Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ імені ІГОРЯ СІКОРСЬКОГО»

Інженерно-фізичний факультет

Кафедра фізики металів

«На правах рукопису»

УДК ______________ «До захисту допущено»

В.о. завідувача кафедри

__________ Іващенко Є.В.

«___»_____________2018 р.

Магістерська дисертація

на здобуття ступеня магістра зі спеціальності 132 Матеріалознавство

на тему: «Температурні інтервали фазових перетворень у плівкових композиціях Pt(15 нм)/Ag(х нм)/Fe(15 нм)»

Виконала: студентка VІ курсу, групи ФМ-61м Жабинська Олена Олексіївна

Керівник: асистент каф. ФМ, к.т.н., Владимирський І.А.

Консультант з нормоконтролю: асистент каф. ФМ, Шаповалова Н.А.

Консультант з ОП та безпеки в НС: доцент, к.т.н., Зацарний В.В.

Рецензент: асистент каф. ФХОТМ, к.т.н., Ворон М.М.

Київ - 2018 року



Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Інженерно-фізичний факультет

Кафедра фізики металів

Рівень вищої освіти - другий (магістерський) за освітньо-науковою програмою

Спеціальність (спеціалізація) - 132 «Матеріалознавство» («Фізичне матеріалознавство»)

ЗАТВЕРДЖУЮ

В.о. завідувача кафедри

__________ Іващенко Є.В.

«___»_____________2018 р.

ЗАВДАННЯ

на магістерську дисертацію студенту

Жабинській Олені Олексіївні

1. Тема дисертації «Температурні інтервали фазових перетворень у плівкових композиціях Pt(15 нм)/Ag(х нм)/Fe(15 нм)», науковий керівник дисертації Владимирський Ігор Анатолійович, к.т.н., затверджені наказом по університету від «22». 03 2018 р. № 994-с

2. Термін подання студентом дисертації

3. Об'єкт дослідження: нанорозмірні плівкові композиції Pt(15 нм)/Ag(х нм)/Fe(15 нм), х = (0 - 25) нм, осаджені методом магнетронного розпорошення на підкладинки термічно окисленого монокристалічного Si(001).

4. Предмет дослідження: закономірності дифузійного фазоутворення та упорядкування у плівкових композиціях Pt(15 нм)/Ag(х нм)/Fe(15 нм) під час термічної обробки.

5. Перелік завдань, які потрібно розробити

1) аналіз наукової літератури, присвяченої проблемам використання тонких плівок на основі FePt для надщільного магнітного запису;

2) проведення термічної обробки тонких плівок Pt/Fe без та з додатковим проміжним шаром Ag різної товщини з одночасним вимірюванням їх електричного опору;

3) дослідження закономірностей дифузійного формування фазового складу та структури зразків на різних стадіях термічної обробки;

4) аналіз отриманих результатів та формулювання висновків.

6. Орієнтовний перелік графічного (ілюстративного) матеріалу: Тема роботи (слайд 1); актуальність роботи (слайди 2, 3); мета роботи (слайд 4); методи дослідження (слайди 5-7); результати (слайди 8-19); висновки (слайд 20), апробація результатів (слайди 21-23).

7. Орієнтовний перелік публікацій:

1) Холявко В.В. та ін. Фізичні властивості та методи дослідження матеріалів [Текст]: Навчальний посібник для студентів галузі знань 13 - Механічна інженерія спеціальності 132 - Матеріалознавство денної та заочної форм навчання / В.В. Холявко, І.А. Владимирський, О.О. Жабинська. - К.: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2016. - 156 с.

2) Холявко В.В. та ін. Фізичні властивості та методи дослідження матеріалів [Текст]: Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт для студентів галузі знань 13 - Механічна інженерія спеціальності 132 - Матеріалознавство денної та заочної форм навчання / Укладачі: В.В. Холявко, І.А. Владимирський, О.О. Жабинська. - К.: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2016. - 100 с.

3) Температурні інтервали фазових перетворень у плівкових композиціях Pt(15 нм)/Ag(х нм)/Fe(15 нм) / О.О. Жабинська, І.А. Владимирський // Перспективні технології на основі новітніх фізико-матеріалознавчих досліджень та комп'ютерного конструювання матеріалів: Збірка тез доповідей Одинадцятої міжнародної конференції студентів, аспірантів та молодих вчених, 19-20 квітня 2018 р., Київ, Україна / Укладач: Г.Г. Лобачова. - К.: «КПІ імені Ігоря Сікорського». - 284 с.

4) Прийнято до публікації: Diffusion of Au and its influence on the coercivity of [FePt/Au/FePt]2x thin films during annealing in different atmospheres / A.K. Orlov, O.O. Zhabynska, I.A. Vladymyrskyi, S.M. Voloshko, S.I. Sidorenko, K. Kato, and T. Ishikawa // Thin Solid Films. - 2018. - Vol. 658. - P. 12-21. - doi:10.1016/j.tsf.2018.05.021.

5) Прийнято до публікації: Закономірності структурно-фазових перетворень в тонких плівках Pt(15 нм)/Fe(15 нм) / О.О. Жабинська, І.А. Владимирський, М.М. Ворон, А.П. Бурмак // 7-ма науково-практична конференція молодих вчених України «Нові ливарні технології і матеріали у машинобудуванні», 29-30 травня 2018 р., Київ, Україна.

6) Готується до публікації: Phase transformations in Pt/Fe bilayers during post annealing probed by resistometry / O.O. Zhabynska, N.Y. Safonova, O.V. Shamis, M.M. Voron, A.P. Burmak, S.I. Sidorenko, G.L. Katona, S. Gulyas, D.L. Beke, M. Albrecht, I.A. Vladymyrskyi // Journal of Applied Physics.

8. Консультанти розділів дисертації Якщо визначені консультанти. Консультантом не може бути зазначено наукового керівника магістерської дисертації.

Розділ	Прізвище, ініціали та посада консультанта	Підпис, дата
		завдання видав	Завдання прийняв
Нормоконтроль	Шаповалова Н.А., ас.
ОП та безпека в НС	Зацарний В.В., доц.

9. Дата видачі завдання



Календарний план

№ з/п	Назва етапів виконання магістерської дисертації	Термін виконання етапів магістерської дисертації	Примітка
1	Визначення та узгодження теми МД
2	Проведення літературного огляду
3	Розробка методики експериментів
4	Підготовка першого та другого розділів
5	Проведення термічної обробки та резистометричного аналізу
6	Обробка результатів та підготовка третього розділу
7	Підготовка четвертого розділу та оформлення МД
8	Попередній захист
9	Захист на засіданні ЕК

Студент О.О. Жабинська

Науковий керівник дисертації І.А. Владимирський



РЕФЕРАТ

Магістерська дисертація: 94 сторінки, 23 рисунки, 13 таблиць, 80 літературних джерел.

НАНОРОЗМІРНІ ПЛІВКОВІ КОМПОЗИЦІЇ, ХІМІЧНЕ ВПОРЯДКУВАННЯ, ФАЗА L10-FePt, НАДЩІЛЬНИЙ МАГНІТНИЙ ЗАПИС, IN SITU РЕЗИСТОМЕТРІЯ

Об'єкт досліджень: нанорозмірні плівкові композиції Pt(15 нм)/Ag(х нм)/Fe(15 нм), х = (0 - 25) нм, осаджені методом магнетронного розпорошення на підкладинки термічно окисленого монокристалічного Si(001).

Мета роботи: визначення температурних інтервалів структурно-фазових перетворень в двошарових тонких плівках Pt/Fe та плівкових композиціях Pt/Fe з додатковим проміжним шаром Ag.

Методи дослідження: метод магнетронного осадження, термічна обробка (відпал), in situ резистометрія, рентгеноструктурний фазовий аналіз, мас-спектрометрія вторинних нейтралей.

Результати досліджень та їх наукова новизна: виявлено, що формування невпорядкованої фази A1-FePt в тонких плівках Pt(15 нм)/Fe(15 нм) починається при температурі відпалу >210 °C, а подальше хімічне впорядкування відбувається при температурі відпалу 360 °C. При цьому ведення проміжного шару Ag різної товщини в тонкі плівки Pt/Fe призводить до підвищення температур фазових перетворень.

Практичне значення: отримані результати мають практичне значення для розробки нових матеріалів перспективних для використання у якості середовища магнітного запису з надвисокою щільністю.

Сфера застосування: матеріал для надщільного магнітного запису.



ABSTRACT

Master thesis: 94 pages, 23 figures, 14 tables, 80 references.

NANOSCALED FILM COMPOSITIONS, CHEMICAL ORDERING, L10-FePt PHASE, ULTRAHIGH-DENSITY MAGNETIC RECORDING, IN SITU RESISTOMETRY

Object of investigation: nanoscaled film compositions Pt(15 nm)/Ag(х nm)/Fe(15 nm), х = (0 - 25) nm deposited by dc magnetron sputtering onto thermally oxidized monocrystalline Si(001) substrates.

Aim of work: to determine temperature intervals of phase transformations in bilayered Pt/Fe thin films and Pt/Fe thin films with additional intermediate Ag layer.

Investigation methods: magnetron sputtering, termal treatment (annealing), in situ resistometry, X-ray analysis, secondary neutral mass spectrometry.

Results and scientific novelty: formation of disordered A1-FePt phase in Pt(15 nm)/Fe(15 nm) thin films started at annealing temperature > 210 °C, and following chemical ordering was promoting at temperature of 360 °C. Introduction of Ag intermediate layer with different thickness into Pt/Fe films leads to increase of phase transformations temperatures.

Practical importance: received results have practical importance for development of new materials for high-density magnetic recording storage.

Scope of application: high-density magnetic recording storage material.



ЗМІСТ

СКОРОЧЕННЯ ТА УМОВНІ ПОЗНАКИ

ВСТУП

1. ЛІТЕРАТУРНИЙ ОГЛЯД

1.1 Структура, фазовий склад та властивості тонких плівок на основі FePt

1.2 Застосування тонких плівок на основі FePt в мікроелектроніці

1.3 Основні методи впливу на структуру та властивості тонких плівок на основі FePt

1.4 Вплив введення додаткових елементів в плівкові композиції на основі FePt

1.5 Застосування методу in situ резистометрії для дослідження структури матеріалів

1.6 Висновки до розділу 1

2. МАТЕРІАЛИ ТА МЕТОДИКА ЕКСПЕРИМЕНТУ

2.1 Вихідні матеріали і об'єкти дослідження

2.2 Магнетронний метод отримання тонких плівок

2.3 Параметри термічної обробки

2.4 Методи дослідження

2.4.1 Метод in situ резистометрії

2.4.2 Рентгеноструктурний фазовий аналіз

2.4.3 Метод мас-спектрометрії вторинних нейтралей

2.5 Висновки до розділу 2

3. РЕЗУЛЬТАТИ І ОБГОВОРЕННЯ

3.1 Перебіг дифузійних процесів та закономірності формування структурно-фазових станів у плівкових композиціях Pt(15 нм)/Fe(15 нм)

3.2 Електрофізичні властивості, структура і фазовий склад плівкових композицій Pt(15 нм)/Ag(х нм)/Fe(15 нм)

3.3 Висновки до розділу 3

4. РОЗРОБЛЕННЯ СТАРТАП-ПРОЕКТУ

4.1 Опис ідеї проекту

4.2 Технологічний аудит ідеї проекту

4.3 Аналіз ринкових можливостей запуску стартап­проекту

4.4 Висновки до розділу 4

5. ОХОРОНА ПРАЦІ ТА БЕЗПЕКА У НАДЗВИЧАЙНИХ СИТУАЦІЯХ

5.1 Аналіз параметрів приміщення

5.2 Склад повітря робочої зони

5.3 Аналіз освітлення приміщення

5.3.1 Аналіз природного освітлення

5.3.2 Аналіз штучного освітлення

5.4 Виявлення і аналіз наявності шуму, вібрації, інфра- та ультразвуку

5.5 Електробезпека

5.6 Пожежна безпека

5.7 Забезпечення безпеки та запобігання надзвичайній ситуації

5.8 Висновки до розділу 5

ВИСНОВКИ

CONCLUSSIONS

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

ДОДАТОК А

ДОДАТОК Б



СКОРОЧЕННЯ ТА УМОВНІ ПОЗНАКИ

НПК - нанорозмірна плівкова композиція

ГЦК - гранецентрована кубічна гратка

ВУП - вакуумний універсальний пост

МСВН - мас-спектрометрія вторинних нейтралей

РФА - рентгеноструктурний фазовий аналіз

НДР - науково-дослідна робота



ВСТУП

Створення комп'ютерів стало переворотом для людства, оскільки їх використання значно полегшило життя людині та підвищило ефективність її праці, в результаті чого комп'ютерні технології майже миттєво проникнули в усі сфери людської діяльності. Одна із найбільш важливих можливостей, яку дозволили реалізувати комп'ютери - зберігання великих об'ємів даних. За результатами досліджень компанії IBM, щодня створюється біля 2,5Ч1018 байтів даних [1]. Не менш приголомшлива кількість даних - декілька зеттабайт (1021 байт) - зберігається на магнітних жорстких дисках [2].

Для реалізації технології надщільного термічно-індукованого магнітного запису наступного покоління (і досягнення щільності 1 Тб/см2) необхідне використання новітніх нанорозмірних магніто-твердих матеріалів з розміром зерен (3 - 4) нм [2]. Проте зменшення розміру зерен до певного критичного значення може обумовлювати перехід феромагнетика у так званий суперпарамагнітний стан і, як наслідок, призводити до втрат інформації. Умовою стабільного збереження даних протягом тривалого часу є досягнення енергетичним бар'єром, що перешкоджає самовільному розмагнічуванню носія, певного рівня:

де Е - величина енергетичного бар'єру;

KU - енергія магнітокристалічної анізотропії;

V - об'єм магнітної комірки;

kB - стала Больцмана;

Т - абсолютна температура.

Таким чином, однією з найголовніших вимог, що висувається до матеріалу носія надщільного магнітного запису, є високе значення константи енергії магнітокристалічної анізотропії [3].

Враховуючи вищесказане, великий інтерес як для фундаментальних досліджень, так і для прикладного застосування в якості носіїв надщільного магнітного запису мають тонкі плівки на основі магнітно-твердої хімічно впорядкованої фази L10-FePt, для якої характерне високе значення енергії магнітокристалічної анізотропії (KU = 7 Ч 106 Дж/м3) [4-6], завдяки чому можна забезпечити термічну стабільність магнітного середовища з розміром зерен менше 3 нм [7]. Також даній фазі властиві високі значення температури Кюрі (480 °С) та намагніченості насичення (1,43 Тл), а також відмінні хімічна та корозійна стійкість [6, 8, 9].

Однак, після осадження на підкладинки кімнатної температури в структурі тонких плівок на основі FePt формується хімічно невпорядкована магнітно-м'яка фаза А1-FePt [10], якій не характерні високі значення енергії магнітокристалічної анізотропії. Для активації процесу впорядкування та формування фази L10-FePt необхідне проведення високотемпературної термічної обробки, що може призвести до росту зерен в магнітному матеріалі. Одним із способів зниження температури формування фази L10-FePt є введення додаткових шарів легуючих елементів, оскільки додаткові напруження, що виникають між шарами плівкових композицій, можуть сприяти інтенсифікації процесів впорядкування та масоперенесення через невідповідність у параметрах гратки та коефіцієнтах лінійного розширення шарів.

При цьому, температурні інтервали фазових перетворень в нанорозмірних матеріалах можуть відрізнятись від відповідних температур у масивних матеріалах внаслідок існування розмірного ефекту. Таким чином, визначення температурних інтервалів структурно-фазових перетворень в нанорозмірних плівкових композиціях на основі FePt з додатковими шарами легуючих елементів є актуальною фізико-матеріалознавчою задачею.

Метою даної роботи є визначення температурних інтервалів структурно-фазових перетворень в двошарових тонких плівках Pt/Fe та тонких плівках Pt/Fe з додатковим проміжним шаром Ag шляхом аналізу температурної залежності їх електроопору.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішено наступні задачі:

1. Проаналізовано наукову літературу, присвячену проблемам використання нанорозмірних плівкових композицій на основі FePt в якості середовища надщільного магнітного запису.

2. Проведено відпали тонких плівок Pt/Fe без та з додатковим проміжним шаром Ag різної товщини з одночасним вимірюванням їх електричного опору.

3. Досліджено закономірності дифузійного формування фазового складу та структури зразків на різних стадіях термічної обробки.

4. Проаналізовано отримані результати та сформульовано висновки.

Предмет дослідження: закономірності перебігу процесів структурно-фазових перетворень та упорядкування у нанорозмірних плівкових системах Pt(15 нм)/Ag(х нм)/Fe(15 нм) під час термічної обробки.

Об'єкт дослідження: нанорозмірні плівкові композиції Pt(15 нм)/Ag(х нм)/Fe(15 нм), х = (0 - 25) нм.



1. ЛІТЕРАТУРНИЙ ОГЛЯД

1.1 Структура, фазовий склад та властивості тонких плівок на основі FePt

Сплави Fe-Pt активно досліджуються ще з середини 30-х років ХХ століття через високу магнітокристалічну анізотропію, притаманну фазі L10-FePt, проте так і не знайшли широкого застосування через високу вартість даних сплавів та велику кількість нерозв'язаних фізико-матеріалознавчих задач.

Головними магнітними властивостями, що характерні для фази L10-FePt, є висока константа магнітної анізотропії (КU = 7Ч106 Дж/м3) [11], намагніченість насичення (µ0Ms = 1,43 T) [6], температура Кюрі (Тс ? 480 °С) [8], а також високе значення коерцитивної сили, що може досягати 50 кОе при кімнатній температурі для нетекстурованих наночастинок фази L10-FePt [12]. Також як особливі переваги сплавів Fe-Pt можна виділити високу хімічну інертність та корозійну стійкість.

Магнітна поведінка сплавів Fe-Pt може бути різною в залежності від їх фазового складу, мікроструктури, ступеню хімічного впорядкування, що в свою чергу визначається концентрацією Fe і Pt та фізико-технологічними параметрами отримання і обробки сплавів.

Відповідно до діаграми фазової рівноваги системи Fe-Pt (рисунок 1.1) при високих температурах (>1300 °С) утворюється твердий розчин на основі даних компонентів з гранецентрованою кубічною граткою (ГЦК), для якого характерне значення параметру кристалічної решітки а = 3,85 Е [13]. За температур нижче 1300 °С відбувається фазовий перехід від хімічно невпорядкованої структури фази А1 до впорядкованої фази L10, що супроводжується викривленням кристалічної гратки і перетворенням кубічної симетрії на тетрагональну. Перебудова кубічної симетрії на тетрагональну відбувається внаслідок чергування між собою площин елементу групи 3d (Fe) та елементу групи 5d (Pt) вздовж напрямку [001]. Параметри кристалічної решітки впорядкованої фази L10 дорівнюють а = 3,85 Е та с = 3,71 Е [13] і для її характеристики замість примітивної елементарної комірки tP2 використовують псевдо комірку tP4 для якої с = с* та а = а* (рисунок 1.2).

Рисунок 1.1 - Діаграма фазової рівноваги системи Fe-Pt [6]

Тобто при температурах більше 1300 °С в системі Fe-Pt існує магнітно-м'яка фаза А1, що має напрямок намагніченості вздовж осі [111], а при температурах, менших за це значення - магнітно-тверда фаза L10 з напрямком намагніченості вздовж осі [001] [14]. Область існування цієї фази знаходиться приблизно в межах від 35 % (ат.) Pt до 55 % (ат.) Pt.



Рисунок 1.2 - Схематичне представлення переходу від примітивної комірки tP2 до псевдо комірки tP4 фази L10 [6]

При відхиленні від стехіометрії сплавів Fe100-xPtx в межах 35 ? х ? 55 відбувається утворення стабільних кубічних структур FePt3 (L12) та Fe3Pt (L12) при температурах нижче 850 °С та 1350 °С відповідно. При 1160 °С відбувається евтектичне перетворення А1 > L10 + L12 із вмістом Pt в фазі А1 приблизно 55 % (ат.). Нижче існують двофазні області сплавів, збагачених Pt (A1 + L12-FePt3), та збагачених Fe (A1 + L12-Fe3Pt). Температура евтектоїдного перетворення складає біля 1050 °С. Область нижче 400 °С є інтенсивно дослідженою для сплавів, збагачених Fe із стехіометричним складом 20 ? х ? 35, оскільки ці сплави зазнають мартенситне перетворення при температурах, близьких та нижчих за кімнатну температуру.

На противагу масивним зразкам, температура стабільного існування впорядкованої фази L10-FePt в структурі тонких плівок менша за 1300°С, проте плівки, осаджені при температурах ? 400 °С, все одно характеризуються наявністю в їх структурі невпорядкованої фази А1-FePt внаслідок кінетичного обмеження. Оскільки температура плавлення еквіатомного сплаву FePt становить близько 1560 °С, то при температурі ~ 640 °С об'ємна дифузія суттєво сповільнюється. В результаті цього для формування впорядкованої фази L10-FePt виникає потреба у відпалі плівки із невпорядкованою структурою за температур вище 640 °С чи осадженні сплаву FePt на нагріту підкладинку [2]. Також часто спостерігається одночасне існування впорядкованої та невпорядкованої фаз у структурі тонких плівок на основі FePt [6]. Можливими причинами цього явища є області з фазою A1, що не зазнали фазового перетворення, розподіл атомів біля границь зерен, дефекти кристалічної будови та викривлення гратки, викликані нерівноважними границями зерен [15].

Структура впорядкованої фази L10 відповідає досконалому дальньому порядку. В даному випадку атоми Pt та Fe знаходяться у відповідних вузлах кристалічної гратки, що належать саме Pt та Fe. Проте хімічний порядок може залишатись недосконалим і для характеристики ступеню впорядкування використовується параметр впорядкування S, що визначається як:

де та - кількість вузлів Pt та Fe, зайнятих відповідними атомами;

та - атомні долі Pt та Fe;

та - загальна кількість вузлів Pt та Fe [6].

У випадку ідеального порядку параметр впорядкування S досягає одиниці, в той час як повністю невпорядкованому стану відповідає значення S = 0. Таким чином, параметр S має максимальне значення при еквіатомному складі сплаву FePt, а також зростає зі збільшенням температури [16]. Максимальне значення параметру S залежить від складу сплаву і для впорядкування типу L10 може бути визначене як:

,

де відхилення від 0,5 композиційного складу сплаву [6].

Магнітокристалічна анізотропія KU сплаву FePt має виражену залежність від параметра впорядкування: зі зростанням значення S зростає значення енергії магнітокристалічної анізотропії [6] і у випадку еквіатомного складу сплаву енергія магнітокристалічної анізотропії приймає вищі значення, ніж при наявності надлишку Fe чи Pt [17]. Оцінка енергії магнітокристалічної анізотропії фази L10-FePt, проведена за результатами першопринципних розрахунків, показує, що магнітокристалічна анізотропія також досить чутлива і до тетрагонального викривлення кристалічної гратки, проте залежить від нього у меншій мірі, ніж від хімічного впорядкування [18]. З іншої сторони, KU також залежить і від стехіометрії сплавів та має вище значення для сплавів з невеликим надлишком Fe [19].

1.2 Застосування тонких плівок на основі FePt в мікроелектроніці

тонкий плівка резистометрія мікроелектроніка

Унікальна комбінація високих магнітних властивостей та корозійної стійкості тонких плівок та наночастинок на основі впорядкованої фази L10-FePt дозволяють розглядати їх як перспективні матеріали для створення носіїв магнітного запису надвисокої щільності.

На сьогоднішній день технологія магнітного запису залишається найбільш актуальною при створенні носіїв інформації, не дивлячись на зростання популярності твердотільних накопичувачів (SSD). Жорсткі диски (HDD) мають ряд суттєвих переваг над твердотільними накопичувачами: у дискового накопичувача більша ємність та надійність зберігання інформації, а також значно менша вартість (0,05 $/Гб HDD проти 0,35 $/Гб SSD [20]). При цьому, щільність запису магнітних жорстких дисків постійно зростає, і за останні 60 років вона виросла у 500 млн. разів [2].

Іншою важливою перевагою використання нанорозмірних плівкових композицій (НПК) на основі FePt в якості носіїв інформації є їх стабільність навіть при розмірах зерен (2,8 - 3,3) нм [7], оскільки реалізація надщільного магнітного запису вимагає, щоб розмір зерен середовища запису складав менше 5 нм.

Серед вимог, що висуваються до середовища магнітного запису, найголовнішими є висока коерцитивна сила, висока залишкова намагніченість, а також забезпечення низького рівня шуму при записі чи зчитуванні інформації. Для забезпечення високої надійності і якомога більшого часу роботи, матеріали повинні володіти гарною термічною стабільністю та високою стійкістю корозії. Тому для магнітного запису найбільш широко використовуються такі матеріали як Fe, Co і Ni, а також їх сплави і оксиди.

Відомо, що магнітні властивості визначаються мікроструктурою і морфологією поверхні матеріалів, в тому числі і тонкоплівкових композицій, типом і кількістю атомів, їх розташуванням у вузлах кристалічної гратки [21]. Але складність отримання середовища з відповідною орієнтацією частинок і низькою шорсткістю поверхні являє одну з основних проблем розробки матеріалів для магнітного запису.

Для створення середовища надщільного магнітного запису необхідно, щоб шар запису був утворений дрібними магнітними зернами, які володіють високим значенням енергії магнітокристалічної анізотропії KU, а їх осі легкого намагнічування були розташовані перпендикулярно до поверхні середовища [22]. Проте при використанні в якості середовища магнітного запису тонких плівок на основі полікристалічних оксидів, феритів та особливих металевих сплавів, зерна яких можуть займати практично всю товщину плівки, завдяки чому можлива реалізація надщільного магнітного запису, головним небажаним наслідком безпосередньої близькості зерен є їх обмінна взаємодія, що призводить до магнітної кластеризації і збільшення рівня шуму [23].

При мінімізації зерна до певних критичних значень матеріал може зазнавати термічної нестабільності за рахунок теплового руху атомів, що може призводити до втрати накопиченої інформації. Умовою стабільного збереження даних протягом тривалого часу є досягнення енергетичним бар'єром, що перешкоджає самовільному розмагнічуванню носія, певного рівня:

де Е - величина енергетичного бар'єру;

KU - енергія магнітокристалічної анізотропії;

V - об'єм магнітної комірки;

kB - стала Больцмана;

Т - абсолютна температура.

Таким чином, однією з найголовніших вимог, що висувається до матеріалу носія надщільного магнітного запису, є високе значення константи енергії магнітокристалічної анізотропії [3, 24]. Така магнітна анізотропія характерна сплаву FePt.

У зв'язку із вимогами, що висуваються перед матеріалами для магнітного запису, промислове використання тонких плівок на основі FePt для створення носіїв інформації потребує вирішення ряду фізико-матеріалознавчих задач:

- підвищення ступеню впорядкування при низьких температурах;

- формування текстури з переважною орієнтацією зерен в напрямку [001];

- отримання структури, що складається з дрібних зерен з їх вузьким розподілом за розмірами;

- досягнення мінімальної шорсткості поверхні.



1.3 Основні методи впливу на структуру та властивості тонких плівок на основі FePt

Хоч фаза L10-FePt і характеризується термодинамічною стабільністю при кімнатній температурі, для сприяння перебігу процесів хімічного впорядкування і подальшому формуванню даної фази при більш низьких температурах (до ~ 300 °C) розроблено різноманітні підходи.

Типовим способом отримання впорядкованої фази L10-FePt є термообробка зразка з вихідною невпорядкованою структурою А1-FePt. В об'ємних сплавах структура А1 може бути стабілізована за допомогою швидкого гартування при високих температурах або шляхом деформування [25]. Аналогічним чином одним із способів інтенсифікації хімічного впорядкування в тонких плівках є проведення високотемпературної термічної обробки, а саме - нагрівання підкладинки та/або відпал до температур 600 °C - 700 °C, потрібної для досягнення енергії активації дифузійних процесів. Зокрема, під час швидкісного термічного відпалу відбувається накопичення дотичних напружень в площині тонкої плівки, завдяки чому не лише посилюється орієнтація зерен вздовж напрямку [001], а і зменшується шорсткість тонких плівок на основі FePt [26]. В результаті такої термічної обробки тонких плівок Fe52Pt48 товщиною до 10 нм, осаджених на підкладинки аморфного скла за кімнатної температури, автори роботи [26] показали, що перехід від текстури в напрямку [111] до текстури в напрямку [001] викликане значними розтягуючими напруженнями (2,5 ГПа), а процес упорядкування спричиняє релаксацію цих напружень. В роботі [27] показано, що залишкові напруження в тонких плівках на основі FePt після швидкісного термічного відпалу залежать від їх товщини і при менших товщинах відбувається їх релаксація внаслідок викликаних відпалом процесів поверхневої та міжфазної дифузії.

Вплив температури відпалу двошарових тонкоплівкових композицій на основі FePt на їх мікроструктуру та магнітні властивості досліджено у роботі [28] та показано, що із збільшенням температури термічної обробки до 600 °С відбувається впорядкування більшої кількості об'єму ГЦК фази із більшим ступенем впорядкування, але при подальшому збільшенні температури відпалу до 650 °С цей процес перебігає з меншою інтенсивністю.

Дослідження механізмів фазового перетворення А1 > L10 проведено авторами роботи [29]. При температурах 500 °С та 600 °С теплової енергії недостатньо для перебігу повного впорядкування наночастинок, і для отримання однорідних впорядкованих наночастинок необхідне проведення відпалу за температури 700 °С. При цьому, термічна обробка за температури 600 °С призводить до злипання та консолідації наночастинок в полікристали, але наночастинки у повністю впорядкованому стані стійкі до об'єднання. Це викликано більшим ростом енергії від формування високоенергетичних границь зерен впорядкованої структури L10-FePt на противагу будь-якому зменшенню поверхневої енергії від об'єднання частинок.

Також активація процесу фазового перетворення в матеріалі може реалізовуватись шляхом додавання в склад плівкової композиції третього елементу [30], опромінення іонами [31] або збільшення температури підкладинки [32, 33]. Зокрема, змінюючи температуру підкладинки та тиск Ar під час осадження тонких плівок на основі FePt, можна керувати ступенем хімічного порядку, мікроструктурою та магнітними властивостями плівок [34].

Здійснювати контроль структури тонких плівок під час термічної обробки можна за допомогою прикладеного перпендикулярно поверхні зразка магнітного поля [35, 36, 37]. В результаті такої термічної обробки тонких плівок FeAg [37]в їх структурі формуються зерна Fe з переважною орієнтацією в напрямку [001]. Подальше осадження шару Pt на дані орієнтовані підшари дозволяє знизити температуру впорядкування FePt в плівкових композиціях FeAg/Pt та отримати в структурі фазу L10-FePt за температури 400°С. Також зразки, відпалені у присутності магнітного поля, володіють вищим значенням коерцитивної сили та ступеню впорядкування.

1.4 Вплив введення додаткових елементів в плівкові композиції на основі FePt

Присутність підшару чи проміжних шарів відіграють важливу роль для упорядкування в тонких плівках на основі FePt та досягнення вищих магнітних властивостей, що зумовило значну кількість робіт, присвячених даному питанню.

Дослідження властивостей границь розділу між фазою L10-FePt та немагнітною матрицею Al2O3 проведено у роботі Y.K. Takahashi та K. Hono [38]. Плівки FePt отримувались осадженням шарів Fe та Pt на нагріту до 700 °С монокристалічну підкладинку MgO(001). Аморфний шар Al2O3 осаджувався при кімнатній температурі та температурі 700 °С. Плівки з немагнітним шаром, який осаджувався при кімнатній температурі, піддавались відпалу при температурі 700 °С. До нанесення шару Al2O3 всі частинки FePt знаходились у впорядкованому стані. Після осадження немагнітного шару навколо частинок фази L10-FePt сформувались невпорядковані частинки FePt, що утворили невпорядковану область шириною близько 2,5 нм. Причиною даного ефекту можуть бути напруження на границях поділу між фазами. Після відпалу невпорядкована фаза майже зникає, оскільки ці напруження релаксують. Але в плівках, в яких немагнітний шар наносився за температури 700 °С, невпорядкована фаза не формувалась внаслідок відсутності напружень.

Багато робіт присвячено виявленню закономірностей росту плівок FePt на монокристалічних підкладинках MgO(100) [33]. Однак, практичне використання даних підкладинок не є економічно доцільним. З іншого боку, досить часто плівки FePt, осаджені не на монокристалічну підкладинку мають велику магнітну анізотропію в площині плівки.

Автори роботи [39] досліджували вплив різних підшарів (Ag, Ti, Bi) на магнітні властивості багатошарових тонких плівок [Fe/Pt]13. Підвищення коерцитивної сили тонких плівок в першу чергу досягнуто багатократним повторенням шарів Fe/Pt завдяки додатковій рушійній силі - міжфазній дифузії. Структурний аналіз виявив, що Ag не має значного впливу на кристалічну гратку FePt, в той час як у присутності Ti за температур, вище 500 °С, значно руйнує впорядковану фазу внаслідок дифузії атомів Ti. З іншої сторони, тонкі плівки, леговані Bi, мають кращий ступінь впорядкування вже за температури відпалу 350 °С. В порівнянні з Fe та Pt атоми Bi володіють меншою поверхневою енергією і не проникають у кристалічну гратку FePt. Тому покращення ступеня впорядкування при додаванні Bi, імовірно, викликане його вираженою дифузією під час низькотемпературної термічної обробки.

Додавання MgO також покращує ступінь впорядкування та підвищує коерцитивну силу тонких плівок FePt, причиною чого може бути ізоляція зерен FePt в результаті дифузії MgO [40]. Також проведено багато робіт з дослідження впливу на тонкі плівки на основі FePt проміжних шарів таких елементів як PtMn [41] та CoAg [42].

Дослідження впливу додавання Cu на структуру та магнітні властивості тонких плівок на основі FePt [43] виявили, що навіть додавання 4 ат. % Cu зменшує температуру впорядкування на ~ 200 °С. При цьому спостерігається розчинення Cu у кристалічній гратці FePt із заміщенням атомів Fe. Також показано, що додавання Cu збільшує розмір зерен, що свідчить про збільшення дифузійної активності Fe та Pt в сплавах, що містять Cu. Саме цей ефект може бути причиною зменшення температури впорядкування.

В роботі [44] порівнювались структура та магнітні властивості плівкових композицій на основі FePt, до яких додавали підшар Cu та Ag. Дослідження засвідчили, що додавання Cu до структури є менш ефективним для зниження температури впорядкування порівняно з додаванням Ag. Період елементарної комірки Ag на 5,1 % більший за період елементарної комірки FePt. Припускається, що внаслідок цього кристалічна гратка FePt розширюється підшаром Ag, що спричиняє ріст зерен FePt. Розширення осі а веде до зменшення осі с кристалічної гратки FePt, що сприяє формуванню впорядкованої фази. З іншої сторони, період елементарної комірки Cu на 7,2 % менший, ніж у FePt, в результаті чого ефект додавання Cu протилежний додаванню Ag: така різниця у параметрах кристалічної будови спричиняє зменшення осі а, що перешкоджає формуванню впорядкованої фази.

Однією із можливих причин суттєвого зменшення температури впорядкування в плівкових композиціях FePt внаслідок додавання Ag є утворення вакансій при відводі атомів Ag від наночастинок FePt, які не змішуються між собою [45].

Пришвидшення процесу впорядкування спостерігалось в нанорозмірних плівкових композиціях на основі FePt із додаванням Ag в якості верхнього шару, нижнього підшару та в багатошарових композиціях FePt/Ag .

Автори роботи [45] показали, що легування тонких плівок на основі FePt додатковими елементами Au та Ag пришвидшує впорядкування, при чому тонкі плівки з додаванням Ag мають вищий ступінь впорядкування. Також даним чином вдалось досягнути вищих значень коерцитивної сили, яка збішилась від 430 А/м для простих плівок FePt до 748 А/м для тонких плівок, легованих Au, та 1631 А/м у випадку легування Ag. Дане явище, імовірно, викликане мікроструктурними та морфологічними змінами внаслідок присутності у структурі зразків додаткового елементу. Також в даній роботі повідомляється, що додавання Au та Ag до складу тонких плівок FePt приводить до формування острівкової структури з ізольованими частинками.

Проведені дослідження розподілу Ag за товщиною тонких плівок на основі FePt [46] виявили, що під час осадження відбувається дифузія Ag до поверхні зразків, що може бути пов'язано із значенням поверхневої енергії Ag, яке є найнижчим серед всіх компонентів плівки, а також із нерозчинністю Ag в Fe або Pt в умовах термічної рівноваги. Проте, не зважаючи на значну концентрацію Ag в приповерхневій області (біля 50 ат. %), рентгеноструктурний фазовий аналіз не виявив присутності окремої фази Ag, причиною чого може бути маленький розмір зерен Ag, недостатній для виявлення даним методом. Також в даній роботі продемонстровано, що срібло в тонких плівках FePt-Ag може мати два типи структури: ГЦК структуру та потрійний сплав FePt-Ag, в якому атоми Ag займають місця Fe в кристалічній гратці FePt.

Додавання Ag до складу тонких плівок на основі FePt також впливає на поверхневу сегрегацію Fe та Pt [17]. В залежності від хімічного складу та структури сплаву FePt (сплав збагачений Fe чи Pt), на поверхні його зерен відбувається сегрегація надлишкового елементу, яка призводить до зменшення енергії магнітокристалічної анізотропії. Варто відзначити, що даний ефект найбільш виражено проявляється при розмірі зерен FePt ~ 15 нм. Проте навіть незначне додавання Ag може перешкоджати поверхневій сегрегації Pt, що відіграє важливу роль для створення середовищ магнітного запису з розміром зерен менше 5 нм.

Однак існують суперечливі результати досліджень, які демонструють негативні наслідки додавання Ag до тонких плівок на основі FePt.

Зокрема, дослідження [47] показали, що додавання Ag перешкоджає формуванню впорядкованої фази із вираженою перпендикулярною анізотропією.

Також, не зважаючи на те, що присутність проміжного чи верхнього шару Ag має значний вплив на ступінь впорядкування, водночас із тим Ag не пришвидшує процес кристалізації [48]. При цьому зразки з проміжним шаром Ag виявили менші значення коерцитивної сили порівняно із зразками з верхнім шаром Ag, що пов'язується із можливим проникненням Ag в шари FePt та перешкоджанням росту зерен FePt, внаслідок чого фазове перетворення пройде з меншою ефективністю. Збільшення коерцитивної сили при додаванні проміжного чи верхнього шару Ag пов'язується із покращенням мікроструктури тонких плівок FePt, що може зменшувати обмінну взаємодію. Під час дифузії Ag формуються зерна з текстурою, що пояснюється взаємною конкуренцією між енергією викривлення гратки та енергією границь зерен.

1.5 Застосування методу in situ резистометрії для дослідження структури матеріалів

Резистометричні дослідження широко використовуються для визначення температурних інтервалів фазових перетворень та кінетики цих процесів у металах та сплавах [49], що обумовлено високою чутливістю електричного опору до структурних змін в матеріалі, а також доступністю експериментальної реалізації даного методу. Вимірювання електричного опору дозволяють досліджувати матеріали як у масивному, так і у тонкоплівковому (нанорозмірному) стані. Зокрема, використовуючи резистометричний метод дослідження матеріалів, можна вивчати кінетику дифузійного фазоутворення в тонких плівках [50], кінетику окиснення та відновлення в нанопористих матеріалах [51], а також селенізації тонких плівок [52]. Також показано, що дана методика дозволяє досліджувати термічно та механічно активовані мартенситні перетворення у квазіпружніх дротах NiTi із ультрадрібнозернистою мікроструктурою [53]. Вимірювання електричного опору також часто застосовується для дослідження процесу впорядкування у матеріалах. Зокрема, з використанням даного методу у роботі [54] досліджувався вплив пластичної деформації на кінетику процесу упорядкування A1 > B2 в еквіатомних сплавах CuPd.

Варто відзначити високу чутливість резистометричного методу, який дозволяє зафіксувати наявність різних фаз ще на початкових стадіях фазових перетворень, в той час як іншими методиками, зокрема методом електронної мікроскопії, їх виявлення неможливе [55].

В роботі [56] досліджувались електричні властивості аморфних сплавів (NixPt1-x)0,75P0,25 (0,20 ? х ? 0,60) в температурному інтервалі 4,2-700 К. При повільному нагріванні цих сплавів із швидкістю 1,5 К/хв. відбувається перехід від нерівноважної аморфної структури до рівноважної кристалічної за температур > 425 К, що може бути чітко визначене з температурної залежності електроопору зразків (рисунок 1.3). Початок процесу розсклування супроводжується незначним підвищенням електричного опору внаслідок зародження мікрокристалів, після чого відбувається різке його зменшення до завершення процесу рекристалізації при температурі ~ 650 К.

Рисунок 1.3 - Температурна залежність електроопору сплаву (NixPt1-x)0,75P0,25 з аморфною та кристалічною структурою[56]

В роботі [57] за допомогою in situ резистометричних вимірювань проведено дослідження високотемпературної деградації тонких плівок Pt. Як видно з рисунку 1.4, при нагріванні тонкої плівки Pt із швидкістю 5 °С/хв. до температури ~ 900 °С електричний опір помірно зростає, проте при більших температурах спостерігається раптове його збільшення. При менших швидкостях нагрівання різке зростання електроопору відбувається за менших температур. Така поведінка електроопору не є прийнятною для промислового використання тонких плівок Pt в якості температурного аналізатора. Використання резистометричного методу дозволило кількісно оцінити ступінь деградації тонких плівок Pt, а її поєднання з хімічним аналізом та мікроскопією виявили, що деградація тонких плівок Pt відбувається за багатьма механізмами, проте домінуючий вплив має процес агломерації. В результаті in situ резистометричного дослідження процесу деградації тонких плівок Pt при високих температурах також запропоновано цілий ряд можливих рішень даної технологічної проблеми.

Рисунок 1.4 - Температурна залежність електроопору тонких плівок Pt [57]



За допомогою використання модифікованої чотиризондової методики вимірювання поверхневого опору автори роботи [58] змогли дослідити анізотропію провідності однодоменного покриття Si(111).

1.6 Висновки до розділу 1

1. Нанорозмірні плівкові композиції на основі FePt є перспективним матеріалом для майбутнього використання в якості носія надщільного магнітного запису, оскільки впорядкована фаза L10-FePt володіє надзвичайно високими значеннями енергії магнітокристалічної анізотропії і коерцитивної сили. Використання привабливих магнітних властивостей тонкоплівкових матеріалів на основі FePt вимагає проведення повного впорядкування однодоменних частинок FePt необхідних розмірів. При цьому, варто враховувати, що термічна обробка, необхідна для формування бажаної структури, повинна бути чітко визначена: при занадто низьких температурах процес впорядкування протікає не до кінця, але при занадто високих температурах домінує процес злиття частинок. Розуміння механізмів фазових перетворень в тонких плівках на основі FePt під час термічної обробки є важливою задачею, яку необхідно розв'язати для подальшого впровадження цих матеріалів у промислове виробництво.

2. Введення додаткових проміжних шарів у тонкі плівки на основі FePt є одним із ефективних методів зниження температури впорядкування фази L10-FePt внаслідок виникнення механічних напружень між шарами. Додаткові напруження інтенсифікують перебіг процесів впорядкування та масоперенесення.

3. Актуальною задачею сучасного матеріалознавства є виявлення температурних інтервалів фазових перетворень у нанорозмірних плівкових композиціях на основі сплаву FePt з додатковими проміжними шарами легуючих елементів, особливо - срібла, для вирішення якої потужним методом є резистометричний метод дослідження матеріалів.

2. МАТЕРІАЛИ ТА МЕТОДИКА ЕКСПЕРИМЕНТУ

2.1 Вихідні матеріали і об'єкти дослідження

Для досягнення поставленої мети в якості об'єктів дослідження використано нанорозмірні плівкові композиції на основі окремих шарів Pt(15 нм)/Fe(15 нм) з додаванням проміжного шару Ag, товщина якого варіювалась від 0 нм до 25 нм. Схему шаруватої будови досліджуваних тонких плівок наведено на рисунку 2.1. Підкладинками слугували пластини термічно окисненого (шар SiO2 товщиною 100 нм) монокристалічного кремнію орієнтації (100), які в процесі осадження знаходились при кімнатній температурі.

Рисунок 2.1 - Схема шаруватої будови досліджуваних тонких плівок Pt(15 нм)/Ag(х нм)/Fe(15 нм), х = (0 - 25) нм

Досліджувані тонкі плівки Pt(15 нм)/Ag(х нм)/Fe(15 нм) отримано методом почергового магнетронного осадження шарів Pt (99,9 %) та Fe (99,9 %) товщиною по 15 нм та Ag (99,9 %) товщиною (0 - 25) нм. Базовий тиск Ar при осадженні складав 3,5Ч10-3 мбар. Товщина шарів контролювалась методом зворотного Резерфордівського розсіювання.

2.2 Магнетронний метод отримання тонких плівок

Осадження тонких плівок у вакуумі за допомогою магнетронних систем полягає в розпорошенні твердої мішені матеріалу іонами інертного газу, утвореними в плазмі аномального тліючого розряду при прикладенні до нього магнітного поля.

Магнетронні системи (рисунок 2.2) відносяться до систем розпорошення діодного типу і являють собою пристрій, в якому магнітне поле прикладається перпендикулярно до електричного. Основними елементами, з яких утворені ці системи є катод-мішень, анод і магнітна система. Магнітна система (постійні магніти) може бути розміщена за катодом будь-яким чином, але при цьому поверхня катода обов'язково повинна мати принаймні одну область, поблизу якої силові лінії магнітного поля були б направлені паралельно поверхні.

Рисунок 2.2 - Принципова схема установки для магнетронного розпорошення

При подачі постійної напруги між мішенню (негативний потенціал) і анодом (позитивний потенціал) виникає неоднорідне електричне поле Е, в результаті чого збуджується аномальний тліючий розряд. Наявність замкненого магнітного поля до поверхні мішені, що розпорошується, дозволяє локалізувати плазму розряду безпосередньо в мішені. Утворені іони бомбардують катод, в результаті чого відбувається емісія електронів і розпорошення поверхні катода. Емітовані електрони прискорюються електричним полем E і починають рухатися у напрямку аноду. Але внаслідок дії магнітного поля напрямок електронів зазнає змін, оскільки на заряджену частинку із зарядом q, що рухається зі швидкістю v у магнітному полі B, діє сила Лоренца:

Таким чином електрони потрапляють в «пастку», яка обумовлена дією електричного та магнітного полів, і починають рухатися складними циклоїдальними траєкторіям біля поверхні катода. Електрон рухатиметься по цій замкненій траєкторії доти, поки не зазнає декількох зіткнень з атомами робочого газу, в результаті яких відбудеться їх іонізація, а сам електрон, втративши швидкість, переміститься за рахунок дифузії до анода. Тобто замкнутість траєкторії руху електронів збільшує імовірність їх зіткнення з атомами робочого газу, і утворення газорозрядної плазми може відбуватись при значно нижчих тисках, порівняно з методом катодного розпорошення, а отже, і чистота плівок буде значно вища. Іонізуючі зіткнення з атомами робочого газу під час руху електронів тривають до тих пір, поки не анігілюють з іонами плазми, що також істотно збільшує ефективність іонізації. Можливість отримання поля тороїдальної чи іншої форми і відповідних траєкторій електронів залежать від геометричних параметрів і схеми розташування магнітів.

Варто також відзначити, що наявне в установці магнітне поле не лише перешкоджає виходу електронів із прикатодної області, що підвищує ефективність іонізації газу, але і запобігає бомбардуванню осаджуваної плівки електронами, завдяки чому не відбувається нагрівання підкладинки.

Висока швидкість розпорошення та росту тонкої плівки на підкладинці, характерна для цих систем, досягає кілька десятків нанометрів за секунду і виникає внаслідок збільшення щільності іонного струму за рахунок локалізації плазми, яка виникає на поверхні мішені за допомогою сильного поперечного магнітного поля [59]. На противагу цьому при катодному плазма розпорошенні є «розмитою» в міжелектродному просторі.

Магнетронне розпорошення дозволяє з високою ефективністю (що досягає 60 %) використовувати підведену до катода потужність для генерації струмів високої густини (приблизно до 50 мА/см2) при відносно низьких напруженнях (~ 500 - 1000 В) і забезпечує швидкості осадження плівок, що за меншою мірою на порядок величини вище, ніж в інших системах.

Основними параметрами систем магнетронного розпорошення є:

1) питома швидкість розпорошення - (4 - 40)·10-5 г/(см2·с);

2) енергія генерованих частинок - 10 - 20 еВ;

3) енергія осаджених частинок - 0,2 - 10,0 еВ;

4) швидкість осадження - 10 - 60 нм/c;

5) робочий тиск - (5 - 50)·10-2 Па.

2.3 Параметри термічної обробки

Відпали НПК Pt(15 нм)/Ag(х нм)/Fe(15 нм) проводились в камері вакуумного універсального поста ВУП-5М з резистивним джерелом нагрівання, в якості якого використовувалась вольфрамова спіраль. В камері забезпечувався вакуум 10-3 Па.

Термічна обробка тонких плівок проводилась в інтервалі температур (155-610) °С з метою формування різних структурно-фазових станів у досліджуваних зразках, що відповідають різним стадіям фазових перетворень під час відпалів. Найбільшу температуру термообробки (610 °С) обрано таким чином, щоб гарантовано отримати в структурі тонких плівок впорядковану фазу L10-FePt [6].

Для вимірювання температури зразків обрано термопару Ni-NiCr, розташовану на їх поверхні. Для досягнення більшої точності in situ вимірювання електроопору забезпечувалось повільне нагрівання тонких плівок із середньо швидкістю 0,4 °С/с. Під час охолодження забезпечувалось практично миттєве охолодження шляхом відведення зразка із зони нагрівання з метою зменшення впливу інерційних структурно-фазових перетворень.

2.4 Методи дослідження

2.4.1 Метод in situ резистометрії

Вимірювання електричного опору матеріалів дозволяє оцінити якість термічної обробки, концентрацію домішок і легуючих елементів, досконалість кристалічної гратки, досліджувати діаграми стану багатокомпонентних систем та кінетику фазових перетворень. В даній роботі метод in situ вимірювання електроопору обрано у зв'язку із високою структурною чутливістю електричного опору, що дозволяє проводити точне визначення температур фазових перетворень в тонких плівках на основі FePt.

Для реалізації методики in situ визначення температурних інтервалів фазових перетворень в тонких плівках Pt(15 нм)/Ag(х нм)/Fe(15 нм) проводилось безперервне вимірювання поверхневого електричного опору під час термічної обробки зразків у вакуумі за чотирьохзондовою методикою. Дана методика характеризується високою точністю та є простою у виконанні, завдяки чому набула широкого застосування для лабораторних досліджень та в промисловій практиці [60]. Схему визначення опору за чотиризондовою методикою наведено на рисунку 2.3



Рисунок 2.3 - Схема реалізації чотиризондової методики вимірювання електричного опору [60]

Принцип дії чотиризондової методики заснований на явищі розтікання струму у точці контакту металевого вістря струмового зонда з поверхнею досліджуваного матеріалу при пропусканні струму I14 між двома точковими струмовими зондами з номерами 1 i 4 на цій поверхні та виникнення завдяки зазначеному процесу між двома іншими точками тієї ж самої поверхні, де встановлено два металевих вимірювальних точкових зонди з номерами 2 i 3, різниці потенціалів U23, пов'язаної у разі однорідного матеріалу певним співвідношенням з його питомим електричним опором і з особливостями позиціонування системи зондів. При цьому вказані зонди встановлюються на плоску поверхню зразка зазвичай уздовж однієї прямої лінії (рисунок 2.3) .

За принципом суперпозиції електричний потенціал в будь-який точці зразка дорівнює сумі потенціалів, що створюються в цій точці кожним зондом. Для зондів, відстань між якими S1, S2, S3 потенціали вимірювальних зондів 2 та 3 будуть:

та

Різниця потенціалів буде:

Тоді питомий опір матеріалу зразка:

Якщо зонди розташовані на одній прямій, а відстані між ними однакові, тобто S1= S2= S3=S, отримаємо:

У випадку, коли товщина зразка t набагато менша за відстань між зондами S, розтікання струму має циліндричну симетрію, і тоді питомий опір матеріалу зразка визначається за рівнянням:

Причинами виникнення похибок вимірювань питомого електричного опору за чотиризондовою методикою є: