Известия РАН. Серия физическая, 2023, T. 87, № 3, стр. 441-445
Структура и ФМР характеристки магнитных композитных пленок (CoFeB + SiO2)
Л. Н. Котов 1, *, В. А. Устюгов 1, В. С. Власов 1, А. А. Уткин 1, Ю. Е. Калинин 2, А. В. Ситников 2
1 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
“Сыктывкарский государственный университет”
Сыктывкар, Россия
2 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
“Воронежский государственный технический университет”
Воронеж, Россия
* E-mail: kotovln@mail.ru
Поступила в редакцию 28.09.2022
После доработки 27.10.2022
Принята к публикации 25.11.2022
- EDN: HHYQNL
- DOI: 10.31857/S0367676522700776
Аннотация
Выявлено, что композитные пленки (CoFeB + SiO2) при низкой концентрации металлического сплава x < 0.35 имеют малый разброс возвышенностей поверхности пленки, а при больших x > 0.53 наблюдается больший разброс, но плавное их распределение. На концентрационной зависимости ширины линии ФМР наблюдается максимум при x = 0.45, который связан с перколляционной структурой в пленках.
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 {(Co0.44Fe0.36B0.2)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.
Таблица 1.
№ образца | Толщина, нм | Co, ат. % | Fe, ат. % | B, ат. % | Si, ат. % | O, ат. % | x |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 211 | 9.62 | 9.12 | 464 | 25.54 | 51.08 | 0.23 |
2 | 278 | 12.78 | 11.38 | 6.04 | 23.31 | 46.49 | 0.30 |
3 | 367 | 15.33 | 12.62 | 6.96 | 21.70 | 43.40 | 0.35 |
4 | 410 | 18.00 | 14.63 | 8.21 | 19.68 | 39.47 | 0.41 |
5 | 409 | 18.60 | 15.03 | 8.41 | 19.29 | 38.67 | 0.42 |
6 | 366 | 20.67 | 16.75 | 9.40 | 17.73 | 35.46 | 0.47 |
7 | 392 | 22.09 | 18.16 | 10.09 | 16.52 | 33.14 | 0.50 |
8 | 382 | 31.00 | 17.69 | 12.15 | 13.08 | 26.08 | 0.61 |
9 | 380 | 23.22 | 19.20 | 10.63 | 15.69 | 31.27 | 0.53 |
10 | 307 | 23.03 | 18.67 | 10.37 | 15.98 | 31.95 | 0.52 |
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]:
(3)
${{\omega }_{0}} = \gamma \sqrt {{{H}_{{res}}}\left( {{{H}_{{res}}} + 4\pi {{M}_{s}}} \right)~} ,$ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Определены толщины и концентрации элементов 10 композитных пленок составов {(Co0.44Fe0.36B0.2)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).
Список литературы
Sarychev A., Shalaev V. Electrodynamics of metamaterials. World Scientific Publ. Co. Pte. Ltd. 2007. 260 p.
Рыльков В.В., Николаев С.Н., Демин В.А. и др. // ЖЭТФ. 2018. Т. 153. № 3. С. 424; Rylkov V.V., Nikolaev S.N., Demin V.A. et al. // J. Exp. Theor. Phys. 2018. V. 126. No. 3. P. 353.
Drovosekov A.B., Kreines N.M., Barkalova A.S. et al. // J. Magn. Magn. Mater. 2020. V. 495. Art. No. 165875.
Kotov L.N., Vlasov V.S., Ustyugov V.A. et al. // IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. 2017. V. 175. Art. No. 012021.
Kotov L. N., Vlasov V. S., Turkov V. K. et al. // J. Nanosci. Nanotech. 2012. V. 12. No. 2. P. 1696.
Котов Л.Н., Ласек М.П., Турков В.К. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2020. Т. 84. № 9. С. 1255; Kotov L.N., Lasek M.P., Turkov V.K. et al. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2020. V. 84. No. 9. P. 1065.
Турков В.К., Власов В.С., Котов Л.Н. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2013. Т. 77. № 10. С. 1414; Turkov V.K., Vlasov V.S., Kotov L.N. et al. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2013. V. 77. No. 10. P. 1223.
Котов Л.Н., Устюгов В.А., Асадуллин Ф.Ф. и др. // Вест. Челяб. гос. универ. Физ. 2013. № 8. С. 23.
Котов Л.Н., Ласек М.П., Власов В.С. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2022. Т. 86. № 5. С. 701; Kotov L.N., Lasek M.P., Vlasov V.S. et al. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2022. V. 86. No. 5. P. 588.
García-Otero J., Porto M., Rivas J. et al. // Phys. Rev. Lett. 2000. V. 84. No. 1. P. 167.
Buffler C.R. // J. Appl. Phys. 1959. V. 30. No. 4. Art. No. 172S.
Гуревич А.Г. Магнитный резонанс в ферритах и антиферромагнетиках. М.: Наука, 1973. 592 с.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Известия РАН. Серия физическая