Структурные исследования тонких наногранулированных пленок Co-Al2O3, полученных методом твердофазного синтеза Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической отрасли

УДК 54.055

СТРУКТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТОНКИХ НАНОГРАНУЛИРОВАННЫХ ПЛЕНОК Co-Al2O3, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ТВЕРДОФАЗНОГО СИНТЕЗА*

М. Н. Волочаев1, 2*, В. Б. Рачек3, И. А. Тамбасов2, И. В. Немцев2, Ю. Ю. Логинов1

1 Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 2Институт физики имени Л. В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/38

3Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 E-mail: [email protected]

Синтезированы тонкие магнитные наногранулированные пленки Co-Al2O3 с помощью термической реакции в двухслойных пленках Co3O4/Al с толщинами слоев от 10 до 100 нм. Исследованы морфология, фазовый состав и зависимость среднего размера наногранул кобальта от толщины исходных слоев Co3O4.

Ключевые слова: магнитные наногранулированные пленки, твердофазный синтез, термические реакции, Co-Al2O3.

STRUCTURAL STUDIES OF Co-Al2O3 NANOGRANULAR THIN FILMS OBTAINED

BY SOLID-STATE SYNTHESIS

M. N. Volochaev1' 2*, V. B. Rachek3, I. A. Tambasov2, I. V. Nemtsev2 ,Yu. Yu. Loginov1

1Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

2Kirensky Institute of Physics FRS KSC SB RAS 50/38, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation

3Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation E-mail: [email protected]

We have synthesized magnetic nanogranular Co-Al2O3 thin films by thermal reaction in Co3O4/Al bilayer films with layer thicknesses from 10 to 100 nm and studied morphology, phase composition and dependence of the cobalt nanogranules average size on the initial layer thickness of Co3O4.

Keywords: magnetic nanogranular films, solid-state synthesis, thermal reactions, Co-Al2O3.

Тонкопленочные материалы, содержащие ферромагнетик (Со, Ре, №) и широкозонный полупроводник или диэлектрик на основе оксидов металлов (1п20з, ТЮ2, А1203, 2г02, и пр.) и обладающие одновременно магнитными и полупроводниковыми (диэлектрическими) свойствами, широко исследуются для их потенциального использования в спинтронике, устройств высокоплотной магнитной памяти, сенсорах магнитного поля, катализе, медицине, космической промышленности и пр.

Ранее [1-4] был предложен новый подход к получению магнитных наногранулированных пленок различного состава. Данный подход основан на проведении металлотермической реакции в тонких пленках между слоем оксида ферромагнитного металла (Ре203, Со304, N10) и металлом-восстановителем (1п, 2г, А1, Т1) посредством вакуумного отжига. Готовый продукт реакции представляет собой тонкую пленку, содержащую наногранулы ферромагнитного металла рав-

номерно распределенные в оксидной матрице. В настоящий момент нами получены и исследованы магнитные наногранулированные пленки следующих составов: Ре-1п203, Ре-2г02, Со-2г02 и Со-А1203 [1-3]. Синтезированные пленки обладали одновременно магнитными, полупроводниковыми (диэлектрическими) свойствами, относительно высоким коэффициентом пропускания, высокой химической, термической и временной стабильностью. Основными параметрами, определяющими свойства таких материалов (при одном и том же химическом составе), являются размер, форма магнитных гранул, плотность их распределения в матрице, глубина залегания и пр.

В данном исследовании рассматриваются усовершенствованная технология синтеза, а также структурные исследования пленок Со-А1203, полученных из двухслойных тонкопленочных систем Со304/А1 с толщинами слоев от 10 до 100 нм.

* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 16-32-00302 мол_а), РФФИ и Правительства Красноярского края, Красноярского краевого фонда поддержки научной и научно-технической деятельности в рамках научных проектов № 16-42-243059 р_мол_а и 16-48-242092 р_офи_м.

Решетневские чтения. 2017

—г-апоз

—У-Л1203

[1-Со

:—у-лиоз

!—-у-А1203

-,,М2ПЗ ^ —y-Ai20J

Рис. 1. Микрофотография синтезированной пленки Co-Al203 (а) и картина микродифракции электронов (б)

Рис. 2. График зависимости среднего размера гранул кобальта от толщины исходного слоя Со304

Новая методика синтеза наногранулированных Со-А1203 пленок заключается в получении слоя Со304 методом реактивного высокочастотного магнетронно-го распыления кобальтовой мишени в атмосфере, состоящей из смеси газов аргон (70 %)-кислород (30 %) с последующим напылением слоя алюминия в атмосфере чистого аргона и вакуумным отжигом двухслойной системы. Такое нововведение позволяет менять местами реагенты, а также получать многослойные пленочные системы, что может значительно расширить области применения получаемых нанограну-лированных пленок.

Двухслойные пленки Со304/А1 с толщинами слоя Со304 10-100 нм были получены по технологии, описанной выше на монокристаллические подложки №С1(001). Соотношение толщин слоев оксида кобальта и алюминия составляло 1:0,75 и было рассчитано из уравнения: 3Со304 + 8А1 = 4А1203 + 9Со. Далее пленки отжигались в вакууме при температуре 700 °С в течение часа согласно данным, полученным в [3].

Морфологию и фазовый состав пленок изучали методами просвечивающей электронной микроскопии при ускоряющем напряжении 110 кВ.

На рис. 1 приведены электронно-микроскопическое изображение синтезированной Со-А1203 пленки при исходной толщине Со304 15 нм (а) и картина микродифракции электронов, полученная с участка пленки, диаметром 10 мкм (б).

Расшифровка дифракционной картины показала наличие высокотемпературных фаз оксида алюминия у-А1203 и кобальта Р-Со. Аналогичная картина наблюдалась для всех образцов. На рис. 2 приведен график зависимости среднего размера образовавшихся гранул кобальта от толщины исходного слоя Со304.

Из графика можно заключить, что зависимость близка к линейной, причем при малых толщинах размер наногранул превышает толщину исходного слоя.

Полученные результаты показывают хорошую перспективу использования усовершенствованного метода синтеза тонких нанокомпозитных Со-А1203 пленок.

References

1. Solid State Synthesis and Characterization of ferromagnetic nanocomposite Fe-In203 thin films / V. G. Mya-gkov [et. al.] // Journal of Alloys and Compounds, 2014. Vol. 612. P. 189-194.

2. Thermite synthesis and characterization of Co-Zr02 ferromagnetic nanocomposite thin films / V. G. Myagkov [et. al.] // J. of Alloys and Compounds, 2016. Vol. 665. P. 197-203.

3. Thermite synthesis, structural and magnetic properties of Co-Al203 nanocomposite films / V. G. Myagkov [et. al.] // J. of Alloys and Compounds, 2017. Vol. 724. P. 820-826.

© Волочаев М. Н., Рачек В. Б., Тамбасов И. А., Немцев И. В., Логинов Ю. Ю., 2017