Магнитные, проводящие и магнитопроводящие свойства композитных плёнок (CoFeB+SiO2+N2)в интервале температур 2-400 К и магнитных полей 0, 1 и 5 Тл

Наногранулированные композитные плёнки металл-диэлектрик - это гетерогенные материалы, в которых металлические и диэлектрические гранулы нанометровых размеров (2–100 нм) хаотически распределены в объёме плёнки. Наноразмерное фрагментирование существенно разнородных по своим электрическим свойствам фаз, обуславливает уникальные квантовые свойства нанокомпозитов [1–4]. К этим свойствам можно отнести гигантское магнитосопротивление, аномальный эффект Холла, аномально высокие значения эффекта Керра, высокие значения коэффициента поглощения СВЧ-излучения. Перспективными материалами для СВЧ магнитоэлектроники также являются композитные метал-диэлектрические плёнки, сопротивление которых может сильно изменяться под действием постоянных, переменных и импульсных магнитных полей [5]. Интерес для исследований представляют собой электрические и магнитные свойства композитных плёнок, а также изменения этих свойств при действии на них магнитного поля [5– 7]. Наногранулированные магнитные композитные пленки типа металл-диэлектрик обладают как положительной проводимостью, так и отрицательной магнитной проводимостью [6]. Выполнено множественно исследований по магнитосопротивлению композитных плёнок, но до сих пор не-

Физика

ясно, какие механизмы отвечают за положительную и отрицательную магнитную проводимость в композитных плёнках, и как добиться гигантских значений отрицательного магнитосопротивления. C целью выявления механизма магнитосопротивления композитных плёнок были проведены исследования проводящих, магнитных и магнито-проводящих свойств композитных плёнок (CoFeB+SiO2+N2) в широком интервале температур 2–400 К при намагничивании плёнок постоянным магнитным полем с индукцией 1 и 5 Tл.

Составы, характеристики и структура плёнок

Композитные плёнки были получены в Воронежском государственном техническом университете [4]. Напыление плёнок осуществлялось на лавсановый лист формата А4 площадью 297×210 мм² методом ионной бомбардировки мишеней в виде пластин из металлических сплавов Co 41 Fe 39 B 20 и диэлектрика SiO 2 [5]. Плёнки получались в атмосфере аргона и азота, а мишени бомбардировались в основном более лёгкими ионами аргона. Полёт выбитых из мишеней металлических и диэлектрических частиц в атмосфере азота приводил к тому, что поверхность частиц покрывалась шубой из молекул азота. Это приводило к созданию композитных плёнок с гранулированной структурой даже за областью перколяции (протекания металла). Содержание атомов азота в элементном составе плёнок составляло от 7,3 до 8,9 ат. %. Толщины и состав образцов определялись с помощью сканирующего электронного микроскопа TESCAN MIRA3 и приведены в таблице, где использованы обозначения: d – толщина плёнки, ∆ d – погрешность измерения толщины плёнки, x – концентрация металлического сплава CoFeB, p – пористость плёнок. Концентрация металлического сплава x и атомных элементов приведена в атомных долях.

Толщины, пористость и составы плёнок (CoFeB+SiO 2 +N 2 )

Номер плёнки	d, мкм	∆d, нм	x	P	B	Co	Fe	N	O	Si
1	1,22	36	0,46	0,41	0,02	0,25	0,19	0,07	0,39	0,09
3	1,53	22	0,51	0,31	0,03	0,27	0,21	0,08	0,33	0,094
5	1,55	36	0,52	0,31	0,06	0,26	0,20	0,08	0,33	0,097
7	1,85	30	0,42	0,45	0,04	0,21	0,17	0,08	0,38	0,012
9	2,15	52	0,35	0,53	0,03	0,18	0,14	0,08	0,43	0,014
10	1,51	36	0,33	0,55	0,02	0,19	0,14	0,09	0,44	0,015

При подготовке плёнок для исследования лавсановый лист с напылённым слоем композита (CoFeB+SiO 2 +N 2 ) разрезался на 11 полосок, толщиной по 2,7 см. Каждая полоска характеризовались определённой концентрацией металлического сплава x (см. таблицу). Для измерения магнитной восприимчивости и электрического сопротивления с каждой полоски вырезался кусочек плёнки на лавсановой подложке с размерами 6 мм на 4 мм. Изображения магнитного фазового контраста поверхности плёнок проводилось с помощью атомно-силового микроскопа Интегра Prima (NT-MDT, Россия) с кантилевером MFM10. Силиконовый зонд был покрыт магнитным сплавом CoCr толщиной 40 нм. Радиус закругления кончика зонда составлял 20 нм. Частота колебаний внешней силы, действующей на кантилевер с зондом, подбиралась в диапазоне частот 47÷90 кГц. В микроскопе регистрировалась разность фаз Δ φ , которая изменялась в зависимости от силы магнитного взаимодействия зонда с поверхностью пленок. Притяжение и отталкивание зонда к участку поверхности магнитной плёнки соответствовало разным знакам Δ φ . Полученная зависимость Δ φ от координат поверхности плёнок преобразовывалась в изображение магнитного фазового контраста, отображающее размеры и форму магнитных однородных областей с постоянным сдвигом фаз (рис. 1).

Методика и техника эксперимента

Все измерения магнитной восприимчивости и электрического сопротивления композитных плёнок в интервале температур 2–400 К и магнитных полей 0–5 Тл проводились в центре диагностики функциональных материалов для медицины, фармакологии и наноэлектроники научного парка Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ). Измерения магнитной

Котов Л.Н., Уткин А.А., Магнитные, проводящие и магнитопроводящие свойства Калинин Ю.Е., Ситников А.В. композитных плёнок (CoFeB+SiO 2 +N 2 ) … восприимчивости проводились с использованием комплекса для автоматизированных измерений, включающих в себя СКВИД (SQUID, Superconducting Quantum Interference Device – «сверхпроводящий квантовый интерферометр») и термостат 1,9–400 К. Измерения электрического сопротивления в интервале температур 2–400 К и магнитных полей 0–5 Тл проводились с использованием измерительного комплекса (ППМС-9 + EverCool-II) со сверхпроводящим магнитом ±9 Тл. Температурные зависимости магнитной восприимчивости измерялись в двух режимах: в режиме охлаждения в нулевом магнитном поле (нулевое поле охлаждения, или режим ZFC) и в режиме охлаждения в ненулевом магнитном поле (полевое охлаждение, или режим FC) (рис. 2, а ). Измерения электрического сопротивления проводились при 4-контактном подключении. При измерениях магнитной восприимчивости плёнок магнитное поле было направлено параллельно поверхности плёнки, а при измерениях электрического сопротивления – перпендикулярно.

Рис. 1. Изображения магнитного фазового контраста композитных плёнок (CoFeB+SiO 2 +N 2 ): 1 ( x = 0,46), 2 (0,48), 3 (0,51), 4 (0,52), 5 (0,42), 6 (0,35). Справа от изображений приведены значения сдвига фаз

Результаты эксперимента и их обсуждение

Как видно из рис. 2, для всех композитных плёнок (CoFeB+SiO 2 +N 2 ) с разной концентрацией металлического сплава x , находящихся в магнитном поле 50 Э, наблюдается сначала увеличение магнитной восприимчивости (МВ) с ростом температуры в интервале температур 2–80 К, а затем монотонное уменьшение МВ в интервале от 100 до 380 К. Максимум МВ плёнок при температурах Т = 70 К обусловлен близкими значениями постоянного магнитного поля и коэрцитивного поля. При высоких температурах Т > 100 К магнитное поле при 50 Э выстраивает магнитные моменты в металлических гранулах по полю, а ниже Т < 50 К магнитное поле не упорядочивает магнитные моменты гранул по полю. Как видно из рис. 2, в для всех композитных плёнок с разными номерами № 1–10, находящихся в магнитном поле 50 кЭ, наблюдается монотонное уменьшение магнитной восприимчивости (МВ) с ростом температуры при Т = 2–380 К. Наибольшее

Физика

значение МВ наблюдается для плёнок № 3 ( x = 0,52) с максимальной концентрацией металлического сплава x . Отметим, что очень малое значение МВ и, следовательно, намагниченности в больших полях (рис. 2, в ) свойственно плёнкам № 9, 10 с малой концентрацией x .

а) б)

в)

Рис. 2. Температурные зависимости магнитной восприимчивости композитных плёнок в магнитном поле 50 Э ( а, б ), и в магнитном поле 1 Тл ( в ): 1 – x = 0,46; 2 – 0,49; 3 – 0,51; 5 – 0,52; 7 – 0,42; 9 – 0,35; 10 – 0,33. Номера кривых и плёнок совпадают. Стрелками указано направление движения по температуре при измерениях плёнок

Как видно из рис. 3, для всех композитных плёнок с составами (CoFeB+SiO 2 +N 2 ) наблюдается линейное увеличение удельной проводимости с ростом температуры от 80 до 380 К. Это свидетельствует о том, что композитные плёнки c составами (CoFeB+SiO₂+N₂) обладают полупроводниковым характером проводимости. Наибольшее значение проводимости 300 (Ом·м)^–1 наблюдается для плёнок № 3 с максимальной концентрацией металлического сплава x = 0,52. При уменьшении концентрации x от 0,52 до 0,33 наблюдается уменьшение максимальной проводимости композитных плёнок. Для плёнок с малой концентрацией x = 0,32–0,42 проводимость на два порядка меньше, чем для плёнок при x = 0,52. Для пленок № 3 ( x = 0,46) наблюдается промежуточное значение проводимости между плёнками с x = 0,52 и 0,42 и составляет 40 Ом. Кроме того, для плёнок № 10 с малой концентрацией x = 0,33 проводимость растёт намного быстрее, чем для других плёнок.

Котов Л.Н., Уткин А.А., Калинин Ю.Е., Ситников А.В.

Рис. 3. Температурные зависимости удельной проводимости композитных плёнок (CoFeB+SiO 2 +N 2 ) без магнитного поля (сплошная линия) и в поле 1 Тл (пунктир): 1 – x = 0,46; 2 – 0,49; 3 – 0,52; 5 – 0,52; 7 – 0,42; 9 – 0,35; 10 – 0,33

На рис. 4 приведены графики температурной зависимости относительной магнитной проводимости композитных плёнок Δ σ / σ ₀ , где Δ σ = σ ₀ – σ _В, σ ₀ и σ _В – проводимость плёнок без поля и в магнитном поле с индукцией 1 Тл. Как видно из рис. 4, максимальная относительная положительная магнитная проводимость (ПМП) характерна для плёнок № 1 ( x = 0,46), то есть для плёнок с тонкой гранулированной структурой (см. рис. 1) и составляет 1,2, то есть 120 %. По-видимому, такое большое значение ПМП может быть связано с наличием обменного взаимодействия между металлическими гранулами, которое возрастает в больших постоянных магнитных полях. В больших постоянных магнитных полях происходит выстраивание магнитных моментов в металлических гранулах и магнитные границы между гранулами исчезают. Кроме того, для магнитной проводимости плёнки № 1 с x = 0,46 наблюдается максимум при температуре Т = 220 К. Наличие максимума может быть связано с конкуренцией двух процессов, которые дают вклад в магнитную проводимость и зависят от температуры. Это суммарный магнитный момент (намагниченность) и концентрация свободных носителей заряда в металлических гранулах плёнки. Поскольку концентрация свободных носителей заряда определяется удельной проводимостью, которая линейно растёт с температурой (см. рис. 3), то и она линейно должна увеличиваться с ростом температуры. С другой стороны, намагниченность плёнки уменьшается с ростом температуры как Т ^–0,7 (см. рис. 2, в ) Если считать, что магнитная проводимость определяется противоположными температурными зависимостями намагниченности и концентрацией свободных носителей заряда, то на температурной зависимости магнитной проводимости должен наблюдаться максимум. Для плёнки № 2 ( х = 0,51), наблюдаются очень малые значения ПМП (около 0,1) в широком интервале температур 50–380 К. Это связано с тем, что в плёнках № 2 ( x = 0,51) имеются большие области скопления металлических гранул (см. рис. 1), которые дают вклад в отрицательную магнитную проводимость (ОМП) и тем самым уменьшают значение ПМП плёнки. Для плёнки с максимальной x = 0,52 наблюдается увеличение ПМП при росте температуры от 320 до 380 К (кривая 5, рис.4, а ). ПМП достигает максимального значения 0,8 при Т = 380 К. В остальном интервале температур 2–270 К плёнка № 5 ( x = 0,52) (см. рис. 4, а ) наблюдаются малые значения ОМП со значением –0,2 при температуре 220 К. Для плёнок № 7 ( x = 0,42, кривая 7, рис. 4, б ) наблюдается незначительная ПМП (около 0,08) при температурах 100–200 К, а в интервале температур 10–80 К наблюдается рост ОМП с понижением температуры от 70 до 40 К. Это свидетельствует о наличии в структуре плёнки № 7 двух областей с наногранулированной и перколяционной структурой (см. рис. 1). Для всех остальных плёнок с номерами № 7, 9, 10 в плёнках имеется наногранулированная и перколяционная структура (см. рис. 1) и для них наблюдаются очень малые значения ПМП и ОМП в широком интервале температур. Все температурные зависимости магнитной проводимости, показанные на рис. 4, свидетельствует о том, что в композитных плёнках с составами (CoFeB+SiO₂+N₂), имеются гранулированные и перколяционные структуры, которые занимают разные объёмы плёнок.

Физика

Рис. 4. Температурные зависимости удельной магнитной проводимости композитных плёнок (CoFeB+SiO 2 +N 2 ): 1 – x = 0,46; 2 – 0,49; 3 – 0,52; 5 – 0,52; 7 – 0,42

Заключение

Получены экспериментальные графики температурных зависимостей магнитной восприимчивости, удельной проводимости и удельной магнитной проводимости композитных плёнок (CoFeB+SiO 2 +N 2 ) с концентрациями металлического сплава x = 0,33–0,52 в широком интервале температур 2–400 К и магнитных полей 0–5 Тл. В композитных пленках с разной концентрацией металлического сплава x = 0,33–0,52 одновременно наблюдается положительная и отрицательная магнитная проводимость (МП). Соотношение положительной и отрицательной магнитной проводимости зависит от исследуемого интервала температур и от концентрации металлического сплава x в композитных плёнках. Концентрация металлического сплава выбрана такой, что для плёнок характерна околоперколляционная структура, которая не возникает из-за напыления плёнок в атмосфере азота. Проведённые расчёты толщины азотных прослоек (около 1–3 нм) между металлическими гранулами в композитных плёнках (CoFeB+SiO₂+N₂) показывают, что большая относительная положительная магнитная проводимость (около 1,2) характерна для наногранулиро-ванных композитных метал-диэлектрических плёнок с тонкой (единицы нанометров) толщиной диэлектрических азотных прослоек между металлическими гранулами. Гигантская отрицательная магнитная проводимость возникает в композитных метал-диэлектрических плёнках, имеющих протяжённые (более нескольких микрометров) металлические области скопления металлических гранул.

Исследование выполнено за счёт гранта Российского научного фонда (проект № 21-7220048).