МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени М. В. Ломоносова

Физический факультет

На правах рукописи

Пхонгхирун Сонгсак

МАГНИТООПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОКОМПОЗИТОВ

ФЕРРОМАГНИТНЫЙ МЕТАЛЛ-ДИЭЛЕКТРИК И

НАНОМУЛЬТИСЛОЙНЫХ ПЛЕНОК

ФЕРРОМАГНЕТИК - ПОЛУПРОВОДНИК

Специальность 01.04.11 – физика магнитных явлений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Москва – 2007

Работа выполнена на кафедре магнетизма физического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Научный руководитель доктор физико-математических наук, профессор Е. А. Ганьшина

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор А. С. Андреенко кандидат физико-математических наук, доцент А. Н. Юрасов

Ведущая организация Институт металлургии и металловедения им. А.А.Байкова РАН г.Москва.

Защита состоится “ 15 ” ноября 2007 года в 17.00 часов на заседании диссертационного совета К 501.001.02 в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992 ГСП-2, г. Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, аудитория.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.

Автореферат разослан “ ” октября 2007 года.

Ученый секретарь диссертационного совета К 501.001.02, кандидат физико-математических наук И. А. Никанорова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Устойчивый интерес к наноструктурам, возникший в последнее время, обусловлен возможностью значительной модификации и принципиального изменения качеств известных материалов при переходе в нанокристаллическое состояние. В низкоразмерных магнитных материалах, наблюдаются необычные физические явления, представляющие как самостоятельный научный интерес, так и важное практическое значение: гигантский магнитный импеданс (ГМИ), гигантское магнитосопротивление (ГМС) [1], гигантский аномальный эффект Холла (АЭХ) [2], аномальные оптические эффекты [3], сильный магнитооптический отклик [4].

Эти свойства нанокомпозитов лежат в основе широких возможностей их практического применения в различных областях техники: при разработке новых искуственных материалов для спинтроники и магнитофотоники, при создании элементов магнитной и магнитооптической записи, высокочувствительных датчиков магнитного поля и т.п.

микроструктуры на магнитные, магнитотранспортные, оптические и магнитооптические свойства пленочных нанокомпозитов. Несмотря на большое количество работ до сих пор нет достаточной ясности в понимании процессов, сопровождающих структурную перестройку вещества, так как трудно предсказать свойства пленок, в которых значительную роль играют взаимодействия наночастиц между собой, с матрицей и с подложкой, при огромном влиянии размерных и поверхностных эффектов, вызываемых частицами, их границами и поверхностью пленок.

В связи с этим актуальным оказываются экспериментальные методы, позволяющие получить представление о внутренней структуре таких материалов и особенностях магнитного взаимодействия в них. К таким методам относятся магнитооптические методы и метод ферромагнитного резонанса, позволяющие изучать физические свойства в широком частотном диапазоне. Оба эти метода чувствительны к наличию магнитных неоднородностей, к изменению формы и размера частиц, к их объемному распределению и к появлению новых магнитных фаз в образце.

С этой точки зрения детальные экспериментальные исследования магнитных, магнитотранспортных и магнитооптических свойств нанокомпозитных материалов в зависимости от состава, концентрации и технологических параметров получения необходимы, как для понимания нанокомпозитов, так и для реализации практических задач и в первую очередь, для конструирования наноструктурных материалов с заданными магнитными и магнитооптическими характеристиками.

Цель работы состояла в исследовании особенностей магнитооптических и магнитных свойств двух групп наноструктурных материалов — спинтуннельных нанокомпозитов (ферромагнитный металл – диэлектрик) и спин-туннельных многослойных магниторезистивных структур (ферромагнетик – полупроводник).

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. проведение автоматизации экспериментальной установки для исследования экваториального эффекта Керра (ЭЭК) 2. исследование зависимости магнитооптической активности аморфных гранулированных нанокомпозитов от состава металлических гранул (Co84Nb14Ta2)x(SiO2)100-x, (Co45Fe45Zr10)x(SiO2)100-x,(Co41Fe39B20)x(SiO2)100-x;

3. исследование влияния матрицы на магнитооптические свойства нанокомпозитов с гигантским туннельным магнитосопротивлением;

4. изучение влияния технологических условий получения нанокомпозитов ферромагнетик – сегнетоэлектрик (Co)x(LiNbO3)100-x на их магнитные и магнитооптические свойства;

5. исследование магнитных и магнитооптических свойств многослойных систем: [(Co45Fe45Zr10)/(a-Si)]40 и [(Co45Fe45Zr10)35(Al2O3)65]/-Si:H]30.

Научная новизна и практическая ценность работы состоит в следующем:

• Обнаружено, что магнитооптический отклик возрастает в ряду нанокомпозитов с гранулами CoNbTa CoFeB CoFeZr.

экваториального эффекта Керра, туннельного магнитосопротивления поляризованных d-электронов в плотность состояний вблизи уровня Ферми и ростом спин-орбитального взаимодействия в ряду нанокомпозитов с гранулами CoNbTa CoFeB CoFeZr.

• Установлено, что существует оптимальное значение давления кислорода в распылительной камере, при котором достигаются нанокомпозитов ФМ металл – сегнетоэлектрик и расширяется большим значением магнитосопротивления.

• Впервые исследована зависимость магнитооптических и магнитных гидрогенизированный Si – [(Co45Fe45Zr10)35(Al2O3)65/aSiH]40.

Обнаружено, что образование межгранульной полупроводниковой прослойки aSi:H в многослойной системе приводит к возникновению изолированными гранулами ФМ сплава Co45Fe45Zr10.

Практическая ценность. Полученные в диссертационной работе результаты расширяют представление о магнитооптических явлениях в наноструктурных материалах. Результаты исследования могут быть использованы для развития технологий получения наноструктур необходимой конфигурации с заданными свойствами и для разработки новых материалов для спинтроники.

Международной школе – семинаре “Новые магнитные материалы микроэлектроники”, Москва, 2002, 2004, 2006; Международном симпозиуме “Порядок, беспорядок и свойства оксидов ODPO”, Сочи, 2002, 2003, 2004, 2007; на секции по проблемам магнетизма в магнитных пленках, малых частицах и наноструктурных объектах, Астрахань 2003;

XXI international conference on “Relaxation phenomena in solids (RPS-21)”, Voronezh', October 5-8, 2004;, Московском международном симпозиуме по магнетизму MISM 2005, Москва, 25-30 июня, 2005; Всероссийской научной конференции молодых ученых и студентов, Краснодар, 2- октября 2006; II International Conference “Electronics and Applied Physics” Kyiv, Ukraine, 11-14 October Личный вклад автора. Проведена автоматизация экспериментальной установки для исследования ЭЭК. Подготовка образцов и измерения магнитооптических свойств проведены лично автором. Обсуждение и анализ полученных экспериментальных результатов проводились авторами соответствующих работ совместно.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано научная работа, включая 6 статей и 15 публикаций в материалах конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Полный объем работы - 123 страницы машинописного текста, включая 60 рисунков, 4 таблицы и библиографических ссылок.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность изучения рассматриваемых в диссертации проблем, сформулирована цель работы. Обозначена научная новизна и практическая ценность работы, дана краткая характеристика основных разделов диссертации. Представлена степень апробации, количество публикаций и структура диссертации.

Первая глава диссертационной работы носит обзорный характер. В ней изложены основные результаты экспериментальных и теоретических работ, посвященных исследованию свойств нанокомпозитных материалов на основе 3d металлов.

В параграфе 1.1 обсуждается актуальность исследований наноразмерных материалов и возможности их практического применения.

В параграфе 1.2 описаны способы изготовления магнитных гранулированных нанокомпозитов, методы изучения их микроструктуры и магнитных свойств.

В параграфе 1.3 дан обзор литературных источников, в которых изучается явление гигантского магнитосопротивления в гранулированных сплавах типа “ферромагнитных металл – диэлектрик” и многослойных магнитополупроводниковых структурах.

В параграфе 1.4 приведены существующие результаты экспериментальных и теоретических исследований магнитооптических свойств магнитных нанокомпозитов. Представленные данные свидетельствуют о том, что изучение магнитных, магнитотранспортных и магнитооптических свойств нанокомпозитных материалов является актуальным и перспективным научным направлением, активно развивающимся в настоящее время. Однако для того, чтобы такие материалы могли успешно применяться в практических целях, необходимо решить ряд проблем, таких как:

Изготовление хорошо воспроизводимых, обладающих заданными свойствами наноструктур. Следует отметить, что предсказание свойств таких материалов является сложной задачей, так как при её решении необходимо учитывать влияние многих факторов, например, таких как взаимодействие наночастиц между собой, с матрицей и с подложкой, размерные и поверхностные эффекты.

Нахождение компромисса между составом нанокомпозита, значением магнитосопротивления и величиной внешнего Установление взаимосвязи между составом гранулированного сплава, его микроструктурой и величиной магнитооптических Вышеизложенное позволяет утверждать, что детальные исследования изменений магнитных, электрических и магнитооптических характеристик магнитных композитных материалов в зависимости от их состава, микроструктуры и технологических режимов их получения являются актуальными.

Во второй главе описана методика эксперимента и установка, для измерения экваториального эффекта Керра в области энергий падающего света 0.5 – 4.5 эВ в переменном магнитном поле ~ 2.5 кЭ. Автором проводилась автоматизация работы установки. Приводится блок-схема установки и алгоритм работы программного обеспечения.

Третья глава посвящена исследованию влияния элементного состава ферромагнитной компоненты и матрицы на магнитные и магнитооптические свойства аморфных нанокомпозитов.

изготовления гранулированных композиционных материалов аморфный (Co45Fe45Zr10)x(SiO2)100-x, (Co41Fe39B20)x(SiO2)100-x, (Co45Fe45Zr10)x(Al2O3)100-x и магнитосопротивлением. Приведены данные о микроструктуре и составах исследованных нанокомпозитов.

В параграфах 3.2- 3.4 представлены результаты МО исследования нанокомпозитов ферромагнетик – диэлектрик для трех различных составов ферромагнитной металлической компоненты.

существенно отличаются по знаку, величине и характеру от спектров ЭЭК, · Рис. 1. Спектральные зависимости ЭЭК нанокопозитов (Co84Nb14Ta2)x(SiO2)100-x эффект в нанокомпозитах меняет знак в области 1.5 – 3 эВ и достигает экстремальных значений в диапазоне 0.6 – 1.2 эВ.

мости ЭЭК имеют немоноMC|, /0 % ИК области спектра (см.

рис. 2). При этом максимум эффекта наблюдается при х компоненты. Максимальное найдено для композитов (Co45Fe45Zr10)x(SiO2)100-x.

фиксированной энергии квантов падающего света, позволило определить содержанием ферромагнитной компоненты. Было найдено, что полевые зависимости ЭЭК выявляют наличие трех областей концентрации, соответствующих различным процессам намагничивания. Первая группа образцов с концентрацией металлической фазы х до 45 ат.% находится в доперколяционной области. Кривые (Н) имеют вид, характерный для суперпарамагнетиков. В частности, наблюдается линейная зависимость от Н вплоть до 1.5 кЭ. У образцов второй группы с концентрациями, соответствующими области 45 < х < 55 ат.%, характер зависимости (Н) меняется, причем образцы с максимальной концентрацией в полях 1.5 кЭ практически намагничены до насыщения. Для нанокомпозитов с х > намагничивания в основном заканчивается в поле до 0.2 кЭ.

В параграфе 3.5 приведены результаты изучения магнитных свойств значения резонансного поля Нрез и ширины линии поглощения Н в зависимости от ориентации Н относительно плоскости пленки. Показано, что по зависимости величины Н от х при перпендикулярной ориентации концентрацию магнитной фазы, соответствующей порогу перколяции. При изменении х от 45 до 46 % величина Н уменьшалась скачком почти вдвое, а значение Н|| в этой области х изменялось незначительно.

Установлено, что данные по изучению изменений перестройки магнитной структуры в нанокомпозитах, полученные ФМР и МО методами хорошо коррелируют между собой.

В параграфе 3.6 обсуждается механизм связи магнитооптических и насыщения металлической фазы нанокомпозита.

(Co40Fe40B20)60(SiO2)40 и (Co84Nb14Ta2)61(SiO2)39.

При сравнении результатов магнитных и магнитооптических исследований для аморфных гранулированных нанокомпозитов с различным составом магнитных гранул обнаружено наличие связи между максимальными значениями гигантского магнитосопротивления, экваториального эффекта Керра и магнитострикцией материала, из которого сформированы гранулы (рис.3). С ростом магнитострикции в ряду магнитных гранул CoNbTa – CoFeB – CoFeZr линейно увеличивались и значения ГМС, и ЭЭК.

Наблюдаемые корреляции обусловлены, по нашему мнению, одним и тем же механизмом и могут быть связаны с возрастанием вклада dэлектронов и величины спин-орбитального взаимодействия в цепи нанокомпозитов с гранулами CoNbTa CoFeB CoFeZr.

Плотность состояний на уровне Ферми для этих композитов была определена из изучения температурных зависимостей сопротивления при низких температурах [5]. Проведенное исследование показывает, что плотность локализованных состояний зависит от материала гранул и величина g(ЕF) растет при переходе от CoNbTa к CoFeB и далее к CoFeZr.

Увеличение плотности состояния поляризованных d-электронов вблизи уровня Ферми, как следствие, должно приводить к возрастанию их вкладов и в спин-зависящее туннелирование, и в рассеяние света, и в магнитосопротивления, магнитострикции и магнитооптических эффектов в последовательности нанокомпозитов с гранулами CoNbTa CoFeB CoFeZr.

Величины магнитооптических эффектов и магнитострикции прямо пропорциональны величине спин-орбитального взаимодействия. Рост спин-орбитального взаимодействия в последовательности нанокомпозитов с гранулами CoNbTa CoFeB CoFeZr также должен приводить к возрастанию вклада в спин-зависимое туннелирование и росту магнитосопротивления.

исследования спектральных, полевых и концентрационных зависимостей ЭЭК для нанокомпозитов (Co45Fe45Zr10)x(Al2O3)100-x.

Сравнение спектров ЭЭК нанокомпозитов с гранулами CoFeZr, внедренных в матрицы оксида кремния и оксида аллюминия показывает, что величина магнитооптического эффекта в области низких частот в образцах с матрицей Al2O3, практически вдвое ниже, а перколяционный переход в этой системе происходит при х = 47.8 ат.%. Полевые зависимости для обеих систем имели подобный вид.

магнитооптические свойств для ряда нанокомпозитов на основе Со, обладающих гигантским туннельным магнитосопротивлением.

При сравнении магнитооптических свойств трех нанокомпозитов на основе Со в матрицах оксидов алюминия, титана и кремния, обладающих примерно одинаковыми значениями магнитосопротивления можно отметить, что величина ЭЭК нанокомпозита Co50.2 Тi9.1O40.7 почти во всем спектральном диапазоне значительно меньше, чем в других нанокомпозитах, и смена знака ЭЭК происходит при энергии 2 эВ, т.е.

более низкой, чем в других нанокомпозитах. На образцах Co52.3Si12.2O35.5 и Co55.2Al19O25.8 поведение (h) идентично, но максимальная величина магнитооптического эффекта наблюдается при разных частотах.

В параграфе 3.9 кратко изложены основные результаты данной главы.

В четвертой главе представлены результаты исследования влияния атмосферы в распылительной камере и состояния подложки на магнитооптические свойства нанокомпозитов (Co)x(LiNbO3)100 –x.

Во введении показано, что в настоящее время одной из важнейших задач с точки зрения практического применения нанокомпозитов является поиск материалов, обладающих оптимальным сочетанием магнитооптических и магнитотранспортных характеристик. Изучение электрических и магниторезистивных характеристик гранулированных нанокомпозитов (Co)x(LiNbO3)100-x, в которых в качестве матрицы использован аморфный сегнетоэлектрик LiNbO3, выявило ряд особенностей, отличающих их от композитов с диэлектрической матрицей SiO2 или Al2O3. В системах с сегнетоэлектрической матрицей отсутствовал четкий перколяционный порог и представляло интерес посмотреть, как эти особенности будут проявляться в магнитооптических свойствах.

В параграфе 4.2 описаны особенности технологии изготовления исследуемых нанокомпозитных материалов. В таблице 3 приведены технологические параметры получения (температуры подложки и давления кислорода в распылительной камере) для исследованных образцов.

В параграфе 4.3 представлены спектральные и концентрационные зависимости ЭЭК для нанокомпозитов (Co)x(LiNbO3)100-x при РО2 = 0 для охлаждаемой подложки (серия 1).

Обнаружено, что величина ЭЭК в нанокомпозитах (Co)x(LiNbO3)100-x в несколько раз превосходит величину эффекта, наблюдаемого для поликристаллического Со. Изменение формы спектров ЭЭК и значительное увеличение эффекта для гранулированных пленок наблюдалось не только в ближнем ИК диапазоне спектра, как для нанокомпозитов Co(Al2O3), (CoFeZr)SiO2, но и в области 3.0 – 4.2 эВ.

Максимальные значения ЭЭК для нанокомпозитов (Co)x(LiNbO3)100-x, в ближней ИК области были в 2-3 раза меньше, чем для нанокомпозитов с диэлектрическими матрицами типа SiO2 или Al2O3, Концентрационная зависимость ЭЭК имела немонотонный характер.

Количество максимумов на концентрационной кривой и их положение зависело от длины волны падающего света.

В параграфе 4.4 представлены результаты исследования влияния атмосферы в распылительной камере на магнитооптические свойства нанокомпозитов (Co)x(LiNbO3)100 –x.

Обнаружено, что присутствие кислорода в распылительной камере значительно влияет как на вид спектра, так и на его величину. Наиболее ярко зависимость от давления кислорода проявлялась в ближней ИК области (рис. 4а и 4б). При увеличении давления кислорода возрастала магнитооптического отклика наблюдался для серии 4 (РО2 = 2.310-5 Торр) (рис. 5а). Концентрационные зависимости ЭЭК для всех исследованных систем имели немонотонный характер (рис. 5б) и с увеличением давления ЭЭК, · Рис. 4 Спектральные зависимости ЭЭК нанокомпозитов (Co)x (LiNbO3)100 –x при ЭЭК, · Рис. 5 а) Спектральные и б) концентрационные зависимости ЭЭК нанокомпозитов (Co)66.6(LiNbO3)33.4 при различных давлении кислорода.

кислорода сдвигались в область больших концентраций. Изучение полевых зависимостей ЭЭК показало, что увеличение давления кислорода при получении нанокомпозитов приводит к изменению вида кривых (Н) и существенному росту полей насыщения для образцов с большой концентрацией ферромагнитной компоненты.

В параграфе 4.5 описаны результаты изучения магнитных свойств и ФМР для нанокомпозитов (Co)x(LiNbO3)100 –x.

Изучение статических петель гистерезиса показало, что насыщение образцов всех серий даже при больших концентрациях магнитной фазы происходит в полях, значительно превосходящих аналогичные значения для образцов с диэлектрической матрицей. С увеличением парциального давления кислорода растет величина гистерезиса, при этом значение коэрцитивной силы растет от 300Э при РО2=0 до 1.6кЭ при РО2=2.310-5Торр.

Измерения резонансных полей ФМР при перпендикулярной ориентации поля Н показали, что при увеличении парциального давления кислорода в образцах с одинаковой концентрацией ферромагнитной фазы (при х > 60 ат. %) значения Нрез уменьшаются.

концентрационные зависимости меняются с увеличением парциального давления кислорода.

Полученные результаты свидетельствуют, что спектры ФМР очень чувствительны к изменению технологии получения пленок.

сформулированы основные выводы этой главы.

Наличие кислорода в процессе изготовления нанокомпозитов влияет на характер и величину ЭЭК. Все наблюдаемые особенности можно связать с появлением дополнительных оболочек окислов вокруг гранул кобальта. Предположим, что для одной и той же серии, количество кислорода постоянно для всей области концентрации металлической фазы.

При увеличение концентрации Co в нанокомпозитах, с ростом размера гранул Со и уменьшением гранул матрицы влияние окислительных процессов увеличивается. В итоге вокруг металлических гранул возможно появление оксидных оболочек – например СоО. Оксидные оболочки, как и дополнительные диэлектрические барьеры, уменьшают взаимодействие между металлическими частицами, поэтому максимальные значения ЭЭК (которые для нанокомпозитов наблюдаются в области перколяции) должны смешаться в область больших концентраций, что и наблюдалось в эксперименте. Наиболее сильно это влияние должно проявляться именно в ближней ИК области спектра.

Так как СоО является антиферромагнетиком то появлении на поверхности гранул оксидных оболочек, будет приводить к росту полей насыщения и коэрцитивной силы с увеличением давления кислорода.

Образование пленки окислов на поверхности гранул, должно приводить к уменьшению намагниченности и к уменьшению Нрез в ФМР спектрах, что также наблюдается в эксперименте.

В пятой главе представлены экспериментальные данные по исследованию магнитооптических свойств в многослойных системах [(Co45Fe45Zr10)/(a-Si)]40, и [(Co45Fe45Zr10)35(Al2O3)65/-Si:H]30 с аморфной структурой.

В параграфе 5.1 Кратко обосновывается актуальность исследования многослойных систем нанокомпозитный ферромагнетик-полупроводник.

В параграфе 5.2 описана технология получения образцов и приведены данные о толщинах слоев исследованных наномультислойных пленок.

В параграфе 5.3 представлены экспериментальные данные по исследованию магнитооптических свойств в многослойных системах [(Co45Fe45Zr10)/(a-Si)] Установлено, что величина и вид МО спектров зависит от толщины магнитных и полупроводниковых слоев. Для многослойных наноструктур с наименьшими толщинами полупроводниковых и ФМ слоев da-Si ~ 0.5 – 0.84 нм и dфм < 2.0 нм обнаружено усиление МО эффекта, и характер спектра соответствует спектру нанокомпозитов с большим отрицательным эффектом в ближней ИК области спектра. Изучение полевых зависимостей ЭЭК показало, что эти пленки являются хорошими ферромагнетиками и наблюдались при наименьшей толщине полупроводниковых слоев.

Значительное изменение величины ЭЭК во всех областях спектра отмечались при толщине da-Si от 0.5 до 1.3 нм. Рост толщины многослойные наноструктуры оставались ферромагнитными до толщин Si