Наблюдение магнитной доменной структуры тонких пленок сплава Fe 86mn 13C методами лоренцевой электронной микроскопии Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ЦУРС

Задачи и схема взаимодействия элементов МКСР «Луч»

© Бессмертная Ю. С., Кузовников А. В., Выгонский Ю. Г., Вирясов М. М., 2014

УДК 537.9

НАБЛЮДЕНИЕ МАГНИТНОЙ ДОМЕННОЙ СТРУКТУРЫ ТОНКИХ ПЛЕНОК СПЛАВА Fe86Mn13C МЕТОДАМИ ЛОРЕНЦЕВОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ МИКРОСКОПИИ

М. Н. Волочаев1, Л. И. Квеглис2, Ю. Ю. Логинов1

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Е-mail: [email protected] 2Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79. Е-mail: [email protected]

Исследуется кристаллическая и магнитная доменная структура тонких пленок сплава Fe86Mn]3C методами просвечивающей электронной микроскопии. Обнаружена зависимость магнитной структуры пленок от условий их получения.

Ключевые слова: тонкие пленки, магнитная структура, Лоренцева электронная микроскопия.

THE OBSERVATION OF MAGNETIC DOMAIN STRUCTURE IN Fe86Mn13C ALLOY THIN FILMS BY LORENTZ ELECTRON MICROSCOPY

M. N. Volochaev1, L. I. Kveglis2, Yu. Yu. Loginov1

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation. E-mail: [email protected]

2Siberian Federal University 79, Svobodny prosp., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation. E-mail: [email protected]

Системы управления, космическая навигация и связь

Crystal structure and magnetic domain structure of Fe86Mn13C alloy thin films are investigated by Lorentz electron microscopy. The correlation between thin film magnetic structure and conditions for their preparation was found.

Keywords: thin films, magnetic structure, indicators, Lorentz electron microscopy.

Сплав Fe86Mn13C, известный также как сталь Гад-фильда, широко используется в машиностроении благодаря своей склонности к самоупрочнению (наклепу). Ученым этот сплав интересен благодаря своим уникальным физическим, электрическим и магнитным свойствам [1]. Также было обнаружено, что магнитная анизотропия сплава связана с возникновением мартенситной фазы, образованной в результате механического воздействия на материал. В настоящее время особый интерес вызывает возможность использования сплава Fe86Mn13C как дешевого материала для термоэлектрических преобразователей и различных задач спинтроники.

В настоящей работе исследуется взаимосвязь кристаллической и магнитной структуры тонких пленок сплава Fe86Mn13C в зависимости от способа их получения. Пленки были получены методом вакуумного термического осаждения на установке ВУП-4 при рабочем вакууме 10-5 мм. рт. ст. на подложки из NaCl при различных температурах подложек: комнатной (25 °С), 200 °С, 300 °С и 400 °С. При каждой температуре подложек проводилось два напыления с различной скоростью осаждения: быстрое осаждение (~5-7 с) и медленное осаждение (~30-40 с) (рис. 1). Толщина пленок составляла порядка 200-300 А. Для наблюдения кристаллической структуры пленок использовали просвечивающие электронные микроскопы ПРЭМ-200 и Hitachi TM-7700. Фазовый состав пленок определяли по расшифровке дифракционных картин, полученных с пленок. Доменная структура пленок исследовалась методами Лоренцевой электронной микроскопии, для которой использовался режим выключенной объективной линзы микроскопа и режим небольшой дефокусировки изображения [2].

Исследование пленок, полученных при комнатной температуре подложек, показало отсутствие магнитного контраста. На микроэлектронограммах наблюдали размытые дифракционные кольца, соответствующие ОЦК структуре, а также сверхструктурные рефлексы, соответствующие тетраэдрически плотноупа-

кованной фазе со структурой Франка-Каспера ФК-12. Пленки обладали сеточной структурой, собранной из структурных элементов размером порядка 10 А. Пленки, полученные при температуре подложек 200 °С и быстром осаждении, не создавали магнитный контраст. Электронограммы показали четкое выделение ОЦК фазы и присутствие тетраэдрически плотноупакованных фаз со структурами Франка-Каспера ФК-12 и ФК-14.

На рис. 1, а представлено электронно-микроскопическое изображение магнитного контраста, полученного с пленки сплава Ре86Мп13С при температуре подложек 200 °С и медленном осаждении. Магнитная структура имеет вид ЦМД (цилиндрических магнитных доменов). Фазовый состав пленок имел ГЦК структуру и тетраэдрически плотноупакованную фазу ФК-12. На рис. 1, б приведено электронно-микроскопическое изображение участка внутри ЦМД. Съемка проведена в обычном режиме микроскопа.

На рис. 2 представлены доменные структуры пленок сплава Ре86Мп13С, полученных при температуре подложек 300 °С при быстром и медленном осаждении. Магнитная структура при быстром охлаждении имеет преимущественно «бабловый» и «вихревой» характер. Магнитная структура при медленном осаждении - преимущественно «страйповый» характер. Пленки поликристаллические, имеют структуру с ОЦК решеткой и тетраэдрически плотноупакован-ные фазы ФК-12 и ФК-14.

На рис. 3 представлены доменные структуры пленок сплава Бе86Мп13С, полученные при температуре подложек 400 °С при быстром и медленном осаждении. Магнитная структура пленок при быстром осаждении имеет преимущественно «вихревой» характер.

Магнитная структура пленок при медленном осаждении - смесь «вихревой» и «страйп» структуры. Фазовый состав пленок не является однородным -ферромагнитная фаза с ОЦК решеткой содержит включения фазы ФК-12. Размеры монокристаллических включений более 10 нм.

а б

Рис. 1. Изображение пленки Ге86Мп13С, полученной при температуре подложки 200 °С и медленном осаждении: а - магнитный контраст; б - электронно-микроскопическое изображение участка внутри ЦМД

...\ < : -Л V'V

Ш

10 мкм

а

б

Рис. 2. Доменные структуры пленок сплава Ге86Мп13С, полученных при температуре подложек 300 °С: а - при быстром осаждении; б - при медленном осаждении

* '/!'I ' Щр ' ФШ-

За» jf* ' *■- ¡ViW гда ■■■- > / . ■ ■ V^.

i St - V >'

s Жй'iaSVk

-ii.1 уйШ&ЕЯк" -5

: ■ '/-.ijaispf*

10 м км

б

Рис. 3. Доменные структуры пленок пленок сплава Ге86Мп13С, полученных при температуре подложек 400 °С: а - при быстром осаждении; б - при медленном осаждении

а

Дальнейшее исследование в данной области позволит получать пленки с заданной магнитной структурой, что дает возможность их использования для создания дешевых элементов спинтроники.

Библиографические ссылки

1. Квеглис Л. И., Волочаев М. Н., Паничкин Ю. В. и др. Структура, магнитные свойства и трехмерное моделирование мартенсита деформации в сплаве Ре86Мп13С // Обработка металлов: технология, оборудование, инструменты. 2012. № 4(57). С. 111-114.

2. Хирш П., Хови А., Николсон Р., Пэшли Д., Уэлан М. Электронная микроскопия тонких кристаллов. М. : Мир, 1968. 575 с.

References

1. Kveglis L. I., Volochaev M. N., Panichkin Yu. V. et al. Structure, magnetic properties, and three-dimensional modeling of martensite deformation in the Fe86Mn13C alloy // Processing of metals: technology, equipment and tools. 2012. № 4 (57). P. 111-114

2. Hirsch P., Howie A., Nicholson R., Pashley D., Whelan M., Electron microscopy of thin crystals. Moscow, Mir, 1968. 575 p.

© Волочаев М. Н., Квеглис Л. И., Логинов Ю. Ю., 2014