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

Полный текст (PDF)

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 [15]. 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. [13]. 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. [49]. 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.

Толщины и составы композитных пленок (CoFeB + SiO2)

№ 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.

Рис. 1.

Распределение плотности высот точек поверхности пленки, полученные из изображений рельефа поверхности пленок при x = 0.23 (черные круглые точки) и x = 0.50 (светлые треугольники).

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.

Рис. 2.

Наложение границ топографических возвышенностей (выделенные области) на изображение магнитного фазового контраста для концентраций металлической фазы x: 0.35 (а) и 0.53 (б).

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 [1012]. 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

(1)
$\Delta {{H}_{{por}}} = 8\pi {{M}_{s}}\left( {\frac{\lambda }{{1 + \lambda }}} \right),$
где ${{M}_{s}}$ – намагниченность насыщения металлического сплава при температуре измерений (в нашем случае при комнатной температуре), ${{\lambda }}$ – пористость композитной пленки, представляемая как отношение
(2)
${{\lambda }} = \frac{{{{V}_{d}}}}{{{{V}_{d}} + {{V}_{m}}}},$
где ${{V}_{d}}$ – объем диэлектрика, ${{V}_{m}}~$ – объем металла в пленке.

Рис. 3.

Концентрационные зависимости резонансного поля (a) и ширины (б) резонансной линии ФМР (сплошная линия – эксперимент, штриховая – расчет).

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

(3)
${{\omega }_{0}} = \gamma \sqrt {{{H}_{{res}}}\left( {{{H}_{{res}}} + 4\pi {{M}_{s}}} \right)~} ,$
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 {(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

  1. Sarychev A., Shalaev V. Electrodynamics of metamaterials. World Scientific Publ. Co. Pte. Ltd. 2007. 260 p.

  2. 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.

  3. Drovosekov A.B., Kreines N.M., Barkalova A.S. et al. // J. Magn. Magn. Mater. 2020. V. 495. Art. No. 165875.

  4. Kotov L.N., Vlasov V.S., Ustyugov V.A. et al. // IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. 2017. V. 175. Art. No. 012021.

  5. Kotov L. N., Vlasov V. S., Turkov V. K. et al. // J. Nanosci. Nanotech. 2012. V. 12. No. 2. P. 1696.

  6. 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.

  7. 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.

  8. Котов Л.Н., Устюгов В.А., Асадуллин Ф.Ф. и др. // Вест. Челяб. гос. универ. Физ. 2013. № 8. С. 23.

  9. 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.

  10. García-Otero J., Porto M., Rivas J. et al. // Phys. Rev. Lett. 2000. V. 84. No. 1. P. 167.

  11. Buffler C.R. // J. Appl. Phys. 1959. V. 30. No. 4. Art. No. 172S.

  12. Гуревич А.Г. Магнитный резонанс в ферритах и антиферромагнетиках. М.: Наука, 1973. 592 с.

Дополнительные материалы отсутствуют.