Содержание
Введение................................................... 5
Глава 1 Метод малоугловой рентгеновской дифракции для определения параметров структур из сверхтонких пленок................................................ 34
1.1 Приближение среднего поля для описания отражения рентгеновского излучения от многослойных структур с шероховатыми границами раздела слоев. 36
1.2 Отражение рентгеновского излучения от многослойных структур с флуктуирующими толщинами пленок. 41
1.3 Методика определения параметров многослойных структур из сверхтонких пленок................ 46
Глава 2 Физические принципы получения и магнитные свойства многослойных структур Co/Pd. ... 57
2.1 Влияние дефектов на величину поверхностной магнитной анизотропии в многослойных структурах: модель псевдодипольного взаимодействия............ 60
2.2 Получение и экспериментальное исследование магнитных свойств многослойных структур Co/Pd с перпендикулярной анизотропией........................ 65
2.3 Термоиндуцированный ориентационный переход в многослойных структурах Co/Pd................. 78
Глава 3 Особенности диффузии в многослойных структурах из поликристаллических пленок. ... 94
3.1 Экспериментальные исследования диффузии в многослойных структурах Ме/С..................... 94
3.2 Модель зернограничной диффузии в тонких пленках: влияние флуктуаций коэффициента диффузии. 99
2
3.3 Деформационное взаимодействие примесных атомов
в случайной неоднородной упругой матрице...........105
Глава 4 Нелинейная динамика межфазных границ в многослойных структурах...............................114
4.1 Модель распадающегося твердого раствора и вывод основных уравнений............................115
4.2 Динамика одномерного зародыша в распадающихся растворах.....................................123
4.3 Спинодальный распад в многослойных структурах. . 128
4.4 Устойчивость плоских межфазных границ в распадающихся растворах............................134
Глава 5 Использование процессов самоорганизации для создания низкоразмерных наноструктур. . . . 142
5.1 Спектр концентрационных волн и возможность формирования периодических структур в тонкой пленке распадающегося твердого раствора....................144
5.2 Неустойчивость поверхности твердого тела при химическом травлении и получение системы ферромагнитных нитей в матрице кремния......................153
5.3 Магнитные свойства системы ферромагнитных нитей в пористой матрице........................161
Глава 6 Коллективные эффекты в двумерных решетках ферромагнитных наночастиц, обусловленные ди-польным взаимодействием............................172
6.1 Мстастабильное состояние дипольной системы с ферромагнитным типом упорядочения. Неустойчивость при перемагничивании................................175
6.2 Вихри и доменные стенки в дипольной системе с упорядочением ферромагнитного типа..................185
6.3 Неоднородные состояния и механизмы перемагничи-вания в решетках диполей с прямоугольной элементарной ячейкой........................................194
6.4 Экспериментальное наблюдение коллективных эффектов в решетках наночастиц пермаллоя с прямоугольной элементарной ячейкой ........................218
Заключение...............................................231
4
Введение
Особое место в исследовании неоднородных твердых тел занимают структуры с масштабом неоднородностей сравнимым с характерными длинами, определяющими физические свойства однородных твердых тел: длиной волны носителей тока, толщиной доменной стенки в магнетиках, корреляционной длиной в твердых растворах и другими. Несмотря на различную природу этих характерных масштабов, их величина, зачастую, лежит в интервале от десятков до сотен межатомных расстояний, т.е. в нанометровом диапазоне. Твердые тела с неоднородностями таких масштабов имеют свойства, качественно отличающиеся от свойств однородных твердых тел. Бурный рост числа исследований, посвященных этим материалам, позволяет говорить о формировании нового направления
- физики тведотельных наноструктур. В зависимости от соотношения размеров неоднородностей и характерных длин, наноструктуры подразделяют на дву-, одно- и нульмерные. Структуру, у которой лишь один из трех размеров неоднородности в указанном смысле мал, называют двумерной и т.д. Исследование физических свойств твердотельных наноструктур является комплексной проблемой, в которой можно выделить три основных аспекта:
- создание наноструктур с заданной морфологией,
- развитие методов диагностики и измерения характеристик наноструктур,
- разработка теоретических моделей, описывающих свойства наноструктур.
В настоящей диссертации затронуты все из перечисленных аспектов проблемы на примере создания и исследования наноструктур с новыми магнитными и рентгенооптическими свойства-
5
ми.
Актуальность работы по созданию и исследованию нанообъектов обусловлена необходимостью развития представлений о свойствах твердых тел на сверхмалых масштабах. Определение новых способов управления этими свойствами открывает широкие возможности применения твердотельных наноструктур в электронике, рентгенооптике, информатике и других областях.
Целью диссертационной работы является разработка физических принципов создания и диагностики упорядоченных систем ианообъектов и исследование влияния диффузионной релаксации и магнитодипольного взаимодействия на их термостабильность и магнитные свойства.
Отметим некоторые особенности проблемы исследования наноструктур, которым уделяется в диссертации наибольшее внимание. Успехи высоковакуумной технологии напыления пленок позволяют говорить о принципиальном решении проблемы создания многослойных структур (М.С.). При этом остается задача получения стабильных структур со сверхмалым (~ 1 — 2нм) периодом. Действительно, если представить М.С. как промодулированный по составу идеальный твердый раствор, то характерное время диффузионного размытия этой неоднородности убывает пропорционально квадрату периода структуры. В диссертации рассмотрены различные теоретические модели, описывающие особенности диффузионной релаксации в многослойных структурах из сверхтонких пленок.
Развитие методов литографии позволяет рассчитывать на прогресс в области получения низкоразмерных наноструктур. Так методами электронной и рентгеновской литографии научились по-
6
лучать наноструктур с характерными размерами порядка сотен нанометров. Однако, получение низкоразмерных наноструктур с масштабом в десятки нанометров остается сложной задачей. В этой ситуации привлекательной является идея использования эффектов самоорганизации. В диссертации предложены механизмы самоорганизации, позволяющие получать как одномерные, так и нульмерные наноструктуры.
Одной из трудностей, с которой приходится сталкиваться при диагностике и измерении физических характеристик наноструктур является малая величина полезного сигнала. Приведем лишь один пример, иллюстрирующий это утверждение. Хорошо известно, что метод малоугловой рентгеновской дифракции позволяет по угловой зависимости коэффициента отражения рентгеновского излучения определять распределение электронной плотности в многослойных структурах. С уменьшением периода структуры коэффициент отражения рентгеновского излучения экспоненциально падает из-за размытия интерфейсов. На практике, для структур с периодом порядка нанометра наблюдается только один брэгговский максимум, что делает невозможным сколько-нибудь полное определение параметров М.С. Отметим, что применение альтернативных методик таких, например, как Оже- спектроскопия, для М.С. со сверхмалыми периодами невозможно, в силу ограниченности пространственного разрешения этих методов. В диссертации дано развитие метода малоугловой рентгеновской дифракции, делающее его пригодным для диагностики М.С. со сверхмалым периодом.
В теоретических исследованиях свойств наноструктур можно выделить два направления: изучение влияния размеров твердого тела на его физические свойства и задачи коллективного по-
7
ведения нанообъектов. В силу большого, по сравнению с межатомным, расстояния между наночастицами существенную роль в их коллективном поведении играют нелокальные взаимодействия. Так поведение системы однодоменных магнитных частиц во многом определяется их магнитодипольным взаимодействием. Существенную роль в формировании наноструктур играет деформационное взаимодействие. Теоретическому исследованию систем частиц с нелокальным и анизотропным взаимодействием посвящены две главы диссертации. Весь материал диссертации можно разделить на три части: многослойные структуры со сверхмалым периодом (Гл. 1-4), использование процессов самоорганизации для получения низкоразмерных наноструктур (Гл.5) и системы ферромагнитных наночастиц (Гл.6). Далее дадим краткое описание содержания этих глав.
В первой главе диссертации развита методика определения параметров многослойных структур из сверхтонких пленок по малоугловой дифракции рентгеновского излучения. Методика позволяет по угловой зависимости коэффициента отражения рентгеновского излучения найти толщины, плотности и состав пленок, величину размытия границ раздела, характеристики флуктуаций толщин пленок. Стандартный метод основан на анализе угловой зависимости коэффициента отражения монохроматического рентгеновского излучения, снятой в угловом интервале захватывающем не менее трех брэгговских максимумов. Для М.С. со сверхмалыми периодами (менее 2 нм) наблюдается, как правило, лишь один брэгговский максимум, что делает невозможным определение параметров этих структур стандартным методом. Интерес к корот-копериодным М.С. связан с возможностью создания на их основе сред для сверхплотной записи информации [1], [2], устройств
8
диагностики высокотемпературной плазмы, проекционной рентгеновской микроскопии, рентгеновской астрономии [3] и других применений. Ясно, что решение задачи создания короткопериодных М.С. невозможно без развития методик диагностики их параметров. Предлагаемая модификация метода малоугловой рентгеновской дифракции заключается в обработке угловых зависимостей коэффициента отражения рентгеновского излучения с различными длинами волн. По отношению интегральных (по углу) коэффициентов отражения, снятых на различных длинах волн, можно определить плотности и состав пленок, составляющих М.С. Значения толщин пленок и размытия границ определяются но величине и положению брэгговских пиков.
Ключевыми вопросами при построении этой методики являю гея вопросы влияния шероховатостей границ раздела слоев и флуктуаций средних (по шероховатостям) толщин пленок на распространение рентгеновского излучения в многослойной структуре. Шероховатости границ раздела слоев делают задачу вычисления коэффициента отражения от М.С. неодномерной. Однако в диссертации показано, что в широком диапазоне параметров шероховатостей задача сводится к одномерной. Поле в М.С. можно представить в виде ряда по малым флуктуациям диэлектрической проницаемости. При этом нулевым приближением является приближение среднего поля, когда диэлектрическая проницаемость заменяется на свое среднее по шероховатостям значение. Задача в этом приближении является одномерной и, в силу малости глубины модуляции диэлектрической проницаемости, решается методом медленно меняющихся амплитуд. Роль шероховатостей сводится к размытию скачка диэлектрической проницаемости, что формально выражается в перенормировке амплитуд фурье-гармоник. Ко-
9
эффициент отражения при этом не зависит от радиуса взаимных корреляций шероховатостей различных границ. Для определения поправок к нулевому приближению исследовано распространение диффузно рассеянных волн в М.С. в двух предельных случаях корреляции, когда неровности повторяют друг друга (коррелированная структура) и неровности границ статистически независимы (некоррелированная структура). Выяснено, что в коррелированной структуре распределение интенсивности диффузно рассеянных волн существенно зависит от направления их распространения. Если угол между направлением распространения волны и нормалью к М.С. отличается от брэгговского на величину меньшую 1/Лг (Гчт-число эффективно отражающих слоев), то интенсивность таких волн пропорциональна ТУ2. В противном случае интенсивность диффузно рассеянных волн равна интенсивности воли рассеянных одной поверхностью. В некоррелированной структуре интенсивность рассеянных волн пропорциональна интенсивности рассеяния одной поверхностью умноженной на число эффективно отражающих слоев. Условием справедливости приближения среднего поля является условие малости интегральной (по всем углам) интенсивности диффузно рассеянных волн. Анализ показывает, что интегральная интенсивность диффузного рассеяния вне зависимости от взаимной корреляции пропорциональна числу эффективно отражающих слоев. Так как интенсивность излучения отраженного в зеркальном направлении пропорциональна. Л , то рассеянием от М.С. можно пренебречь в широком диапазоне геометрических размеров шероховатостей и использовать для вычисления коэффициента отражения приближение среднего поля. Флуктуации средних по шероховатостям толщин пленок являются еще одним принципиальным дефектом в многослойных структурах. Ко-
10
эффициент отражения от М.С., в которых толщины пленок флуктуируют и статистически независимы является сильно флуктуирующей величиной. Корень из дисперсии коэффициента отражения в этом случае равен среднему по флуктуациям толщин коэффициенту отражения. Таким образом, средний коэффициент отражения является характеристикой ансамбля идентичных структур, но не характеризует отдельно взятую структуру. Упрощающим обстоятельством является то, что коэффициент отражения рентгеновского излучения в кинематическом приближении представляет собой квадрат фурье-образа диэлектрической восприимчивости. Следовательно, проводя обратное фурье-преобразование, можно определить параметры, описывающие флуктуации толщин пленок в М.С. Метод определения толщин пленок в квазипериодических М.С., основанный на фурье-анализе угловой зависимости коэффициента. отражения был предложен в работе [4] и использован в данной методике. Развитая методика апробирована при разработке технологии и определении параметров многослойных рентгеновских зеркал на основе пар материалов Ме(Ее,№,\У,Р1;...)/С, Сг(\¥)/3с и многих других. Методика оказалась очень полезной при создании многослойных структур с перпендикулярной магнитной анизотропией Со/Рс1 и для исследования диффузионных процессов в М.С.(вторая и третья главы диссертации).
Во второй главе диссертации исследуются магнитные свойства многослойных структур с перпендикулярной анизотропией Со/Рс1. Интерес к этим системам связан с возможностью создания на их основе сред для сверхплотной (108бит/см2) записи информации. Перспективными при этом являются материалы с перпендикулярной плоскости пленки ориентацией магнитного момента [1] . В случае продольной ориентации магнитного момента, с уменьшени-
ем размера домена магнитостатическая энергия возрастает. При записи с ориентацией намагниченности перпендикулярно плоскости магнитного носителя, с увеличением плотности записи поля размагничивания уменьшаются, что делает запись более стабильной. Чтобы в отсутствии внешнего магнитного поля магнитный момент был ориентирован перпендикулярно плоскости пленки, необходимо создать в среде магнитную анизотропию с осью перпендикулярной поверхности пленки и энергией К > 27гЛ/2, где М -магнитный момент насыщения. Наиболее перспективными являются два способа получения такой анизотропии: создание материалов с поверхностной анизотропией и анизотропией формы малых магнитных частиц (Гл.5,6). Поверхностная анизотропия возникает вследствие нарушения симметрии обменного взаимодействия на границе ферромагнитной пленки. Величина вклада этой анизотропии в энергию магнитной пленки обратно пропорциональна толщине и становится заметной в реальных материалах только для сверхтонких (~ Ihm) пленок [5] . Поскольку наиболее перспективным способом записи и считывания для этих материалов считается термомагнитооптический способ, то общая толщина носителя не должна существенно превышать глубину проникновения оптического излучения в металл (~ Юнм). Таким образом, проблема получения материалов с перпендикулярной поверхностной анизотропией есть проблема получения М.С. со сверхмалым периодом. Трудности в получении таких структур связаны с необходимостью формирования сверхтонких слоев с высоким качеством интерфейсов. Влияние разупорядочения границ раздела на величину поверхностной анизотропии имеет существенные особенности. В диссертации, в рамках модели псевдодипольного взаимодействия спинов [6] описано возникновение поверхностной маг-
12
нитной анизотропии в многослойных структурах. Поверхностная анизотропия возникает на границе двух материалов благодаря существованию ориентированных перпендикулярно к ней спиновых иеелсвских пар. Плотность энергии анизотропии пропорциональна плотности ’’правильно” ориентированных пар и, следовательно, плотности интерфейсов, что приводит к обратно пропорциональной зависимости энергии анизотропии от периода структзфы. В рамках модели сделаны оценки влияния различных дефектов - шероховатости и диффузионного размытия границ раздела, а также поликристалличсской структуры слоев на величину поверхностной анизотропии в М.С. Показано, что для реальных структур наиболее сильным фактором, уменьшающим анизотропию, является перемешивание материалов на границе. На основе сформулированных физических принципов получения М.С. с перпендикулярной магнитной анизотропией была разработана технология и созданы многослойные структуры Со/Рб, пригодные для термо-мгнитооптической записи и считывания информации. Нами были экспериментально исследованы магнитные свойства структур Со/Рс1. Особое внимание уделено изучению температурных зависимостей магнитных свойств. При исследовании кривых намагничивания образцов методом регистрации аномального эффекта Холла, обнаружено, что форма петли существенно меняется при изменении температуры образца. При низких температурах петля является почти прямоугольной. Намагниченный до насыщения перпендикулярный магнитный момент не меняет своего значения при уменьшении поля пока оно не достигнет значения — На. При повышении температуры величина поля На уменьшается и при температуре Тг обращается в ноль. При температуре больше Тт перпендикулярный магнитный момент в нулевом поле оказы-
вается неустойчивым, что проявляется в значительном уменьшении остаточной намагниченности по сравнению с намагниченностью насыщения. Величина температуры Тг зависит от толщин пленок Со и Pci в многослойной структуре и существенно меньше температуры Кюри. Описанный эффект является обратимым и кривые намагничивания воспроизводятся при изменении температуры пленок от 4К до 400К. На основе полученных результатов сделано предположение о существовании в М.С. спинового ориентационного перехода при температуре Тг. Для проверки этого предположения применен метод ферромагнитного резонанса, позволяющий определять поле магнитной анизотропии в образце. Зафиксирована смена знака эффективной анизотропии при изменении температуры. Результаты ФМР измерений показали, что эффективная магнитная анизотропия в многослойной системе зависит не только от толщины слоев кобальта, но и от температуры. Таким образом, в М.С. Со/Pd зарегистрирован температурный ориентационный переход между плоской и перпендикулярной фазами намагниченности. Были проведены эксперименты по оценке величины обменной связи через прослойки палладия, которые свидетельствуют о малости этой связи по сравнению с обменом в слоях кобальта. Это позволяет утверждать, что исследуемые многослойные структуры являются квазидвумерными в магнитном отношении и ориентационный переход в них имеет такую же природа что и в изолированных сверхтонких ферромагнитных пленках [7], [8] . Ориентационный переход в этих системах связывают с особенностями темиратурных перенормировок констант анизотропии и магнитодипольного взаимодействия в двумерных системах [9], [10]. Отметим, что обнаруженный эффект может быть использован для оптимизации процесса термомагнитооптической запи-
14
си, путем снижения температ}фы записи от температуры Кюри до температуры ориентационного перехода.
В третьей главе диссертации рассмотрены теоретические модели диффузионной релаксации в М.С. из сверхтонких пленок. Актуальность этих исследований связана, в первую очередь, с проблемой создания термостабильных многослойных структур для различных применений. Теоретическое рассмотрение процессов диффузии было инициировано проведенными нами экспериментами по влиянию термического отжига на свойства многослойных рентгеновских зеркал. Для экспериментального исследования диффузии использован метод малоугловой рентгеновской дифракции, а также методы Оже-спектроскопии и электронной микроскопии. Отметим, что многослойные образцы представляют уникаль-н}'ю возможность для изучения диффузии в сверхтонких пленках. Во- первых, в силу геометрии многослойного образца, влияние границ с подложкой и вакуумом несущественно. Во-вторых, малые изменения, происходящие на каждой границе, приводят к значительным изменениям коэффициента отражения рентгеновского излучения, который пропорционален квадрату числа эффективно отражающих слоев в М.С..
Результаты экспериментов по термическому отжигу многослойных рентгеновских зеркал Мс(№,Сг,Ре,УДЬ,Мо,Р^\У)/С показали, что при не очень высоких температурах отжига коэффициент отражения рентгеновского излучения в первом порядке рентгеновской дифракции возрастает, а не падает как можно было бы предположить исходя из обычных представлений о диффузионном размытии концентрационных неоднородностей. Кинетика изменений отражательных характеристик также обладав'г существенными особенностями. Было установлено, что закон изменения первой
15
гармоники диэлектрической проницаемости при больших временах отжига не зависит от начальных условий, а определяется температурой последней стадии отжига. Скорость изменения гармоники сразу после повышения температуры скачком возрастает и с увеличением времени отжига становится пропорциональной 1 /t,t - время отжига. Такая динамика изменения свойств при отжиге является характерной и для других структур (Co/Pd, Mo/Si) из сверхтонких поликристаллических пленок. Более детальные исследования с привлечением методов Оже-спсктроскопии показали, что в зависимости от начальной модуляции концентрации в структуре, увеличение коэффициента отражения рентгеновского излучения сопровождается как уменьшением амплитуды модуляции концентрации углерода (большая начальная модуляция), так и ее увеличением (малая начальная модуляция). Увеличение амплитуды модуляции компонент в процессе отжига однозначно свидетельствует о наблюдении распада в твердом растворе с ограниченной растворимостью компонент. Этот экспериментальный результат привел к необходимости детального теоретического анализа спинодального распада в многослойных структурах. Для объяснения динамики изменения первой гармоники диэлектрической проницаемости при большой начальной модуляции была предложена следующая модель. В процессе отжига атомы углерода диффундируют в металл, образуя раствор внедрения. При этом процесс диффузии атомов металла еще не активирован. Увеличение гармоники диэлектрической проницаемости качественно объясняется переходом атомов углерода в междоузлия металла. Однако это еще не объясняет наблюдавшейся кинетики диффузионных изменений. Мы предположили, что диффузия углерода в пленку металла идет по каналам ориентированным перпендикулярно
16
поверхности пленки. Это предположение основано на результатах электронномикроскопических исследований структур, свидетельствующих об их поликристаллическом строении, и известном факте больших коэффициентов диффузии по границам зерен в поликристаллах [11] . Известно также, что коэффициент зернограничной диффузии существенно зависит от структуры границы и, вообще говоря, различен для различных границ в поликристаллическом образце. Таким образом, в пленке металла существуют независимые каналы (оттоком в объем зерен пренебрегаем) зернограничной диффузии. В каждом канале изменение концентрации примеси описывается диффузионным уравнением, в котором коэффициент диффузии D является случайной величиной с известной функцией распределения P(D). Если энергии активации распределены равномерно в некотором интервале энергий, то P(D) ~ І/D. В рамках этой модели найден закон изменения амплитуды фурье-гармоники концентрации углерода и показано его качественное соответствие результатам эксперимента. С увеличением времени отжига все большее число каналов становятся ’’занятыми”, что приводит к уменьшению скорости изменения параметров. Увеличение температуры позволяет атомам углерода. диффундировать в каналах с большими энергиями активации диффузии. Предложенная модель представляет интерес не только как гипотеза, объясняющая особенности диффузии в структурах Me/С, но и как обобщение известных моделей зернограничной диффузии [11] на случай статистически различных коэффициентов диффузии и может быть полезна для понимания закономерностей диффузии в поликристаллических материалах.
Как отмечалось, кинетика диффузионной релаксации с выходом на квазистационарную (с логарифмическим изменением пара-
17
метров) стадию является типичной не только для структур Ме/С, но и для других многослойных образцов, состоящих из поликри-сталлических пленок. Это заставило обратиться к поиску иного, отличающегося от описанного выше, механизма. Универсальным для твердых растворов с различными атомарными радиусами компонент является деформационный механизм взаимодействия атомов. Простейшая теоретическая модель для описания этого взаимодействия основана на представления об атомах примеси как дилатационных центрах [12] . В рамках этой модели кристаллическая матрица описывается как упругий континуум, а примесный атом как дельтаобразный источник сил. Энергия взаимодействия примесей пропорциональна гидростатическому давлению, создаваемому одним атомом в точке расположения другого. Известно, что в упругоизотропиой неограниченной матрице дилатационные центры создают лишь сдвиговые напряжения и не взаимодействуют. Вопрос об особенностях деформационного взаимодействия в поликристаллах ранее не рассматривался. В диссертации показано, что средняя (по флуктуациям упругих модулей) энергия взаимодействия дилатационных центров в статистически однородной и изотропной матрице (поликристалле без текстуры) равна нулю, а высшие моменты энергии взаимодействия, например дисперсия, отличны от нуля. Таким образом, энергия взаимодействия примесей в ноли кристалл и ческой матрице является случайной знакопеременной величиной со средним значением равным нулю. Анализ особенностей диффузии в системе частиц со столь сложным взаимодействием выходит за рамки диссертации. Однако, известно [13], что знакопеременность энергии взаимодействия приводит к ’’стекольным’5 особенностям в поведении, в частности к замедлению релаксации. Эго связано с наличием большого числа близких
18
по энергии метастабильных состояний в конфигурационном пространстве подобных систем. Возможно, что наблюдавшиеся особенности диффузии связаны с заполнением каналов релаксации не в координатном, а в конфигурационном пространстве. Анализ деформационного взаимодействия примесных атомов в поликри-сталлических материалах представляет самостоятельный интерес для понимания физики структурных превращений в твердых телах.
В четвертой главе диссертации теоретически исследуется диффузионная релаксация в М.С., состоящих из сверхтонких пленок металлов с ограниченной растворимостью. Эти исследования направлены на объяснение спинодального распада в М.С., наблюдавшиеся нами экспериментально, а также на выяснение возможности использования материалов с ограниченной растворимостью (Ге/Сг, Со/Си) для создания термостабильных М.С. со сверхмалыми периодами. Рассмотрение проведено в рамках модели Кана-Хилларда [14] , которая приводит к следующему диффузионному уравнению:
=-Д(Дс+2(с-с3)).
Равновесные концентрации фаз в выбранных переменных равны ±1, толщина межфазной границы принята за единицу. Конечность ширины межфазных границ приводит к их экспоненциапьно малому взаимодействию. Это взаимодействие, в свою очередь, ведет в одномерном случае к существованию специфических стационарных состояний: периодической структуре, состоящей из доменов различных фаз и критическому зародышу новой фазы. Каждая фазовая граница имеет форму кинка (антикинка) с экспоненциальными асимптотиками. Эти стационарные решения являются нестабильными. Изолированный одномерный зародыш (слой) но-
19
вой фазы растет или растворяется в зависимости от соотношения его толщины и размера критического зародыша, логарифмически зависящего от пересыщения в системе. Ранее было показано [15] , что периодическое распределение концентрации неустойчиво относительно удвоения периода структуры. Нами детально исследована нелинейная стадия распада в одномерных системах, т.е. в случае когда концентрация компонент зависит лишь от одной переменной. Найдено, что закон диффузионного роста (растворения) тонкого слоя существенно отличается от корневого, известного для толстых слоев. Для произвольного одномерного распределения получена система уранений на координаты межфазных границ и показано, что конкретный сценарий удвоения периода в М.С. зависит от общего числа пленок. С методической точки зрения, наиболее важным результатом является доказательство справедливости в одномерном случае представления о движущихся без существенных искажений межфазных границах. В диссертации показано, что несмотря на экспоненциальное уменьшение скорости диффузионной релаксации с ростом толщины слоев, для сверхтонких пленок эта скорость может быть вполне заметной. Если, например, принять, что толщина межфазной границы порядка межатомного расстояния, а период М.С. равен десяти межатомным расстояниям, то скорость диффузии уменьшается примерно в 30 раз. Этого может оказаться недостаточно для создания термостабильных структур. С другой стороны, это обстоятельство позволяет рассчитывать на возможность экспериментального наблюдения процессов удвоения в М.С., что явилось бы убедительным подтверждением адекватности наших представлений о спино-дальном распаде в твердых растворах.
В пятой главе диссертации рассмотрены возможности получе-
20
ния низкоразмерных наноструктур с использованием различных неустойчивостей поверхности твердого тела. Использование процессов самоорганизации является перспективным направлением в решении проблемы создания низкоразмерных наноструктур. Так, например, в работе [16] получены системы наночастиц с уникальными магнитными свойствами при распаде твердого раствора Со/Си. Основной задачей при использовании самоорганизации является получение упорядоченных систем нанообъектов с малыми флуктуациями их геометрических характеристик. В этой связи актуальной становится задача управления процессами, приводящими к самоорганизации структур.
В первом параграфе этой главы рассмотрен вопрос о возможности возникновения периодических структур при распаде твердого раствора. Можно предположить, что из-за немонотонной зависимости декремента затухания периодических возмущений концентрации от их волнового числа возможно образование периодических структур уже на ранних стадиях расслоения. Однако, в [17] указано на ошибочность этого вывода. Суть возражений сводится к тому, что отношение ширины области неустойчивости к значению волнового числа, при котором достигается максимум инкремента порядка единицы и на линейной стадии не успевает выделиться единственный масштаб. В диссертации показано, что в тонкой пленке распадающегося твердого раствора, контактирующей с насыщенным паром, возможно образование периодических распределений концентрации уже на линейной стадии. Ес.яи раствор находится в контакте с насыщенным паром, концентрация которого соответствует средней концентрации раствора, то в условиях расслоения пар становится неравновесным и форма поверхности твердого раствора меняется. Возникновение нескомпенсирован-
21
ных потоков на поверхности изменяет вид граничных условий для уравнения диффузии и существенно влияет на спектр неустойчивых концентрационных волн. Показано, что для пленок толщина которых не превышает корреляционной длины в растворе, область неустойчивости сужается. В этих условиях возможно образование периодических структур на ранних стадиях расслоения. Структуры представляют собой совместное распределение концентрации и модуляции толщины пленки и в случае изотропного раствора имеют гексагональную симметрию. Таким способом можно формировать, например, двумерные решетки магнитных наночастиц (из растворов Fe/Cr, Co/Cu) набольших площадях (~ 1cm2). При этом были бы решены многие проблемы измерения их магнитных свойств (подробнее о трудностях измерения магнитных свойств наночастиц в шестой главе диссертации).
Методы литографии сталкиваются с серьезными трудностями при получении двумерных систем наночастиц, размер которых в плоскости существенно меньше размера вдоль нормали к образцу. Система таких анизотропных магнитных частиц, например, представляет интерес как среда для сверхплотной записи информации. В диссертации предложена и экспериметально реализована идея использования пористого кремния для получения системы сверхтонких ферромагнитных нитей. В последние годы число исследований посвященных пористому кремнию резко возросло, что связано, в первую очередь, с перспективами использования этого материала в оптоэлектронике [18]. Несмотря на большое количество работ, вопрос о механизме формирования и морфологии пористого слоя, образующегося в результате электролитического травления кремния в кислоте, остается открытым. Выяснено, что одной из лимитирующих стадий этого процесса является посту-
22
пление дырок из объема 81, необходимых для химической реакции приводящей к травлению. Если этот подвод носит диффузионный характер, то возможным механизмом развития неустойчивости является механизм Маллинза-Секерки (эта неустойчивость обсуждается в четвертой главе диссертации).
Идея состоит в использовании пористой подложки 81 для последующего гальванического высаживания ферромагнитного материала. Для образцов кремния с различным типом легирования определены параметры электрохимического травления, при которых пористый слой имеет структуру ориентированных перпендикулярно поверхности тонких каналов. Диаметр пор определяется типом легирования используемого кремния, а длина - временем обработки. Были получены пористые матрицы с диаметром каналов 100 нм и 15 им и длиной 30 мкм. Датее были определены параметры процесса гальванического высаживания, прикоторых происходит заполнение пор ферромагнитным материалом (Ее,№). Таким образом, получена система тонких изолированных ферромагнитных нитей, ориентированных перпендикулярно поверхности кремниевой пластины.
Магнитные свойства образцов изучены методом ФМР и вибро-магнигометрии. Показано, что образцы с диаметром никелевых нитей менее 20 нм и плотностью упаковки (отношение суммарного объема нитей к объему образца) 0.2 обладают одноосной магнитной анизотропией в направлении нитей с полем анизотропии 1кЭ. Поле корцитивности при перпендикулярном намагничивании составляет 0.25 кЭ. Эти параметры существенно меньше анизотропии и коэрцитивности тонкого магнитного цилиндра. Известно [19], что для бесконечного магнитного цилиндра, радиус которого меньше так называемой магнитной длины (для N1 эта длина соста-
23
- Київ+380960830922