ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.
1.1. Способы формирования дискретных магнитных элементов и неоднородностей поверхностного рельефа магнитных материалов микро- и наноразмеров.
1.2. Свойства магнитных сред с неоднородным рельефом поверхности и дискретных магнитных микро- и наноэлементов.
1.3. Методы определения поверхностной плотности энергии заряженных доменных границ.
1.4. Выводы по главе.
2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБРАЗЦЫ
2.1. Методика измерения дельта Е - эффекта магшггострикционных аморфных металлических сплавов на основе железа в виде проволок и лент.
2.2. Методика исследования статических и динамических свойств доменных границ.
2.3. Методика наблюдения магнитной доменной структуры.
2.4. Ферромагнитные объекты с модифицированной поверхностью.
3. ВЛИЯНИЕ НЕОДНОРОДНОГО РЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ НА МАГНИТОУПРУГИЕ СВОЙСТВА МАГНИТОМЯГКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА.
3.1. Влияние рельефа поверхности на магнитоупругие свойства аморфных металлических пленок, полученных методом ионно -плазменного напыления в магнитном поле.
3.2. Влияние рельефа поверхности на магнитоупругие свойства магнитомягких проволок на основе железа.
3.3. Выводы по главе.
4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОЙ ПЛОТНОСТИ ЭНЕРГИИ ЗАРЯЖЕННЫХ ДОМЕННЫХ ГРАНИЦ В ДИСКРЕТНОСПЛОШНОЙ ПЛЕНОЧНОЙ СИСТЕМЕ.
4.1. Определение энергии доменной границы методом стрелы прогиба.
4.2. Анализ результатов исследования конфигурации доменных границ во внешнем магнитном поле.
4.3. Выводы по главе.
5. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА И ПРОЦЕСЫ ГТЕРЕМАГНИЧИВАНИЯ ДИСКРЕТ1Ю-СПЛОШНОЙ МНОГОСЛОЙ1ЮЙ ПЛЕНОЧНОЙ СТРУКТУРЫ.
5.1. Экспериментальные результаты исследования процессов перемагничивания дискретно-сплошных пленочных систем Со\\'-ЕеМСо.
5.1.1. Исследование влияния дискретного слоя на динамические свойства доменных границ в сплошном слое.
5.1.2. Кристаллическая и доменная структура сплава Со\У..
5.1.3. Способ управления коэрцитивной силой магнитного пленочного слоя.
5.2. Моделирование силового рельефа магнитных полей рассеяния от дискретных элементов.
5.2.1. Расчет магнитостатических полей рассеяния от планарных магнитных аппликаций.
5.2.2. Численные исследования зависимости магнитного поля рассеяния в плоскости дискретного слоя от его геометрических параметров.
5.2.3. Расчет трехмерной топологии магнитостатических полей рассеяния от планарных магнитных аппликаций.
5.3. Магнитостатический пининг в многослойной дискретносплошной пленочной системе.
5.4. Выводы по главе.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Акту ал ьность темы
Одним из приоритетных направлений в широком спектре фундаментальных и прикладных исследований в области физики
конденсированного состояния является получение материалов с определенными свойствами, в частности, с заранее заданным набором магнитных параметров. Это многостадийный процесс, начинающийся с разработки теоретического прототипа конечного продукта, которая включает выявление способов управления магнитными свойствами вещества, и заканчивающийся технологичными изысканиями при их эксклюзивном или массовом производстве. К свойствоформирующим факторам относятся
химический и количественный состав ингредиентов, способы и режимы формирования из них твердотельных объектов. Магнитные характеристики полученных базовых материалов могут быть кардинально изменены либо скорректированы дополнительной обработкой в виде различного рода воздействий: температурных, электромагнитных, механических в
отдельности либо в комбинированных сочетаниях, ионного и атомного
допирования, формирования добавочных покрытий, морфологической
модификации поверхности.
В настоящей работе сосредоточено внимание на двух последних способах целенаправленного получения материалов с требуемыми
свойствами. Формирование на поверхностях материала дополнительных слоев с отличительными физическими свойствами приводит к
синтезированию слоистых структур, которые пристально изучаются благодаря ряду присущим им перспективным признакам.
Нами предложена идея управления магнитным состоянием магнитомягкого слоя пространственно-неоднородным по величине и направлению магнитным полем. Стационарное магнитное поле такого характера может индуцироваться совокупностью периодически расположенных в некоторой плоскости дискретных ферромагнитных
4
элементов микро- или нанометрового размерного уровня, намагниченных до состояния насыщения. В тандеме магнитомягкий слой с дискретным магнитожестким образуют мультислопную структуру, в которой дискретный слой выполняет функции канала управления процессом перемагничивания сплошного слоя.
Морфология поверхности ферромагнитного сплава в твердотельном состоянии является одним из факторов, определяющих его магнитные свойства. Направленное воздействие на морфологию поверхности материалов не только позволяет оптимизировать их магнитные характеристики, но и в отдельных случаях генерирует появление у них новых функциональных свойств. Неровности поверхностного рельефа могут иметь как естественное происхождение, обусловленное процессом получения магнитных пленок, фольг и проволок, гак и стимулированы выбором специальных технологических режимов процесса изготовления образцов, формирующих степень гладкости их поверхности. Модифицирование поверхности металлических сплавов, приводящее к формированию искусственного рельефа необходимого топографического вида методами электронно-лучевой и атомной литографии, формирование неплоских слоев ячеистой или сотовой формы с применением химических технологий позволяет в широком диапазоне изменять физические свойства материалов. Определяющим механизмом воздействия естественных или искусственных «шероховатостей» поверхностного рельефа на магнитные свойства низкоразмерных объектов является магнитостатическое взаимодействие поверхностной области материала с его внутренней частью.
Таким образом, поиск новых подходов к решению задач управления магнитными свойствами традиционных ферромагнитных материалов, разработка концептуальных основ синтеза новых гибридных систем, исследование физических механизмов взаимодействия их элементов, математическое моделирование состояния магнитных подсистем и процессов его изменения являются своевременными и востребованными ходом развития
5
научных исследований в области изучения магнитных свойств вещества в конденсированном состоянии.
Цель исследований
Изучение влияния неоднородного рельефа поверхности и искусственно сформированной дискретной магнитной среды на процессы перемагничивания магнитных материалов.
Основные задачи
1. Сформировать фотолитографическим способом ступенчатый периодический рельеф поверхности аморфных металлических пленок Ре.,5Со452гю и Ре81Мп9Р10 в виде системы параллельных и перпендикулярных их оси легкого намагничивания протяженных дискретных каналов. Произвести сравнительный анализ магнитоупругих свойств исходных пленочных образцов и поверхностно-модифицированных. Выявить механизм влияния морфологии поверхности аморфных пленок на их магнитоупругие характеристики.
2. Исследовать влияние периодических изменений диаметра аморфных микропроволок состава Ре755цоВ|5> обусловленных технологией их получения, на магнитоупругие свойства. Интерпретировать полученные экспериментальные результаты в рамках предполагаемого магнитостатического взаимодействия ее поверхностной и виутриобъемной областей.
3. Экспериментально апробировать способ определения поверхностной плотности энергии заряженной доменной границы методом «стрелы прогиба» на искусственно созданной упорядоченной дефектной структуре.
4. Разработать подход к вычислению локальных значений напряженности магнитных полей рассеяния, создаваемых совокупностью дискретных магнитных элементов. Выполнить с помогцью математического пакета МАТНСАЭ расчетные исследования зависимости магнитного поля рассеяния, создаваемого дискретным магнитным слоем, от его геометрических параметров.
б
5. Исследовать процесс квазистатического перемагничивания магнитомягкого слоя в многослойной дискретно-сплошной пленочной системе Со\У/Т]/Ре№Со. Теоретически интерпретировать полученные результаты.
Объект исследований
Аморфные металлические пленки состава Ре45Со452гм и Ре^МпдРю толщиной 30'10'бм, полученные методом ионно - плазменного напыления; проволоки состава Ре75$*1]оВ15 диаметром —140'10’г’ м, полученные методом вытягивания из расплава и подвергнутые термомагнитной обработке; набор многослойных пленок с магнитомягким (Нс~ 240 Л/м) сплошным Ие 15%-№64%-Со21% слоем и магнитожестким (Нс~ 40 кА/м) дискретным Со85%-\У15% слоем, полученные ионно-плазменным осаждением, отличающихся толщиной разделительного слоя П и геометрическими параметрами дискретного слоя.
Научная новизна
1. Впервые экспериментально исследовано влияние модификации поверхностной области аморфных магнитных пленок составов Ре45Со452гю и Ре^МпуРю на их магнитоупругие свойства. Установлено, что характер искусственно сформированного периодического рельефа поверхности пленок позволяет варьировать величину дельта Е - эффекта. Предложена модель механизма влияния искусственной микрошероховатости пленок на величину дельта Е - эффекта.
2. Впервые обнаружен возрастающий ход зависимости частоты магнитоупругого резонанса от напряженности постоянного внешнего магнитного поля при возбуждении механических колебаний в проволоках Рс758Ц()В15. Дано объяснение наблюдаемому явлению в рамках модельного представления магнитостатического взаимодействия областей проволоки различного диаметра.
3. Проведена экспериментальная апробация способа определения поверхностной плотности энергии заряженной доменной границы методом
7
«стрелы прогиба». Выявлен двухэтапный характер изменения величины стрелы прогиба доменной границы между точками ее закрепления с ростом напряженности перемагничивающего поля. В рамках представлений об изменении спиновой конфигурации доменной стенки дано объяснение полученных результатов.
4. Выявлена возможность управляемого пининга намагниченности магнитомягкого слоя пространственно-неоднородным высокоградиентным магнитным полем рассеяния, создаваемым магнитожестким дискретным слоем в многослойной дискретно-сплошной пленочной системе.
5. Предложен способ управления коэрцитивной силой магнитного пленочного слоя, основанный на использовании магнитостатических полей дискретного слоя для управления магнитным состоянием сплошного слоя (A.B. Гаврилюк, Ы.П. Ковалева // Патент РФ на изобретение № 2060567, кл. 6 Н 01 F 10/08,41/14.-1996).
Практическая значимость
Предлагаемый в работе подход к расчету магнитных полей рассеяния от дискретного ферромагнитного слоя позволяет оптимизировать его морфологические характеристики с целью получения необходимых проектных параметров устройств микро- и наноэлектронпки на пленочных носителях со смещенной петлей гистерезиса и может быть использован в задачах получения стационарных магнитных полей требуемой пространственной конфигурации.
Апробированный способ экспериментального определения поверхностной плотности энергии заряженной доменной границы может быть использован в комплексных исследованиях их поведения в магнитнонеоднородных средах.
Обнаруженные особенности магнитоупругих свойств аморфных сплавов на основе железа, являющиеся следствием морфологической модификации их поверхности, могут найти приложение в разработке различного типа датчиков, чувствительными элементами которых являются
8
магнитострикционные аморфные магнитные материалы, и магнитомеханических преобразователях.
Защищаемые положения.
1. Размагничивающие поля и магнитные поля рассеяния, обусловленные периодическими рельефными протяженными микроканалами на поверхности аморфной магнитомягкой пленки, создают в ней чередующиеся области с разной начальной магнитной проницаемостью, изменяя константу эффективной анизотропии и угловую дисперсию анизотропии. Характер влияния поверхностных протяженных микроканалов на величину дельта Е - эффекта определяется их ориентацией относительно оси легкого намагничивания и геометрическими параметрами поверхностноструктурированной области аморфной магнитомягкой пленки.
2. Впервые обнаруженный рост частоты магнитоупругого резонанса с увеличением напряженности внешнего магнитного поля в аморфной магнитомягкой проволоке состава Реу^ИоВ^ с периодическим неоднородным поверхностным рельефом обусловлен магнитостатическим взаимодействием ее областей различного диаметра.
3. В магнитомягкой пленке с одноосной анизотропией в ее плоскости при взаимодействии доменной границы переходного блох-неелевского типа с дефектами, вызывающими ее искривление, в ней возможен структурный переход от периодического к однородному блоховскому типу.
4. Магнитостатическая межслоевая связь магнитомягкого сплошного слоя с системой высококоэрцитивных элементов дискретного слоя обусловлена совместным действием двух конкурирующих факторов: макроскопической слоевой дискретности и дискретности более низкого порядка, связанной с возможной структурной магнитной неоднофазностыо высококоэрцитивного материала. Знак межслоевой
9
связи определяется размерами магнитных неоднородностей и их периодом.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, симпозиумах и семинарах:
•XV, XVI и XVII международных школах-семинарах ’’Новые магнитные материалы микроэлектроники” (г. Москва, (МГУ), 1996, 1998, 2000 год);
•1-ом Московском международном симпозиуме по магнетизму (M1SM, MSU, 1999);
•Седьмой всероссийской конференции с международным участием “Аморфные прецизионные сплавы. Технология - свойства - получение” (г. Москва, ЦНИИ Чермет им Л.П.Бардина 2000 г.);
•Евроазиатском Симпозиуме “Trends in Magnetism”, (г. Красноярск, КГУ, 2004);
•1-ой , 2-ой и 3-ей Байкальской международной конференции “Магнитные материалы” (г. Иркутск, ИГПУ, 2001, 2003, 2008 гг.);
•Выездной сессии РАН по проблемам магнетизма в магнитных пленках, малых частицах и наноструктурных объектах (г. Астрахань, АГУ, 2003 г.);
• XXI Международной конференции “Новое в магнетизме и магнитных материалах” (г. Москва, МГУ, 2009 г.);
Международной конференции "Функциональные материалы" (Симферополь, Таврический национальный университет, 2009)
Публикации
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 32 научных работах, из них 11 в статьях из перечня ВАК РФ, рекомендованных для защиты кандидатских диссертаций, остальные в сборниках трудов, материалах и тезисах докладов ведущих международных и всероссийских конференций по физике конденсированного состояния и физике магнитных явлений. По теме диссертации получен 1 патент на изобретение.
Личный вклад автора
ю
Экспериментальные исследования процессов перемагничиванмя многослойных пленочных систем и расчетные исследования магнитостатических полей выполнены диссертантом самостоятельно. Исследования магнитоупругих свойств аморфных и нанокристаллических пленок и проволок выполнены в соавторстве с коллегами из Иркутского государственного университета. Обсуждение и интерпретация экспериментальных результатов проводились совместно с научным руководителем, а также с соавторами публикаций.
Структура и объем работы
Диссертационная работа включает следующие структурные элементы: содержание, введение, пять глав с выводами, заключение и список использованной литературы. Объем работы: 179 страниц, 5 таблиц, 86 рисунков, список литературы включает 176 наименований.
Во введении аргументированы актуальность темы исследования, определен объект исследования, обозначены цель работы и основные задачи, отражена новизна и практическая значимость проведенных исследований, констатированы защищаемые положения, дан список научных мероприятий, в рамках которых апробирован излагаемый диссертационный материал.
В первой главе в реферативной форме изложены основные результаты обзора научных публикаций по исследованию свойств магнитных сред с неоднородным рельефом поверхности и ансамблей дискретных магнитных элементов микронных и манометровых размеров и области их применения; выявлены практикуемые и перспективные технологии формирования требуемой морфологии поверхности металлических материалов; предложена классификация образцов из магнитных сплавов по морфологическому признаку. Приведены данные о способах определения поверхностной плотности энергии заряженных доменных границ.
Во второй главе даны сведения о принципах примененных методик измерения дельта Е - эффекта в магнитострикционных аморфных металлических сплавах, наблюдения кристаллической и магнитной доменной
и
структуры и исследования статических и динамических свойств доменных границ, а так же приведена информация об объектах исследования.
В третьей главе представлены экспериментальные результаты исследования магнитоупругих свойств магнитомягких металлических сплавов на основе железа в форме проволок и пленок, имеющих микронеоднородный рельеф поверхности. Даны интерпретация влияния рельефа поверхности в рамках магнитостатичсского взаимодействия поверхностной области материала с его внутриобъемной частью и ее теоретическое обоснование в виде расчетных зависимостей константы одноосной анизотропии, модуля упругости и дельта Е - эффект от геометрических параметров ступенчатого рельефа поверхностей исследованных образцов. Показано, что причиной возрастающего характера частоты магнитоупругого резонанса от напряженности внешнего магнитного поля в микропроволоках является такое сочетание константы эффективной анизотропии, определяемой магнитостатическим эффектом поверхностного рельефа проволок и напряженности внешнего магнитного поля, которое удовлетворяет условию возрастания полевой зависимости величины модуля упругости.
В четвертой главе приведены результаты апробации способа определения поверхностной плотности энергии заряженной доменной границы методом стрелы прогиба. Предложен расчет выражения компонент поверхностной плотности энергии границы. Обозначены нюансы, которые необходимо учитывать при практическом использовании данного метода.
Пятая глава посвящена изучению процесса перемагничивания дискретно-сплошной многослойной пленочной структуры, состоящей из магнитомягкого РеМЮо и магнитожесткого Со\У слоев. В данной главе приведены результаты экспериментального исследования квазистатического перемагничивания магнитомягкого слоя при различных геометрических параметрах дискретного слоя. В рамках двухуровневого магнитостатического взаимодействия дискретного и сплошного слоев дано объяснение
полученных результатов. Поскольку дискретный слой выполняет функции управляющего канала в рассматриваемой многослойной системе, то отдельное место занимают исследования по определению оптимального процентного содержания вольфрама для получения Со\\^ конденсата с сочетанием высокого значения коэрцитивной силы и плоскостной магнитной изотропности. Изложена методика расчета локальной величины напряженности пространственного магнитного поля рассеяния, индуцируемого совокупностью дискретных элементов параллепипедной формы. Приведены результаты моделирования компонент напряженности магнитного поля рассеяния, полученных варьированием геометрических параметров дискретного слоя.
13
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1. Способы формировании дискретных магнитных элементов и неоднородностей поверхностного рельефа магнитных материалов микро- и наноразмеров.
Основным методом получения дискретных элементов заданной формы и размеров из первоначально сплошной матрицы служит литография. Неотъемлемыми атрибутами литографического процесса являются маска, система освещения маски и процесс проявления рисунка маски на облученной матрице. В зависимости от длины волны источника свеча, используемого для экспонирования рисунка маски на матрицу, литографию можно разделить на фотолитографию (используется видимый свеч'), электронно-лучевую литографию (пучки электронов или ионов) и атомную литографию. Каждый вид имеет свой физический предел в получении минимально возможных размеров дискретных элементов матрицы, связанный с волновыми свойствами «осветителей». Так, в фотолитографии он составляет порядок 100 нм, в электронно-лучевой - 10 нм.
В настоящее время наиболее используемой технологией получения массивов дискретных магнитных элементов является электронно-лучевая литография [1-4]. Вместе с тем в связи с решением актуальных задач по дальнейшей миниатюризации устройств микроэлектроники, производства элементов спинтроники и наноустройств возникла и интенсивно развивается атомная литография [5, 6]. Атомная литография в качестве «осветителей» использует нейтральные атомы, что дает ряд преимуществ по сравнению с другими методами. Прежде всего, в данном методе весьма малым является фундаментальный предел пространственного разрешения, накладываемый дифракцией, поскольку атомы имеют относительно большие массы и соответственно малую длину волны де Бройля. Кроме того, использование нейтральных атомов, приводит к отсутствию кулоновских сил
ы
отталкивания. В атомной литографии намечены и реализовываются с большим или меньшим успехом несколько направлений, одним из которых является получение низкоразмерных материальных объектов методом атомной камеры-обскуры с нанометровым разрешением. Авторами работ [7, 8] в атомной «камере-обскуре» пучок атомов пропускался через металлическую маску, формируя таким образом «светящийся объект» заданной геометрии (рис. 1.1.1). Атомы, прошедшие через маску, поступают на трековую мембрану, содержащую большое количество (3*107 см'2) отверстий с диаметром 50 нм. Каждое из отверстий является «камерой-обскурой», формирующей своё индивидуальное изображение «объекта» на поверхности подложки, размещённой на расстоянии 5 мкм.
Рис. 1.1.1. Схема получения нанообъектов методом атомной камеры-обскуры [7, 81.
В результате на подложке формируется массив уменьшенных в 10000 раз изображений «объекта», образованных напылёнными на поверхность атомами различных элементов, в том числе и магнитных.
На рисунке 1.1.2 представлены наноструктуры атомов 1п на поверхности кремния, полученные с помощью атомной «камеры-обскуры», в который «маска-объект» была в виде полосок. Наноструктуры исследовались с помощью сканирующего атомно-силового микроскопа. Справа показано детальное изображение одного из изображений. Ширина на полувысоте наноструктуры составляет значение 90 нм. Минимальный размер
15
- Київ+380960830922