Твердофазные реакции в пленочных двуслойных структурах переходных металлов

Тонкие пленки являются материалами, с помощью которых можно найти решение многих задач современной наноэлектроники. Структурные и магнитные свойства тонких пленок FePd, упорядоченных по типу L1 0 , исследуются в связи с их потенциальной пригодностью для высокоплотной магнитной записи информации и создания специальных магнитожестких сред [1; 2]. Упорядоченные FePd 3 -пленки в настоящее время изучены недостаточно и поэтому их исследование представляет научный и практический интерес. Система Co/Cr – это перспективный материал для использования в качестве сред с возможностью перпендикулярной записи информации и также еще не до конца изучена [3–5].

Получение этих пленочных систем методом твердофазного синтеза (ТФС) еще не производилось. В связи с этим в данной работе обращалось внимание на возможные механизмы и процессы, способствующие синтезу фаз в исследуемых системах, а также изучались магнитные и анизотропные свойства этих пленок [6; 7].

Идентификация фаз проводилась с использованием рентгеноструктурного анализа. Полученные результаты позволяют рекомендовать использование твердофазных межслойных химических взаимодействий для синтеза пленочных образцов с меньшими энергетическими и экономическими затратами [8].

Работа выполнена при финансовой поддержке АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы (2011)», проект № 2.1.1/9193.

Образцы и методика эксперимента. Для получения образцов был использован новый способ изготовления пленок – твердофазный синтез. В качестве исходных образцов были изготовлены две серии пленок Fe(001)/Pd(001) на подложках из монокристаллического MgO(001) с атомным соотношением железа и палладия 1/1 и 1/3, а также образцы Co/Cr с атомным соотношением кобальта и хрома 1/1, 1/3 и 1/4 на подложках из кварцевого стекла. Двухслойные структуры изготовлялись методом электронной бомбардировки тигельных испарителей с кольцевым катодом, в вакууме 10^–6 торр на установке вакуумного напыления УВН-2М-1. Для определения толщин слоев был использован рентгенофлуоресцентный анализ. В дальнейшем исходные образцы подвергались термическому отжигу в диапазоне от 300 до 700 ^оС с шагом в 50^о и выдержкой при каждой температуре в течение 30 мин. В результате термообработки между слоями формировались последовательности фаз [9; 10].

После каждой ступени отжига и охлаждения до комнатной температуры в образцах измерялись первая константа магнитной анизотропии и намагниченность насыщения методом крутящих моментов с максимальным магнитным полем 18 кЭ, а также исследовались структурные и фазовые превращения. Идентификация образовавшихся фаз была проведена на дифрактометре ДРОН-4-07 (CuKα-излучение). Рентгенографические исследования эпитаксиальной ориентации фаз проводились на дифрактометре PANalytical X’Pert Pro c матричным твердотельным детектором PIXel. В пленках CoCr наряду с намагниченностью насыщения определялись ориентации осей легкого намагничивания относительно плоскости пленки.

Результаты исследования пленок системы Fe/Pd. Получена зависимость первой константы анизотропии (К₁) от температуры отжига для пленок с атомным соотношением Fe/Pd, равным 1/1 и 1/3 (рис. 1). Видно, что в образцах, при отжиге вплоть до 400 ^оС, практически отсутствуют изменения анизотропных свойств по отношению к исходным образцам. Однако отжиги при Т > 400 ^оС приводят к увеличению константы анизотропии в пленках с атомным соотношением 1/1 примерно на порядок и к частичному исчезновению анизотропии в пленках с соотношением 1/3. Такая модификация анизотропных свойств должна приводить к различным значениям коэрцитивности ( Н _С). Как показали дополнительные исследования магнитостатических свойств, коэрцитивная сила в первом случае выросла и составляет ~1 кЭ, в другом случае пленки становятся магнитомягкими и Н С составляет менее 1 Э (рис. 2).

Получены зависимости намагниченности насыщения ( M _S) для тех же образцов от температуры отжига ( Т ) (рис. 3), из которых видно, что для обеих структур относительная намагниченность насыщения увеличивается по мере увеличения Т . Однако для пленки с атомным соотношением 1/3 это увеличение составило более чем 60 %. Легко предположить, что рост значений M S связан с приростом магнитного момента за счет магнитной поляризации атомов палладия. При этом большее содержание палладия в образце приводит к большему увеличению намагниченности.

Рис. 1. Зависимость константы анизотропии от температуры отжига для образов FePd и FePd3

Рис. 2. Зависимость коэрцитивной силы от температуры отжига для образцов FePd и FePd3

Рис. 3. Зависимость относительной намагниченности насыщения от температуры отжига для образцов FePd и FePd3

Рис. 4. Рентгенограмма исходного образца Fe/Pd

Рис. 5. Рентгенограмма с образца FePd, отожженного при температуре 600 °С

Рис. 6. Рентгенограмма образца FePd3, отожженного при температуре 600 °С

Изменения магнитных и анизотропных свойств связаны с фазовыми превращениями в двухслойных структурах Fe/Pd под воздействием отжигов. Анализ рентгеновских измерений показал, что слои Fe и Pd в исходном состоянии растут на подложках MgO эпитаксиально (рис. 4). В процессе отжига на базе этих эпитаксиальных слоев формируются основные фазы L1 0 -FePd для пленки с соотношением атомов 1/1 при Т = 400 ^оС (рис. 5) и L1 2 -FePd 3 для пленки с соотношением Fe/Pd = 1/3 при Т = 550 ^оС (рис. 6). Первая фаза имеет тетрагональное искажение решетки, что и явилось причиной появления высокой анизотропии, вторая фаза имеет простую кубическую решетку без существенных анизотропных свойств. Следует отметить, что фазы формируются с высокой степенью упорядочения, о чем свидетельствует появление запрещенной плоскости (001).

Результаты исследования пленок системы Co/Cr. Получены графики зависимостей намагниченности насыщения от температуры отжига в образцах Co/Cr разного состава, из которых были определены температуры инициирования начала протекания твердофазных реакций и особенности процесса синтеза новых фаз (рис. 7).

Как видно, значения намагниченности меняются с повышением температуры отжига, при этом в зависимости от атомного соотношения кобальта и хрома в системе ход указанных зависимостей существенно разный. До Т = 390 ^оС величина намагниченности соответствует исходным значениям, а при Т > 400 ^oC наблюдается резкое уменьшение M S , что несомненно связано с началом твердофазной межслойной реакции. Следует отметить, что спад намагниченности тем больше, чем больше содержание хрома в системе. Уменьшение значения M S с необходимостью приводит к уменьшению величины поля плоскостной анизотропии формы ( H → . = 4π M S ). Анизотропия формы способствует формированию оси легкого намагничивания (ОЛН) в плоскости пленки.

Представлены определенные с помощью анизометра направления легкой оси в пленках Сo/Cr с разным концентрационным составом и отожженных при Т ~ 500 оС (рис. 8). Как видно, при содержании хрома 25 ат. % ось легкого намагничивания лежит в плоскости пленки. Увеличение содержания хрома до 33 ат. % способствует выходу вектора намагниченности из плоскости пленки на угол примерно в 45о. Содержание хрома в системе, равное 50 ат. %, способствует появлению перпендикулярной анизотропии, при этом угол выхода намагниченности близок к 90о. Для появления перпендикулярной магнитной анизотропии в пленочных образцах необходимо, чтобы механизмы, ответственные за перпендикулярную анизотропию, преобладали над механизмами, определяющими плоскостную анизотропию (H↓ > H→). С уменьшением намагниченности плоскостная анизотропия (H→) уменьшается, а для определения механизмов, ответственных за появление H↓, были проведены рентгеноструктурные исследования [11].

Рентгеноструктурные исследования были проведены на пленках с содержанием хрома 50 ат. % в зависимости от температуры отжига (рис. 9). Пленки с таким содержанием реагентов, отожженные при температуре более 450 оС, имели текстурированную структуру с преобладающим рефлексом ε-Co(Cr)(002), который стал причиной появления перпендикулярной анизотропии.

Анализ рентгеновских спектров позволяет обратить внимание на две особенности.

• 1.    Температурная обработка приводит к формированию фазы, обладающей гексагональной плотной упаковкой, подобной кристаллографии элементарного кобальта. В таблице приведены сравнительные значения кристаллографических рефлексов ε-Со и вновь синтезированной фазы Co–Cr.

• 2.    В процессе твердофазного синтеза фаза Co(Cr) растет с высокой степенью текстурированности. Основным становится рефлекс (002), который и определяет кристаллографическую с -ось гексагональной упаковки. С увеличением температуры отжига степень текстурированности возрастает [11].

Таким образом, удалось установить последовательность фазовых превращений в зависимости от температуры термообработки двухслойных тонкопленочных структур Fe/Pd/MgO(001) c атомным соотношением веществ 1/1 и 1/3:

Fe/Pd(1/1) → ( Т = 400 ^оС) → L1 0 -FePd

Fe/Pd(1/3) → ( Т = 400 ^оС) → L1 0 -FePd →

→ ( T = 550 ^оС) → L1 2 -FePd 3

Соответствие параметров решетки к-Со и c-Co(Cr)

Фазы	d (hkl)	d (hkl)	d (hkl)	d (hkl)
ε-Со	2,18 (100)	2,06 (002)	1,92 (101)	1,49 (102)
ε-Co(Cr)	2,16 (100)	2,02 (002)	1,91 (101)	1,44 (102)

Рис. 7. Влияние температуры отжига Т на намагниченность насыщения M _S

Рис. 8. Зависимость изменения направления анизотропии от концентрации хрома

Рис. 9. Рентгеновские спектры в пленке Сo(Cr) состава 50 ат. % в зависимости от температуры отжига

Термообработка образцов Fe/Pd при температуре более 400 оС приводит к увеличению константы анизотропии в пленках с атомным соотношением 1/1 практически в 12 раз и к полному исчезновению анизотропии в пленках с атомным соотношением 1/3. Использование высокоанизотропных пленок FePd в будущем позволит увеличить плотность записи информации на пластинах для магнитной записи данных.

Измерения намагниченности насыщения ( M S ) показали, что при температуре отжига 600 ^оС у пленок с атомным соотношением 1/1 зафиксирован рост намагниченности на атом железа примерно на 20 %. Для пленки с атомным соотношением Fe/Pd, равным 1/3, увеличение M _S составляет 60 % в сравнении с намагниченностью исходного образца.

Для пленок CoCr различных составов установлено следующее.

• 1.    Температура инициирования твердофазных реакций ~400 ^оС.

• 2.    Основной синтезированной фазой является твердый раствор хрома в ε-Сo.

• 3.    Синтезированные пленки ε-Со(Cr) состава 50 ат. % хрома обладают перпендикулярной магнитной анизотропией.

• 4.    Причиной появления перпендикулярной анизотропии является уменьшение анизотропии формы (плоскостной анизотропии) и текстурированный рост пленки гексагональной с -осью нормально к плоскости пленки.

Полученные результаты представляют большой научный и прикладной интерес и нуждаются в дальнейшем исследовании.