ВВЕДЕНИЕ

Материаловедение композиционных наноструктурных материалов является сегодня активно развивающейся областью. Экспериментальные исследования и моделирование структурных параметров, химического состава композитных пленок, поиск связи материальных параметров (толщина пленок, размер гранул) с магнитными и электрическими свойствами, позволят в будущем оптимизировать процессы промышленного синтеза подобных материалов для конкретных практических применений [1–5]. Интерес к синтезу и изучению композитных наноструктурированных пленок вызван наличием у таких структур ряда необычных свойств, таких как сильный магнитооптический отклик, гигантское магнитосопротивление, туннельный аномальный эффект Холла и др. [1–3]. Ферромагнитный резонанс (ФМР) является эффективным методом для изучения микро- и наноструктуры и магнитных свойств пленок. По характеристикам спектров ФМР можно получать важную информацию об эффективных полях, форме и распределении зерен, константе обменной связи и т.д. [4–9]. В настоящей работе были исследованы структурные, магнитные и ФМР характеристики металл-диэлектрических композитных пленок (CoFeB + SiO₂).

МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Напыление пленок осуществлялось методом ионной бомбардировки мишеней, состоящих из металлических сплавов ${\text{C}}{{{\text{o}}}_{{0.44}}}{\text{F}}{{{\text{e}}}_{{0.36}}}{{{\text{B}}}_{{0.2}}}$ и диэлектрика SiO₂ на стеклянную пластину с размерами 48 мм на 64 мм [4]. После напыления каждая пластина разрезалась на 10 образцов шириной 10 мм и длиной 24 мм. Из них отрезались маленькие части 5 × 3 мм² для исследования пленок методом ФМР, и 2 × 2 мм² для исследований поверхности пленок методом магнито-силовой микроскопии. Элементный состав пленок определялся с помощью сканирующего электронного микроскопа Tescan Mira-3 на основе электронно-зондового рентгеновского микроанализа с применением энергодисперсионного детектора. Приближенную формулу составов композитных пленок можно записать следующим образом {(Co_0.44Fe_0.36B_0.2)_x + (SiO₂)_y}, y = (1 – x)/3, 0.22 < x < < 0.62, x + y = 1. Точный элементный состав 10 образцов (пленок на стеклянной подложке) приведен в табл. 1. Погрешность определения атомных долей составляла для Co, Fe – 0.02, B – 0.03. Если сравнить содержание ионов Fe, Co, B в мишенях и в полученных пленках, то можно видеть (табл. 1), что их относительна концентрация не одинакова и зависит от номера образца. Толщины композитных пленок определялись по электронным фотографиям торца пленок и стеклянной подложки с помощью электронного микроскопа и составляли от 0.2 до 0.41 мкм (табл. 1). Малые толщины пленок с края стеклянной пластины, равные 0.2 и 0.31 мкм для образцов № 1 и № 10, соответственно, обусловлены методикой напыления пленок. Отметим, что противоположный край (образец 10) содержит металлический сплав с концентрацией, превышающей порог перколяции, что приводит к уменьшению пористости пленки и ее толщины.

Изображение рельефа и магнитного фазового контраста поверхности пленок осуществлялось с помощью атомно-силового микроскопа Интегра Prima (NT-MDT, Россия) с кантилевером MFM10 [9]. Кремниевый зонд был покрыт магнитным сплавом CoCr, толщиной 30 нм. Радиус закругления кончика зонда составлял 40 нм. Частота колебаний внешней силы, действующей на кантилевер с зондом, составляла 47–90 кГц. В микроскопе регистрировалась разность фаз $\Delta \varphi ,$ которая изменялась в зависимости от силы магнитного взаимодействия зонда с поверхностью пленок. Притяжение и отталкивание зонда к участку поверхности, соответствовало разным знакам $\Delta \varphi .$ Полученная зависимость $\Delta \varphi $ от координат поверхности пленок преобразовывалась в изображение рельефа или магнитного фазового контраста, отображающем размеры и форму областей с постоянным сдвигом фаз.

СВЧ магнитные резонансные характеристики композитных пленок определялись на основе снятых резонансных линий на радиоспектрометре РЭ 1306 [4, 6]. Во время снятия резонансных линий, постоянное магнитное поле и переменное поле с частотой 9.4 ГГц, лежали в плоскости пленки и были взаимно перпендикулярно между собой. Все исследования проводились при комнатной температуре.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Для анализа топографической структуры поверхности пленок были построены распределения средних плотностей точек с различными высотами участков (далее точек) пленок относительно базового уровня (самой низкой точкой на изображении атомно-силовой микроскопии). Из полученных графиков распределения высот участков (или областей) поверхности пленок (рис. 1) видно, что при низкой концентрации металлического сплава x = 0.35 (образец № 3) атомной доли, поверхность пленки характеризуется более компактным характером. Максимальный перепад высот участков поверхности пленки не превышал 25 нм, при этом наибольшую плотность имели участки с высотой около 10 нм. Такая степень однородности поверхности может свидетельствовать о существовании диэлектрической матрицы, в которую вкраплены небольшие металлические гранулы. Как видно из графика зависимостей плотности распределения высот точек пленок, показанных на рис. 1, при большой концентрации металлического сплава x = 0.53 (образец № 10), наблюдаются более широкое и плавное распределение точек по высотам, что может быть связано со слиянием металлических наночастиц в крупные образования, возникающее при напылении пленок. Из приведенной табл. 1 видно, что содержание компоненты металлического сплава кобальта и концентрация металлического сплава x с ростом номера пленки растет до пленки № 8, а затем падает. Максимальное содержании кобальта составляет 31% для пленки № 8, и дальнейшее его уменьшение, возможно связано с началом формирования металлической матрицы в пленке. Для элементов кремния и кислорода диэлектрической матрицы ситуация обратная: минимальное содержание Si – 26.08% и O – 26.08% наблюдается для той же пленки № 8, а для пленок № 9 начинает расти. Уменьшение содержания элементов Si, O начиная с пленки № 1, и их рост c пленки № 9, скорее всего обусловлено применяемой методикой напыления.

Сопоставление изображений рельефа поверхности пленок и магнитного фазового контраста показывает (рис. 2), что топографические возвышенности хорошо ассоциируются с намагниченным веществом, т.е. магнитными металлическими гранулами. Из приведенных изображений можно видеть, что при низкой концентрации металла x самые крупные гранулы характеризуются большим размером 0.4–0.5 мкм, а частицы на поверхности пленки имеют достаточно высокий разброс высот возвышенностей по размерам. Сопоставляя размер гранул с толщиной пленки, приведенной в табл. 1, можно сделать предположение о том, что гранулы металлической фазы при данной концентрации имеют форму, близкую к слабо вытянутому эллипсоиду или форму нескольких контактирующих эллипсоидов. На изображении магнитного фазового контраста, показанного на рис. 2б, для пленок с большой концентрацией металлического сплава x = 0.61 появляются более крупные образования, размером 1 мкм и более, при меньшей толщине пленки d = 0.382 мкм (табл. 1), что позволяет при моделировании описывать такие гранулы как сильно сплюснутые эллипсоиды.

Магнитная структура пленок с обеими концентрациями характеризуется тем, что магнитное поле сосредоточено в основном в гранулах, причем в пленках не возникает четко выявляемой доменной структуры, что позволяет при моделировании описывать гранулы в составе пленки как суперпарамагнитные. Отсутствие доменной структуры можно связать с высоким градиентом концентрации металлического сплава x по ширине пленки, который создает существенную неоднородность материальной и магнитной структуры пленки.

На рис. 3 приведены графики зависимостей резонансного поля (а) и ширины линии ФМР для 10 композитных пленок (б). Из рис. 3 можно видеть, что при увеличении концентрации металлического сплава x, значение резонансного поля уменьшается, что может быть связано с изменением среднего размагничивающего фактора металлических гранул, форма которых изменяется от слабо вытянутой к сильно сплюснутой. Увеличение ширины линии ферромагнитного резонанса при малых x < 0.42 (т.е. до порога перколяции) связано с увеличением дисперсии случайного распределения гранул по объему пленки и с увеличением разброса гранул по размерам и ориентациям, что приводит к наличию случайных локальных размагничивающих полей [10–12]. Увеличение атомной доли металлической фазы, начиная с x = 0.41 приводит к частичной регуляризации структуры за счет образования крупных агрегатов, путем слияния мелких гранул (или частиц), что снижает вклад в ширину линии ФМР случайных полей размагничивания. Для теоретической оценки вклада случайной гранулярной структуры в ширину резонансной линии воспользуемся базовой моделью, учитывающую данный фактор [11]. Характерный вклад в ширину линии ФМР можно рассчитать по формуле

где ${{M}_{s}}$ – намагниченность насыщения металлического сплава при температуре измерений (в нашем случае при комнатной температуре), ${{\lambda }}$ – пористость композитной пленки, представляемая как отношение где ${{V}_{d}}$ – объем диэлектрика, ${{V}_{m}}~$ – объем металла в пленке.

Намагниченность однородных образцов можно оценить исходя из положения резонансной линии по формуле Кителя [12]:

где ${{\gamma }}$ – гиромагнитное отношение для электрона. Результат оценки намагниченности насыщения ${{M}_{s}}$ при комнатной температуре металлических гранул в рамках данной модели представлен на рис. 3б. Можно видеть, что данные модели достаточно хорошо согласуются с экспериментальными результатами для пленок с доперколляционной структурой x < 0.42, что говорит о возможности описания данных композитных пленок, как ансамблей независимых частиц эллипсоидальной формы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Определены толщины и концентрации элементов 10 композитных пленок составов {(Co_0.44Fe_0.36B_0.2)_x + (SiO₂)_{(1 –x)/3}}, $0.23 \leqslant x \leqslant 0.61.$ Были получены изображения рельефа и магнитно-фазового контраста пленок с разной концентрацией металлической сплава и диэлектрика. Во время проводимых экспериментов, были сняты резонансные линии в зависимости от постоянного магнитного поля на радиоспектрометре РЭ 1306 и на их основе получены графики зависимостей резонансного поля и ширины линии ферромагнитного резонанса (ФМР) от концентрации металлического сплава x. Было выявлено, что композитные пленки (FeCoB + SiO₂) при низкой концентрации металлического сплава x < 0.3, имеют малый разброс по высотам возвышенностей поверхности пленки, а при больших x > 0.53 наблюдается их больший разброс при плавном распределении плотности. То есть при низкой концентрации металлического сплава x < 0.35 поверхность пленки более гладкая и характеризуется небольшим разбросом по высотам участков пленки, что свидетельствует о формировании диэлектрической матрицы, в которую вкраплены небольшие металлические гранулы. Напротив, когда концентрация металлического сплава выше порога перколяции (x > 0.5), наблюдается более широкое и плавное распределение участков (точек) по высотам. На концентрационной зависимости ширины линии ФМР наблюдается максимум при x = 0.45, который связан с перколляционной структурой, возникающей за счет слияния малых гранул в большие области, во время напыления пленок (CoFeB + SiO₂).

Показано, что форма гранул для композитных пленок с высоким градиентом концентрации металлического сплава в интервале x = 0.45–0.61 с увеличением концентрации металла, изменяется от слабо вытянутой к сплюснутой эллипсоидальной форме гранул (или областей). Расчет ширины линии ферромагнитного резонанса был выполнен на основе формулы, учитывающей пористость композитной пленки. Получено хорошее согласие расчетных и экспериментальных результатов характеристик ФМР для композитных пленок с x = 0.23–0.41, которые характеризуются доперколляционной структурой.

Исследование выполнено за счет финансовой поддержки Российского научного фонда (проект № 21-72-20048).