнообразных применений материалов в современных элементах памяти и интегральной оптики, в качестве управляемых элементов оптических трактов и магнитооптических устройств, в лазерной технике и т.д.
Цель работы состояла в исследовании особенностей формирования магнитных и магнитооптических свойств трех групп низкоразмерных материалов — нанокомпозитов ферромагнитный аморфный сплав - • диэлектрик; многослойных магниторезистивных структур ферромагнетик-г*пи:»* полупроводник, а также сложных магнитополупроводниковых структур на основе гранулированного композита и полупроводника.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
• исследование изменения магнитных и магнитооптических свойств многослойных пленок на основе Реи^те и БЮ в зависимости от толщины и порядка следования слоев;
• анализ влияния изменения толщины слоев и их соотношения на магнитные и магнитооптические свойства многослойных пленок аморфный ферромагнетик Со45ре452гю с прослойками полупроводника — гидрогенизированного аморфного кремния;
7
• изучение влияния состава и технологических условий получения нанокомпозитов аморфный ферромагнетик-диэлектрик на их магнитные и магнитооптические свойства;
• исследование эволюции магнитных и магнитооптических свойств магнитополупроводниковых структур [(С045ре452г,о)2(А12Оз)100-2/(а-8пН)]п в зависимости от концентрации Z ФМ фазы в слоях композита и толщин образующих слоев.
Достоверность полученных результатов обеспечена обоснованностью используемых в работе экспериментальных методов изучения магнитных и магнитооптических свойств наноструктур, детальным анализом физических явлений и процессов, определяющих эти свойства, а также корреляций результатов, полученных на различных образцах. В значительной степени достоверность полученных результатов подтверждается хорошим согласованием между экспериментально полученными данными по магнитооптическим свойствам структур и данными, почерпнутыми из
электротранспортным свойствам.
Научная новизна результатов работы состоит в следующем:
• Обнаружено, что кривые намагничивания и полярные диаграммы многослойных наногетероструктур Регг^^С/Тегг^^ в области малых полей сложным образом зависят как от толщин слоев ферромагнетика и полупроводника, так и от величины намагничивающего поля. Установлено, что наблюдаемые особенности связаны с интерфейсными явлениями на границе раздела ферромагнетик-полупроводник.
• Показано, что МО отклик многослойной пленки [(С045рЄ45ггю)х/(а-8і)у]п нелинейно зависит от толщины кремния. Для гибридных магнитных структур, в которых и слой ферромагнетика, и
8
литературных источников, по структурным, магнитным
слой полупроводника являются дискретными, наблюдается усиление МО отклика. Эволюция магнитооптических свойств исследованных структур объясняется влиянием диффузного интерфейсного слоя на их микроструктуру.
• Впервые исследована зависимость магнитооптических свойств массивных нанокомпозитов (СО45ре452Тю)2(А12Оз)ю0-2 и композитов аналогичного химического состава, полученных послойным напылением, в зависимости от толщины напыляемого слоя. Установлено, что микроструктура послойно напыленных композитов существенно отличается от микроструктуры объемных нанокомпозитов, а порог перколяции смещается в область меньших значений содержания ФМ фазы.
• Впервые проведено исследование магнитооптических свойств многослойных структур нанокомпозит-полупроводник
[(Со45ре452гю)г(А12Оз)10()-2/(а-81:Н)]п в широкой области толщин слоев и концентраций Ъ магнитной фазы. Обнаружена корреляция зависимостей магнитных, магнитооптических и электро-транспортных
' * . V* •* _. I ' ' " *'''>{
свойств наноструктур от толщины 81. Установлено что в структурах с нанокомпозитом до порога перколяции введение тонкой прослойки (~ 1 нм) приводит к усилению эффективного магнитного
взаимодействия гранул.
• Впервые обнаружены аномалии зависимости магнитооптического отклика от приложенного магнитного поля для многослойных структур нано композит-полупроводник, что связывается с образованием в структуре нескольких нанокомпозитов с различными магнитооптическими свойствами.
Практическая ценность. Результаты, полученные в диссертационной работе существенно расширяют представление о магнитооптических явлениях в наноструктурных материалах. Результаты исследований могут
быть использованы для развития технологий получения наноструктур необходимой конфигурации с заданными свойствами и для разработки новых материалов для спинтроники.
Положения, выносимые на защиту
• Аномальное поведение полевых и ориентационных зависимостей экваториального эффекта Керра и магнитных свойств многослойных пленок на основе пермаллоя и карбида кремния, указывающие на сложный вид их магнитных структур и необходимость учета влияния немагнитной полупроводниковой прослойки на характер взаимодействия ферромагнитных слоев.
• Нелинейная зависимость величины экваториального эффекта Керра (ЭЭК) МНОГОСЛОЙНЫХ структур С045ре452Гю/81 от толщины слоев полупроводника и усиление МО отклика в гибридных структурах связаны с влиянием диффузного интерфейса ферромагнетик-полупроводник.
• Микроструктура послойно напыленных композитов существенно
Л’.'
отличается от микроструктуры объемных нанокомпозитов, размер и форма гранул в нанокомпозите зависят от толщины напыляемого слоя.
• В многослойных структурах нанокомпозит-полупроводник [(Со45ре452Г]о)г(А120з)]оо-2/(а-81:Н)]п МО отклик определяется конкуренцией вкладов от слоя композита и нового композита, образующегося на интерфейсе металлическая гранула -полупроводник, концентрация магнитной фазы в котором зависит как от вида и размера гранул в композитном слое, так и скорости образования силицидов.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на: XVIII, XIX, XX и XXI Международных школах-семинарах «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (Москва, 2002, 2004, 2006 и 2009 гг.); «Московском
10
Международном симпозиуме по магнетизму MISM». - (Moscow, MSU, 2005,
2008, 2011 гг.); «Проблемы магнетизма в магнитных пленках, малых частицах и наноструктурных объектах» (Астрахань, 2003 г); EASTMAG, Euro-Asian Symposium «Trends in Magnetism» (Krasnoyarsk 2004 г. и Ekaterinburg 2010 г.); Междисциплинарном, международном симпозиуме «Порядок, беспорядок и свойства оксидов ODPO » (Сочи, 2002, 2004, 2007,
2008 гг); II Байкальской международной конференции «Магнитные материалы» (Иркутск, 2003); International Conference on Relaxation Phenomena in solids (RPS-21, Voronezh, 2004); 4-ой межрегиональной молодежной школе «Материалы нано-, микро- и оптоэлектроники: физические свойства и применение» (Саранск, 2005 г.); международной научной конференции «Излучение и рассеяние электромагнитных волн. ИРЭМВ - 2005г.» (Таганрог 2005 г.); Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ, Новосибирск, 2006, 2007 гг); Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам (Ломоносов 2008,2010 и 2011, секция физика).
Личный вклад соискателя. Автором лично получена основная часть f * .V экспериментальных результатов: исследованы магнитооптические спектры, полевые, ориентационные зависимости экваториального эффекта Керра (ЭЭК) представленных образцов. Магнитные характеристики симметричных Fe22Ni78/SiC/Fe22Ni78 и ассиметричных Fe22Ni78/Ti/Fe22Ni78/SiC наногетероструктур исследовались индукционным методом в Институте Проблем Управления им. В. А. Трапезникова РАН д.т.н. Касаткиным С.И. Данные по микроструктуре и удельному электросопротивлению гранулированных и многослойных пленок на основе ферромагнитных сплавов Co4iFe39B2o, Co4sFe45Zrio, Со8бМ>і2Та2, диэлектриков Si02, А120з, и полупроводника Si были получены в Воронежском Государственном Университете в лаборатории д.ф.-м.н. Калинина Ю.Е. Исследование намагниченности и петель гистерезиса многослойных структур
11
(С045ре41 о)г(А1гОз) 1 оо-г^51 с композитом до порога перколяции проводилось на физическом факультете МГУ им. М.В.Ломоносова в лаборатории д.ф.-м.н. Перова Н.С.; с композитом в районе порога перколяции — авторами [8]. Обсуждение и анализ полученных экспериментальных результатов проводились авторами соответствующих работ совместно.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа содержит 165 страниц машинописного текста, включает 54 рисунка, 2 гистограммы, 8 таблиц и 165 библиографических ссылок.
12
ГЛАВА 1. Наноматериалы.
1.1. Нанокристалли ческие твердые тела,
В научных исследованиях и практических приложениях магнитных материалов во второй половине прошлого столетия был совершен стремительный переход от массивных и объемных материалов к низкоразмерным. В реальных макроскопических объектах содержится не менее 1018 атомов. В подавляющем большинстве твердые тела состоят из микроскопических элементов - зерен или кристалликов, размеры которых 1 -100 мкм, и являются поликристаллами и сплавами.
Выделим две характерные черты твердого тела: первая -
существование ближнего порядка в расположении атомов, вторая -ничтожно малая объемная доля атомов границ зерен, которые в случае поликристаллов составляет не более КГ4, и в случае монокристаллов менее 10 полного объема. Физические свойства массивных материалов хорошо изучены, отработаны методы их создания с хорошими и необходимыми для
применений параметрами, и не ожидается дальнейшего улучшения их
. *•' •• . '• 1 * • '•£ • .-лУ
свойств за счет совершенствования технологий или изменений концентраций'
составляющих элементов, или самих элементов.
В последнее время успешно получают и используют твердые тела, лишенные дальнего порядка в расположении атомов. Свойства таких материалов радикально отличаются от соответствующих свойств массивных аналогов, и впервые это ярко проявилось при всесторонних исследованиях аморфных твердых тел [9-11]. Аморфные твердые тела - это материалы со структурой ближнего атомного порядка. Аморфные металлы и сплавы полностью лишены дальнего порядка. Отсутствие дальнего порядка, однако, не помешало им иметь такие физические свойства, которые нельзя получить в твердых телах с кристаллической структурой.
Наибольший научный и практический интерес вызывают аморфные твердые тела, которые являются ферромагнетиками. Обладая всеми
свойствами, присущими аморфным сплавам, например, высокой механической прочностью, высокой коррозийной стойкостью, низким температурным коэффициентом электрического сопротивления, аморфные ферромагнетики - это магнитомягкие материалы с высокими значениями магнитной проницаемости, низкими значениями магнитострикции и магнитной кристаллографической анизотропии. У них важное преимущество перед кристаллическими ферромагнетиками по высокочастотным свойствам.
Наиболее важное направление исследований связано с установлением корреляций структуры магнетика с проявляемыми им свойствами. С лучшими свойствами и более высоким магнитосопротивлением оказались материалы, сформированные из кластеров, малых кристалликов, фрагментов, имеющие объем, содержащий 102 -104 атомов, так называемые нанокристаллические ферромагнетики - это однофазные или многофазные поликристаллы с размером зерна от 1 до 15 нм. В таких материалах от 2 до 50% приходится на межзеренные или межфазные границы. Структурное состояние группы атомов, составляющих межзеренные или межфазные границы, отличается от пространственного расположения атомов как кристаллических, так и аморфных тел. ' *•>
Хорошо известно [12], что свойства малых частиц вещества в значительной степени отличаются от свойств массивного материала. Так, например, нанокристаллические ферромагнитные сплавы являются превосходными магнитомягкими материалами с низкими значениями коэрцитивной силы и с высокой магнитной проницаемостью и находят применение в качестве сердечников магнитных головок на частотах мегагерцового диапазона [13].
1.2. Гранулированные нано композиты.
Впервые отчетливо концепция наноматериалов была сформулирована Глейтером [14], который ввел в научный обиход и сам термин (сначала как
14
- Київ+380960830922