CC BY
185
УДК 539.216.2:536.425.001.57
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА НАНОКОМПОЗИТОВ ФЕРРОМАГНЕТИК-УГЛЕРОД А.А. Алешников, Ю.Е. Калинин, А.В. Крячко, А.В. Ситников
Исследованы кривые намагниченности и комплексная магнитная проницаемость на частоте 50 МГц
композитов (С04оРе4оВ2о)Х(С)100-Х, (Со84ЫЬ14Та2)Х(С)100-Х, (№)х(С)100-Х, (Со)Х(С)100-Х. Образцы
получены методом ионно-лучевого распыления. Выявлена связь между магнитостатическими и магнитодинамическими свойствами гетерогенных систем
Ключевые слова: нанокомпозиты, магнитные свойства, порог протекания, магнитная проницаемость
Введение
В последнее время большой интерес физиков и материаловедов привлекают магнитные свойства гетерогенных наносистем, в которых одна фаза является ферромагнитной, а другая немагнитной. При использовании таких материалов в высокочастотных электромагнитных полях необходимо, чтобы они обладали высоким удельным электрическим сопротивлением (р). Обычно для повышения р в магнитных композитах в качестве немагнитной фазы используют диэлектрик [1-5]. Гетерогенная структура, у которой магнитные металлические гранулы диаметром несколько нанометров окружены диэлектриком, имеет высокое удельное электрическое сопротивление, зависящее от соотношения проводящей и изолирующей фаз [68]. В качестве ферромагнитной фазы композитов используют либо переходные металлы Со, Ге, N1 или сплавы на их основе [9-14]. Основным условием формирования гетерогенной структуры при совместном осаждении двух компонентов является их взаимная не- растворимость. При этом на подложке образуются зародыши металлической и диэлектрической фаз композита. В результате процессов самоорганизации формируется либо изотропное, либо анизотропное распределение гранул металлической фазы [15]. Гетерогенная структура некоторых композитов формирует высокую перпендикулярную магнитную
анизотропию, что негативно сказывается на высокочастотных магнитных свойствах
нанокомпози-тов [9, 16-19]. Одним из способов
подавления перпендикулярной магнитной анизотропии является напыление композита в среде, содержащей активныегазы. В результате образуются оксидные или нитридные оболочки на поверхности металлических наногранул, которые препятствуют
Алешников Александр Александрович - ВГТУ, аспирант, e-mail: [email protected]
Калинин Юрий Егорович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, e-mail: [email protected] Крячко Александр Владимирович - ВГТУ, студент, тел. 8-950-760-81-53
Ситников Александр Викторович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, доцент, e-mail: sitnikov04@mail. ru
формированию перколяционной сетки.
Следовательно, подавляется рост столбчатой структуры пленки. Однако, такая структура находится до порога протекания и проявляет суперпаромагнитные свойства с низкими значениями намагниченности насыщения и магнитной проницаемости [20,21].
В работе [22] показана возможность формирования гранулированной структуры ферромагнитных частиц кобальта в матрице аморфного углерода, который является
полупроводником.
В предлагаемой работе рассмотрены магнитостатические и магнитодинамические свойства некоторых композитов из ферромагнитных частиц на основе переходных материалов с аморфной и кристаллической структурой в матрице аморфного углерода.
Образцы и методика эксперимента
Пленки углеродосодержащих гетерогенных систем были получены ионно-лучевым распылением составной мишени на ситалловые подложки [23]. Били синтезированы композиты (Со40Ре40Б20)х(С)100-х, (Co)х(C)loo-х, (№)х(С)100-х и
(Со45Ге^г10)Х(С)100-Х в широком диапазоне концентраций металлической фазы. Осаждение композитов осуществлялось как в среде чистого аргона, так и в смешанной среде аргона с добавлением водорода.
Элементный состав пленок проводили энергодисперсионной рентгеновской приставкой Oxford INCA Energy 250 на сканирующем электронном микроскопе JEOL JSM-6380 LV. Кривые намагничивания были получены на вибрационном магнитометре. Концентрационные зависимости комплексной магнитной
проницаемости на частоте 50 МГц измерены резонансным методом.
Для исследования структуры образцов осаждение проводилось на поверхность
монокристаллов соли NaCl. Толщина пленок составляла ~1000 Á. Выявлено, что все исследуемые системы являются гетерогенными. В качестве примера, на рисунке 1 представлена микрофотография и электронная дифракция
композита (Со4оГе4оВ2о)7о,7(С)293. Размер
металлических гранул составляет 3-4 нм. Анализ данных по электронной дифракции показывает отсутствие кристаллической структуры как металлической, так и диэлектрической фаз композита (Со4оГе4оВ2о)х(С)юо-х.
Рис. 1. Микрофотография и электронная дифракция композита (Со4оГе4оВ2о)7о>7(С)29>3
Результаты эксперимента и их обсуждение
На рисунке 2 представлены кривые намагничивания нанокомпозита (Со4оГе4оВ2о)68(С)32 в исходном состоянии и после термической обработки. Видно, что в исходном состоянии М(Н) имеет излом (рис. 2а). Это может быть связано с отклонением вектора намагниченности в перпендикулярном относительно плоскости пленки направлении. Причина возникновения некоторого угла между вектором М и плоскостью поверхности подложки являются структурные неоднородности распределения металлических наногранул в объеме образца, сформированные в процессе роста пленки. Подобные структурные изменения наблюдались в композитах (Со45Ре4^г1о)Х(А1203)1оо_Х [15]. Кроме того сравнение двух кривых намагниченности измеренных в плоскости пленки в ортогональных направлениях выявило отсутствие магнитной анизотропии в плоскости подложки. После отжига вид зависимостей М(Н) существенно изменяется (рис. 2Ь). Отсутствует излом на кривой
намагниченности и наблюдается различие в кривых, измеренных вдоль и перпендикулярно оси образца в плоскости пленки. Это свидетельствует об отсутствие перпендикулярной составляющей намагниченности и формировании анизотропии магнитных характеристик в плоскости пленки. Т акже после отжига уменьшилась величина коэрцитивной силы.
Такие изменения магнитных свойств композита повлияли на концентрационные
Н, Э
Н, Э
Рис. 2. Кривые намагничивания нанокомпозита (Со4оГе4оВ2о)68(С)32 : а - в исходном состоянии, Ь - после отжига при температуре 3оо оС в течение 3о минут, измеренные вдоль (1) и перпен-дикулярно оси образца в плоскости пленки (2)
зависимости действительной (т/) и мнимой (т7/) частей комплексной магнитной проницаемости композита (Со4оГе4оВ2о)х(С)1оо_х, измеренные на частоте 5о МГц (рис. 3). Видно, что в образцах, подвергнутых термической обработке, после порога протекания значение т и т возросли более чем на порядок. Невысокая величина поля анизотропии (На) порядка 5-7 Э позволило достичь значений |л/ до 2ооо единиц.
Кривые намагниченности композита (Со45Ге4^г1о)58 9(С)411 в исходном состоянии и после термической обработки представлены на рис. 4. В исходном состоянии характеристика М(Н) не имеет излом (рис. 4а). Это свидетельствует о том, что вектор намагничивания расположен в плоскости пленки. Следовательно, структура пленок композита (Со45Ге4^г1о)Х(С)1оо_Х характеризуется большей степенью изотропности, чем (Со4оГе4оВ2о)х(С)1оо-х. После отжига вид зависимостей М(Н) существенно не изменяется (рис. 4Ь). Однако можно отметить, что после термической обработки в плоскости пленки сформировалась магнитная анизотропия с легкой осью намагничивания вдоль оси образца. Оценка величины На по выходу кривой намагничивания в насыщение дает значение порядка 7-8 Э. Коэрцитивная силы уменьшилась с 6,5 Э до 1,5 Э.
м'м"
Рис. 3. Концентрационные зависимости действительной (кривые 1,3) и мнимой (кривые 2,4) частей комплексной магнитной проницаемости на частоте 5о МГ ц композита (Со4оГе4оВ2о)х(С)1оо-х в исходном состоянии (кривые 1,2) и после отжига при температуре 3оо оС в течение 3о минут (кривые 3,4)
Такие изменения магнитных свойств композита повлияли на концентрационные зависимости М-(х) и М-^х) композита
(Со45Ге4^г1о)Х(С)1оо_Х, измеренные на частоте 5о МГц (рис.5). Анализ полученных зависимостей показал, что в образцах, подвергнутых термической обработке, после порога протекания значение |М и |М
Н, Э
Н, Э
Рис. 4. Кривые намагничивания нанокомпозита (Со45Ге452г1о)589 (С)411 в исходном состоянии (а) и после отжига при температуре 2оо оС в течение 3о минут (Ь), измеренные вдоль (1) и перпендикулярно оси образца в плоскости пленки (2)
Х, ат. %
Рис. 5. Концентрационные зависимости действительной (кривые 1,3) и мнимой (кривые 2,4) частей комплексной магнитной проницаемости на частоте 5о МГц композита (Со45Ге452г1о)Х(С)1оо-Х в исходном состоянии (кривые 1,2) и после отжига при температуре 2оооС в течение 3о минут (кривые 3,4)
возросли в несколько раз. Невысокая величина На позволила достичь значения м/ до 12оо единиц.
Подобные кривые намагниченности характерны и для композита (Со)Х(С)1оо-Х (рис. 6). Однако надо отметить, что термическая обработка значительно в меньшей степени повлияла на зависимости М(Н). Такое изменение кривых намагниченности возможно связано со структурой металлических гранул. Сплавы Со45Ре4^г1о и Со4оГе4оВ2о склонны к аморфизации и в композитах
(С°45Ге45^г1о)х(^1°2)1оо-х , (Со4оГе4оВ2о)х(8102)1оо-х металлические гранулы имеют аморфную структуру [24]. Можно предположить, что в гетерогенных системах (Со45Ге4^г1о)Х(С)1оо_Х и
(Со4оГе4оВ2о)х(С)1оо-х металлическая фаза находится в аморфном состоянии. В случае Со структура гранул остается кристаллической, поэтому термический отжиг на композит (Со)Х(С)1оо-Х оказывает меньшее влияние.
Анализ концентрационных зависимостей |т(х) и М//(х) композита (Со)Х(С)1оо-Х, измеренные на частоте 5о МГц (рис.7), показал, что в образцах подвергнутых термической обработке, состав которых находится после порога протекания, значение т и т возросли незначительно, что полностью согласуется с изменениями кривых М(Н).
В случае композита (№)Х(С)1оо_Х кривые намагничивания имеют значительную коэрцитивную силу (Нс) (порядка 5о Э) (рис.8), что отличает их от гетерогенных структур рассмотренных ранее. Отжиг при 2оо оС в течении 3о мин не привел к существенному изменению величины Нс. Такие магнитостатические свойства обусловили низкие значения т(х) и ^(х) после порога перколяции (рис.9). Данные зависимости комплексной магнитной проницаемости возможны, если амплитуда высокочастотного измерительного поля ниже коэрцитивности образцов.
Н, Э
Н, Э
Рис. 6. Кривые намагничивания нанокомпозита (Со)67(С)33 в исходном состоянии (а) и после отжига при температуре 3оо оС в течение 3о минут (Ь), измеренные вдоль (1) и перпендикулярно оси образца в плоскости пленки (2)
Н, Э
Н, Э
Рис. 8. Кривые намагничивания нанокомпозита (№)88(С)12 в исходном состоянии (а) и после отжига при температуре 2оо оС в течение 3о минут (Ь), измеренные вдоль (1) и перпендикулярно оси образца в плоскости пленки (2)
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
60
Г 1 П.П.
/ \ 0
А ° Г
со А Ьі
ЛСР 4
° 2
70
Х, ат. %
Рис. 7. Концентрационные зависимости действительной (кривые 1,3) и мнимой (кривые 2,4) частей комплексной магнитной проницаемости на частоте 5о МГц композита (Со)Х(С)1оо-Х в исходном состоянии (кривые 1,2) и после отжига при температуре 3оо оС в течение 3о минут (кривые 3,4)
Х, ат. %
Рис. 9. Концентрационные зависимости действительной (кривые 1,3) и мнимой (кривые 2,4) частей комплексной магнитной проницаемости на частоте 5о МГц композита (№)Х(С)1оо-Х в исходном состоянии (кривые 1,2) и после отжига при температуре 2оо оС в течение 3о минут (кривые 3,4)
Существенно иные зависимости
намагниченности наблюдаются для композита (Со8фЫЬ14Та2)69,5(С)31,5 (рис. Ю). Видно, что кривые имеют излом на зависимости М(Н). Это может быть связано с отклонением вектора намагниченности в перпендикулярном относительно плоскости пленки направлении. В отличие от системы
(Со40Ре40В20)х(С)100_х направление вектора М почти ортогонально плоскости подложки, что свидетельствует о большой величине перпендикулярной магнитной анизотропии.
Причиной этому может быть столбчатая структура пленки, сформировавшаяся в процессе ее роста. Такая магнитная структура композита обуславливает
Н, Э
Н, Э
Рис. 1о. Кривые намагничивания композита (Со84№14Та2)69 5(С)315 в исходном состоянии (а) и после отжига при температуре 2оо оС в течение 3о мин (Ь), измеренные вдоль (1) и перпендикулярно оси образца в плоскости пленки (2)
низкие значения действительной и мнимой частей комплексной магнитной проницаемости на концентрационных зависимостях (см рис.11). Отжиг существенно не сказывается на магнитостатических и динамических характеристиках.
Х, ат. %
Рис. 11. Концентрационные зависимости действительной (кривые 1,3) и мнимой (кривые 2,4) частей комплексной магнитной проницаемости на частоте 5о МГц композита (Со84№14Та2)Х(С)1оо-Х; в исходном состоянии (кривые 1,2) и после отжига при температуре 2оо оС в течение 3о минут (кривые 3,4)
Заключение
Проведенные исследования
магнитостатических и магнитодинамических свойств гетерогенных систем металл-углерод
показали, что композиты (Co)x(C)100-x
(Co4oFe4oB2o)x(C)l00-X (Co45Fe45Zr10}X(C)100-X после порога перколяции имеют хорошие магнитомягкие свойства. Термическая обработка этих композитов уменьшает коэрцитивную силу, увеличивает
магнитную проницаемость и значительно увеличивает значение комплексной магнитной
проницаемости на частоте 50 МГ ц.
Композит (Ni)X(C)100-X после порога
перколяции имеет значительную величину
коэрцитивной силы, что является причиной низких значений комплексной магнитной проницаемости на частоте 50 МГц.
В композите (Co84Nb14Ta2)X(C)100-X выявлена значительная перпендикулярная магнитная
анизотропия, что может быть связано со
структурными особенностями гетерогенной структуры.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 11-02-90437-Укр_ф_а
Литература
1. Ohnuma S. H., Fujimori H., Mitani S., and
Masumoto T. High frequency magnetic properties in metal-nonmetal granular films// J. Appl. Phys.- 1996.-V.79.-P.5130-5135.
2. Bloemen P. J. H. and Rulkens B. On the frequency dependence of the magnetic permeability of FeHfO thin films // J. Appl. Phys.-1998.-V.84.P6778-6781.
3. Shihui Ge, Yang Xiaolin, Kim Kwang Youn, Xi Li, Kou Xiaoming, Yao Dongsheng, Li Binsheng, and Wang Xinwei Study on mechanism of soft magnetic properties for high-frequency application in Ni75Fe25-SiO2 granular films// Phys. Stat. Sol. A.-2005.-V.202.-N.10.-P.2021-2027.
4. Sohn J. C., Byun D. J., and Lim S. H. Theoretical and experimental permeability spectra of nano-granular Co-Fe-Al-O films for GHz magnetoelastic device applications// Phys. Stat. Sol. A.-2004.-V.201.-N.8.-P.1946-1950.
5. Buznikov N.A., Iakubov I.T., Rakhmanov A.L., Sboychakov A.O.High-frequency magnetic permeability of nanocomposite film// J. Magn. and Magn. Mater.-2005-V.293.-P.938-946.
6. Ohnuma S., Kobayashi N., Masumoto T., Mitani S., and Fujimori H., Magnetostrictrion and soft magnetic properties of (Co1-xFex)-Al-O granular films with high electrical resistivity // J. Appl. Phys.-1999.-V.85. P.4574-4576.
7. Xu Y., and Yan X. Microstructure and magnetic properties of percolating (Ni-Fe)x(SiO2)1-x granular films// J. Mat. Rsch.-1996.-V. 11-P.2506-2509.
8. Hayakawa Y., Hasegawa N., Makino A., Mitani S., and Fujimori H. Microstructure and magnetoresistance of Fe-Hf-O films with high electrical resistivity // J. Magn. Magn. Mater.-1996-V. 154.-P.175-182.
9. H. Ohnuma, K. Hono, H. Onoder, S. Ohnuma, H.
Fujimori, J.S. Pedersen Microstructures and magnetic properties of Co-Al-O granular thin films// J. Appl. Phys.-2000-V.87-N2-P.817-823.
10. Wu L.Z., Ding J., Jiang H.B., Chen L.F., Ong C.K. Particle size influence to the microwave properties of iron based magnetic particulate composites//J. Magn. and Magn. Mat.-(2005)-V.285-P.233-239.
11. Ramprasad R., Zurcher P., Petras M., Miller M., Renaud P. Magnetic properties of metallic ferromagnetic nanoparticle composites// Appl. Phys.-2004-V.96.-N.11.-P.519-529.
12. Chen C., Kitakami O., and Shimada Y., Particle size effects and surface anisotropy in Fe-based granular films // J. Appl. Phys.,-1998- V. 84,-P. 2184-2189.
13. Lianwen Deng, Zekun Feng, Jianjun Jiang, Huahui He Percolation and microwave characteristics of CoFeB-SiO2 nano-granular films// J. Magn. and Magn. Mater.-2007-V.309.-P.285-289.
14. F. Yildiz, S. Kazan, B. Aktas, S.I. Tarapov, L. Tagirov, B. Granovsky Ferromagnetic resonance studies on (Co40Fe40B20)x(SiO2)i-x granular magnetic films// J. Magn. and Magn. Mater.-2006-V.305.-P.24-27.
15. Гриднев С.А., Калинин Ю.Е., Ситников А.В., Ситников А.В Нелинейные явления в нано- и микрогетерогенных системах. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012.- 352 с.
16. Ohnuma S., Fujimori H., and Masumoto T., Xiong X. Y., Ping D. H., and Hono K. FeCo-Zr-O nanogranular soft-magnetic thin films with a high magnetic flux density// Appl. Phys. Lett.-2003-V.82.-N.6.-P.946-948.
17. Ситников А.В. Механизмы наведенной
магнитной анизотропии в гранулированных
нанокомпозитах (Co40Fe40B20)X(SiO2)100-X // Альтерна-
тивная энергетика и экология. - 2008. - № 8. - С. 31-37.
18. Стогней О.В. Ситников А.В. Анизотропия аморфных наногранулированных композитов CoTaNb-SiOn и CoFeB-SiOn// Физика твердого тела.-2010.- Т. 52. -Вып. 12.- С. 2356-2364.
19. Ситников А.В. Магнитные свойства и
особенности формирования структуры
наногранулированных композитов металл-диэлектрик // Материаловедение. - 2010 - № 3 - С. 134-137.
20. Fedotova J., Kasiuk J., Przewoznik J., Kapusta Cz., Svito J., Kalinin Yu., Sitnikov A. Effect of oxid shells on magnetic and magnetotransport characteristics of oxidized FeCoZr nanogranules in Al2O3 // J. of Alloys and Compounds
- 2011 - Vol. 509. - P. 9869-9875.
21. Saad A.M., Mazanik A.V., Kalinin Yu.E., Fedotova J.A., Fedotov A.K., Wrotek S., Sitnikov A.V., Svito J. Structure and electrical properties of CoFeZr-Aluminium oxide nanocomposite films //Rev. Adv. Mater. Sci. - 2004 -v.8. - p.152-157.
22. Луцев Л.В., Звонарева Т.К., Лебедев В.М. Электронный транспорт в гранулированных пленках аморфного углерода с наночастицами кобальта // ПЖТФ.
- 2001. - Т.27.- вып. 15. - С.84-89.
23. Калинин Ю.Е., Пономаренко А.Т., Ситников А.В., Стогней О.В. Гранулированные нанокомпозиты металл-диэлектрик с аморфной структурой // Физика и химия обработки материалов. - 2001 - № 5 - C. 14-20.
24. Калинин Ю.Е., Ситников А.В., Стогней О.В. Физические свойства нанокомпозитов металл-диэлектрик с аморфной структурой // Альтернатив-ная энергетика и экология - 2007 - № 6. - С.145-148.
Воронежский государственный технический университет
MAGNETIC PROPERTIES OF NANOCOMPOSITES FERROMAGNET-CARBON
A.A. Aleshnikov, Yu.E. Kalinun, A.V. Kryachko, A.V. Sitnikov
Investigated the magnetization curves and complex magnetic permeability at 50 MHz composites (Co40Fe40B20) X (C) 100-x, (Co84Nbi4Ta2) x (C) 100-x, (Co45Fe45Zr^) x (C) 100-x, (Ni) x (C) 100-x, (Co) x (C) №x- The samples were obtained by ion-beam sputtering. The relationship between magneto static and magneto dynamic properties of heterogeneous systems
Key words: nan composites, magnetic properties, percolation threshold, magnetic permeability
