CC BY
50
Том 152, кн. 3
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ КАЗАНСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
Физико-математические пауки
2010
УДК 535.39
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ И МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ РУТИЛА (ТЮ2), ИМПЛАНТИРОВАННОГО ИОНАМИ ЖЕЛЕЗА С ВЫСОКИМИ ДОЗАМИ
II. Р. Вахитов, В. И. Нуждии,, Ю.Н. Осип, Р. И. Хайбуллип
Аннотация
Монокристаллические (100)- и (001)-иластиики ТЮ 2 структуры рутила были имплантированы (подвергнуты облучению) ионами железа с энергией 40 кэВ при высокой дозе облучения 1.5 • 1017 ион/см2. Структурные и магнитные свойства поверхностного слоя рутила, модифицированного ионным облучением, были изучены методами сканирующей электронной микроскопии и индукционной магнитометрии. В результате высокодозпой
2
пым металлическим блеском, обусловленный формированием папочастиц металлического железа в облученном поверхностном слое рутила. Магнитные измерения показывают, что имплантированные железом образцы являются ферромагнитными при комнатной температуре. Наведенный в диамагнитной матрице рутила ферромагнетизм проявляет как анизотропию формы «легкая» плоскость, характерную для топких ферромагнитных пленок. так и магнитную кристаллографическую 2- и 4-кратпую анизотропию в плоскости (100)- и (001)-пластипок соответственно. Последнее указывает па то. что синтезированные ионной имплантацией папочастицы железа когерентно встроены в тетрагональную кристаллическую структуру рутила.
Ключевые слова: иоппая имплантация, ферромагнетизм, магнитная анизотропия.
Введение
Ионная имплантация является эффективным методом модификации структурных и физических свойств поверхностных слоев различных материалов с использованием высокоэпергетичных ионных пучков [1]. В основе данного метода лежит процесс принудительного внедрения ускоренных до высоких энергий ионов различных химических элементов в тонкий поверхностный слой твердотельной подложки. Толщина модифицированного слоя определяется как режимами и параметрами ионного облучения (в основном энергией и массой внедряемого иона), так и структурой (плотностью, химическими связями и т. д.) облучаемой подложки.
Рутил тетрагональная модификация кристаллической структуры диоксида титана (ТЮ2)- Рутил является широкощелевым полупроводником п-типа с шириной запрещенной зоны 3.0 эВ (А = 413.0 нм), прозрачным в оптическом диапазоне длин волн и диамагиетиком [2]. Однако легирование полупроводникового рутила магнитными элементами группы железа обусловливает ферромагнетизм в данном материале, что открывает широкие перспективы его использования в спинтро-нике [3]. Для получения образцов рутила с примесыо железа в настоящей работе был использован метод ионной имплантации. Целыо работы являлось исследование влияния имплантации магнитными ионами железа с высокой дозой на структурные и магнитные свойства исходно прозрачного и диамагнитного рутила.
8
И.Р. ВЛХИТОВ И ДР.
1. Экспериментальная часть
Ионы Fe+ (содержание изотопов железа в пучке 50% Fe56: 50% Fe57), ускоренные до энергии 40 кэВ, были имплантированы в (100)- и (001)-ориснтированныс монокристаллические пластинки рутила с дозой 1.5 • 1017 ион/см2 при плотности ионного тока 8 мкА/см2 на ионно-лучевом ускорителе ИЛУ-3. Имплантация была выполнена при комнатной температуре в остаточном вакууме 10-5 Topp. С помощью компьютерного пакета SRIM-2008 [4] был произведен расчет глубин-
2
структуры рутила, имеющего плотность 4.24 г/см3.
Элементный состав и морфологии поверхности облученных пластинок рутила были исследованы на сканирующем электронном микроскопе Carl Zeiss EVO'50. оборудованном эиергодисперсионным рентгеновским спектрометром Oxford INCA Energy 330. Магнитные измерения проводились па экспериментальном коэрцитивном спектрометре [5]. Зависимость величины наведенного магнитного момента от значения магнитного поля, приложенного либо в плоскости (in-plane геометрия), либо перпендикулярно плоскости (out-of-plarie геометрия) образца, регистрировалась при комнатной температуре с разверткой магнитного поля до 500 мТл. При обработке результатов магнитных измерений диамагнитный вклад от подложки 2
дена к числу магнитных ионов железа, имплантированных в образец.
2. Результаты и их обсуждение
На рис. 1. А представлены кривые глубинных профилей распределения концен-
2
облучаемой подложки. Как видно из рисунка, толщина модифицированного имплантацией поверхностного слоя рутила имеет величину порядка 40 нм и основная часть внедренной примеси железа залегает на глубине около 20 нм. С ростом дозы имплантации максимум распределения концентрации железа растет и сдвигается ближе к поверхности. Для заданной в наших экспериментах дозы имплантации 1.5 • 1017 ион/см2 концентрация примеси железа принимает значение, равное 4.8 • 1022 атом/см3, что составляет порядка 50 ат. % с учетом атомарной плотности рутила (9.6-1022 атом/см3). Столь высокая концентрация железа заведомо должна вести к преципитации примеси в форме наноразмерных частиц железа. Действительно, в работе [6] было показано, что основной магнитной фазой в исследуемых нами образцах рутила является а-фаза металлического железа.
Элементный анализ имплантированного слоя рутила показал наличие только внедренной примеси железа и структурообразующих элементов титана и кислорода с пониженным содержанием последнего. На рис. 1, Б представлена морфоло-
2
что поверхность образца в целом является гладкой, хотя и наблюдаются углубления (темные пятна) микронного размера овальной формы и полосы углубления,
2
На рис. 2 представлены петли магнитного гистерезиса, регистрируемые при различных ориеитациях сканирующего магнитного поля по отношению к кристал-
2
намагниченности исследуемых образцов от значений полярного (в) и азимутального (ф) углов. Из анализа представленных на рис. 2, А кривых намагничивания, а также зависимостей па рис. 2, Б хорошо видно, что имплантированные железом пластинки рутила проявляют характерную для ферромагнитных пластин анизотропию формы. Так, пластинки легко намагничиваются до насыщения при
А) Б)
Рис. 1. А) глубинные профили распределения 40 кэВ ионов Ре в матрице (ЮО)-пластинок ТЮ2 при разных дозах имплантации с учетом распыления облучаемой подложки (коэффициент распыления равен 5 =1.2 атом/ион); Б) морфология поверхности (100)-пластинок ТЮ 2 , имплантированных ионами желе за с дозой 1.5 • 1017 ион/см2
Рис. 2. А) кривые намагничевания (ЮО)-пластинки ТЮ2 , имплантированной ионами железа с дозой 1.5 • 1017 ион/см2, при различных ориентациях магнитного поля по отношению к кристаллографическим осям пластинки; Б) зависимость отношения остаточной намагниченности к намагниченности насыщения (7Г / 38) от полярного угла в для 2
же величины (7Г/38) от азимутального угла ф для (100)- и (001)-пластинок ТЮ2, имплантированных примесью железа, соответственно
10
И.Р. ВЛХИТОВ И ДР.
приложении магнитного поля в плоскости пластины (в = 90°), а при приложении магнитного поля вдоль нормали к пластине (в = 0°) образец не насыщается даже при максимальной в наших экспериментах величине магнитного поля, равной Bmax = 500 мТл.
Из анализа представленных на рис. 2. В и Г полярных зависимостей отношения величин Jr / Js (отношения остаточной намагниченности к намагниченности насыщения) видно, что имплантированная попами железа (ЮО)-пластипа проявляет 2-кратную симметрию ферромагнитного отклика, а (001)-пластина 4-кратную симметрию. Подобные угловые зависимости были получены и для величины коэрцитивного поля (не представлены). Принимая во внимание тетрагональную симметрию рутила, в которой [100]- и [001]-оси являются осями симметрии второго и четвертого порядка, соответственно, можно сделать вывод о том. что ионно-синте-зированные частицы железа когерентно встроены в матрицу рутила.
Таким образом, было исследовано влияние имплантации быстрых ионов железа на структурные и магнитные свойства поверхностного слоя диоксида титана структуры рутила. Анализ результатов исследований показал, что в результате имплантации ионами железа с высокой дозой в облученном слое рутила формируются наночастицы (гранулы) а-фазы металлического железа. Ионно-синтезированные гранулы железа обусловливают ферромагнитный отклик в имплантированных пластинках TiCb при комнатной температуре. Обнаружено сильное влияния кристаллографической ориентации облучаемых пластин на магнитную анизотропию, регистрируемую в плоскости пластин: имплантированные (ЮО)-пластинки проявляют 2-кратную, а (001)-пластинки 4-кратную симметрию ферромагнитного отклика.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект Х- 10-02-01130-а) и Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (госконтракт Л*1' П902).
Summary
I.R. Vakhitov, V.I. Nujtlin, Y.N. Osin, R.I. Khaibullin. Study of the Structural and Magnetic Properties of Rutile (TiO 2) Heavily Implanted with Iron Ions.
Single-crystalline (100)- and (OOl)-films of titanium dioxide (TiO2) were implanted by Fe ions with an energy of 40 keV with a high dose of irradiation of 1.5 • 1017 ион/см2. Structural and magnetic properties of the surface layer of the irradiated samples were studied using scanning electron microscopy and inductive magnetometry. As a result of liigli-dose
2
to the formation of metal iron nanopart.icles in the irradiated surface layer of rutile. Magnetic measurements showed that the iron-implanted samples are ferromagnetic at room temperature. The ferromagnet.ism shows easy-plane anisot.ropy. which is typical for thin ferromagnetic films. In addition. 2- and 4-fold magnetic anisot.ropy in the surface plane was revealed for the (100)-and (OOl)-samples, respectively. The latter observation indicates that the iron nanoparticles synthesized by ion implantation are coherently embedded in the tetragonal crystal structure of rutile.
Key words: ion implantation, ferromagnet.ism. magnetic anisot.ropy.
Литература
1. Риссел X., Руге. И. Иоппая пмплаптацпя. М.: Наука, 1983. 360 с.
2. Diebold U. The surface science of titanium oxide // Surf. Sci. Rep. 2003. V. 48.
P. 53 229.
3. Prellier W., Fauchet А., Mercey В. Oxide-diluted magnetic semicuudoct.ors: a review of the experimental status // J. Pliys.: Cond.Mat.t. 2003. V. 15 P. R1583 R1601.
4. Ziegler J.F., Biersack J.P., Littmark U. The Stopping and Range of Ions in Solids. N. Y.: Pergamon Press, 1985. URL: http://www.srim.org.
5. Пат. 81805 Рос. Федерация. Коэрцитивный спектрометр / Нургалиев Д.К.. Ясонов П.Г. Л» 2008125924/22: заяв. 17.06.2008: опубл. 27.03.2009, Вюл. Л» 19.
6. Дулов E.H., Ивойлов Н.Г., Хрипунов Д.М., Тапиров Л.Р., Хайбуллии Р.И., Валеев В.Ф., Нуждии В.И. Мессбауэровские исследования магнитного фазового состава монокристаллического рутила (ТЮ2), имплантированного ионами железа// Письма в ЖТФ. 2009. Т. 35, Вып. 11 С. 1 9.
Поступила в редакцию 30.06.10
Вахитов Искандер Рашидович студент физического факультета Казанского (Приволжского) федерального университета.
E-mail: ujayQmail.ru
Нуждин Владимир Иванович научный сотрудник КФТИ им. Е.К. Завойского КазНЦ РАН.
E-mail: nuzhdinOkfti.knc.ru
Осин Юрий Николаевич научный сотрудник Казанского физико-технического института им. Е.К. Завойского КазНЦ РАН.
E-mail: usinOkfti.knc.ru
Хайбуллин Рустам Ильдусович кандидат физико-математических паук, старший научный сотрудник Казанского физико-технического института им. Е.К. Завойского КазНЦ РАН и лаборатории ФМНС кафедры ФТТ Казанского (Приволжского) федерального университета.
E-mail: rikkftiOmail.ru
