Электропроводность тонких пленок Ni и сплавов Ni-Cu в слабых магнитных полях в интервале температур 100-700 К

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ТОНКИХ ПЛЕНОК Ni И СПЛАВОВ Ni-Cu В СЛАБЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ В ИНТЕРВАЛЕ ТЕМПЕРАТУР 100-700 К

В.Б. Лобода*, канд.физ.-мат.наук, доц.; С.Н. Пирогова**, асп.;

Ю.А. Шкурдода**, асп.

* Сумский государственный университет,

** Сумский государственный педагогический университет им. А.С. Макаренко

ВВЕДЕНИЕ

Физические свойства металлов в виде тонких пленок представляют интерес благодаря тому, что в этих объектах реализуются специфические эффекты, не наблюдаемые в массивных образцах. Совокупность таких эффектов получила обобщенное название размерных эффектов.

Размерные эффекты проявляются в том случае, когда какая-либо характерная длина в данном физическом явлении (длина свободного пробега носителей тока л, ларморовский радиус r и др.) становится сравнимой с толщиной d пленки (внешние размерные эффекты) или с размерами кристаллитов в пленке (внутренние размерные эффекты).

Отдельное место в физике пленок занимают пленки магнитоупорядоченных веществ (Ni, Fe, Co и магнитных сплавов). Это связано с тем, что они позволяют решить ряд фундаментальных проблем для «двумерного магнетизма», а также тем, что они обладают целым рядом специфических магнитных свойств: специфическая доменная структура и связанная с ней магнитная анизотропия, «рябь намагниченности» и др. [1,2] В последнее время к ним прибавилось явление гигантского магнитосопротивления (ГМС), что привлекло особенно большое внимание к магнитным пленкам и сейчас является предметом всесторонних исследований.

Особую значимость исследования свойств магнитных пленок приобретают в связи с их широким использованием в современной микроэлектронике [3,4,5].

Выбор в качестве объектов исследования пленок сплавов Ni-Cu был обусловлен рядом причин. Во-первых, Ni является отличным кандидатом для изучения магнитных свойств в зависимости от толщины, т.к. имеет самую низкую точку Кюри (ТС = 631 К) в ряду ферромагнитных металлов (Fe, Co); во всем интервале толщин и температур Ni, в отличие от Fe и Co, не имеет полиморфных переходов, сохраняя ГЦК-решетку, ответственную за ферромагнетизм. С увеличением толщины пленки никеля демонстрируют как зависимость ТС от толщины, так и переход от двумерных «изинговских» магнетиков к трехмерным «гейзенберговским» [6,7]. Во-вторых, в сплавах Ni-Cu как в массивном состоянии, так и в пленочном [8], во всем интервале концентраций компонент (0-100%) сохраняется ГЦК-решетка, при этом по мере увеличения концентрации Cu наблюдается постепенное «ослабление» ферромагнитных свойств (понижение ТС и др.) [9]

Таким образом, пленочные сплавы Ni-Cu являются наиболее простыми, как бы «модельными», для изучения их свойств, кроме этого, к настоящему времени электрические и в особенности гальваномагнитные свойства пленочных сплавов малоизученны.

Исходя из вышесказанного, целью данной работы является установление зависимости гальваномагнитных свойств пленочных сплавов Ni-Cu от концентрации компонент и толщины в температурном интервале 100-700 К и сопоставление полученных зависимостей с аналогичными для пленок Ni.

1 МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Пленки Ni и сплавов Ni-Cu толщиной d = 10-150 нм были получены в вакуумной установке ВУП-5М (давление остаточной атмосферы 10-3-10-4 Па). Сплавы получались раздельным испарением компонент по методике, детально описанной в [8]. Конденсация пленок производилась при отсутствии внешнего ориентирующего магнитного поля (если не учитывать магнитное поле Земли).

Толщина пленок d измерялась при помощи микроинтерферометра МИИ-4 с лазерным источником света (миниатюрный полупроводниковый лазер с л = 647 нм) и компьютерной системы регистрации интерференционной картины (цифровая фотокамера с передачей изображения в компьютер). Это позволяло существенно упростить процесс измерения толщины и обрабатывать изображение полученной интерференционной картины непосредственно на экране монитора компьютера. На рис.1, в качестве иллюстрации, представлена типичная интерференционная картина от пленочного образца с d = 84 нм. При таком способе удается несколько уменьшить погрешность измерения толщины d, особенно в области d < 50 нм.

Рисунок 1 - Интерференционная картина для расчета толщины пленки

Концентрации компонент сплавов определялись, как и в [8], расчетным путем, а также рентгеновским микроанализом (растровый электронный микроскоп РЭМ-103-01 с приставкой ЭДС для проведения рентгеновского микроанализа). Так как количество вещества в пленочных образцах чрезвычайно мало, то характеристический рентгеновский спектр возбуждался при сканировании электронным пучком участка пленки с размерами 300300 мм. Это позволяло получать интегрированные данные об элементном составе пленки, не перегревая ее электронным пучком.

Так как фазовый состав и электрические свойства пленок существенно зависят от условий конденсации и, в первую очередь, от давления и состава остаточной атмосферы, то нами были также проведены масс-спектрометрические исследования состава полученных пленок сплава Ni-Cu с помощью вторично-ионного масс-спектрометра (ВИМС) МС-7201М. К сожалению, данным прибором весьма затруднительно проводить количественные исследования состава пленочных образцов (отсутствие пленочных эталонов), поэтому эти измерения носят качественный характер.

Отжиговые эксперименты для стабилизации структурного состояния пленок и измерения зависимости электросопротивления от температуры производились как в ВУП-5М при отсутствии магнитного поля, как и в [8,10], так и в специально изготовленной установке в условиях сверхвысокого безмасляного вакуума (10-6-10-7 Па) в постоянном магнитном поле напряженностью Н = 8 kА/м (100 Ое). Принципиальная схема этой установки приведена на рис.2. В этой же установке производились и измерения магнитосопротивления (МС) образцов.

Основными элементами установки являются прогреваемая до 700 К рабочая камера (7), емкость для жидкого азота (8) и электромагнит (6). Насосы (1) и (5) позволяют с помощью коммутирующих вентилей (3) и (4) производить откачивание рабочей камеры до предварительного (10-1 Па, механический форвакуумный насос 2НВД-5М) и сверхвысокого (10-7 Па, магниторазрядный насос НМДО-0,25) вакуума.

Рисунок 2 - Схема установки для отжига и измерения МС: 1 - механический насос;2, 9 - монометрические преобразователи ПМТ-2 и ПМТ-32; 3,4 - запорные вентили ДУ-6 и ДУ-40; 5 - магниторазрядный насос; 6 - электромагнит; 7 - рабочая камера; 8 - емкость для жидкого азота; 10 - образцы.

Рабочая камера изготовлена из диамагнитной нержавеющей стали. Камера расположена между полюсами электромагнита, создающего в межполюсном зазоре однородное магнитное поле с напряженностью Н до 96 kА/м (1200 Ое). Электромагнит может вращаться вокруг своей оси в горизонтальной плоскости, что позволяет изменять направление магнитного поля относительно исследуемых образцов.

Пленочные образцы на стеклянных подложках укрепляются на плоском дне тонкостенной емкости (8) из нержавеющей стали, приваренной в верхней своей части к съемному фланцу рабочей камеры. В этом же фланце расположены все необходимые токовводы. Боковая внешняя поверхность емкости может прогреваться нихромовым нагревателем до 700 К. Такая конструкция держателя образцов позволяет, заливая в емкость (7) жидкий азот, охлаждать образцы до 100 К или нагревать их до 700 К, что давало возможность производить отжиги образцов (в магнитном поле и без него), а также проводить измерения продольного и поперечного МС (поворачивая электромагнит на 90°). Методика измерения МС детально описана в нашей предыдущей работе [10]. Температура образцов контролировалась медь-константановой термопарой с погрешностью ±10 К.

2 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

2.1 ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТАВА ПЛЕНОЧНЫХ СПЛАВОВ

На рис.3 представлен, в качестве иллюстрации, характеристический рентгеновский спектр от пленочного образца сплава Ni-Cu толщиной d = 54 нм на стеклянной подложке с концентрациями компонент 96,8 ат.% (Ni) и 3,2 ат.% (Сu).

Рисунок 3 - Характеристический рентгеновский спектр от пленочного образца сплава Ni-Cu (d = 54 нм)

Левая часть спектра характеризует состав подложки, правая - состав пленки. Результаты такого анализа свидетельствуют о довольно высокой чистоте пленочных образцов и позволяют оценить точность расчетного метода. В таблице 1 представлены для сравнения расчетные концентрации пленочных сплавов Ni-Cu разной толщины и результаты рентгеновского микроанализа этих образцов.

Эти данные говорят о том, что в области толщин d < 100 нм расхождение между расчетным и измеренным значениями концентрации составляет около 10%. При толщинах образцов d > 100 нм расхождение уменьшается до 1-2%. Это вполне объясняется тем, что относительная погрешность измерения толщин пленок d с помощью интерферометра МИИ-4 уменьшается с ростом толщины измеряемых пленок.

На рис.4, для иллюстрации, представлен масс-спектр вторичных ионов, полученных от пленки толщиной d ? 100 нм на стеклянной подложке с промежуточным слоем Al методом ВИМС. Данный проводящий слой Al необходим для снятия электростатического заряда с исследуемого образца при его бомбардировке ионами Ar.

Из масс-спектра видно, что пленка достаточно чистая - нет монооксидов, нитридов и других химических соединений на основе этих металлов. Пики О+, Na+, Al+ соответствуют материалу подложки. По мере травления пленки ионами Ar не происходит перераспределения интенсивностей линий соответствующих изотопов Ni и Cu, что позволяет говорить о достаточной однородности пленки по толщине.

Таблица 1 - Расчетные и измеренные концентрации С компонент пленочных сплавов Ni-Cu разной толщины.

Рисунок 4 - Полный масс-спектр вторичных ионов пленки сплава Ni-Cu

2.2 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ТОНКИХ ПЛЕНОК NI И СПЛАВОВ NI-CU

Согласно [9] для массивных образцов сплавов Ni-Сu величина удельного электросопротивления с изменяется в пределах от с = 1,7·10-8 Ом·м (100ат.% Cu) до 6,8·10-8 Ом·м (100ат.% Ni), при этом в области концентраций Cu около 57 ат.% наблюдаются аномально большие значения с ? 52·10-8 Ом·м. ТКС в ведет себя аналогично - изменяется от в = 4·10-3 К-1 (100 ат.% Cu) до в = 6,8·10-3 К-1 (100 ат.% Ni), проходя, однако, при этом через минимум в ? 0 при CCu = 40-80 ат.%.

На рис.5 представлены типичные зависимости удельного электросопротивления с (рис.5а) и ТКС (рис.5б) от температуры для пленок Ni и сплавов Ni-Cu примерно одинаковой толщины, но разных концентраций компонент. Эти зависимости получены для образцов, прошедших стабилизирующий отжиг до 700 К в вакууме в течение 3-4 циклов «нагрев-охлаждение».

Общие черты поведения зависимости с(Т) и в (Т) аналогичны соответствующим зависимостям этих параметров электропроводности для массивных образцов. Для пленок Ni излом графика зависимости с(Т) соответствует точке Кюри (рис.5а для пленки Ni с d = 60 нм) ТС = 620 К. В этой точке, как и для массивных образцов, наблюдается острый максимум на графике зависимости ТКС в (Т) (рис.5б). Некоторое уменьшение ТС по сравнению с массивными образцами (ТС = 631 К) объясняется размерным эффектом ТС = ТС(d) для пленочных образцов и является известным фактом [1].

Рисунок 5 - Зависимости удельного электросопротивления с (а) и ТКС (б) для пленок Ni и сплавов Ni-Cu

Метод определения ТС по экстремуму графика зависимости в (Т) широко применяется для определения точки Кюри в пленках [1]. Мы попытались использовать этот метод для определения ТС пленочных сплавов Ni-Cu (для массивных образцов данных сплавов ТС линейно уменьшается с увеличением концентрации Cu до 90 К при CCu = 50 ат.% [9]). Для пленок с CCu = 4 ат.% графики зависимостей с(Т) и в (Т) (рис.5б) похожи на соответствующие графики зависимостей с(Т) и в (Т) для пленок Ni с учетом уменьшения ТС, обусловленного концентрационным (присутствие Cu) и размерным эффектами. На графике зависимости в (Т) для пленок этого сплава четко прослеживается острый максимум при ТС = 550 К, что неплохо коррелирует со значением ТС = 570 К [9] для массивных образцов сплава с CCu = 4 ат.%.

Однако при дальнейшем увеличении концентрации Cu (рис.5б для CCu = 14 ат.% и CCu = 31,6 ат.%) на графике зависимости в (Т) максимум становится «расплывчатым», что не позволяет четко фиксировать ТС (для массивных образцов ТС = 398 К (CCu = 14 ат.%) и ТС = 293 К (CCu = 31,6 ат.%)).

Таким образом, данный метод определения точки Кюри может использоваться для пленок сплава Ni-Cu до CCu < 10-12 ат.%.

Относительно самих значений величин удельного сопротивления с и ТКС пленок сплавов можно сказать, что эти значения, с учетом размерного эффекта электропроводности [11], коррелируют с соответствующими значениями этих величин для массивных образцов сплавов Ni-Cu (более детально см. в [8]).

2.3 ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫХ СВОЙСТВ ТОНКИХ ПЛЕНОК СПЛАВОВ NI-CU

На рис.6 представлены типичные зависимости продольного (¦) и поперечного (+) МС тонких пленок сплавов Ni-Cu с различной концентрацией компонент для двух температур измерений 150 К и 300 К. Все образцы прошли одинаковую термообработку (3-4 цикла «нагрев-охлаждение») в постоянном магнитном поле напряженностью Н = 8 kА/м (100 Ое).

Рисунок 6 - Зависимости продольного (¦) и поперечного (+) МС от напряженности внешнего магнитного поля для пленок сплава Ni-Cu разной концентрации.

Общие черты зависимости величины МС от величины и направления внешнего магнитного поля согласуются с данными [1,10,12] для пленок Ni в слабых магнитных полях. Для всех образцов с СCu > 35 ат.% эффект МС практически не наблюдается даже при Т = 150 К, хотя для массивных образцов сплавов с СCu = 35-45 ат.% точка Кюри находится в пределах ТС = 270-150 К [9], следовательно эти сплавы при Т = 150 К должны быть ферромагнитными.

По сравнению с образцами, отожженными при отсутствии внешнего магнитного поля [13], в пленках прошедших отжиг в магнитном поле гистерезисные явления МС проявляются более четко, величина ?Rmax/R0 достигает бульших значений (0,7% против 0,2-0,3% при Т = 300 К для образцов с СCu = 12-15 ат.%), а насыщение зависимости ?R(Н)/R0 достигается в меньших полях (Н = 8-10 kА/м против Н = 30-50 kА/м). При этом петли гистерезиса МС становятся «более прямоугольными».

Такая форма петли говорит о существенных отличиях в доменной структуре пленок, прошедших отжиг в магнитном поле, по сравнению с пленками, отожженными без магнитного поля.

Известно [1], что в пленках, сформированных без присутствия внешнего магнитного поля, домены имеют форму неправильных клиньев, и процесс перемагничивания таких пленок происходит путем роста энергетически выгодных «старых» и появления «новых» клиноподобных доменов, пока новая доменная фаза не заполнит весь объем пленки. При этом на краях пленки остаются островки-клинья предыдущей магнитной фазы. Петля магнитного гистерезиса таких пленок наклонена. Увеличение наклона петли связано с подавлением краевых клиновидных доменов внешним полем.

В пленках, прошедших термомагнитную обработку, доменная структура существенно проще. Домены имеют вид полос, ориентированных вдоль и против направления внешнего поля. Процессы перемагничивания таких пленок происходят путем увеличения ширины энергетически выгодных доменов (смещением доменных стенок), пока новая доменная фаза не заполнит весь объем пленки. Количество клиновидных доменов на краях таких пленок незначительно. Это приводит к тому, что форма петли магнитного гистерезиса близка к прямоугольной, а сам процесс перемагничивания происходит скачкообразно в узком интервале напряженностей внешнего магнитного поля и при меньших ее значениях. Проявление этих механизмов перемагничивания, очевидно, сказывается и на формах петель гальваномагнитного гистерезиса, однако нам неизвестны работы, в которых бы детально была исследована эта связь.

Обобщенные результаты гальваномагнитных измерений для пленок Ni и сплавов Ni-Cu разной толщины и концентрации компонент представлены на рис.7-8. На рис.7 приведено семейство графиков температурной звисимости величины максимального продольного МС

Рисунок 7 - Температурная зависимость продольного МС (?Rmax/R0 ¦) для пленок Ni (а)и сплавов Ni-Cu (б)

Характерной особенностью этих зависимостей является наличие максимума ?R/R0 в области низких температур Т = 200-250 К. Для пленок Ni положение этого максимума слабо зависит от толщины пленки (рис.7а), а с ростом толщины пленок максимум становится более четко выраженным. Для пленочных сплавов (рис.7б) положение максимума МС существенно зависит от концентрации компонент и с увеличением содержания Cu в сплавах максимум смещается в область более низких температур.

Величина ?Rmax/R0 для пленок Ni определяется толщиной пленки и достигает значения 1,5% для пленок с d = 170 нм, что соответствует максимальному значению продольного МС для массивных образцов никеля [9].

Подобные аномальные температурные зависимости МС (пики магнитосопротивления) наблюдались в совершенно других пленочных структурах - мультислойных пленках Co/Cu [14] и в Ni/Cu [15]. Пленочные многослойные образцы в обоих случаях были получены магнетронным распылением на стеклянных подложках. При исследованиях МС как функции толщины медной прослойки были обнаружены максимумы МС на его температурной зависимости. Как и в нашем случае, при увеличении количества Cu в образцах (увеличение толщины медной прослойки) наблюдалось смещение положения максимумов МС в сторону более низких температур. Авторы этих работ объясняют этот факт значительным увеличением магнитной анизотропии с уменьшением температуры. Появление значительной анизотропии связывается с существованием в таких структурах антиферромагнитного упорядочения, а положение максимума МС соответствует точке Нееля. По нашему мнению, такая ситуация (антиферромагнитное упорядочение) может возникать и в сплавах Ni-Cu в процессе их получения по нашей методике. Однако эти предположения требуют дальнейшей экспериментальной проверки.

На рис.8 представлены температурные зависимости коэрцитивной силы НС, полученные из петель гистерезиса МС для пленок никеля и сплавов Ni-Cu.

Рисунок 8 - Температурная зависимость величины коэрцитивной силы НС для пленок Ni и сплава Ni-Cu

Большое значение НС для пленок Ni с d = 10 нм было объяснено нами в [10]. Для более толстых пленок Ni (d > 30-40 нм) наблюдается как уменьшение величины самой НС, так и менее резкое ее возрастание с понижением температуры. Увеличение содержания Cu в сплавах до 20 ат.% мало сказывается как на величине НС, так и на характере ее температурной зависимости. Однако для всех исследованных образцов сплавов, как и для пленок Ni, НС возрастает при понижении температуры. Причиной этого может быть зависимость коэрцитивной силы от константы анизотропии К (НС = 2К/МS, где МS - спонтанная намагниченность), т.к. согласно Керру [1] К очень сильно зависит от температуры. Этот факт отмечается также и в работах [14,15].

ВЫВОДЫ

На основании результатов проведенного анализа состава пленок сплава Ni-Cu (ВИМС и рентгеновский микроанализ) можно заключить, что полученные пленки имеют довольно высокую чистоту, их химический состав коррелирует с расчетным.

Температурные зависимости удельного электросопротивления и ТКС пленок сплава при небольших концентрациях Cu (10-12 ат.%) подобны соответствующим зависимостям для пленок Ni, что позволяет определить точку Кюри таких сплавов.

Установлено, что величина МС ?Rmax/R0 для образцов сплавов с СCu < 15 ат.%, прошедших отжиг до 700 К в магнитном поле с Н = 8 kA/м, по сравнению с образцами, отожженными без магнитного поля, увеличивается в 2 - 2,5 раза; насыщение зависимости ?R(Н)/R0 достигается в полях с Н меньшей в 4-5 раз. Петли гистерезиса МС для таких образцов имеют прямоугольную форму.

Обнаружена аномальная зависимость величины МС ?Rmax/R0 сплавов Ni-Cu от температуры.

Авторы считают своим приятным долгом выразить глубокую благодарность доктору физико-математических наук, профессору Проценко И.Е. за поддержку данных исследований.

SUMMARY

The researches of chemical compound and conductivity of thin films of Ni and alloys Ni-Cu in weak magnetic fields (100 Oe) in temperature interval 100-700 K in conditions of ultrahigh vacuum are spending. The results of measurements of dependence of value of resistivity, temperature coefficient of resistivity, magnetoresistance and coercive force Нс from temperature for the films of various thickness d = 10-150 nm (Ni) and components concentrations (Ni-Cu alloys) are submitted.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Тонкие ферромагнитные пленки/Под ред. Р.В. Телеснина/Пер. с нем. - М.: Мир, 1964. - 360 с.

Poulopoulos P., Baberschke K. Magnetism in Thin Films//J.Phys.: Condens. Matter. - 1999. - № 11. - Р. 9495-9515.

Сланский Н.М., Ерухимов М.Ш. Физические свойства и применение магнитных пленок. - Новосибирск: Наука, 1975. - 222 с.

Иванов Р.Д. Магнитные металлические пленки в микроэлектронике. - М.: Сов.радио, 1980. - 192 с.

Фролов Г.И. Пленочные носители для устройств памяти со сверхплотной магнитной записью//Журнал технической физики. - 2001. - Т.71, Вып.12. - С. 50-57.

Huang F., Kief M.T., Mankey G.J. and others. Magnetism in the few-monolayers limit: A surface magneto-optic Kerr-effect study of the magnetic behavior of ultrathin films of Co, Ni, and Co-Ni alloys on Cu(100) and Cu(111)//Phys. Rev. B. - 1994. - V. 49. - №6. - P. 3962-3971.

Снигирев О.В., Тишин А.М., Гудошников С.А. и др. Магнитные свойства ультратонких пленок Ni//ФТТ. - 1998. - Т.40, №9. - С. 1681-1685.

Лобода В.Б. , Пирогова С.М. , Проценко C.І. Структура та електрофізичні властивості плівок сплаву Ni-Cu в температурному інтервалі 300-700 К//Вісник СумДУ, Серія Фізика, математика, механіка. - 2001. - №3-4. - С. 74-83.

Таблицы физических величин: Справочник/Под ред. акад. И.К. Кикоина - М.: Атомиздат, 1976. - 1008 с.

Лобода В.Б., Пирогова С.М., Шкурдода Ю.О. Структура та гальваномагнітні властивості плівок Ni//Вісник СумДУ. Серія Фізика, математика, механіка. - 2002. - №13. - С. 150-158.

Чопра К.Л. Электрические явления в тонких пленках. - М.: Мир, 1972. - 435 с.

Viret M., Vignoles D., Cole D. and other. Spin Scattering in Ferromagnetic Thin Films//Phys. Rev. B. - 1996. - V.53. - Р. 8464-8468.

Лобода В.Б., Пирогова С.Н., Шкурдода Ю.А. Магнитосопротивление тонких пленок сплавов Ni-Cu//Тонкие пленки в оптике и электронике: Сб. докладов 15-го Международного симпозиума. - Харьков: ННЦ ХФТИ. - 2003. - С.225-229.

Ким П.Д., Халяпин Д.Л., Турпанов И.А. и др. Аномальная температурная зависимость магнито-сопротивления в мультислоях Co/Cu//Физика твердого тела. - 2000. - Т.42, Вып.9. - С.1641-1643.

Kubota H., Sato R., Miyazaki T. Anomalous temperature dependence of the giant magnetoresistance in Ni/Cu, Ni95Co5/Cu and Ni95Fe5/Cu multilayer films // J.Magn.Magn.Mater. - 1997. - V.167. - is.1-2.. - P.12-20.