Структура, електропровідність та гальваномагнітні властивості тонких плівок сплаву Fе0,5-Nі0,5
Дослідження кристалічної структури, гальваномагнітних властивостей та доменної структури плівок сплаву Fe0,5-Ni0,5. Особливості використання такого сплаву у техніці для створення магнітопроводів, осердь електромагнітів, які є магнітом’яким матеріалом.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | статья |
| Язык | украинский |
| Дата добавления | 23.10.2010 |
| Размер файла | 4,0 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
СТРУКТУРА, ЕЛЕКТРОПРОВІДНІСТЬ ТА ГАЛЬВАНОМАГНІТНІ ВЛАСТИВОСТІ ТОНКИХ ПЛІВОК СПЛАВУ FE0,5-NI0,5
В.Б.Лобода, канд.фіз.-мат. наук, доц.;
В.О.Кравченко, викладач;
Ю.О.Шкурдода, асп.;
С.М.Пирогова, асп.
ВСТУП
Інтерес до вивчення тонких магнітних плівок обумовлений рядом обставин. Зокрема, в них спостерігаються явища, що не властиві масивним магнетикам, такі, як особлива доменна структура та процеси перемагнічування, специфічні види магнітної анізотропії та ін. Останнім часом до них слід додати явище гігантського магнітоопору, відкриття якого привело до значного збільшення публікацій, що стосуються цих об'єктів. Крім того, для вивчення плівкових об'єктів можна використовувати методи, які не застосовуються до масивних матеріалів (магнітооптичні ефекти Керра та Фарадея, електронно-мікроскопічні методи дослідження кристалічної та доменної структури).
Практичне використання тонких плівок, в тому числі й феромагітних металів, пов'язане з їх застосуванням в багатьох галузях техніки, зокрема як елементів мікроелектроніки та обчислювальної техніки. Досить перспективним є створення елементів пам'яті ЕОМ на базі магнітних плівок (полікристалічних плівок з плоскими доменами та магнітних монокристалічних або аморфних плівок з циліндричними доменами). У більшості випадків для елементів мікроелектроніки використовують сплави (ніхром, феросплави), властивості яких добре відомі в масивному стані. Разом з тим одержані вакуумним випаровуванням тонкі плівки таких матеріалів можуть мати, крім відомих в масивному стані властивостей, ще й ряд специфічних, пов'язаних з проявами зовнішнього чи внутрішнього розмірних ефектів.
Метою наших досліджень було вивчення кристалічної структури, електричних і гальваномагнітних властивостей та доменної структури плівок сплаву Fe0,5-Ni0,5. Такий сплав у масивному стані широко використовується в техніці (пермалой 50Н) для створення магнітопроводів, осердь електромагнітів та ін., які є магнітом'яким матеріалом.
1. МЕТОДИКА ТА ТЕХНІКА ЕКСПЕРИМЕНТУ
Отримання плівкових зразків здійснювалося електронно-променевим випаровуванням вихідного сплаву Fe0,5-Ni0,5 (пермалой 50Н) в установці ВУП-5 у вакуумі ~10-3 Па за відсутності зовнішнього орієнтуючого магнітного поля. Плівки наносилися при кімнатній температурі на поліровані скляні підкладки з мідними контактними площадками (для досліджень електричного опору) та сколи KBr (для електронно-мікроскопічних досліджень). Швидкість конденсації становила 0,5-1 нм/с. Конструкція підкладкотримача дозволяла за одне напилення одержувати чотири плівки з різною товщиною.
Для визначення товщини плівок використовувався інтерферометр МИИ-4 (похибка вимірювання не перевищує 10 % при товщині понад 50 нм). Для плівок з товщиною, меншою за 50 нм, застосовувався розрахунковий метод визначення товщини. При цьому використовувалася формула розподілу за товщиною плівки, одержаної від випаровувача з малою площею поверхні [1]:
,
де d0 - товщина матеріалу, осадженого в точці, яка знаходиться навпроти випаровувача; l - відстань від цієї точки до плівки; h - відстань від випаровувача до підкладки. Це давало змогу дещо зменшити похибку визначення товщини плівок.
Одержані плівки термостабілізувалися протягом трьох циклів “нагрівання-охолодження” у вакуумі в установці ВУП-5. Температура плівок контролювалася за допомогою цифрового вольтметра В7-23 диференціальною хромель-алюмелевою термопарою, закріпленою на поверхні підкладки. Опір зразків визначався цифровим приладом В7-34А в режимі омметра.
Магнітоопір плівок вимірювався при кімнатній температурі та атмосферному тиску. Зразки поміщалися у магнітне поле з індукцією до 100 мТл, яке створювалося за допомогою соленоїда. Величина індукції магнітного поля визначалася за графіком її залежності від сили струму в обмотці соленоїда за результатами попереднього градуювання із використанням вимірювача магнітної індукції Ш1-8 (точність вимірювання 0,5%). Зразки закріплювалися на спеціальному тримачі, що давало можливісь розміщувати їх так, щоб силові лінії магнітного поля були паралельні (поздовжній ефект) або перпендикулярні (поперечний ефект) до напрямку струму в плівці.
Дослідження кристалічної структури та фазового складу здійснювалося за допомогою електронного мікроскопа ЕМ-125 та електронографа. Для визначення хімічного складу одержаних плівок використовувався рентгенівський мікроаналізатор (енергодисперсійний спектрометр ЕДС, призначений для дослідження елементного складу зразків з обробкою даних за допомогою ЕОМ), встановлений на растровому електронному мікроскопі.
Було проведено також дослідження доменної структури плівкових зразків із використанням магнітооптичного ефекту Керра за методикою, описаною в [2].
2. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ЇХ ОБГОВОРЕННЯ
2.1 ХІМІЧНИЙ СКЛАД, СТРУКТУРА ТА ФАЗОВИЙ СКЛАД ПЛІВОК
Оскільки вихідним матеріалом для напилення плівок був масивний сплав пермалой 50Н, то при конденсації плівок з готового сплаву у більшості випадків спостерігається невідповідність складу плівкового сплаву вихідному, викликана фракціонуванням [1].
На рис.1а показано результати дослідження складу вихідного сплаву Fe-Ni. Як бачимо, вихідному матеріалу відповідає склад 52%Fe_48%Ni (похибка вимірювань не перевищує 1,5 %)
На рис. 1б (на прикладі плівки товщиною 140 нм) та в таблиці 1 подано результати аналогічних досліджень для плівкових зразків. Характеристичні лінії у лівій частині спектра (рис.1б) відповідають матеріалу скляної підкладки. Обробка спектрів за допомогою комп'ютерного забезпечення до енергодисперсійного спектрометра показує, що склад одержаних плівок дещо відрізняється від складу вихідного сплаву. До складу плівок входять приблизно 44-47% Fe та 53-56% Ni. Однак слід відзначити, що похибка при визначенні складу плівкових зразків (особливо з малою товщиною) дещо більша, ніж для масивного зразка. Це пояснюється малою кількістю речовини в матеріалі плівки і, як наслідок, відхиленнями реальних спектрів від одержаних математичною обробкою модельних.
а)
б)
Рисунок 1 - Хімічний склад масивного сплаву 50Н (а) та плівки (б) з товщиною d=140 нм
Таблиця 1- Результати дослідження елементного складу плівок сплаву Fe0,5-Ni0,5
|
Товщина зразка, нм |
СFe, % |
CNi, % |
|
|
Масив Fe0,5-Ni0,5 |
51,8 |
48,2 |
|
|
47 |
43,9 |
56,1 |
|
|
100 |
44,4 |
55,6 |
|
|
110 |
47,7 |
52,3 |
|
|
120 |
47,1 |
52,9 |
Причиною такого незбігання складу масивного зразка і плівок може бути і відмінність в температурах плавлення та кипіння складових елементів сплаву (Тпл.Ni=1726 K, Тпл.Fe=1808 K; для температур кипіння відповідно маємо Ткип.Ni=1726 K, Ткип.Fe=1808 K ). Ці температури для Fe вищі, що, можливо, і призводить до зменшення концентрації заліза у плівкових зразках.
Електронно-мікроскопічні дослідження показали, що невідпалені плівки сплаву є дрібнодисперсними (рис.2а). Відпалювання до температури 700 К приводить до деякого збільшення розмірів кристалітів, хоча вони не перевищують 25 нм (рис.2б).
Згідно з літературними даними [3], в масивних зразках цього сплаву спостерігається сполука з ГЦК-решіткою (таеніт) з параметром, що змінюється від 0,3524 (чистий Ni) до 0,3596 нм (СNi=39%). При вмісті Ni 49% параметр решітки сплаву а=0,3586 нм. Дослідження фазового складу плівок методом дифракції електронів показало, що у всіх плівках спостерігається ГЦК-фаза з параметром решітки а= 0,359-0,361 нм. Таким чином, у плівкових зразках спостерігається деяке збільшення (порівняно з масивними) параметра решітки. Слід відзначити, що на електронограмах плівок сплаву Fe-Ni фіксується також ряд слабких ліній, які, можливо, належать інтерметалідній фазі FeNi з просторовою групою Р4/mmm [5].
2.2 ЕЛЕКТРИЧНИЙ ОПІР ПЛІВОК СПЛАВУ FE-NI
Згідно з літературними даними, питомий електричний опір масивних зразків пермалою 50Н становить 0,35*10-6 Ом*м [4]. Для свіжосконденсованих плівкових зразків сплаву питомий опір значно перевищує це значення. Великий питомий опір невідпалених плівок порівняно з масивними зразками пояснюється як зовнішнім розмірним ефектом, так і значною дефектністю плівок та дуже малими розмірами кристалітів, на що вказують електронно-мікроскопічні дослідження.
Під час першого циклу відпалювання для всіх зразків спостерігалося необоротне зменшення опору, пов'язане із заліковуванням дефектів та деяким збільшенням розміру кристалітів (рис.3). Внаслідок відпалювання під час першого циклу питомий опір зразків зменшується у 1,5-2 рази (для плівок з товщиною 20-30 нм - у 3 і більше разів). Подальші цикли відпалювання практично не змінюють опір зразків.
На рис. 4 зображена розмірна залежність питомого опору невідпалених та відпалених (після третього циклу) плівок пермалою. Як видно, навіть для плівок з великою товщиною (понад 100 нм) питомий опір після відпалювання у 1,5-2 рази більший від питомого опору масивного матеріалу.
2.3 МАГНІТООПІР ТА ДОМЕННА СТРУКТУРА ПЛІВОК
У літературі не існує єдиного підходу до розрахунку магнітоопору (МО). Спираючись на більшість літературних джерел, ми оцінювали величину МО за формулою
,
де R(B) - опір зразка у магнітному полі з індукцією В, R(0) - опір розмагніченого зразка.
На рис. 5 подано типові залежності повздовжнього та поперечного МО плівок сплаву Fe0,5-Ni0,5 від індукції зовнішнього магнітного поля. Для всіх досліджуваних зразків характерним є гістерезис МО при зміні напрямку магнітного поля на протилежний та анізотропія. На залежності R/R(B) при цьому спостерігається екстремум (максимум чи мінімум) при певному значенні індукції зовнішнього поля. Такі ж залежності спостерігаються для плівок чистих феромагнітних металів [6,7] і пов'язані з розсіюванням електронів провідності границями доменів. Для невідпалених плівок величина МО не перевищує 0,1% (поздовжній МО) та 0,2% (поперечний МО). Разом із цим спостерігається зменшення величини ефекту зі збільшенням товщини. Після відпалювання величина МО для плівкових зразків дещо збільшується і досягає 0,25% для повздовжнього та 0,4% для поперечного. Можливо, це пов'язано з необоротним зменшенням опору в результаті першого циклу відпалювання, оскільки порівняння величин МО після другого та третього циклів відпалювання вказує на незначну зміну МО.
Максимальна величина МО суттєво залежить від температури. Зі зниженням температури до 170 К вона зростає (до 0,6-0,8%). З підвищенням температури спостерігається монотонне її зменшення (рис.6).
Наявність гістерезису залежності R/R(B) дає змогу оцінити коерцитивну силу зразка Вс (величина індукції магнітного поля, при якій спостерігається екстремум МО). Як показують дослідження, для плівкових зразків сплаву Fe0,5-Ni0,5 спостерігається зменшення коерцитивної сили зі збільшенням товщини плівки, більш чітко виражене для відпалених плівок (рис.7). Відпалювання плівок приводить також і до деякого збільшення величини Вс. Необхідно відзначити, що навіть для плівок з d150 нм ця величина перевищує значення Вс для масивних зразків [4] приблизно у 50 разів.
Нами були проведені також дослідження доменної структури плівок сплаву Fe0,5-Ni0,5 та її зміни в процесі намагнічування зразка. Для цього застосовувався магнітооптичний ефект Керра, який полягає в повороті площини поляризації світла при відбиванні від поверхні намагніченого феромагнетика. За рахунок цього спостерігається світловий контраст між областями з різною намагніченістю (рис.8).
При збільшенні магнітного поля до величини Вс доменна структура не зазнає змін. При подальшому збільшенні величини зовнішнього магнітного поля спостерігається поява клиноподібних доменів. Саме в цей момент опір зразка при поздовжньому МО має найменше значення (рис.9).
Строго кажучи, дане значення індукції не можна вважати коерцитивною силою зразка, оскільки Вс повинно відповідати розмагніченому зразку, тобто коли площа доменів однієї орієнтації дорівнює площі доменів протилежної орієнтації. Однак ця відмінність незначна, оскільки процес перемагнічення відбувається в досить вузькому інтервалі значень індукції.
При подальшому збільшенні індукції “нові” домени (які з'явилися у формі клинів) збільшуються і заповнюють всю поверхню плівки. Після цього МО плівки практично не змінюється, що відповідає стану насичення, а в магнітоструктурному відношенні - монодоменному стану.
Якщо зменшувати магнітне поле (не доводячи плівку до магнітного насичення), то доменна структура зберігається в стані, який відповідав тому значенню поля, яке було перед зменшенням, і цей стан може зберігатися тривалий час. Для переведення плівки знову в однодоменний стан потрібно намагнітити її до насичення в одному чи іншому напрямку.
ВИСНОВКИ
1 Встановлено, що плівки сплаву Fe0,5-Ni0,5 є дрібнодисперсними навіть після відпалювання до температури 700 К. Для плівок з товщинами 16-160 нм спостерігається наявність ГЦК-решітки з параметром, дещо більшим за параметра кристалічної решітки масивного сплаву.
2 Досліджено температурну та розмірну залежності питомого опору пермалоєвих плівок.
3 Досліджено магнітоопір плівок даного сплаву в магнітних полях. Встановлено залежність величини МО від термічної обробки зразка, розмірну залежність коерцитивної сили, а також зв'язок між поздовжнім МО та доменною структурою плівок.
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
Костржицкий А.И., Лебединский О.В. Многокомпонентные вакуумные покрытия.- М.: Машиностроение, 1987.-208 с.
Кобелев В.В., Корсунский А.А. Доменная структура одноосных ферромагнитных пленок // Изв. АН СССР. Сер. физ. - 1961.- Т.XXV, №5.- С.629-635.
Гольдшмидт Х.Дж. Сплавы внедрения. - М.: Мир, 1971.
Лившиц Б.Г. Физические свойства металлов и сплавов.- М.: Машгиз, 1959.- 368с.
Кубашевски О. Диаграммы состояния двойных систем на основе железа: Пер. с англ./Под ред. Л.А.Петровой. - М.: Металлургия. - 1985. - 184 с.
Тонкие ферромагнитные пленки. Пер. с нем. / Под ред. Р.В.Телеснина. - М.: Мир, 1964.- 360 с.
Viret M., Vignoles D., Cole D. Spin Scattering in Ferromagnetic Thin Films//Phys. Rev. B.-1996. - V.53. - P. 8464-8468.
Подобные документы
Розмірні і температурні ефекти та властивості острівцевих плівок сплаву Co-Ni різної концентрації в інтервалі товщин 5-35 нм та температур 150-700 К. Встановлення взаємозв’язку морфології, структури та електрофізичних властивостей надтонких плівок.
дипломная работа [1,2 M], добавлен 12.12.2011Електрофізичні властивості гранульованих плівкових сплавів в умовах дії магнітного поля. Дослідження електрофізичних властивостей двошарових систем на основі плівок Ag і Co, фазового складу та кристалічної структури. Контроль товщини отриманих зразків.
дипломная работа [3,9 M], добавлен 08.07.2014Види магнітооптичних ефектів Керра. Особливості структурно-фазового стану одношарових плівок. Розмірні залежності магнітоопіру від товщини немагнітного прошарку. Дослідження кристалічної структури методом електронної мікроскопії та дифузійних процесів.
контрольная работа [1,5 M], добавлен 19.04.2016Феромагнітні речовини, їх загальна характеристика та властивості. Магнітна доменна структура, динаміка стінок. Аналіз впливу магнітного поля на електричні і магнітні властивості феромагнетиків. Магніторезистивні властивості багатошарових плівок.
курсовая работа [4,7 M], добавлен 15.10.2013Кристалічна структура металів та їх типові структури. Загальний огляд фазових перетворень. Роль структурних дефектів при поліморфних перетвореннях. Відомості про тантал та фазовий склад його тонких плівок. Термодинамічна теорія фазового розмірного ефекту.
курсовая работа [8,1 M], добавлен 13.03.2012Характеристика основних вимог, накладених на різні методи одержання тонких діелектричних плівок (термовакуумне напилення, реактивне іонно-плазмове розпилення, термічне та анодне окислення, хімічне осадження) та визначення їхніх переваг та недоліків.
курсовая работа [2,4 M], добавлен 12.04.2010Вивчення основних закономірностей тліючого розряду. Дослідження основних властивостей внутрішнього фотоефекту. Експериментальне вивчення ємнісних властивостей p–n переходів. Дослідження впливу електричного поля на електропровідність напівпровідників.
методичка [389,4 K], добавлен 20.03.2009Характеристика основних властивостей рідких кристалів. Опис фізичних властивостей, методів вивчення структури рідких кристалів. Дослідження структури ліотропних рідких кристалів та видів термотропних.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 17.06.2010Дослідження функцій, які описують спектри модуляційного фотовідбивання; експериментально отримано спектри модуляційного фотовідбивання для епітаксійних плівок; засобами пакету MatLab апроксимовано експериментальні спектри відповідними залежностями.
курсовая работа [815,3 K], добавлен 08.06.2013Сутність технології GаАs: особливості арсеніду галію і процес вирощування об'ємних монокристалів. Загальна характеристика молекулярно-променевої епітаксії, яка потрібна для отримання плівок складних напівпровідникових з’єднань. Розвиток технологій GаАs.
курсовая работа [3,4 M], добавлен 25.10.2011
