Исследование магнитных спектров композитных плёнок на лавсановой подложке

 

2. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ И МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛЕНОК

 

2.1. Методы получения композитных пленок, их структура, состав

 

 В работе исследовались пленки наногранулированных композитов состава  , представлявших собой металлические гранулы Co-Fe-Zr, вкрапленные в диэлектрическую матрицу Zr2O3, причем концентрация металлической фазы   составляла от 0.20 до 0.80. Пленки были получены методом ионно-лучевого напыления в атмосфере азота при давлении 0.08-0.10 Па на подложках из лавсана толщиной 0.5 мм размером   с применением методики экранирования [15,16]. Для изготовления пленок столь большой площади использовались составные мишени, расположенные по кругу в цилиндрической вакуумной камере, по образующей которой закреплялась гибкая (лавсановая) подложка. Технология получения таких пленок была разработана в Воронежском государственном техническом университете и наиболее подробно описана в работах [15]. 

Гранулированный характер пленок проверялся методом просвечивающей электронной микроскопии (путем как непосредственного наблюдения, так и дифракции электронов [15] на контрольных образцах, выполненных на подложках из NaCl в виде пленок толщиной до 100 нм (для обеспечения возможности просвечивания). Напыление контрольных пленок проводилось в тех же условиях, что и основных пленок, но за более короткое время. Так при типичной скорости напыления 25 нм/мин время изготовления основных пленок составляло 2-24 мин, а контрольных – не более 4 мин. Типичный размер гранул в исследованных пленках составлял 2-7 нм.

    Аморфный характер металлических гранул определялся по высокой  степени размытия кольцевых дифракционных гало на электронных микрофотографиях [16,17].

    Методика экранирования позволяла в одном технологическом цикле на протяженной подложке формировать слой композита с непрерывно меняющейся толщиной от 50 до 600 нм. Для последующих измерений из общей подложки вырезались образцы размером   .    Было исследовано 12 образцов пленок одина-кового состава со средней толщиной от 70 до 550 нм. Благодаря изменению толщины пленки по длине исходной подложки, толщина пленок в пределах каждого образца линейно менялась от одного края образца до другого, отклоняясь на концах от среднего значения на  20 нм. Точное значение толщины контролировалось с помощью сканирующего электронного микроскопа путем наблюдения в торец по 15 точкам, распределенным равномерно по длине образца.                                

    Топография поверхности пленок исследовалась с помощью атомно-силового микроскопа. Для сканирования использовались кантилеверы с радиусом закругления зонда около 10 нм.

    На всех пленках наблюдался четко выраженный зернистый характер поверхности. Зерна имели, как правило, округлую форму, причем их размер составлял от 30 до 100 нм и увеличивался с увеличением толщины пленки. Между зернами наблюдались углубленные промежутки – поры, размер ко-торых составлял от 20 до 200% от диаметра зерен.

    В пленках толщиной  менее 200 нм зерна наблюдались в виде островковых скоплений плотно упакованных частиц, между которыми имели место многочисленные поры, размер которых, как пра-вило, превышал размер зерен. В более толстых пленках (200-600 нм) зерна образовывали сплошное покрытие подложек, причем размер пор, занимавших промежутки между зернами, был меньше размеров зерен. 

    В некоторых пленках  наблюдались одновременно соседствую-щими  зерна, имевшие два характерных размера. Так например, в пленке толщиной 70 ( 20) нм эти размеры составляли  29 5 и 43 5 нм, в пленке толщиной 400 ( 20) нм – 67 8 и 99 8 нм, причем количество зерен меньшего размера на какой-либо ограниченной площадке пленки превышало количество зерен большего размера на той же площадке в 2-3 раза.

 

 

2.2. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПЛЕНОК

Основные параметры пленок приведены в таблице №1. Концентрация металлической фазы задавались технологически, а толщина и проводимость на постоянном токе измерялись по описанным в предыдущем разделе методикам. Средняя точность измерения толщины (из 15 измерений) составляла 9.29%. Средняя точность измерения проводимости (из 5 измерений) составляла 35.4%.

    Пленки расположены в  порядке увеличения концентрации  основных проводящих металлов Fe+Co. Такой параметр для упорядоченности расположения пленок выбран по той причине, что в объемном состоянии удельные проводимости  железа и кобальта почти на порядок превышают удельную проводимость аморфизатора циркония [18], поэтому, учитывая что цирконий составляет в общем составе металлической фазы сплава всего 10%, его вклад в качестве проводника в результирующую проводимость пленок является второстепенным. Для справки в следующем столбце таблицы приведено общее значение концентрации ( в химических формулах составов пленок) Fe+Co+Zr. Видно, что с увеличением концентрации Fe+Co величина общей концентрации тоже, в основном, возрастает.

    Следует учитывать далее, что в аморфных пленках удельная проводимость металлов, таких как Fe и Co, по крайней мере на порядок меньше, чем в объемных образцах, поэтому для численных оценок приведенные значения должны быть уменьшены в таком же соотношении. 

 

Таблица 2.1.

 

№№	Концентрация		Толщина (нм)	Проводимость (Ом-1м-1)
	Fe+Co	Fe+Co+Zr
1	0.14	0.25
2	0.27	0.38
3	0.37	0.54
4	0.45	0.59
5	0.46	0.63
6	0.53	0.65
7	0.58	0.68
8	0.60	0.73
9	0.64	0.77
10	0.65	0.75
11	0.68	0.78
12	0.68	0.77

 

    Из таблицы видно, что  при увеличении концентрации  металлической фазы удельная  проводимость пленок возрастает. Соотношение между проводимостью и концентрацией металлической фазы иллюстрируется рис.2.1.

 

Рис.2.1. Зависимость удельной проводимости от концентрации металлической фазы.

 

    Сплошные и открытые  точки, соответствующие одним и  тем же значениям концентрации – результаты измерений на различных участках одной и той же пленки.

    Видно, что при концентрациях  меньше 0.2 и больше 0.6 разброс точек может достигать порядка и более, тогда как внутри этого интервала концентраций разброс не превышает нескольких раз (не более 5-6). По-видимому, большой разброс точек при малых и больших концентрациях обусловлен тем, что в обоих этих случаях пленка по площади становится сильно неоднородной, так как представляет собой небольшие случайно распределенные островки одной фазы, окруженные почти сплошным массивом другой фазы. При малых концентрациях островковый характер носит металлическая фаза, при больших – диэлектрическая.

    Сплошная линия на  рис.2.1. – экспонента, в логарифмическом масштабе имеющая вид прямой, построенная по эмпирической формуле:

.                                        (2.1)

    Из рисунка видно, что  экспериментальные точки в области средних концентраций между 0.2 и 0.6 ложатся на эмпирическую кривую с точностью до 2-3 раз. Учитывая сильный структурно неоднородный характер пленок (двухкомпонентный композит с различием проводимости фаз на 6-7 порядков), такое соответствие  можно считать довольно хорошим.

    За пределами этого  интервала лучшее приближение  обеспечивает плавный переход проводимости к насыщению, показанный пунктирными линиями. Такое насыщение обусловлено тем, что при стремлении концентрации к нулю пленка становится полностью диэлектрической с проводимостью около , а при стремлении к единице – полностью металлической с проводимостью около .

 

2.3. Методика и техника измерений проницаемости

Проницаемость m определялась по известной методике с использованием измерителя добротности Е4-11 по измеряемым значениям индуктивности L и добротности Q контура c катушкой индуктивности (в экспериментах использовались две катушки, (количество витков  первой катушки – 13 для диапазона от 30 Мгц до 90 Мгц , у второй катушки- 2 витка для диапазона: 90-300 Мгц, с сердечником, в качестве которого использовалась композитная плёнка на лавсановой подложке. Схема измерительного контура приведена на рис. 2.2. и представляет собой последовательный колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности L и конденсатора C.

Рис.2.2. Схема измерительного контура.

 

В контур вводится напряжение, снимаемое с генератора. Катушку индуктивности можно рассматривать как контур, состоящий из L, r и С0, где С0 – собственная ёмкость катушки, которая может быть определена по формуле:

,

(2.2.)

где С1, С2 – ёмкости измерительного конденсатора С при резонансе на частотах f1 и f2, K= f1 /f2, и является целым числом.

Погрешность измерения частоты на данном измерителе добротности составляет не более 5 %, а Qизм – не более 5 % . По известной индуктивности катушки с магнитным сердечником можно определить модуль магнитной проницаемости m :

,

(2.3.)

 

Lkp и Lk – индуктивности катушки с пленкой и без, , C – ёмкость конденсатора в колебательном контуре.

Таким образом, учитывая, что тангенс угла потерь тора с магнитным сердечником tgdизм=1/Qизм=tgdпл+tgdкат, где tgdпл –тангенс угла потерь плёнки, tgdкат – тангенс угла потерь пустой катушки без плёнки, tgdпл>>tgdкат, tgdпл=1/Qпл = tgdизм - tgdкат, можно получить следующую систему уравнений:

,

(2.4.)

Отсюда получаем формулы для компонент проницаемости:

 

,

(2.5.)

 

где

(2.6.)

Для перехода от измеренных к истинным значениям, необходимо было измеренное значение магнитной проницаемости умножить на коэффициент заполнения: K=Vпл/Vкат (2.7.)

 

2.4. Результаты исследований и их обсуждение

 

В ходе исследований были получены зависимости вещественной m¢ и мнимой компоненты m² магнитной проницаемости композитных  пленок составов:

(Co2,4 Fe2,4Zr0,2 )x(Zr 2O3)1-х  

Концентрации  металлической  фазы  данных  пленок  изменялись в пределах от  Х = 0,25 до  Х = 0,78

 

 

 

 

 

 

Вещественная часть начинает уменьшаться, так как частота электромагнитного поля, которая создаётся в катушке становится больше частоты релаксации металлических гранул композитных плёнок. Так как магнитная проницаемость (вещественная часть) обратно пропорциональности разности резонансной частоты и частоты релаксации. До резкого спада наблюдаются коллебания вещественной компоненты магнитной проницаемости, так как  существует несколько частот релаксации, связанные с формой магнитных гранул. В композитной плёнке возможны разные формы гранул, поэтому частот релаксаций может быть несколько. В результате когда частота электромагнитного поля катушки проходит через частоту релаксации, наблюдается пик, после частота удаляется и происходит спад, но дальше идёт другая частота релаксации, связанна с другой форой частиц, поэтому для других частиц магнитная проницаемость начинает расти, снова до частоты релаксации и снова падать и так, судя по графикам несколко раз. Формы частиц могут быть как столбчатые частицы. т.е. вытянутые перпендикулярно плёнке, как шарики, так и в в виде элипсов в доль плёнки. Когда все частоты релаксации преодолены, возникает уменьшение вещественной части магнитной проницаемости 
Заключение

 

В данной работе проведены исследования: частотные  зависимости мнимой  и вещественной компонент магнитной проницаемости (магнитные спектры) композитных плёнок состава:

(Co2,4 Fe2,4Zr0,2 )x(Zr 2O3)1-х

Эти исследования проведены в интервале частот 30-300 МГц и концентраций металлической фазы  X от 0,25-0,78 при комнатной температуре.

Из исследований видно, что магнитная проницаемость увеличивается с ростом х (концентрация металлической фазы), это связано с увеличением количества магнитных моментов на единицу объёма плёнки в результате увеличения магнитного материала в плёнке.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература

 

1. Суздалев И.П. Нанотехнология. Физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. М.: КомКнига. 2006.
2. Рит М. Наноконструирование в науке и технике. Введение в мир нанорасчета. Москва-Ижевск: НИЦ "Регулярная и хаотическая динамика". 2005.
3. Калинин Ю.Е., Ремизов А.Н., Ситников А.В. // ФТТ. 2004. Т.46. №11. С.2076.
4. Kotov L.N., Turkov V.K., Vlasov V.S., Kalinin Yu.E., Sitnikov A.V. // Mat.Sci.Eng. 2006.V.442. P.352.
5. Вендик И.Б., Вендик О.Г. // ЖТФ. 2013. T.83. №1. С.3.
6. Петров Ю.И. Кластеры и малые частицы. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит-ры, 1986. 368 с.
7. Gerber A., Milner A., Groisman B. et al. // Phys. Rev. B. 1997. V.55. №10. P.6446.
8. Казанцева Н.Е., Пономаренко А.Т., Шевченко В.Г., Чмутин И.А., Калинин Ю.Е., Ситников А.В. // Физика и химия обработки материалов. 2002. №1. C.5.
9. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. К теории дисперсии магнитной проницаемости ферромагнитных тел // Ландау Л.Д. Собрание трудов: в 2 Т./ Под ред. Е.М. Лифшица. М.:Наука, 1969. Т.1. С.97.
10. Голдин Б.А., Котов Л.Н., Зарембо Л.К., Карпачев С.Н. Спин-фононные взаимодействия в кристаллах (ферритах).- Ленинград: Наука, 1991.-150
11. Ранкис Г.Ж. Динамика намагничивания поликристаллических ферритов. Рига: Зинатне, 1981. 150 с.
12. Смит Я., Вейн Х. Ферриты / Пер. с англ. М.: ИЛ, 1969. 504 с
13. Калинин Ю.Е., Котов Л.Н., Петрунёв С.Н., Ситников А.В. Особенности отражения СВЧ волн от гранулированных пленок (Co40Fe40Zr20)X(Al2O3)100-X. // The XXI International Conference on Relaxation Phenomena in Solids: Abstracts. – Voronezh, Voronezh State University, 2004. P. 225
14. Калинин Ю.Е., Ситников А.В. Электрическая проводимость в нанокомпозитах аморфных металлических сплавов в диэлетрической матрице. // Сборник трудов ХIX международной школы-семинара Новые магнитные материалы микроэлектроники (НМММ). М.: МГУ, 2004. C. 304.
15. Калинин Ю.Е., Пономаренко А.Т., Ситников А.В., Стогней О.В. // Физика и химия обработки материалов. 2001. №5. С.14
16. Ситников А.В. Электрические и магнитные свойства наногетерогенных систем металл-диэлектрик. Диссертация на соискание ученой степени докт. физ.-мат. наук. Воронеж: ВГТУ. 2010.
17. Татаринова Л.И., Структура твердых аморфных и жидких веществ. М.: Наука. 1983.
18. Гороновский И.Т., Назаренко Ю.П., Некряч Е.Ф. Краткий справочник по химии. Киев: Наукова думка. 1974