CC BY
82
УДК 539.216.2
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА МУЛЬТИСЛОЙНЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ КОМПОЗИТА (Со4„Ре4оВ2о)зз,9(ЗЮ2)бб,1
О.В. Дунец, Ю.Е. Калинин, М.А. Каширин, А.В. Ситников
Исследовано влияние температуры на зависимости удельного электрического сопротивления и комплексной магнитной проницаемости многослойных плёнок на основе композита (Со40Ее40В20)33 9(8Ю2)661 от толщины металлических (Си) и полупроводниковых (С, 81, В12Те3) прослоек. Установлено наличие корреляции между электрическим сопротивлением многослойной пленки и типом магнитного упорядочения, возникающего в ней. Безотносительно к материалу металлической или полупроводниковой прослойки переход от суперпарамагнитного состояния к ферромагнитному наблюдается при сопротивлении многослойной пленки 0.01 Ом-м. Установлено, что при уменьшении температуры до 77 К переход в магнитоупорядоченное состояние происходит в многослойных образцах с более толстой немагнитной прослойкой (металлической или полупроводниковой), чем при 3оо К
Ключевые слова: тонкие пленки, многослойная структура, суперпарамагнитное состояние, нанокомпозит
1. Введение
В последние годы большой интерес проявляется к исследованиям мультислойных систем ферромагнитный металл-полупроводник, у которых наблюдается периодическое изменение магнитного взаимодействия от ферромагнитного к антиферромагнитному между металлическими слоями при изменении толщины полупроводниковой прослойки [1-3]. Физические свойства таких систем, где толщина слоев порядка нескольких нанометров, во многом определяются структурой и интерфейсными явлениями между различными фазами.
Ряд закономерности имеют и многослойные пленки из слоев суперпарамагнитного композита с полупроводникой прослойкой. Если толщина композиционного слоя ферромагнетик-диэлектрик составляет несколько нанометров и состав его находится до порога перколяции, то при наличии сплошного слоя полупроводниковой прослойки в многослойной системе при комнатной температуре происходит переход от суперпарамагнитного состояния слоя к ферромагнитному упорядочению всей системы [4-5].
Для объяснения наблюдаемого упорядочения магнитных моментов гранул суперпарамаг-нитных слоев было предложено два возможных механизма: ростом температуры бифуркации в многослойных структурах к температурам выше комнатной за счет взаимодействия магнитного момента гранул с вихревыми токами в полупроводниковой прослойке композиционного слоя
Дунец Олег Владимирович - ВГТУ, магистрант, тел. (473) 246 66 47
Калинин Юрий Егорович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук,
профессор, e-mail: [email protected]
Каширин Максим Александрович - ВГТУ, аспирант,
тел. 89515431616, e-mail:[email protected]
Ситников Александр Викторович - ВГТУ,
д-р физ.-мат. наук, доцент, e-mail: [email protected]
[4-5], и возникновением сильного обменного взаимодействия между изолированными ферромагнитными гранулами при переходе электронов через полупроводниковую прослойку с сохранением направления своего спина. [6].
Какое из этих представлений окажется предпочтительнее, покажут дальнейшие исследования.
В данной работе представлены результаты исследования влияния температуры на электрические и магнитные свойства мультислойных структур из слоев суперпарамагнитного композита (Со40Ре40В20)33>9(8Ю2)66>1 с прослойками из различных материалов.
2. Образцы и методика эксперимента
Многослойные наноструктуры из слоев нанокомпозита (Со40Ре40В20)33>9(8Ю2)ббл с различными прослойками были получены методом ионно-лучевого распыления двух мишеней на вращающуюся подложку [7]. В качестве металлической компоненты в композите был использован сплав Со40Бе40В20, который относится к легко аморфизируемым и хорошо изученным системам. Для напыления многослойных структур композит-полупроводник (металл) использовались составная мишень и мишень из полупроводника (металла). В процессе напыления между одной из мишеней и подложкой устанавливался У-образный экран, который позволял регулировать в широком диапазоне толщину слоя в зависимости от взаимного расположения мишень - подложка. Данный прием позволил в одном технологическом цикле получения формировать слой полупроводника или композита непрерывно меняющейся толщины. Серия из пяти ситалловых подложек закреплялась на подложкодержателе параллельно плоскости мишени вдоль ее длинной стороны. Непосредст-
венно перед напылением многослойной пленки проводилась ионная очистка поверхностей подложек для улучшения адгезионных свойств напыляемой структуры и подложки. Затем, исходя из выбранных параметров процесса (напряже-
ния на источниках ионно-лучевого распыления, тока плазмы, давления аргона на каждом источнике, общего давления в камере, скорости вращения подложек и др.), проводилось распыление двух мишеней одновременно. При прохождении подложкодержателя через позицию распыления каждой мишени формировался один слой структуры, то есть за один оборот формировался слой композита металл-диэлектрик и прослойка полупроводника или металла.
Перед напылением многослойной структуры проводилось два контрольных напыления для определения толщины слоев и состава композиционной прослойки. Рассмотрим методику определения толщины слоя. Перед началом напыления пленки выставлялись подобранные ранее параметры процесса напыления многослойной структуры (давление аргона на каждом источнике, общее давление в камере, давление в камере водорода). Осуществлялся процесс распыления с выбранной мишени. Ток плазмы и напряжение на анод подавались, исходя из предполагаемых параметров получения многослойной структуры. После продолжительного, обычно несколько часов, процесса нанесения пленки на вращающиеся с заданной скоростью подложки проводилось измерение толщины с различных участков полученных пленок с помощью интерферометра МИИ-4.
Точки измерения толщины фиксировались относительно расположения подложки и мишени. Измеренные толщины пленки аппроксимировались в зависимости от расстояния от края подложки. Зная время распыления и время одного оборота карусели, мы рассчитывали толщину слоя пленки, полученную за одно прохождение подложкой зоны нанесения материала. Аналогичным образом определялась толщина одного слоя второй фазы многослойной струк-
туры. Толщины слоев корректировались изменением скорости вращения подложкодержателя и мощности, подаваемой на источники распыления, полагая скорость нанесения материала прямо пропорциональной данной величине. В ре-
зультате были получены многослойные плёнки четырёх различных композиций, составы полученных плёнок, а так же диапазоны изменения толщин слоев в каждой из партий представлены в таблице.
Исследования электрического сопротивления проводились методом амперметра-вольтметра В7-78/1. Высокочастотные магнитные свойства (действительная (ц) и мнимая (ц") части комплексной магнитной проницаемости) измерялись резонансным методом на частоте 50 МГц по методике [8].
3. Результаты эксперимента и их обсуждение
На рис. 1 представлены зависимости удельного электрического сопротивления р, действительной ц/ и мнимой ц// частей комплексной магнитной проницаемости (на 50 МГц) от толщины прослойки углерода для многослойной системы {[(С040ре40В20)33,9(8Ю2)б6,1]/[С]}46 при температурах 77К, 300К и 403 К.
При комнатной температуре сопротивления слабо меняется с увеличением толщины прослойки углерода до 1 нм. В интервале 1-1,6 нм, слой углерода становится сплошным, наблюдается значительное (на несколько порядков) изменение р(Ь). Именно в этом диапазоне наступает магнитное упорядочение композиционных слоёв плёнок, проявляющееся в возрастании величин действительной и мнимой частей комплексной магнитной проницаемости. С понижением температуры до 77 К электрическое сопротивление многослойных пленок
{[(С040ре40В20)33,9(БЮ2)б6,1]/[С]}4б возросло в 5-10 раз, и толщина, при которой сопротивление плёнки достигает значения, связанного с началом магнитного упорядочения, увеличилась.
Составы и толщины слоёв исследуемых мультислойных структур (индексы после квадратных скобок соответствуют числу бислоев)
Состав плёнки Толщина прослойки, нм. Толщина композита, нм.
{ [(Со40р'е40В20)33,9(81°2)66,1]/[81] } 94 0,5- 4,5 2- 4,8
{ [(Со40р'е40В20)33,9(81°2)66,1]/[С] }46 0,3-1,85 2,8-6,5
{ [(Со40р'е40В20)33,9(81°2)66,1]/[Си] }93 0,1 -2,8 1,8-4,26
{ [(Со40р'е40В20)33,9(8102)66,1]/[В12Те3] } 101 0,25-2,33 2-4,7
И С (1!)
И Э1 (II)
т!т!/180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
- т/_77К
И С (II)
—I—'—I—'—I—'—I—'—I—'—I—'—I—'—I—'—I—'—I
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0
И Б1 (1!)
Рис. 1. Зависимости удельного электрического сопротивления р, действительной ц/ и мнимой ц// частей комплексной магнитной проницаемости (на 50 МГц) от толщины прослойки углерода для {[(Со40ре40В20)33,9(БЮ2)66,1]/[С]}46 при различных температурах
Это хорошо видно на графике зависимости магнитной проницаемости, где кривые сдвинулись вправо - в сторону больших толщин полупроводника. При этом максимальное значение магнитной проницаемости наблюдается при комнатной температуре.На рис. 2 представлены зависимости удельного электрического сопротивления р, действительной ц/ и мнимой ц// частей комплексной магнитной проницаемости (на 50 МГц) от толщины прослойки 81 для {[(Со40ре40В20)33,9(БЮ2)66,1]/[£1]}94 при различных температурах (77К, 300К и 403 К). Изменение электрического сопротивления в области магнитного упорядочения в данной системе при изменении температуры менялось незначительно, поэтому и существенного сдвига кривых магнитной проницаемости не наблюдается. Однако и в данной системе максимальное значение магнитной проницаемости проявляется при комнатной температуре.
Рис. 2. Зависимости удельного электрического сопротивления р, действительной ц/ и мнимой ц// частей комплексной магнитной проницаемости (на 50 МГц) от толщины прослойки кремния для [(Со40ре40В20)33,9(8Ю2)66,1]/[81]}94 при различных температурах
На рис. 3 представлены зависимости удельного электрического сопротивления р, действительной ц/ и мнимой ц// частей комплексной магнитной проницаемости (на 50 МГц) от толщины прослойки меди для многослойной системы {[(Со40ре4сВ20)33,9(БЮ2)66,1]/[Си|}93 при различных температурах (77 К, 300 К).
Замена полупроводниковой прослойки на металлическую существенно расширяет диапазон толщин прослойки, в котором наблюдается понижение электрического сопротивления. Однако и в этой системе наблюдается магнитное упорядочение, что отражается на росте магнитной проницаемости с толщиной прослойки. При этом следует отметить, что максимальная величина действительной части комплексной магнитной проницаемости при Т = 77 К больше, чем при Т = 300 К.
И Си (м )
И Си (1!)
И Б!2Тез (п )
И Те3Б!2 (II )
Рис. 3. Зависимости удельного электрического сопротивления р, действительной ц/ и мнимой ц// частей комплексной магнитной проницаемости (на 50 МГц) от толщины прослойки меди для {[(Со40ре40В20)33,9(БЮ2)66,1]/[Си]}93 при различных температурах
На рис. 4 представлены зависимости удельного электрического сопротивления р, действительной ц/ и мнимой ц// частей комплексной магнитной проницаемости (на 50 МГц) от толщины прослойки В12Те3 для многослойной сис-
темы{ [(Со40ре40В20)33,9(81°2)66,1]/[В12Те3] } 101 при
различных температурах (77К, 300К).
Существенные изменения удельного электрического сопротивления и в этой системе с понижением температуры в области перехода из магнито-упорядоченой структуры в суперпара-мгнитное состояние не наблюдается. Поэтому на зависимостях ц/ и ц// при различных температурах не выявлено существенного изменения положения и формы кривых.
Заключение
1. Получены многослойные плёнки супер-парамагнитного композита на основе (Со40Ре40В20)33 9(8Ю2)66д с прослойками четырех различных составов нанометровой толщины. Исследованы зависимости удельного электриче-
Рис. 4. Зависимости удельного электрического сопротивления р, действительной ц/ и мнимой ц// частей комплексной магнитной проницаемости (на 50 МГц) от толщины прослойки
В12Те3 для { [(Со40ре40В20)33,9(8102)66,1]/[В12Те3] } 101
при различных температурах
ского сопротивления полученных многослойных структур от параметров слоёв. Установлено, что для исследованных гетеросистем удельное электрическое сопротивление снижается на 3-4 порядка при наличии сплошного слоя прослойки, что связывается с влиянием на электроперенос носителей заряда прослойки, имеющей более низкое электрическое сопротивление. Снижение температуры от комнатной до Т=77 К повышает удельное электрическое сопротивление практически во всем интервале толщин прослойки.
2. Изучены зависимости действительной и мнимой частей комплексной магнитной проницаемости многослойных плёнок суперпарамаг-нитного композита (Со40Бе40В20)33 9(8102)66,1 с прослойками различных составов от толщины слоев на частоте 50 МГц. Установлено, что в исследуемых гетерогенных системах при наличии сплошного слоя прослойки с удельным электрическим сопротивлением порядка 0,01 Ом^м происходит переход от суперпарамагнитного со-
стояния к ферромагнитному упорядочению. Изменение величины удельного электрического сопротивления в многослойной структуре при изменении температуры сопровождается смещением температуры перехода от суперпара-магнитного состояния к магнитному упорядочению гранул. Полученные результаты связываются с возникновением косвенного обменного взаимодействия между изолированными ферромагнитными гранулами сплава Co4oFe4oB2o через электроны проводимости прослойки.
Литература
1. Vas'kovskiy V.O., Svalov A.V., Kurlyandskaya G.V. Magnetism in Rare-Transition Metal Multilayers // Encycl. Nanosc. Nanotech., 2011. V. 16. P.75-78.
2. Svalov A.V., Vas'kovskiy V.O., Barandiaran J.M., Orue I., Sorokin A.N., Kurlyandskaya G.V. Magnetoresistive Properties of Tb/Ti and Tb/Si Multilayers // Sol. State Phenom., 2009, Vol. 152-153. P/ 237-240.
3. Diercks D., Svalov A.V., Vas'kovskiy V.O., Kurlyandskaya G.V. Structure and Electrical Resistivity of
Sputtered Tb/Ti and Tb/Si Magnetic Multilayers // IEEE Trans. Magn. 2010. Vol. 46. N 6. P. 1515-1518.
4. Белоусов В.А. , Калинин Ю.Е. , Королев К.Г., Ситников А.В., Ситников К.А. Электрические и магнитные свойства мультислойных структур нанокомпозит -гидрогенизированный аморфный кремний // Вестник ВГТУ, 2006, т.2, № 11, С.24-29.
5. Иванов А.В., Калинин Ю.Е. , Нечаев В.Н., Ситников А.В. Электрические и магнитные свойства мультислойных структур [(CoFeZr)x(Al2O3)1-x/(a-Si:H)]n // ФТТ, 2009, т. 60, в.12. С.2331-2336.
6. Ганьшина Е.А., Перов Н.С., Пхонгхирун С., Ми-гунов В.Е., Калинин Ю.Е., Ситников А.В. Усиление магнитооптического отклика в многослойной системе нанокомпозит - гидрогенизированный аморфный кремний // Известия РАН, сер. Физ. - 2008 - № 10. - С.1455-1457.
7. Ситников А.В. Применение ионно-лучевого метода распыления для получения чувствительных слоев сенсоров водорода // Альтернативная энергетика и экология, 2004, № 4, с.28-30.
8. Калаев В.А., Калинин Ю.Е., Нечаев В.Н., Ситников А. В. Высокочастотные магнитные свойства гранулированных нанокомпозитов металл-диэлектрик // Вестник Воронежского государственного технического университета, сер. Материаловедение. 2003. Выпуск 1.13. С. 38-42.
Воронежский государственный технический университет
EFFECT OF TEMPERATURE ON ELECTRICAL AND MAGNETIC PROPERTIES OF MULTILAYERSTRUCTURES BASED ON COMPOSITE (Co40Fe40B20)33,9(SiO2W O.V. Dunets, Yu.E. Kalinin, M.A. Kashirin, A.V. Sitnikov
Temperature influence on dependence of resistivity and complex magnetic permeability on the thickness of metal (Cu) and semiconductor (C, Si, Bi2Te3) layers has been investigated in the multilayer films based of the (Co40Fe40B20)33 9(SiO2)661 composite. The correlation between electrical resistivity of the multilayer film and the type of magnetic ordering appearing in it has been established. Irrelative of material of the metal or semiconductor layer transition from superparamagnetic state to ferromagnetic state occurs when the resistivity of the multilayer film is 0.01 Ohm • m. It is established that with decreasing temperature to 77 K, the transition to a magnetically ordered state occurs in the multilayer samples with thickness of nonmagnetic (metallic or semiconductor) layer larger than at 300 K
Key words: thin films, multilayer structures, superparamagnetic state, nanocomposite
