Магнитные свойства и локальные состояния ионов Fe в магнитных сверхрешетках на основе Fe/Co/Mo (стр. 4 )

Таким образом, при синтезе МСР Fe/Co/Mo могут формироваться следующие типы кластеров:

1) (1>n>10)

2) (n, m>1)

3) (n, m>1)

Для подтверждения присутствия криптона в образцах были проведены исследования элементного состава МСР методом Резерфордовского обратного рассеяния.

Спектроскопия Резерфордовского обратного рассеяния легких ионов , или является аналитическим методом определения элементного состава тонких пленок [[56]][[57]].

Спектры РОР альфа-частиц и протонов получали на экспериментальной установке, построенной на базе ускорителя Ван-дер-Граафа (ЭГ-8) НИИЯФ МГУ, который позволяет ускорять ионы водорода и гелия в диапазоне энергий 1,0-2,1 МэВ. Диаметр пучков составляет 0,5-1 мм. Дисперсия энергии пучков – не более 10 кэВ, максимальный использованный в данной работе ток пучка ~10 нА. Для расчетов спектров протонов с энергией пучка 2.2-2.5 МэВ и спектров альфа-частиц с энергией пучка 2.0 МэВ использовался программный комплекс SIMNRA [[58]], позволяющий проводить элементный послойный анализ мишени в случаях РОР и ЯОР с высокой точностью для энергий частиц до 4 МэВ. Схема анализа выглядит следующим образом: ввод параметров эксперимента, т. е. энергии пучка и угла рассеяния, параметры детектора (тип детектора, его геометрия, энергетическое разрешение), также имеется возможность выбора между различными базами данных по тормозным способностям, параметрам страглинга и учета следующих процессов: страглинга, двойного рассеяния и множественного рассеяния. Затем послойно задается состав моделируемого образца. После этого происходит сравнение моделированного спектра с экспериментальным, затем параметры моделирования изменяются до достижения наилучшего совпадения.

Были исследованы три образца МСР [Fe(18A)Mo(12A)Co(21A)]*100, [Fe(10A)Co(7.8A)Mo(18A)]*100 и [Fe(10A)Co(7.8A)Mo(18A)]*100 и один образец подложки из слюды без напыления металлов для калибровки. В ходе исследования было обнаружено, что в некоторых слоях внутри образцов содержание криптона составляет от 4 до 10 ат. %. Погрешность определения концентрации элементов не превышает 0.5%, разрешение по глубине составляет 0.05 мкм.

Рис2.2 Спектр РОР для образца МСР [Fe(18A)Mo(12A)Co(21A)]*100

Рис2.2 Спектр ЯОР для образца МСР[Fe(18A)Mo(12A)Co(21A)]*100

 

Исследовался образец МСР  [Fe(18A)Mo(12A)Co(21A)]*100. На рисунке 2.2 представлены экспериментальный и рассчитанный спектры ЯОР данного образца. На поверхности образца обнаружен слой в 350 ат/см, состоящий из смеси металлов Co, Mo и Fe, не содержащий криптон. Дифференцировать слои чистого металла при помощи метода ЯОР не представляется возможным в силу малой толщины напыления (~10 A). Состав слоев:

1)  Fe 40 ат. %, Co 45 ат.%, Mo 15 ат. %. Толщина 350 ат/см2.

2)  Fe 34 ат. %, Co 47 ат.%, Mo 12 ат. %, Kr 7 ат. %. Толщина 900 ат/см2.

3)  Fe 40 ат. %, Co 46 ат.%, Mo 14 ат. %. Толщина 350 ат/см2.

4)  Fe 33 ат. %, Co 47 ат.%, Mo 12 ат. %, Kr 8 ат. %. Толщина 200 ат/см2.

5)  Fe 30 ат. %, Co 32,5 ат. %, Mo 10 ат. %, K 1,5 ат. %, Al 3,5 ат. %, Si 3,5 ат. %, O 14 ат. %, H 5 ат. %. Толщина 800 ат/см2.

6)  K 4,9 ат. %, Al 14,3 ат. %, Si 14,3 ат. %, O 57 ат. %, H 9,5 ат. %. Толщина 20000 ат/см2.

Рис2.3 Спектр РОР для образца МСР [Fe(10A)Co(7.8A)Mo(18A)]*100

Состав слоев для образца МСР[Fe(10A)Co(7.8A)Mo(18A)]*100 оказался следующим:

1)  Fe 38 ат. %, Co 37 ат.%, Mo 25 ат. %. Толщина 530 ат/см2.

2)  Fe 39 ат. %, Co 30 ат.%, Mo 21 ат. %, Kr 10 ат. %. Толщина 300 ат/см2.

3)  Fe 19 ат. %, Co 15 ат. %, Mo 8 ат. %, K 5,5 ат. %, Al 6 ат. %, Si 7,5 ат. %, O 23 ат. %, H 16 ат. %. Толщина 600 ат/см2.

4)  Fe 15 ат. %, Co 12 ат. %, Mo 0 ат. %, K 5,5 ат. %, Al 14 ат. %, Si 12,5 ат. %, O 27 ат. %, H 14 ат. %. Толщина 400 ат/см2.

5)  K 4,9 ат. %, Al 14,3 ат. %, Si 14,3 ат. %, O 57 ат. %, H 9,5 ат. %. Толщина 20000 ат/см2.

Рис2.4 Спектр РОР для образца МСР [Fe(14A)Mo(12A)Co(21A)]*100

Состав слоев для образца МСР [Fe(14A)Mo(12A)Co(21A)]*100:

1)  Fe 44 ат. %, Co 40,5 ат.%, Mo 15,5 ат. %. Толщина 700 ат/см2.

2)  Fe 46 ат. %, Co 40 ат.%, Mo 10 ат. %, Kr 4 ат. %. Толщина 200 ат/см2.

3)  Fe 12 ат. %, Co 10 ат. %, Mo 5 ат. %, K 4,5 ат. %, Al 12,5 ат. %, Si 14 ат. %, O 33 ат. %, H 9ат. %. Толщина 350 ат/см2.

4)  K 4,9 ат. %, Al 14,3 ат. %, Si 14,3 ат. %, O 57 ат. %, H 9,5 ат. %. Толщина 20000 ат/см2.

Соединения переходных металлов с инертными газами исследуются достаточно давно. Считалось, что связь между чисто электростатическая, где - ион переходного металла, Ng-атом инертного газа. В работе [[59]] исследовались кластеры , с помощью масс спектрометрии было выявлено, что существуют магические числа с n=4 и 6. Данные соединения были теоретически ииследованы в работе [[60]], в которой было показано, что представляет планарную квадратную структуру. В работе [[61]] показано, что стабильность возрастает с увеличением n и с увеличением массы атома инертного газа. Последние исследования в этой области показали, что инертные газы могут выступать в качестве лигандов по отношению к металлическим ионам. В работе [[62]] была продемонстрирована возможность Xe образовывать химические связи с золотом. Такая возможность ранее была предсказана Pyykko [[63]]. В работе [[64]] с помощью теории функционала плотности были рассчитаны длины и энергии лигандных связей различных комплексных соединений металлов с инертными газами Ar, Kr, Xe. Рассчитанная энергия связи для соединения оказалась равной 58 ккалл/моль, что хорошо согласуется с экспериментальными значениями. Также были рассчитаны энергии связи и для других комплексов, например для энергия связи оказалась равной 78,5 ккалл/моль.

§2.3 Кристаллическая структура слюды (мусковит) .

Важную роль в формировании структуры напыляемых пленок играет сама структура подложки. Нами чаще всего в качестве таковой использовалась слюда (мусковит) , так как измерения спонтанной намагниченности одних и тех же образцов, напыленных на оптически полированное стекло, на ситал и на слюду, показали, что величина (на слюде)> (на стекле)> (на ситале). Кроме того, плоские участки слюды (террасы) имеют шерховатость порядка атомных размеров и поэтому часто используются в электронной микроскопии. Пленки, осажденные на слюду, имеют островковую структуру.

Слюда имеет сложную структуру и расщепляется на тончайшие слои, что обусловливается ее кристаллической структурой (рис.2.5), сложенной 3-слойными пакетами из 2 слоев кремне - и алюмокислородных тетраэдров, соединённых через слой, составленный из октаэдров, в центре которых расположены ионы Al, окруженные 4 ионами кислорода и 2 группами OH; 1/3 октаэдров не заполнена ионами Al. Пакеты соединены между собой ионами калия. Поверхность слюды наряду с атомами Si, Al, Cu содержит также окислы щелочных металлов: Na и К, что приводит к появлению значительного отрицательного заряда на поверхности свежерасщепленной слюды в вакууме с потенциалом относительно земли [[65]]. Отметим также, что поверхности кристаллической слюды практически химически инертны, однако бомбардировка ионами инертных газов с энергией Е<100эВ может приводить к разрыву связей между атомами на поверхности слюды, что делает ее химически активной [[66]]. Характерным для поверхности слюды является также наличие значительного количества структурных неоднородностей: выступов и террас.

Все эти факторы способствуют формированию в процессе напыления металлических кластерных ансамблей в виде островковых столбчатых структур и квазиодномерных нитей с низкими значениями координационных чисел.

Известно, что на первой стадии напыления металлических пленок на неметаллических поверхностях (в частности на слюде), они растут как трехмерные островки каплеобразной формы [[67]]. При больших толщинах пленок форма островков становится вытянутой и только при дальнейшем увеличении толщины после прохождения перколяционного предела, пленка становится сплошной с шерховатой поверхностью.

§2.4 Экспериментальная установка для синтеза образцов МСР.

Образцы пленок МСР Fe/Co/Mo были синтезированы на уникальной экспериментальной установке, созданной сотрудниками кафедры КОФиКС физического факультета МГУ под руководством проф. и ст. н. с. Смирницкой.

Синтез МСР ведется методом катодного распыления в разряде Пеннинга, при котором поток электронов осциллирует между двумя противоположно расположенными катодами-мишенями из распыляемых металлов. Схематически установка представлена на рис 2.6, а ее разрядная ячейка на рис. 2.7.

Поскольку характеристики сверхрешеток сильно изменяются в присутствии малейших следов активных газов, то для получения чистых сверхрешеток используется безмасляная откачка. На рисунке 2.3 приведена схема экспериментальной установки и ее высоковакуумной части. Предварительная откачка системы до р~10-3 Торр осуществлялась цеолитовым насосом 2 через краны 4, 6. Дальнейшая откачка производится магниторазрядным насосом НМД (1) до р~10-7 Торр. Разрядная ячейка монтируется в разборном стеклянном колпаке диаметром 100 мм (7), армированном металлическим фланцем; нижний фланец колпака имеет восемь изолированных керамикой выводов. Чтобы исключить прогрев магниторазрядного насоса после каждого вскрытия системы, он отделяется от колпака высоковакуумным краном (5). Предварительная откачка магниторазрядного насоса осуществляется цеолитовым насосом через кран (3). Рабочий газ подается в систему через натекаДля поддержания в колпаке постоянного рабочего вакуума в течение всего процесса напыления к системе присоединен дополнительный стеклянный магниторазрядный насос (8).

Разрядная ячейка (рис.2.7) имеет катоды-диски с секторами из поликристаллических Fe, Co и Mo для получения МСР Fe/Co/Mo. Также имеется цилиндрический анод из нержавеющей стали с продольными окнами. Система находится в постоянном магнитном поле, создаваемом соленоидом и направленном вдоль его оси. Расстояние между катодами-мишенями составляет 4 см. Длина и диаметр анодов равны 3 см и 2.7 см соответственно.

Особая конфигурация электрического и продольного магнитного полей (небольшой угол между направлениями и ) обеспечивает горение разряда при сколь угодно низком давлении ~ торр. При напылении пленок в исходное давление остаточных газов составляет (~ торр), а разряд происходит при более низком давлении инертного рабочего газа (~ торр ), чем при получении пленок методом магнетронного распыления. Экспериментальное и теоретическое изучение механизма разряда было проведено ранее в лаборатории и [[68],[69],[70]].. Опыты показали, что при р<10-4 торр на анод идут направленные потоки электронов с энергией от нескольких эВ до нескольких сот эВ. Непрерывная бомбардировка пленок и подложки в процессе напыления электронами из разряда также способствует очистке пленок и позволяет получать более чистые пленки с лучшей адгезией к подложке. При подаче на подложку отрицательного смещения, пленки в процессе напыления могут подвергаться бомбардировке ионами из разряда. Тем самым возможно управляемое воздействие ионов на формирование и структуру пленок. Вращая секционированный катод и подводя под ионный пучок анода как отдельные металлы, так и различные металлы с разными соотношениями площадей отдельных компонент, можно получать как однокомпонентные, так и многокомпонентные и многослойные пленки различных составов. Бомбардировка катодов ионами, образовавшимися в разрядном пространстве в результате ионизации осциллирующими электронами с энергией в несколько сот эВ, позволяет распылять любой тугоплавкий металл, а также и полупроводники. Распыление атомов катода подчиняется закону косинуса, распыленный металл летит на анод и противоположный катод. Если за окнами, вырезанными в аноде, поместить подложки, то распыленный материал будет осаждаться на них. Напыление с двух противоположно расположенных катодов обеспечивает равномерное распределение материала по поверхности подложки.

Напыление пленок при низком рабочем давлении инертного газа позволяет получить достаточно низкие скорости нанесения металлов (~Å/мин) и создает возможность напыления сверхрешеток с малыми толщинами. При напылении сверхрешеток на подложки, расположенные параллельно поверхности анода, внешнее магнитное поле ориентировано параллельно осаждаемым слоям пленки.

Для предохранения подложек от загрязнения при обезгаживании катодов ионной бомбардировкой анод состоит из двух вращающихся относительно друг друга цилиндров с прорезями. Поворот внутреннего анодного цилиндра извне с помощью постоянного магнита позволяет открывать подложки в нужный момент. Осевое постоянное магнитное поле напряженностью до 1000 Э создается катушкой.

Перед напылением система и катоды обезгаживаются в течение нескольких дней и давление остаточных газов составляет ~торр. Образцы получались распылением в атмосфере Кr с рабочим давлением ~1х10-5 торр во внешнем магнитном поле 330 Э и анодных напряжениях =2 кВ. Данные параметры соответствуют плазменному режиму разряда. Для определения скорости напыления каждого металла предварительно были получены однокомпонентные пленки большой толщины (в интервале Å), нанесенные на стеклянные подложки со стеклянными нитями.

Толщина пленок измерялась микроинтерферометром МИИ-5, и по ней, а также известному времени напыления и току разряда рассчитывались скорости напыления =13.5 (Å /мин), =20,45 (Å /мин ), =7,8 (Å /мин ).

Cкорость напыления на единицу разрядного тока в пределах ошибки измерений остается постоянной для данного режима разряда и материала катода. Это позволяет, изменяя ток разряда и время распыления, управлять толщиной нанесенных пленок. Для получения сверхрешеток с чередующимися слоями Fe, Co и Mo во время напыления катоды-мишени поворачивались извне специально сконструированным мотором, при включении которого система катодов поворачивается и останавливается в соответствующем положении на время напыления данного материала катода.

Напыление сверхрешеток Fe/Co/Mo проводилось с симметрично расположенных катодов в магнитном поле H = 320Э при анодном напряжении Va = 2 кВ. Был произведен синтез следующих серий образцов:

1.  С переменной толщиной слоев Мо.[Fe(10Å)Co(7,8Å)Mo(xÅ)]x100, x=4.7,6.8,10,12,14,16,18,20,23,26

2.  С переменной толщиной слоев Со [Fe(10Å)Co(xÅ)Mo(12Å)]x100, x=4,6,10,12,14,16,18,21,24,27,30,33,36

3.  С переменной толщиной слоев Fe [Fe(xÅ)Co(21Å)Mo(12Å)]x100, x=4,6,8,10,12,14,16,18,21,24

4.  С переменной толщиной слоев Fe и изменением порядка напыления слоев [Fe(xÅ)Mo(12Å)Co(21Å)]*100, x=12,14,16,18,21

5.  С переменной толщиной слоев Fe и изменением первого напыляемого слоя [Mo(12Å)Co(21Å)Fe(xÅ)]*100, x=4,6,8,10,12,14,16,18,24

Первая серия - с постоянной толщиной слоев Fe и Co и переменной толщиной слоёв Mo, вторая - с постоянной толщиной слоев Fe и Mo и переменной толщиной слоёв Co. В третьей, четвертой и пятой сериях постоянной остается толщина слоев Mo и Co и изменяется толщина слоёв Fe. Последние серии отличаются порядком напыления с катодов и первым напыляемым слоем.

При напылении образцов различных серий были синтезированы два образца одинакового состава [Fe(10Å)Co(21Å)Mo(12Å)]*100 , были проведены магнитные измерения данных образцов (рис.2.8), которые показали, что значения спонтанной намагниченности отличаются не более чем на 2%. Это говорит о хорошей повторяемости свойств образцов, получаемых данным методом.

§2.5 Вибрационный магнетометр

Для измерений основных магнитных характеристик МСР Fe/Co/Mo использовался разработанный, сконструированный и налаженный в лаборатории сверхтонких взаимодействий уникальный вибрационно-магнитометрический комплекс, позволяющий проводить измерения с точностью до 2·10–7 эме в постоянных магнитных полях до ±15 кЭ, а также проводить измерения температурных зависимостей намагниченности в постоянном поле в интервалах низких (77–300 К) и высоких (300–1 100 К) температур. Калибровка магнитометра проводилась по отожженным пластинкам никеля той же формы, что и исследуемые образцы МСР Fe/Co/Mo, и точно известного объема.