Известия РАН. Серия физическая, 2020, T. 84, № 9, стр. 1255-1257

Исследования магнитных нанокомпозитных материалов ведутся уже несколько десятилетий [1–4], но до сих пор многие их свойства еще недостаточно изучены. Это обстоятельство связано со сложной структурой таких материалов и большим разнообразием их неоднородных структур, в зависимости от состава [5–7]. Наноструктурированные композитные пленки также обладают такими необычными свойствами, как гигантское магнетосопротивление, аномальный эффект Холла и др. [3–9]. Особое место занимает углерод в качестве одной из фаз пленок, который может значительно изменять как проводящие, так и релаксационные свойства композитов. Это обстоятельство хотя и усложняет, но в тоже время и обогащает исследование СВЧ магнитных характеристик пленок.

Работа посвящена выявлению особенностей магнитных свойств композитных пленок (металл-диэлектрик) с составами: {(Co_0.44Fe_0.36B_0.2)_x + + (SiO₂)_{(1– x)/3}}, 0.22 < x < 0.62; и (металл–углерод) {(Co_0.2Fe_0.2B_0.6)_x + (C)_(1 – x)}, 0.28 < x < 0.57. Проводится сравнение СВЧ магнитных свойств пленок и выяснение влияния углерода как дополнительной фазы пленок на эти свойства.

Напыление пленок осуществлялось на стеклянные подложки методом ионной бомбардировки мишеней металлических сплавов Co₄₁Fe₃₉B₂₀ и навесок из диэлектрика SiO₂ для металл–диэлектрических пленок, и из пластин углерода для металл-углеродных пленок. Толщина и состав пленок определялись с помощью сканирующего электронного микроскопа Tescan Mira 3. Толщины композитных пленок составляли: металл–диэлектрик – 0.20–0.40 мкм и металл–углерод – 0.05–0.20 мкм. Характеристики (полуширина линии и резонансные поля) ферромагнитного резонанса (ФМР) пленок определялись с помощью радиоспектрометра РЭ-1306 на частоте поля f = = 9.36 ГГц при комнатной температуре. Внешнее магнитное поле было направлено касательно к плоскости пленки. Переменное магнитное поле было направлено параллельно плоскости пленки и перпендикулярно постоянному полю.

На рис. 1 показаны спектры производной поглощаемой мощности P композитных пленок двух серий. Как известно, спектры производных dP/dH одного пика поглощения (линии ФМР гауссовой формы) состоят из максимума и минимума. Для пленок металл–диэлектрик {(Co_0.44Fe_0.36B_0.2)_x + + (SiO₂)_{(1 – x)/3}} наблюдается один пик поглощения сигнала в области ФМР. Для пленок металл–углерод {(Co_0.2Fe_0.2B_0.6)_x + (C)_(1 – x)} наблюдаются два пика поглощения сигнала в области ФМР при средних концентрациях металла (0.34 < x < 0.54). Такое поведение сигнала ФМР для пленок с углеродом может быть связано с наличием более одной магнитной фазы разной намагниченности насыщения из-за разных составов, например, CoFe, CoFeB, CoFeC. Значительное уменьшение ширины линии ФМР пленок с углеродом также может быть обусловлено формированием более крупных магнитных областей по сравнению с металл-диэлектрическими пленками.

Рис. 1.

Спектры производной поглощаемой мощности P композитных пленок двух серий: {(Co_0.44Fe_0.36B_0.2)_x + + (SiO₂)_{(1 – x)/3}} (а) и {(Fe_0.2Co_0.2B_0.6)_x + (С)_(1 – x)} (б), где x равно: 1 – 0.53, 2 – 0.50, 3 – 0.42, 4 – 0.35, 5 – 0.23, 6 – 0.54, 7 – 0.47, 8 – 0.41, 9 – 0.34, 10 – 0.28.

На рис. 2а показаны зависимости резонансных полей H_рез от x для пленок с диэлектриком и для двух сигналов ФМР пленок с углеродом. Для композитных пленок с диэлектриком наблюдается максимальное значение резонансного поля. Для пленок с углеродом для двух зависимостей H_рез(x), резонансное поле монотонно убывает с ростом x, что соответствует увеличению его однородности внутри каждой магнитной области и дальнейшему увеличение их размеров.

Рис. 2.

Зависимости резонансного поля H_рез (а) и ширины линии ФМР ∆H (б) от x: сплошная линия – {(Co_0.44Fe_0.36B_0.2)_x + (SiO₂)_{(1 – x)/3}}; пунктир и точки – первый и второй пик поглощения сигнала ФМР пленок {(Fe_0.2Co_0.2B_0.6)_x + (С)_(1 – x)}_.

На рис. 2б показаны зависимости ширины линии ФМР ΔH от x для композитных пленок с диэлектриком и с углеродом. Для металл-диэлектрических пленок магнитный момент наногранул (при малой концентрации металлического сплава x < 0.4) увеличивается с ростом x из-за увеличения их объемов, а расстояние между гранулами уменьшается, что приводит к начальному росту и максимуму на зависимости ΔH(x). При больших x (х > 0.5 для металл-диэлектрических пленок и x > 0.4 для металл-углеродных пленок) H_рез и ΔH монотонно убывают с ростом x, что соответствует увеличению однородности поля внутри каждой гранулы и возникновению отдельных областей с близко расположенными гранулами и их слиянию. Малые величины ΔH и H_рез для композитных пленок с углеродом по сравнению с металл-диэлектрическими пленками связаны, скорее всего, с малой намагниченностью насыщения магнитных областей и их большими размерами.

На рис. 3 показана зависимость отношения интенсивностей двух мод поглощения I от x для пленок с углеродом. Отношение интенсивностей сигналов поглощения в области ФМР может быть связано с объемным соотношением двух магнитных фаз в композитных пленках с углеродом. Одна из фаз в пленках с углеродом может совпадать с магнитной фазой, наблюдаемой в пленках с диэлектриком при стремлении x → 1. Вторая фаза может быть связана с образованным углеродом химическим соединением, и должна уменьшаться при стремлении x → 1. Зависимость коррелирует с отношением объемов двух магнитных фаз за счет уменьшения углерода с ростом x.

Рис. 3.

Зависимость отношения интенсивностей I двух мод поглощения от x для пленок {(Fe_0.2Co_0.2B_0.6)_x + (С)_{(1 –x)}}.

В работе обнаружено принципиальное отличие магнитных спектров ФМР двух серий композитных пленок: магнитный сплав–диэлектрик {(Co_0.44Fe_0.36B_0.2)_x + (SiO₂)_{(1 – x)/3}} и металл–углерод {(Co_0.2Fe_0.2B_0.6)_x + (C)_(1 – x)}. У пленок с добавлением углерода обнаружены две магнитные фазы разного состава и структуры методом ФМР. Получены магниторезонансные характеристики исследованных композитных пленок.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект № 17-57-150001).