CC BY
81
УДК 539.216
СТРУКТУРА И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МНОГОСЛОЙНЫХ ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ КОМПОЗИТОВ ФЕРРОМАГНЕТИК-ДИЭЛЕКТРИК
Х.С.М. Аль Аззави, К.Г. Королев, В.А. Макагонов, А.В. Ситников, О.С. Тарасова
Методом ионно-лучевого распыления получены пленки композитов (Со45ре4^г1о)Х(А12О3)1оо-Х, (Со84Ш14Та2)х^Ю2)1оо-х и (Со4^ез9В2о)х^Ю2)юо-х и многослойных структур {[(^^з&юМАЩОш-х]/ KСо45Fе45ZrloMAl2Oз)loo-x+N2]}n, {[(Со45Fе45Zrlo)x(Al2Oз)loo-x]/[(Со45Fе45Zrlo)x(Al2Oз)loo-x+О2]}n;
{[(Со4lFез9В2o)x(SiO2)loo-x]/[(Со4lFез9В2o)x(SiO2)loo-x+О2]}n и {[(Со84NЪl4Ta2)x(SiO2)loo-x]/[(Со84NЪl4Ta2)x(SiO2)loo-x+ О2]}п при циклической подаче реактивных газов в процессе осаждения. Исследованы структура и электрические свойства пленок. Показано, что пленки имеют слоистую структуру. Установлено, что реактивные газы, используемые для получения прослоек, увеличивают электрические свойства гетерогенных структур по сравнению с композитами, синтезированными в атмосфере аргона
Ключевые слова: структура, электрические свойства, композиты, многослойные гетерогенные структуры
Введение
Композиты из ферромагнитной фазы в диэлектрической матрице (магнитодиэлектрики) уже многие годы применяются в качестве высокочастотных магнитных материалов в катушках индуктивности фильтров, генераторов, частотомеров, контуров приемников и других устройствах электроники. Для увеличения рабочей частоты электронных устройств размер металлических включений в диэлектрической матрице необходимо уменьшать, создавая нанокомпозиты. Гранулированные нанокомпозиты это искусственно созданные среды, состоящие из металлических гранул (2-Ю нм) случайным образом распределённых в диэлектрической матрице. Такие композиты, благодаря уникальной наноструктуре и относительной простоте изменения концентрации частиц, представляют собой почти идеальные системы для исследования физических свойств наноструктурированных материалов и обладают хорошими высокочастотными магнитными свойствами [1-3]. Расширение частотного диапазона обусловлено более высоким удельным электрическим сопротивлением наногетерогенных структур (р) по сравнению с материалом ферромагнитной фазы, так и наномасштабным размером структурных неоднородностей.
Если представить композит, как совокупность наноразмерных металлических гранул, хаотично распределенных в диэлектрической матрице, то очевидно, что величина р определяется соот-
Хэйдр С. Мохамед Аль Аззави - ВГТУ, аспирант, тел. 8 (473)246-66-47
Королев Константин Геннадьевич - ВГТУ, канд. физ.-мат. наук, доцент, тел. 8(473)246-66-47 Макагонов Владимир Анатольевич - ВГТУ, инженер, e-mail: vlad makagonov@mail.ru
Ситников Александр Викторович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, e-mail: sitnikov04@mail.ru Тарасова Оксана Сергеевна - ВГТУ, аспирант, e-mail: oksanchik2603@mail.ru
ношением проводящей и изолирующей фаз [4-5]. При этом в качестве ферромагнитной фазы композитов используются переходные металлы Со, Fе, № или сплавы на их основе [6-8], тогда как оксиды А1, 2г, Сг, Н или фториды Mg, Са формируют высокоомную матрицу [9-14].
Основными критериями протекания процесса самоорганизации гетерогенной структуры при росте пленки из паровой фазы, приводящей к формированию нанокомпозита, является отсутствие взаимной растворимости между образующимися фазамии химических соединений между компонентами [15]. Если учитывать, что состав фаз гетерогенных систем содержит различные атомы и их химические соединения, а распыление происходит ионно-плазменным методом, то моделирование процесса самоорганизации гетерогенной структуры является достаточно сложной задачей. Пространственная морфология металлических гранул и кластеров зависит от многих параметров и изотропное их распределение в объемном композите скорее исключение, чем правило. Так в работах [16-18] сообщается о наличии перпендикулярной магнитной анизотропии композитов некоторых составов, расположенных выше порога перколяции. Это обусловлено значительной структурной анизотропией пленок. Проведенный анализ причин формирования ростовой структурной анизотропии при конденсации пленки из паровой фазы позволил качественно объяснить наблюдаемую перпендикулярную к плоскости пленки магнитную анизотропию в композитах (Со4^е452гю)Х(А12О3)1оо-Х, (Со84№Ъ14Та2)Х(8Ю2)1оо-Х и отсутствие последней в пленках (Со4^ез9В2о)х(8Ю2)1Ш-х [19].
Исследования гетерогенных систем, полученных при напылении в среде, содержащей активные газы, показали, что в этом случае происходит доокисление диалектической матрицы и
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ 13-02-97511 -р_центр_а
образование оболочки из оксидов металла на поверхности металлических частиц [20-21]. Наличие на поверхности металлических наногранул оксидной оболочки препятствует непосредственному контакту проводящих частиц и, как следствие, увеличивает удельное электрическое сопротивление гетерогенной системы. Кроме того, оксидные оболочки металлических гранул снижают вероятность формирования столбчатой структуры пленки. Однако, с другой стороны, немагнитные прослойки между ферромагнитными наночастицами уменьшают магнитное взаимодействие между металлическими гранулами и при комнатной температуре пленка будет находиться в суперпарамагнитном состоянии. Такое магнитное состояние системы характеризуется невысокими значениями магнитной проницаемости и высокими значениями полей намагничивания насыщения.
В данной работе рассматривается возможность формирования многослойной гетерогенной структуры, где слой композита, полученного в инертной атмосфере, чередуется с композиционной прослойкой, полученной в среде, содержащей активный газ. Такие гетерогенные структуры, с одной стороны, должны иметь более высокое удельное электрическое сопротивление, а с другой -менее выраженную перпендикулярную магнитную анизотропию ферромагнитных пленок.
Удельное электрическое сопротивление было измерено методом амперметра-вольтметра на постоянном токе.
Структурные особенности гетерогенных пленок исследованы методом просвечивающей электронной микроскопии (TEM) в центре коллективного пользования Белгородского государственного университета. Малоугловая рентгеновская дифракция пленок проводилась на дифрактометре BRUKERD2 PHASER.
Как уже было сказано выше, основной целью работы было получение многослойных гетерогенных пленок, в которых подавляется структурная анизотропия. При конденсации из паровой фазы рост пленки существенно различен в плоскости подложки и перпендикулярно ей. Анизотропия гетерогенной структуры определяется методами получения. В зависимости от состава композита структурная неоднородность может быть выражена в большей или меньшей степени. Так в случае композита (Со4^е39В20)60^Ю2)40 (рис. 1) мы имеем слабо выраженную анизотропию распределения металлических гранул. Когда рассматриваем композит (Со84МЬ14Та2)65^Ю2)35 (рис. 2) можно определить структуру пленки, как «столбчатую».
2. Методика получения и структура формируемых пленок
Пленки гетерогенных систем
(CO45Fe45Zri0)x(Al2O3)i00-X, (CO84Nbi4Ta2)x(SiO2)l00-X и (Со4^е39В20)х^Ю2)100-х получены ионно-лучевым распылением составных мишеней в широком диапазоне концентраций металлической фазы по методике, описанной в [22].
Получение многослойных гетерогенных систем {[(Со45Fе45Zrш)x(Al2Oз)loo-x]/[(Со45Fе45Zrш)x (Al2O3)i00-x+N2]}n, {[(^^ZTioMA^Wx]/ [(С045Fе45Zrш)x(Al20зWx+02]}n, {[(Со4^ез9В20)х (SiO2) 100-х]/[(Со4^ез9В2о)х^Ю2)ш0-Х+О2]}п и
{[(С084Nbl4Ta2)x(SiO2)l00-x]/[(С084Nbl4Ta2)x(SiO2)l00-Х +О2]}п было осуществлено по следующей технологии. В течение 47 секунд производилось напыление композита в атмосфере аргона, затем 15 секунд в атмосфере аргона с добавлением азота или кислорода при тех же условиях, что и для объемных композитов. Установление номинального давления реактивных газов после включения клапана натекателя составляло 4 секунды, их откачка при выключении клапана натекателя - 8 секунд. По скорости и времени напыления композитов были сделаны оценки толщины слоев многослойной структуры, которые составили для прослойки композитов, осажденных в атмосфере аргона ~ 8^14 нм, в атмосфере Ar+02 (N2) ~ 3^5 нм.
Элементный состав пленок проводили энергодисперсионной рентгеновской приставкой Oxford INCA Energy 250 на сканирующем электронном микроскопе JEOLJSM-6380 LV.
Рис. 1. Микрофотография поперечного разреза пленки наногранулированного композита
(Со4^ез9В,о)б0^Ю2)40
Рис. 2. Микрофотография поперечного сечения пленки композита (Со84ЫЪ14Та2)65^Ю2)35
В плоскости пленки исследования ТЕМ не выявили существенной анизотропии гетерогенной структуры (рис. 3). Металлические гранулы, размер которых составляет 6-7 нм, хаотически распределены в плоскости образца. Электронограмма представляет из себя ряд диффузных гало от
различных фаз композита. Внутреннее кольцо соответствует оксиду кремния, внешнее -металлическим гранулам. Наличие гало свидетельствует об аморфном или мелко дисперсной структуре фаз.
Рис. 3. Микрофотография и электронограмма гранулированного композита (Со4^е39В2о)52(8Ю2)48
Микрофотография поперечного сечения пленки многослойной гетерогенной структуры
{[(Со4^ез9В2о)бо(8Ю2)4о]/[(Со4^ез9В2о)бо(8Ю2)4о+ Ог]}пб (рис.4), показывает наличие наноразмерных параллельных плоскости пленки слоев, наличие которых существенно затрудняет образование цепочек гранул, выстроенных перпендикулярно поверхности подложки.
Рис. 4. Микрофотография поперечного разреза пленки многослойной гетерогенной структуры
{ [(Со4^ез9В2о)бо(8Ю2)4о]/[(Со4^ез9В2о)бо(8Ю2)4о+О2] } 176,
полученной при циклическом напылении в атмосфере Аг с давлением 6-Ю"4 Торр в течение 47 сек и смешанной атмосфере (Аг с давлением 6-1о-4 Торр и О2 с давлением 2,4-1о-5 Торр) в течение 15 сек
Анализ исследуемых выше гетерогенных структур показал, что последние имеют неоднородности (металлические гранулы и толщины слоев) масштаба несколько нанометров. Можно предположить, что при некоторых условиях возможна дифракция на подобных особенностях структуры пленок при малых углах отражения рентгеновских лучей. На рис. 5-8 представлены ди-фрактограммы композитов (Со4^е39В2о)х(8Ю2)1оо-х, (Со45Fе45Zrlo)x(Al2Oз)loo-x и (Со84№ЪиТа2)х(8Ю2)1оо-х
различного состава и многослойных структур композит-композит на их основе. Из приведенных зависимостей следует, что в композите (Со4^е452г1о)16,3(А12О3)83,7 с малым содержанием металлической фазы, полученном в инертной среде (рис.5а) и в многослойных структурах, когда прослойки состоят из композитов с малыми значениями х (рис. 5с, 5d, 7d и 8с) наблюдается дифракционный максимум с характеристическим размером d = 2.4 ^ 2.8 нм. В композитах, полученных в среде с активными газами (рис. 5Ъ), а также композитах и многослойных структурах с большим содержанием металлической фазы (рис. 6а,Ъ,с; 7а,Ъ,с и 8а,Ъ) данный максимум отсутствует. Эти экспериментальные данные можно объяснить, если предположить, что дифракция происходит от отдельных металлических наночастиц, внедренных в диэлектрическую матрицу. Когда увеличивается доля металлической фазы, частицы объединяются и формируют проводящий кластер соприкасающихся металлических гранул, при котором условия дифракции не выполняются (рис. 6а,Ъ,с, 7а,Ъ,с и 8а,Ъ). В случае добавления активного газа в процессе напыления возможно полное окисление металлических частиц и формирование гомогенной пленки оксидов металлов (рис. 5Ъ). Следует обратить внимание на рис. 6d, когда в пленке композита (Со^е452г1о)5б,б(А12О3)43,4 проявляется дифракция рентгеновских лучей от металлических гранул, если сравнить дифрактограммы от композита, полученного в атмосфере Аг и Аг + О2.
d, пт
d, пт
Рис. 5. Дифрактограммы композитов (Со45ре452г1о)16 3(А12О3)83 7, полученных в атмосфере Аг (а), Аг + О2 (РАг=2,6- КГ4, РО2=2,8- 1о-5 Торр) (Ъ) и многослойных структур: {[(Со45Fе45Zrlo)l6,з(A12Oз)8з,7]/[(Со45Fе45Zrlo)l6,з(A12Oз)8з,7+
№2]}зоо, полученной при циклическом напылении в атмосфере Аг с давлением 2,41о-4 Торр в течение 47 сек и атмосфере Аг с давлением 2,41о-4 Торр + №2 с давлением
7,6- 1о-5 Торр в течение 15 сек (с), {[(С045Fе45Zrlo)l6,з(A12Oз)83,7]/[(С045Fе45Zrlo)l6,з(A12Oз)83,7 +О2]}зоо, полученной при циклическом напылении в атмосфере Аг с давлением 1,6- 1о-4 Торр в течение 47 сек и атмосфере Аг с давлением 1,6- 1о-4 Торр+О2 с давлением 1,6- 1о-5 Торр в течение 15 сек (ф
Кроме максимумов, обусловленных рентгеновской дифракцией от металлических частиц, можно
видеть пики, имеющие иную природу. Анализ положения максимумов, их интенсивности и рассчитанной толщины многослойных структур свидетельствует, что мы имеем дифракцию от бислоев многослойной гетерогенной пленки. На рис. 5 а проявляются два пика, соответствующие двум модам дифракции от бислоев пленки
{ [(С045Fе45Zrl 0)l6,з(Аl2Oз)83,7]/[(СO45Fе45Zrl 0)16,3
(А12О3)83 7+М2]}300, на рис. 5d, 7с и 7d проявилась вторая мода дифракции от бислоя пленки
{ [(С045Fе45Zrl 0)l6,з(Аl2Oз)83,7]/[(СO45Fе45Zrl 0)16,3
(А12ОзЬ,7+О2]Ъ00,{[(Со4^ез9В20)б4,5(8Ю2)з5,5]/ [(Со4^е39В20)64,5(8Ю2)35,5+О2]}178 и {[(С04^е39В20)20,3 (8Ю2)79,7]/[(Со4^е39В20)20,3(8Ю2)79,7+О2]}178 толщиной 7, 11 и 8 нм, соответственно.
Рис. 6. Дифрактограммы композитов (Со45Ре4^г10)56 6(А12О3)43 4, полученных в атмосфере Аг (а) и кривая 1 (а), 'Аг + О2 (РАг=2,6 ■ 10-4, РО2=2,8-10-5 Торр) (Ъ) и многослойных структур:
{ [(С045Fе45ZГl о)56,6(Аl2Oз)4з,4]/[(С045Fе45ZГl 0)56,6(А12О3)43,4+
О2]}300, полученной при циклическом напылении в атмосфере Аг с давлением 1,6-10-4 Торр в течение 47 сек и атмосфере Аг с давлением 1,6-10-4 Торр+О2 с давлением 1,6-10-5 Торр в течение 15 сек (с) и кривая 2(ф. Вставка на рис а - разница интенсивностей дифракционных кривых 1 и 2
Стоит заметить, что максимумы дифракции от многослойной структуры слабо выражены, что может быть объяснено двумя причинами. Во первых, интерфейс между слоями не резкий по причине медленного изменения давления активного газа при напуске и откачке (см. выше). Во вторых, в дифрактометре при малых углах регистрации существенно возрастает фон измерения. Еще одной причиной, препятствующей выявлению данных максимумов, может быть совпадение характеристических размеров металлических гранул и толщины бислоев (см. рис. 8с).
3. Электрические свойства
В рамках данной работы были получены многослойные гетерогенные структуры, где слой
Рис. 7. Дифрактограммы композитов (Со4^е39В20)64 5(БЮ2)35 5, полученных в атмосфере Аг (а), Аг + О2 (РАг=6,0 ■ 10-4, РО2=2,0 10-5 Торр) (Ъ) и многослойных структур: {[(С04lFез9В2о)64,5(SlO2)з5,5]/[С04lFез9В2о)64,5(SlO2)з5,5+
О2]} 178 (с), { [(Со4^е39В20)20,3(ВЮ2)79,7]/ [(Со4^е39В20)20,3(ВЮ2)79,7+О2}178 (а), полученных при циклическом напылении в атмосфере Аг с давлением 6,0 10-4 Торр в течение 47 сек и атмосфере Аг с давлением 6,0-10-4 Торр О2 с давлением 3,2-10-5 Торр в течение 15 сек
Рис. 8. Дифрактограммы композита (Со84ЫЪ14Та2)59 5(Б1О2)40 5, полученного в атмосфере Аг + О2 (РАг=8,0-10-4, РО2=3,2-10-5 Торр) (а) и многослойных структур:
{[(Со84№14Та2)59,5(81О2)40,5]/[(Со84№114Та2)59,5(8Ю2)40,5+
О2]}335 (Ъ) и {[(Со84№14Та2)18,9(ВЮ2)81,1]/ [(С084NЪl4Ta2)l8,9(S1O2)8l,l+О2] } 335 (с), полученных при циклическом напылении в атмосфере Аг с давлением 9,2-10-4 Торр в течение 47 сек и атмосфере Аг с давлением 9,2-10-4 Торр + О2 с давлением 5,0-10-5 Торр в течение 15 сек
композита, полученного в инертной атмосфере, чередуется с композиционной прослойкой, полученной в среде, содержащей активный газ. Удельное электрическое сопротивление композитов является структурно-чувствительным параметром перколяционных систем, у которых обычно наблю-
дается 8 - образная концентрационная зависимость [23-26]. Для многослойных структур композит-композит следует ожидать, что при одинаковом элементном составе величины удельных электрических сопротивлений будут выше, чем у композитов, полученных в инертной среде, и ниже чем у гетерогенных структур, осажденных в среде с активными газами.
Действительно, анализ зависимостей р(х), представленных на рис. 9-11, показывает справедливость описанных выше предположений. Единственным исключением является ход зависимостей р(х) для композитов
(Со84№Ъ14Та2)Х(8Ю2)1оо-Х, полученных в атмосфере Аг с давлением 9,2-1о-4 Торр и О2 с давлением 3,2-1о-5 Торр, а также многослойных гетерогенных структур {[(Со84№Ъ14Та2)х(8Ю2)1оо-х]/[(Со84№Ъ14Та2)х (8Ю2)100-Х+О2]}180, полученных при циклическом напылении в атмосфере Аг с давлением 9,6-1о-4 Торр в течение 58 сек и смешанной атмосфере (Аг с давлением 9,6-1о-4 Торр и О2 с давлением 3,4- 1о-4 Торр) в течение 34 сек (рис. 1о, кривые 2 и 5 соответственно). Такое различие, вероятно связано со значительно большим количеством кислорода в атмосфере в случае формирования многослойной пленки относительно однослойного композита.
Г, Омм
10 0,1 1Е-3 1Е-5
1Е-7
—I—
20
—I—
30
—I—
40
—I—
50
—I—
60
70
, ат.%
Рис. 9. Концентрационные зависимости удельного электрического сопротивления композитов (Со^ез^^Х^Юг^и^, полученных в атмосфере Аг (кривая 1) и в смешанной атмосфере Аг с давлением 5,6-1о-4 Торр + О2 с давлением 2,4-1о-5 Торр (4,3 пар. %) (кривая 2), а также многослойных структур {[(Со4^е39В2о)х(8Ю2)1оо-х]/[(Со4^е39В2о)х(8Ю2)1оо-х+ О2]}п, полученных при циклическом напылении в атмосфере Аг с давлением 6-1о-4 Торр в течение 47 сек и смешанной атмосфере (Аг с давлением 6-1о-4 Торр + О2 с давлением 2,4-1о-5 Торр) в течение 15 сек (кривая 3), при циклическом напылении в атмосфере Аг с давлением 6-1о-4 Торр в течение 47 сек и смешанной атмосфере (Аг с давлением 6-1о-4 Торр + О2 с давлением 3,2-1о-5 Торр) в течение 15 сек (кривая 4), при циклическом напылении в атмосфере Аг с давлением 6-1о-4 Торр в течение 47 сек и смешанной атмосфере (Аг с давлением 6-1о-4 Торр+ О2 с давлением 6,3-1о-5 Торр) в течение 15 сек (кривая 5) и при циклическом напылении в атмосфере Аг с давлением 6-1о-4 Торр в течение 47 сек и смешанной атмосфере (Аг с давлением 5,9-1о-4 Торр + О2 с давлением ЬЮ-4 Торр) в течение 15 сек (кривая 6)
г, Омм
2
10
10
10
10
10
-•- 1 _а_ 2 -v- 3 -о- 4 -<- 5
20
30
40
50
60
70
Х, ат%
Рис. 1о. Концентрационные зависимости удельного
электрического сопротивления композитов (Со84№Ь14Та2)Х(8Ю2)1оо-Х, полученных в атмосфере Аг (кривая 1) и в смешанной атмосфере Аг с давлением 9,2-1о-4 Торр + О2 с давлением 3,2-1о-5 Торр (кривая 2), а
также многослойных гетерогенных структур: {[(Со84№В14Та2)х(8Ю2)1оо-хИ(Со84№Ъ14Та2)х(8Ю2)1оо-Х+ О2]}335, полученной при циклическом напылении в атмосфере Аг с давлением 9,2-1о-4 Торр в течение 47 сек и смешанной атмосфере (Аг с давлением 9,2-1о-4 Торр + О2 с давлением 5,о-1о-5 Торр) в течение 15 сек (кривая 3), {[(Со84№Ъ14Та2)х(8Ю2)1оо-хИ(Со84№Ъ14Та2)х(8Ю2)1оо-Х+ О2]} 128, полученной при циклическом напылении в атмосфере Аг с давлением 9,о-1о-4 Торр в течение 47 сек и смешанной атмосфере (Аг с давлением 9,о-1о-4 Торр + О2 с давлением 1,2-1о-4 Торр) в течение 15 сек (кривая 4), {[(Со84№Ъ14Та2)х(8Ю2)1оо-хИ(Со84№Ъ14Та2)х(8Ю2)1оо-Х + О2]}18о, полученной при циклическом напылении в атмосфере Аг с давлением 9,6-1о-4 Торр в течение 58 сек и смешанной атмосфере (Аг с давлением 9,6-1о-4 Торр + О2 с давлением 3,4-1о-4 Торр) в течение 34 сек (кривая 5)
Наиболее быстрое изменение р(х) происходит в районе порога перколяции (Хпп), когда происходит смена механизмов электропереноса. Значения Хпп в многослойной структуре будут определяться слоями, не подвергшихся окислению композита. С другой стороны, в случае пленок, полученных в смешанной атмосфере, в которой присутствуют активные газы, происходит доокисление диэлектрической фазы и частичное или полное окисление металлических наночастиц.
Следовательно, можно наблюдать значительное увеличение концентрации металлической фазы, соответствующей порогу протекания гетерогенной системы. Методика получения пленок, используемая в данной работе [22], позволяет получать серию образцов с непрерывно изменяющимся соотношением металлической и диэлектрической фаз в широком диапазоне концентраций металлической фазы в одном технологическом цикле осаждения пленок. Если сравнить две концентрационные зависимости удельного электрического сопротивления композитов в исходном состоянии и после термической обработки при температурах, не приводящих к существенному изменению структуры системы, то можно определить порог протекания.
г, Омм
10
10
10
10
10
10
-•- 2
3
4
—I—
20
—I—
40
—I—
60
X, ат%
Рис. 11. Концентрационные зависимости удельного электрического сопротивления композитов (Со45ре4^г10)х(А12О3)100-х, полученных в атмосфере Аг (кривая 1) и в смешанной атмосфере Аг с давлением 810-4 Торр + N2 с давлением 7,6-10-5 Торр (кривая 2), и многослойных структур: {[(Со45ре4^г10)х(Л12О3)100_х]/ [(Со45Fе45ZГlо)x(Аl2Oз)lоо-x+N2]}зоо, полученной при циклическом напылении в атмосфере Аг с давлением 8-10-4 Торр в течение 47 сек и смешанной атмосфере (Аг с давлением 8-10-4 Торр + N2 с давлением 6,5-10-5 Торр) в течение 15 сек (кривая 3) и {[(Со45ре4^г10)х(Л12О3)100_х]/ [(С045ре4^г10)х(А12О3)100-х+О2]}300, полученной при циклическом напылении в атмосфере Аг с давлением 8-10-4 Торр в течение 47 сек и смешанной атмосфере (Аг с давлением 8-10-4 Торр + О2 с давлением 2,0-10-5 Торр) в течение 15 сек (кривая 4)
При термической обработке в образцах, находящихся до порога протекания, вследствие уменьшения дефектности структуры диэлектрика, вероятность туннелирования электронов из гранулы в гранулу уменьшается, а следовательно, возрастает значение р. Для образцов, находящихся после порога протекания, уменьшение дефектности границ раздела соприкасающихся гранул понижает
рассеивание носителей заряда в каналах проводимости бесконечной металлической сетки и значение р отожженных образцов уменьшается. Пересечение дух кривых можно считать порогом протекания.
На рис. 12, в качестве примера представлены концентрационные зависимости удельного электрического сопротивления композитов (Со4^е39В20)х^1О2)100-х в исходном состоянии (кривая 1) и после термической обработки (кривая 2). Применение метода, описанного выше, позволило определить положение порога протекания исследуемых гетерогенных структур (см. табл.1) в виде диаграммы (рис. 13). Анализ представленных данных показывает, что наиболее значительное изменение положения порога протекания наблюдается при получении композита в среде, содержащей активные газы. Так добавление О2 (4,2 пар. %) при синтезе композита (Со4^е39В20)х^1О2)100-х увеличивает порог протекания Хпп с 51,6 ат. % металлической фазы до 65 ат. %.
Г, Омм
0,1 1Е-3
1Е-5
1Е-7
1-■—I-
60 70 X, ат.%
Рис. 12. Концентрационные зависимости удельного электрического сопротивления композитов (Со41Fе39В20)X(S1O2)100-X в исходном состоянии (кривая 1) и после термической обработки при Т = 350 0С в течение 30 минут (кривая 2)
Условия синтеза исследуемых гетерогенных структур
№ п/п Партия tl, с РдгХ 10-4,Тогг t2, с РдгХ 10-4,Тогг РО2Х 10-4,Тогг п
1 (Со4^е39В20)х^1О2)100-х 18000 6 - - - 1
2 (Со4^е39В20)х^1О2)100-х 18000 6 0,2 1
3 (Со4^е39В20)х^1О2)100-х 18000 6 0,24 1
4 {[(С04^е39В20)х^1О2)100-х]/ [(Со4^е39В20)х^1О2)100-х+О2]}п 47 6 15 6 0,24 176
5 {[(С04^е39В20)х^1О2)100-х]/ [(Со4lFез9В20)х(S1O2)l00-х+O2]}n 47 6 15 6 0,32 178
6 { [(С04^е39В20)х^Ю2)100-х]/ [(Со4lFез9В20)х(S1O2)l00-х+O2]}n 47 6 15 6 0.63 176
7 {[(Со4lFез9В20)х(S1O2)l00-х]/ [(Со4lFез9В20)х(S1O2)l00-х+O2]}n 47 6 15 6 1 176
8 (С045Fе45ZГl 0МА12О3) 00-Х 15000 8 1
9 {[(С045Fе45ZГl 0)х(А12О3)100-х]/ [(СO45Fе45ZГl0)х(Аl2Oз)l00-X+N2]}n 47 8 15 8 0.65 300
Продолжение таблицы
10 {[(Со45Fе45Zrl 0)х(А20з)100-x]/ [(Со45Fе45Zrl 0)X(Al203)100-X+O2] }n 47 8 15 8 0.2 300
11 (Со84КВ14Ta2)x(Si02)100-x 18000 9,2 1
12 (^NB^k^Wx 18000 9,2 0,32 1
13 {[(^NB^k^Wx]/ [(СO84NB14Ta2)x(SiO2)l00-Х+O2] }n 47 9,2 15 9,2 0,5 335
14 { [(Со84^14Ta2)x(Si02)100-x]/ [(СO84NBl4Ta2)x(SiO2)l00-Х+O2] }n 47 9,2 15 9,2 1.4 290
15 {[(^NB^k^Wx]/ [(Со84NBl4Ta2)x(SiO2)l00-x+O2] }n 53 9,2 55 9,2 3.4 290
При циклической подаче кислорода изменение положения порога протекания не столь значительно. Так аналогичное парциальное давление 02 в пленку {[(Со4^ез9В20)х^Ю2)ю0-хИ(Со4^ез9В20)х^Ю2)ю0-х+ 02]}178 изменяет ХПП всего на 0,8 ат. %. Даже увеличение парциального давления кислорода до 16 ат. % не приводит к смещению ХПП слоистой структуры {[(Со4^ез9В20)х^Ю2)100-х]/[(Со4^ез9В20)х^Ю2)100-х+ 02]}176 выше 64 ат. %. Аналогичные зависимости
свойственны гетерогенным пленкам на основе композитов (Со84№14Та2)Х^Ю2)100-Х и
(Со4^е452г10)Х(А1203)100-Х. Следовательно, можно предположить, что в многослойных гетерогенных структурах, представленных в данной работе, слои композитов, полученные в инертной атмосфере, не подвергались существенному влиянию реактивных газов, присутствующих при нанесении прослоек с присутствием 02 (К2).
н 40 со
С зо d
!
V
S
j
f i' о.
я ii
7P
I
i i
I
9
?
a
n
.S S I a
. ! S
i
V *
a
H i а
Hh a. S 1 i-^h S ? i 4? S * , I
? 0 n Й i i! i i
Vl ii Й Й e Z >
s 1 S « i i ii
S ? Щ !
s t 'i
» U
i. I. M
1 1 n
i i —N JJ
it* a a II
i • s s s a »
« " 13 i 14
7 0
6 о
5 0
2 0
1 0
0
2
3
6
8
9
10
11
12
4
5
7
Рис. 13. Диаграмма положения порога протекания различных гетерогенных систем от технологических и структурных
параметров. (Нумерация по оси Х совпадает с № п/п таблицы)
4. Заключение
Методом ионно-лучевого распыления получены новые многослойные гетерогенные системы на основе композитов металл-диэлектрик. Анализ структуры синтезированных систем показал, что циклическое напыление композитов в атмосфере аргона и аргона с добавлением реактивного газа позволяет получить многослойную гетерогенную пленку с наноразмерными параллельными слоями, наличие которых существенно затрудняет образование цепочек гранул, выстроенных перпендикулярно поверхности подложки, которые характерны для объемных композитов.
Исследования концентрационных зависимостей удельного электрического сопротивления гетерогенные многослойных систем показало, что циклическое напыление композитов в атмосфере аргона и аргона с добавлением реактивного газа повышает р(х) и порог протекания по сравнению с композитами, синтезированными в атмосфере аргона.
Литература
1. Glatz A., Beloborodov I.S. Thermoelectric and See Beck Соefficients of granular metals // Phys. Rev. В.- 2009.-V.79. - P. 235403.
2. Sohn J. C., Byun D. J. and Lim S. H. Theoretical and experimental permeability spectra of nano-granular Со-Ре-Al-O films for GHz magnetoelastic device applications // Phys. Stat. Sol. A.-2004.-V.201.-N.8.- P.1946-1950.
3. Buznikov N.A., Iakubov I.T., Rakhmanov A.L., Sboychakov A.O. High-frequency magnetic permeability of nanoccimposite film // J. Magn. And Magn. Mater.-2005-V.293. - P.938-946.
4. BeloborodovI. S., Lopatin A. V., Vinokur V. M., and Efеtov K. B. Granular electronic systems // Rev. Mod. Phys. -2007. - V.79. - N.2. - P. 469 - 520.
5. Guangduo Lu Influence of sputtering power on the high frequency properties of nanogranular ЕеСоНЮ thin films Gngduo Lu, Huaiwu Zhang, John Q. Xiao, FеimingBai, Xiaoli Tang, Yuanxun Li and Zhiyong Zhong // J. Appl. Phys. -2011. - V.109. P. 07A327-07A330.
6. 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 №теРе25^Ю2 granular films // Phys. Stat. Sol. A. - 2005. - V.202. - N.10. - P.2021-2027.
7. Timopheev A. Growth-induced perpendicular anisotropy of grains in Со-Al-O nanogranular Fеrromagnetic films / Timopheev A. Rabchenko S.M., Kalita V.M., Lozenko A.F., Trotsenko P. A., Stognei O. V., Sitnikov A.V // Physics of the Solid State. - 2011. - V.53. - N. 3. - P. 494-503.
8. Gridnev S. A., Gorshkov A. G., Sitnikov A. V., Kalinin Yu. E. Charge transfsr and dielectric properties of granular nanocQmposites CQx(LiNBO3)100-x // Physics of the Solid State. - 2006. - V. 48.- P. 1186-1188.
9. Lianwen Deng, Zekun Fеng, Jianjun Jiang, Huahui He Perflation and microwave characteristics of CоFеB-SiO2 nano-granular films // J. Magn. And Magn. Mater. - 2007 -V.309. - P.285-289.
10. Ohnuma S., Fujimori H., Masumoto T., Xiong X. Y., Ping D. H., and Hono K. FеCо-Zr-O nanogranular soft-magnetic thin films with a high magnetic flux density // Appl. Phys. Lett. - 2003. - V.82. - N.6. - P.946-948.
11. Li Liangliang, Crawford Ankur M., Wang Shan X., Marshall Ann F., Mao Ming, Schneider Thomas and Bubber Randhir. Soft magnetic granular material Со-Ре-Hf-O for micromagnetic device applications // J. Appl. Phys.- 2005. -V.97. - N.10. - Р.- P.907-910.
12. Kanai S., Gajek M., Worledge D. C., Matsukura F., Oh H. Electric field-induced Fеrromagnetic resonance in a CоFеB/MgO magnetic tunnel junction under dc bias voltages // Appl. Phys. Lett. - 2014. - V.105. - P. 242409 - 242413.
13. Михайловский Ю.О., Меттус Д.Е., Казаков А.П., Прудников B.H., Калинин Ю.Е., Ситников A.B., Гербер А., БартонД., Грановский А.Б. Аномальный эффект Холла в нанокомпозитах (Со^е^^^АЮ)^^ // Письма в ЖЭТФ. - 2013. - Tом 97. - Вып. 8. - C. 544-548.
14. Касюк ЮЛ., Федотова Ю.А., Свито И.А., Калинин Ю.Е., Ситников АЛ. Bлияние ближнего порядка в наночастицах FеCоZr на электрические и магнитотранспортные свойства нанокомпозитов FеCоZr-
Воронежский государственный технический университет
CaF2 // Физика твердого тела. - 2012. - № 10. - С. 19631970.
15. Иевлев В.И. Тонкие пленки неорганических материалов: механизм роста и структура // Изд.-пол. центр ВГУ. - 2008.- 495. с.
16. Ohnuma H., Hono K., Onoder H., Ohnuma S., Fujimori H., Pedersen J.S. Microstructures and magnetic properties of Со-Al-O granular thin films // J. Appl. Phys.-2000 - V.87. - N2. - P.817-823.
17. 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 ^mposites // J. Magn. And Magn. Mat. - 2005. - V.285. - P.233-239.
18. Ramprasad R., Zurcher P., Petras M., Miller M., Renaud P. Magnetic properties of metallic Fеrromagnetic nanoparticle ^mposites // Appl. Phys. - 2004. - V.96. - N.11. - P.519-529.
19. Ситников A.B. Магнитные свойства и особенности формирования структуры наногрануллированных композитов металл-диэлектрик // Материаловедение. - 2010. - №3. - С. 49-61.
20. Fеdotova J. Effect of oxidshell sonmagnetic and magnetotransport characteristics of oxidized FеСоZr nanogranules in Al2O3 / Fеdotova J., Kasiuk J., Przewoznik J., Kapusta Cz., Svito J., Kalinin Yu., Sitnikov A. // J. of Alloys and impounds - 2011 - Vol. 509 - P. 9869-9875.
21. Saad A.M., Mazanik A.V., Kalinin Yu.E., Fеdotova J.A., Fеdotov A.K., Wrotek S., Sitnikov A.V., Svito J. Structure and electrical properties of СоFеZr-Aluminium oxide nanoœmposite films //Rev. Adv. Mater. Sci. - 2004 -v.8. - p.152-157.
22. Гриднев С.А., Калинин Ю.Е., Ситников A.B., Стогней О.В. // Нелинейные явления в нано- и микрогетерогенных системах. - M. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. - 352 с.
23. Калинин Ю.Е., Ремизов А.Н., Ситников А.В. Электрические свойства аморфных нанокомпозитов (Со^е^юМАЩ,)!.,, // ФТТ - 2004 - т. 46. - В. 11 -
С. 2076-2082.
24. Гриднев С.А., Горшков А.Г., Копытин М.Н., Ситников А. В., Стогней О.В. Электрические и диэлектрические свойства тонкопленочных наногетерогенных структур // Известия РАН, сер. Физическая - 2006 - т.70 - № 8. - С.1130-1133.
25. Калинин Ю.Е., Кудрин А.М., Пискарева М.Н., Ситников А.В., Звездин А.К. Электрические свойства аморфных гранулированных нанокомпозитов
(С045Fе45Zrlo)х[Pbo,8lSro,o4(Nao,5Bio,5)o,15(Zro,575Tio,425)Oз]l.x //
Перспективные материалы. - 2007. - № 3. - С. 41-48.
26. Калинин Ю.Е., Ситников А.В., Стогней О.В. Физические свойства нанокомпозитов металл-диэлектрик с аморфной структурой // Альтернативная энергетика и экология. - 2007. - № 10. - С.9-21.
STRUCTURE AND ELECTR^L PROPERTIES OF MULTILAYER FILMS ВASED ON FЕRROMAGNET-INSULATOR TOMPOSITES H.S. М. Аl'Аzzavi, K.G. Korolev, VA. Makagonov, ^V. Sitnikov, О.S. Tarasova
By ion-beam sputtering have been obtained composites films (Co^Fe^Zr^^A^O^^x (Co84Nb14Ta2)x(SiO2)1oo-X, (Co4iFe39B2o)x(SiO2)ioo.x and multilayer structures {[(Co45Fe45Zrio)x(Al2O3)ioo-x]/[(Co45Fe45Zrio)x(Al2O3)ioo-x+N2]}n, {[(C045Fe45Zrio)x(Al203)ioo-x]/[(C045Fe45Zrio)x(Al203)ioo-x+02]}n, {[(Co4iFe39B2o)x(SiO2)ioo-x]/[(Co4iFe39B2o)x(SiO2)ioo-x+ 02]}n, {[(Co84Nb14Ta2)x(SiO2)loo-x]/[(Co84Nb14Ta2)x(SiO2)loo-:x+02]}n in cyclic feeding reactive gases during the deposition. The structure and electrical properties of the films were investigate. It is shown that the films have a layered structure and it found that the reactive gases used for obtaining interlays increase electrical properties of heterogeneous structures compared to composites synthesized in argon atmosphere
Key words: structure, electrical properties, composites, layered heterogeneous structures
