CC BY
129
УДК 539.216.2:536.425.001.57
ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИТОВ
(С 04оГ е40В20)Х(С) 100-Х
А.А. Абрычкин, А.А. Алешников, Ю.Е. Калинин, А.В. Ситников, О.С. Тарасова
Исследованы процессы намагничивания и частотные зависимости комплексной магнитной проницаемости композитов (Co40Fe40B20)Х(С)100-Х, полученных на ситалловых подложках, и стеклоткань методом ионно-лучевого распыления составной мишени. Установлено, что в композитах (Co40Fe40B20)Х(С)100-Х после порога протекания формируется перпендикулярная магнитная анизотропия, которая является причиной низкого значения частоты естественного магнитного резонанса (~ 350 МГц). Термическая обработка при Т=300 0С в течение 30 минут повышает частоту естественного магнитного резонанса до 650 МГ ц
Ключевые слова: нанокомпозиты, магнитные свойства, порог протекания, магнитная проницаемость
Введение
Развитие микроэлектроники и систем связи предъявляют повышенные требования к магнитным материалам, которые используются в современных устройствах. В связи с этим большой интерес вызывают исследования высокочастотных
магнитных свойств гетерогенных наносистем, в которых одна фаза является ферромагнитной, а
другая не магнитной. Применительно к
использованию в высокочастотных
электромагнитных полях необходимым условием является высокое удельное сопротивление (р) таких материалов. Обычно для повышения р в 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 [6-8]. В качестве ферромагнитной фазы композитов используют либо переходные металлы ^, Fe, N или сплавы на их основе [9-14]. Основным условием формирования гетерогенной структуры является взаимная не растворимость соединений образующих различные фазы. При этом на подложке образуются зародыши металлической и диэлектрической компонент композита. В результате процессов самоорганизации формируется либо изотропное, либо анизотропное распределение гранул металлической фазы [15]. Гетерогенная структура композитов формирует высокую перпендикулярную магнитную
анизотропию, что негативно сказывается на
Абрычкин Александр Алексеевич - ВГТУ, аспирант, тел. 8-903-854-47-06
Алешников Александр Александрович - ВГТУ, аспирант, e-mail: [email protected]
Калинин Юрий Егорович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, e-mail: [email protected] Ситников Александр Викторович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, доцент, тел. 8-919-241-12-01
Тарасова Оксана Сергеевна - ВГТУ, студент, e-mail: [email protected]
высокочастотных магнитных свойствах материала [9, 16-19].
Одним из способов подавления перпендикулярной магнитной анизотропии является напыление композита в среде содержащей активные газы. В результате образуются оксидные или нитридные оболочки на поверхности металлических наногранул, которые препятствуют формированию перколяционной сетки. Следовательно, подавляется рост столбчатой структуры пленки. Однако, такая структура находится до порога перколяции и проявляет суперпаромагнитные свойства с низкими значениями намагниченности насыщения и магнитной проницаемости [20,21].
Возможность формирования на поверхности ферромагнитных наногранул оболочки можно реализовать в случае, когда при высоких температурах образуется метастабильное соединение, которое при охлаждении распадается на две фазы, одна из которых концентрируется по границам раздела наночастиц. Такими свойствами обладают метастабильные соединения Fe, М, ^ с углеродом [22]. С другой стороны аморфный гидрогенизированный углерод является
полупроводником и имеет достаточно высокое значение удельного электрического сопротивления при комнатной температуре. Кроме того для практического применения магнитных
тонкопленочных покрытий необходимо согласовать волновое сопротивление сред распространения
электромагнитной волны. Следовательно, должно выполнятся условие равенства магнитной и диэлектрической проницаемости выбранного материала. К сожалению, как правило, композиты обладают хорошими магнитными свойствами после порога перколяции, где удельное сопротивление имеет достаточно низкие значения. Для понижения эффективной диэлектрической проницаемости
можно распределить пленку композита в
пространстве, используя для этого подложки с периодической развитой поверхностью. Такой подложкой может являться стеклоткань. В полученной нами композиционной структуре в качестве металлической фазы был выбран сплав
Co40Fe40B20. Он известен как материал с хорошими магнитомягкими свойствами и склонный к аморфизации при закалке из жидкого состояния. Действительно композиты металл-диэлектирик после порога перколяции на основе данного сплава обладают прекрасными магнитными свойствами, а металлические гранулы имеют аморфную структуру [24].
В предлагаемой работе рассмотрены магнитостатические и магнитодинамические свойства композита (Co40Fe40B20)x(C)i00-x в исходном состоянии после термообработки и осажденного на плоскую поверхность и стеклоткань.
Образцы и методика эксперимента
Пленки углеродосодержащей гетерогенной системы (Co40Fe40B20)x(C)i00-x были получены
ионно-лучевым распылением составной мишени на ситалловые подложки и стеклоткань [23]. Синтезированные композиты имели широкий
диапазон концентраций металлической фазы.
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. Частотные
зависимости комплексной магнитной
проницаемости измерены резонансным методом с использованием коаксиального полуволнового резонатора.
Для исследования структуры композитов осаждение проводилось на поверхность монокристаллов соли NaCl. Толщина пленок
составляла —1000 А. Исследования показали, что все системы являются гетерогенными. В качестве
примера, на рисунке 1 представлена микрофотография и электронная дифракция
композита (Co40Fe40B20)70,7(C)29,3.
Рис. 1. Микрофотография и электронная дифракция композита (C04oF е40В20)70,7(С)29,3
Размер металлических гранул составляет 3-4 нм. Анализ данных по электронной дифракции показал отсутствие кристаллической структуры как
металлической, так и диэлектрической фаз композитов (Co4oF е40В20)х(С)100-х.
Результаты эксперимента и их обсуждение
Исследования кривых намагниченности нанокомпозита (Со410Ре40В20)69,6(С)30,4 (рисунок 2) показало, что кривые имеют излом на зависимости М(Н). 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. Кроме того сравнение двух кривых намагниченности измеренных в плоскости пленки в ортогональных направлениях выявило отсутствие явной анизотропии в плоскости подложки. Оценка значений выхода намагничивания пленки в насыщение по величине начальной магнитной проницаемости дает значение порядка 8,5 Э при этом величина коэрцитивной силы составляет 9 Э.
Н, Э
Рис. 2. Кривые намагничивания нанокомпозита (Со40Ре40В20)69,6(С)30 4, измеренные в плоскости пленки вдоль (1) и перпендикулярно оси образца (2)
Если взять величину поля магнитной анизотропии (На) равным полю выхода намагничивания пленки в насыщение, то оценка частоты естественного ферромагнитного резонанса для тонких пленок с плоскостной анизотропией, проведенное по выражению:
/рез = 2рп/На4РМ8 , (1)
где V - гиромагнитное отношение (2пу = 2,8 МГ ц/Э), М8 - намагниченность насыщения, На - поле плоскостной анизотропии, для данного образца получается (4яМ»=1,2 Тл) 894МГц.
Для подтверждения полученных результатов была измерена частотные зависимости действительной (р/) и мнимой (^//) частей комплексной магнитной проницаемости композита (Со4аРе40В20)69,6(С)30,49 (Рис. 3). Анализ полученных зависимостей показал, что в диапазоне измеренных
частот не наблюдается максимума значений ^// которое совпадает с частотой естественного магнитного резонанса. Более того, при частоте от 350 до 550 МГц выявлен минимум и значения действительной части комплексной проницаемости существенно отрицательны. Такой вид кривой р/(£) соответствует антиферромагнитному резонансу который проявляется по частоте после естественного магнитного резонанса. Значит частота Грез в данном случае ниже 300 МГц.
Такое несоответствие между рассчитанными и измеренными частотами резонанса может иметь несколько причин. Измерение кривых намагничивания выявило отклонение вектора намагниченности от плоскости пленки. Причиной этого являются анизотропия структуры пленки, сформированная в процессе напыления. Структурные неоднородности формируют перпендикулярную магнитную анизотропию. Когда поле магнитной анизотропии превышает поле размагничивания (к/^0) вектор спонтанной намагниченности может ориентироваться перпендикулярно поверхности пленки. В данном случае величина энергии анизотропии меньше данного значения и намагниченность пленки расположена в ее плоскости под некоторым не нулевым углом к ней. Частота прецессии вектора намагниченности в тонкопленочных образцах увеличивается за счет полей размагничивания возникающих на поверхности пленки, что учитывается в выражении 1.
£ МОг
Рис. 3. Частотные зависимости действительной (кривая 1) и мнимой (кривая 2) частей комплексной магнитной проницаемости композита (Со40Ре40В20)б9,б(С)30,4
Если возникающая сила при выходе вектора намагничивания из плоскости частично компенсируется перпендикулярной магнитной анизотропией, то увеличение частоты прецессии не столь значительно как дает выражение, в предельном случае, когда две силы полностью компенсируют друг друга более верно выражение для объемного образца:
/рез _ 2рНа. (2)
Оценка частоты естественного
ферромагнитного резонанса в этом случае равна 23,8 МГц.
Еще одной из причин понижения частоты естественного магнитного резонанса может быть влияния токов Фуко в тонких ферромагнитных пленках. Скин-эффект приводит к низкочастотному сдвигу максимума потерь относительно естественной резонансной частоты. Можно оценить (выражение 3) частоту электромагнитной волны при которой толщина скин слоя будет равна толщине образа.
_ 2р
П= 82^, (3) где 8 - толщина образца, ^ - магнитная
проницаемость.
Результаты расчетов для композита
(Со410Ре40В20)69,6(С)304 в исходном состоянии дают частоту порядка 480 МГц. Следовательно, пренебрегать скин-эффектом при рассмотрении частотных зависимостей данного композита нельзя.
После проведения термической обработки образцов кривые намагничивания существенно
изменились (Рис. 4). Уменьшилась коэрцитивная сила, увеличилось значение остаточной намагниченности, исчез излом на кривой
намагничивания. Эти свойства в совокупности свидетельствуют о структурных изменениях композита (Со410Ре40В20)69,6(С)304 приведших к существенному уменьшению перпендикулярной магнитной анизотропии. Величина поля выхода намагниченности в насыщение составляет 2,6 Э. Оценка частоты магнитного резонанса по выражению 1 дает Грез ~ 495 МГц. Измерения частотных зависимостей действительной и мнимой частей комплексной магнитной проницаемости композита (Со40Ге40В20)696(С)304 после отжига дают резонансную частоту в районе 650 МГц (Рис. 5). Данное значение сопоставимо с рассчитанным. С другой стороны отжиг приводит к уменьшению удельного электрического сопротивления композита (Со410Ре40В20)69,6(С)304. Уменьшается частота, при которой толщина скин-слоя будет равна толщине образца (~ 41 МГц). Однако, измеренная частота магнитного резонанса увеличилась после отжига относительно исходного состояния пленки. Это может свидетельствовать о большем влиянии перпендикулярной магнитной анизотропии на Грез.
Как уже было сказано выше для уменьшения волнового сопротивлений поглощающей среды возможно использовать распределение покрытия в пространстве. Исходя из этого композит (Со410Ре40В20)х(С)100_х был осажден на поверхность стеклоткани.
На Рис. 6 представлены зависимости
намагничивания нанокомпозита Со40Ге40В20)696(С)304 осажденного на стеклоткань.
Н, Э
Рис. 4. Кривые намагничивания нанокомпозита (Со4(^е40В2о)б9,б(С)3о,4 после отжига при температуре 300°С в течение 30 минут, измеренные в плоскости пленки вдоль (1) и перпендикулярно оси образца (2)
Видно, что кривые имеет два участка. В области малых полей кривая характеризуется высокой магнитной проницаемостью. При повышении внешнего магнитного поля проницаемость падает и кривые выходят в насыщение в полях выше 1000 Э. Такая зависимость очевидна если учесть ту часть композита осажденного на стекловолокно которая перпендикулярна внешнему магнитному полю в связи с цилиндрической геометрией нитей подложки.
На Рис. 7 представлены частотные зависимости действительной и мнимой частей комплексной магнитной проницаемости композита
(Со410Ре40В20)69,6(С)304. осажденного на стеклоткань.
1, МОг
Рис. 7. Частотные зависимости действительной (кривая 1) и мнимой (кривая 2) частей комплексной магнитной проницаемости композита (Со40Ре40В20)б9,б(С)30,4 , осажденного на стеклоткань
Рис. 5. Частотные зависимости действительной (кривая 1) и мнимой (кривая 2) частей комплексной магнитной проницаемости композита (Со40Ре40В20)б9,б(С)30,4 после отжига при Т=3000 С в течение 30 минут
Ч
а»
н
о
л
н
о
о
а»
у
га
2
га
X
Н, Э
Рис. 6. Кривые намагничивания осажденного на стеклоткань нанокомпозита (Со40Ре40В20)б9,б(С)30,4 , измеренные в плоскости пленки вдоль (1) и перпендикулярно оси образца (2)
Кривые рДГ) и ^// (Г) зависимости, как и в случае пленок осажденных на плоскую поверхность, характеризуются отсутствием магнитного резонанса в области исследуемых частот. Антирезонанс \\! в диапазоне частот 300^450 МГц свидетельствует о более низком значении Грез. Мы выявили, что основной причиной такого поведения является перпендикулярная магнитная анизотропия. В данном случае по кривым намагничивания неочевидно наличие перпендикулярной анизотропии в пленке, но существование поверхностей пленки не параллельных внешнему полю из-за геометрических особенностей подложки, подразумевает области пленки с геометрически перпендикулярной анизотропией. Возможно это является причиной низких значений частоты естественного магнитного резонанса.
После термической обработки при температуре 3000С в течении 30 минут вид кривых намагничивания изменился не существенно (Рис. 8).
Также не претерпели значительного изменения и частотные зависимости действительной и мнимой частей комплексной магнитной проницаемости композита (Со40Ге40В20)696(С)304 после отжига (Рис. 9). Таким образом, можно предположить, что
основным фактором влияющим на магнитные свойства композитов (Со410Ре40В20)Х(С)100_Х
осажденных на стеклоткань являются геометрические особенности структуры
поверхности.
d
ф
X
н
о
J
h
О
0
1 I
ф
у
га
2
га
I
Н, Э
Рис. 8. Кривые намагничивания осажденного на стеклоткань нанокомпозита (Со40Ре40В20)69,6(С)304 после отжига при температуре 300 0С в течение 30 минут, измеренные в плоскости пленки вдоль (1) и перпендикулярно оси образца (2)
f, MGz
Рис. 9. Частотные зависимости действительной (кривая 1) и мнимой (кривая 2) частей комплексной магнитной проницаемости композита (Со40Ее40Б20)69 6(С)30 4, осажденного на стеклоткань, после отжига при температуре 300 0С в течение 30 минут
Заключение
Проведенные исследования
магнитостатических и магнитодинамических свойств гетерогенных систем металл-углерод показали, что в пленках композита
(Со40Ге4оБ2о)Х(С)10о-Х после порога перколяции выявлена перпендикулярная магнитная анизотропия, которая является причиной низкого (> 300МГц) значения частоты естественного магнитного резонанса.
После термической обработки при температуре 3000С в течении 30 минут перпендикулярная составляющая вектора намагничивания не обнаружена и частота естественного магнитного резонанса составляет 650 МГц.
Магнитные свойства композитов
(Co40Fe40B20)x(C)100-x, осажденных на стеклоткань, определяются геометрическими особенностями структуры поверхности.
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.C. Chen, O. Kitakami, and Y. Shimada, 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. А.В. Ситников Магнитные свойства и
особенности формирования структуры
наногрануллированных композитов металл-диэлектрик // Материаловедение - 2010- №3 - С. 49-61.
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//Альтернативная 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. J. Fedotova, J. Kasiuk, J. Przewoznik, Cz. Kapusta, J. Svito, Yu. Kalinin, A. Sitnikov 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. Диаграммы состояния двойных металлических систем / под ред. Н.П. Лякишев. М.: Машиностроение , 1996. 993 с.
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 // Альтернативная энергетика и экология - 2007 - № 6. - С.145-148.
Воронежский государственный технический университет
HIGH-FREQUENCY MAGNETIC PROPERTIES OF COMPOSITES (CO40FE40B20) x (C) 100-X
A.A. Abrychkin, A.A. Aleshnikov, Yu.E. Kalinin, A.V. Sitnikov, O.S. Tarasova
The processes of magnetization and the frequency dependence of the complex magnetic permeability of the composites (Co40Fe40B20) x (C) 100-x received on sitallovyh and fiberglass substrates by ion-beam sputtering of a composite target. Found that in the composites (Co40Fe40B20) x (C) 100-x after the percolation threshold is formed perpendicular magnetic anisotropy, which is the reason for the low value the natural frequency of the magnetic resonance (~ 350 MHz). Heat treatment at T = 300 0C for 30 minutes increases the frequency of natural magnetic resonance up to 650 MHz
Key words: nan composites, magnetic properties, the percolation threshold, the permeability
