CC BY
39
УДК 537.622.4
ВЛИЯНИЕ ОТЖИГА НА СТРУКТУРУ И ШИРИНУ ЛИНИИ ФЕРРОМАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА (ФМР) КОМПОЗИТНЫХ ПЛЕНОК
(CO45FE45ZR10)X (AL2O3)Y
Л.Н.КОТОВ*, В.А. УСТЮГОВ*, B.C. ВЛАСОВ*, В.К.ТУРКОВ*, Ф.Ф. АСАДУЛЛИН**, Е.А. ГОЛУБЕВ***
* Сыктывкарский государственный университет, г. Сыктывкар ** Сыктывкарский лесной институт, г. Сыктывкар ***Институт геологии Коми НЦ УрО РАН, г. Сыктывкар kotovln@mail.ru
Проведено исследование микроструктуры аморфных композитных плёнок методом атомно-силовой микроскопии. Построены распределения эффективного размера металлических гранул для различных концентраций металлической фазы и различных температур отжига. На основе полученных данных определены СВЧ магнитные характеристики композитных плёнок.
Ключевые слова: композитные плёнки, ферромагнитный резонанс, атомно-силовая микроскопия
L.N.KOTOV, V.A.USTYUGOV, V.S. VLASOV, V.K. TURKOV, F.F. ASADULLIN, E.A. GOLUBEV. ANNEALING INFLUENCE ON STRUCTURE AND FMR LINEWIDTH OF COMPOSITE FILMS (CO45FE45ZR10)x (AL2O3)Y
Microstructure of amorphous composite films was investigated by the atomic force microscopy. Effective size distribution of the metal granules was built for different concentrations of the metal phase and different annealing temperatures. On the basis of the obtained data the microwave magnetic properties of the composite films were defined.
Key words: composite films, ferromagnetic resonance, atomic force microscopy
1. Введение
В настоящее время интенсивно исследуются СВЧ свойства магнитных композитных материалов [1-3]. Интерес к композитным структурам (в частности, к плёнкам) вызван наличием у них таких свойств, как гигантское магнетосопротивление, аномальный эффект Холла и др.
Композитные плёнки имеют сильно неоднородную структуру, определяемую соотношением концентрации металла и диэлектрика. Это обстоятельство затрудняет теоретическое описание их магнитных характеристик. Однако определение структурных и магнитных параметров составляющих плёнку гранул даёт возможность построения теоретических моделей, описывающих магнитные характеристики композитных структур.
Исследуемые в работе аморфные плёнки составов (Co4ЪFe4ЪZrw)x (АІ20з)у , 0.26 < х < 0.63, 0.37 < у < 0.74, были изготовлены методом ионно-лучевого напыления на подложки из ситал-ла (поликристаллического стекла) в атмосфере аргона [4].
Химический состав и толщины плёнок определены с помощью сканирующего электронного микроскопа JSM-6400, обеспечивающего необходимую точность измерений [5]. Толщина исследуемых плё-
нок изменяется в зависимости от концентрации металлической фазы в пределах от 1 до 6 мкм. Кривые намагничивания данных плёнок указывают на наличие столбчатой структуры металлических гранул [4, 6]. При этом металлические гранулы расположены в один слой и представляют собой сильно вытянутые в направлении роста толщины плёнки эллипсоиды вращения [4,6].
Для определения влияния отжига на структуру и СВЧ магнитные характеристики плёнки были подвергнуты отжигу при температурах от 300 до 800 К с шагом 50 К в течение 40 мин.
2. Исследование структуры плёнок
Сканирование поверхности композитных плёнок проведено на атомно-силовом микроскопе ARIS-3500. Рассмотрим особенности полученных изображений атомно-силовой микроскопии (АСМ). Характерный вид поверхности плёнок, подвергнутых и не подвергнутых отжигу, представлен на рис. 1, из которого можно видеть, что плёнки имеют неоднородную шероховатую поверхность. Размер неоднородностей увеличивается с ростом толщины плёнок, при этом изменяется форма магнитных гранул, которая влечёт за собой изменение величин размагничивающих полей и магнитных характеристик плёнок.
С помощью программного обеспечения Gwyd-
V
*aS
11.0 мкмt
dion были построены распределения металлических гранул по эффективному размеру при различных концентрациях металлической фазы. Под эффективным размером понимается радиус сечения эллипсоида плоскостью плёнки (гранулы аппроксимированы эллипсоидами вращения). Распределения гранул по эффективному размеру представлены на рис. 2. По оси абсцисс отложен размер гранул, полученный из фазовых изображений АСМ, по оси ординат — их относительная концентрация. Можно видеть, что в плёнках присутствуют частицы различных размеров, количество мелких частиц значительно превышает количество крупных. Эту особенность можно связать с процессом напыления, в ходе которого материал испаряемой мишени хаотическим образом летит и осаждается на подложке. Максимальный размер наблюдаемых металлических частиц на поверхности плёнки увеличивается с ростом концентрации металлической фазы.
Рис. 2. Зависимость концентрации гранул в плёнке от эффективного радиуса при х = 0.51
(-------до отжига, ------ - отжиг при 550°С,
......- отжиг при 750°С).
Отжиг композитных плёнок приводит к уменьшению количества дефектов на поверхности, а также сплавлению мелких гранул металла и диэлектрика в более крупные образования. При этом увеличивается относительная доля частиц с большим эффективным размером (рис. 2). Образуются частицы с размерами, превышающими максимальный на-
блюдаемый размер частиц в плёнках, не подвергавшихся отжигу. За счёт диффузии возникает отчётливо выделяемая металл-диэлектрическая гранулированная структура, что проявляется также в виде более гладкой зависимости концентрации частиц от эффективного размера, показанной на рис. 2. При длительном отжиге происходит объединение мелких металлических гранул и дальнейшее увеличение количества крупных образований с чёткими границами.
о.о -------------------------------
0.5 -0.4 -0.3 -
о.2 -..!...• \....;.....|....;.......
• :
0.1 ---'---'------^-----'----'-------
0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6
д;
Рис. 3. Зависимость объёмной концентрации металлической фазы от атомной концентрации.
По изображениям фазового контраста плёнок была определена экспериментальная зависимость объёмной концентрации металлической фазы
= Уш
/ Ут + Уа'
(где Уа — объём диэлектрика, Уш — объём металла в плёнке) от атомной концентрации (рис. 3). Можно видеть, что зависимость является практически линейной.
3. Ширина линии ФМР композитных плёнок
Для исследований магнитных характеристик плёнки были разрезаны вдоль градиента концентрации металлической фазы на образцы размером 2.5x5 мм. Магнитные характеристики образцов определены с помощью спектрометра РЭ 1306 на частоте переменного поля /0 = 9.4 ГГц.
График концентрационной зависимости ширины линии резонансного поглощения по полю приведён на рис. 4. Можно видеть, что ширина резонансной линии увеличивается при концентрации магнитной фазы / = 0.09 + 0.12, затем монотонно уменьшается. Увеличение ширины линии до порога перко-ляции связано со случайным распределением гранул по объёму плёнки и разбросом гранул по размерам, приводящим к наличию различных локальных размагничивающих полей. Первый вклад можно оценить согласно работе [7]:
(1 - /
AHpor = 1.5(4nMs)
(¥)
(1)
где М8 — средняя намагниченность насыщения плёнки, / — объёмная концентрация металлической фазы.
Рис. 4. Зависимость ширины линии ФМР от объёмной концентрации металлической фазы f.
Вклад (1) показан на рис. 4 кривой в области низких концентраций. Видно, что данная зависимость качественно согласуется с экспериментальными результатами. Аналогичные результаты получают для плёнок с низким содержанием магнитной фазы различных составов (напр., [8]).
Уменьшение ширины резонансной линии при концентрациях металлической фазы, превышающих порог перколяции, можно объяснить «обменным сужением» [9]. Так, в работе [10] в качестве критерия оценки ширины резонансной линии выбран её коэффициент эксцесса Ех. Для образца сферической формы степень остроты резонансного пика пропорциональна квадрату намагниченности:
í4nMs
Hr
-3,
где Ms — намагниченность образца, Han — поле наведённой анизотропии.
Можно видеть, что при 4^М^ > Han, т. е. при высоких концентрациях магнитной фазы имеет место сужение линии. Для учёта обменного взаимодействия необходимо добавить к правой части выражения (2) слагаемое, пропорциональное
1 Í Шex \
То\ Y Han)
(3)
где г0 — средний размер зерна, шех = 2Еех/Н — обменная частота, Еех — энергия обменного взаимодействия.
Для расчёта ширины линии можно воспользоваться экспериментальной зависимостью ширины линии ФМР от удельного сопротивления и намагниченности плёнки, предложенной в работе [11]:
AH - -PC-, Ms
(4)
где рс — удельное сопротивление плёнки. График концентрационной зависимости ширины линии ФМР, рассчитанной данным методом изображён на рис. 4 кривой в области высоких концентраций.
Рис. 5. Зависимость ширины линии ФМР от температуры отжига.
Была получена зависимость ширины резонансной линии от температуры отжига (рис. 5). Можно видеть, что при некоторой критической температуре ширина резонансной линии резко увеличивается. Это можно связать как со сплавлением частиц в крупные образования, при котором в объёме плёнки возникают частицы различной формы и с различными размагничивающими факторами, так и с кристаллизацией отдельных гранул. Наличие гранул с магнитокристаллической анизотропией в аморфных плёнках может оказывать сильное влияние на магнитные характеристики этих плёнок.
4. Положение резонанса
Для теоретического расчёта резонансных полей используем модель Дубовика [12]. Пусть плоскость композитной плёнки совпадает с плоскостью х — у, подмагничивающее поле направлено вдоль оси г (рис. 6). Частицы, включённые в диэлектрическую матрицу, аппроксимируем эллипсоидами вращения с размагничивающими факторами (2) Щх
(2) = —- = Щ и . Значения размагничи-
4п 4п 11 4п
вающих факторов определяются по известным формулам Осборна [13] и данным, полученным из изображений АСМ плёнок.
Рис. 6. Геометрия задачи.
)
2
2
Запишем свободную энергию ансамбля частиц в виде:
1
W = - M ■ Ho + 2 f2MNfilmM +
+ 1 f (1 - f )MNp(irtM.
(5)
Для нахождения уравнения ферромагнитного резонанса для описанной геометрии задачи выберем в качестве полярной оси ось х. В этом случае свободную энергию ансамбля можно записать в виде:
w = — H0 Ms f sin ф sin ê + - M2 f2 sin2 ф sin2 ê+
2
+ -M2f (1 - f )(N\\ (sin2 0cos2 ф + cos2 0) +
2
+ N± sin2 ф sin2 0).
(6)
Введём обозначение Q = (f - (1 - f )(Ny - N±)), где f — объёмная концентрация металлической фазы в композите. Тогда условия равновесия вектора намагниченности запишутся следующим образом:
п • , Ho
ф0 =2 ’ sin êo = 4MQ,
если H0 < 4nMsQ и
фо = 2, êo = 0
(7)
(8)
при H0 ^ 4nMsQ. По формуле Смита-Бельерса запишем уравнение резонанса:
(^) = Но2 (2/2 + 3/ + 1)-(4M)2Q2(/2+f ). 7 (9)
Рис. 7. Зависимость положения резонансной линии от объёмной концентрации металлической фазы /.
Сопоставим полученный теоретический результат с экспериментальными данными. Из рис. 7 можно видеть, что данная модель даёт удовлетворительный результат в диапазоне концентраций / = 0.2 + 0.6. Расхождение теории и эксперимента в области низких концентраций связано с ограничением области применения модели, состоящим в том, что зависимость (5) адекватно описывает ансамбли одинаковых и регулярно расположенных частиц. В
реальных плёнках при низких концентрациях металла наблюдается значительный разброс размеров и формы частиц, а также случайное их расположение в объёме плёнок. При высоких концентрациях металла возможно образование сростков частиц сложной формы, что также остаётся за рамками описания данной модели.
5. Заключение
Методика применения данных о структуре аморфных плёнок для теоретического расчёта их высокочастотных магнитных характеристик может быть полезна для разработки способов получения композитных плёнок с заданными магнитными характеристиками.
Авторы выражают благодарность за предоставление композитных плёнок профессору Ю. Е. Калинину и д.ф.-м.н. А. В. Ситникову (Воронежский государственный технический университет), а также В. Н. Филиппову (Институт геологии Коми НЦ УрО РАН) за определение химического состава и толщин плёнок.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 13-02-01401а).
Литература
1. Kotov L.N., Turkov V.K., Vlasov V.S. et al. // JMMM. 2007. Vol. 316. No.2. P. e20.
2. Kotov L.N., Efimets Yu.Yu., Vlasov V.S. et al. // Advanced Materials Research. 2008. Vol. 47-50. P. 706.
3. Kotov L.N., Vlasov V.S., Turkov V.K. et al. // J. Nanoscience and Nanotechnology. 2012. Vol. 12. No. 2. P. 1696.
4. Ситников A.B. Электрические и магнитные свойства наногетерогенных систем металл-диэлектрик. Дис. докт. физ.-мат. наук. Воронеж: ВГТУ, 2010.
5. Kotov L.N., Turkov V.K., Vlasov V.S. et al. // Material Science and Engineering. 2006. Vol. 442. No. 1-2. P. 352.
6. Гриднев CA., Калинин Ю.Е., Ситников A.B., Стогней O.B. Нелинейные явления в нано-и микрогетерогенных системах. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. 352 с.
7. Buffler C.R. // J. Appl. Phys. 1959. Vol. 30. No. 4.
8. Guskos N. // J. Achiev. Materials Manufacturing Engineering. 2012. Vol. 54. No. 1.
9. Anderson P.W., Weiss P.R. // Rev. Mod. Phys. 1953. Vol. 25. No. 1.
10. Журавлёв B., Котюков Ю., Корогодов B. // Изв. ВУЗов.1979. № 7.
11. BолошинcкийA.H., Рыжанова H.B., Туров ЕА. // Письма ЖЭТФ. 1976. Т. 23. № 5.
12. Dubowik J. // Phys. Rev. B. 1996. Vol. 54. No. 2.
13. Osborn JA // Phys. Rev. B. 1945. Vol. 67.
Статья поступила в редакцию 06.08.2013.
