На правах рукописи

Вашук Мария Владимировна

ОПТИЧЕСКАЯ И МАГНИТООПТИЧЕСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ

МАГНИТНЫХ НАНОКОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 01.04.11 – физика магнитных явлений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата физико-математических наук

Москва – 2008

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

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

Научный консультант: доктор физико-математических наук, гл.н.с. А.П. Виноградов

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

Ведущая организация: Физико-технический институт, Уральское отделение Российской Академии наук (ФТИ УрО РАН)

Защита состоится « 6 » марта 2008 года в 18:00 часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.70 при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В.Ломоносова, аудитория 2-05А криогенного корпуса.

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

Автореферат разослан « » февраля 2008 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.001. доктор физико-математических наук профессор Г.С. Плотников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Анализируя развитие научных и прикладных приоритетов за последнее время, становится очевидно, что темпы и направление научно-технического прогресса в ближайшем будущем главным образом будут определяться развитием нанотехнологий наряду с био- и компьютерно-информационными технологиями. Использование возможностей нанотехнологий может уже в недалекой перспективе привести к кардинальным изменениям во многих сферах человеческой деятельности в материаловедении, энергетике, электронике, информатике, машиностроении, медицине, сельском хозяйстве, экологии. Созданные благодаря нанотехнологиям новые наноразмерные магнитные материалы проявляют ряд необычных свойств: гигантское магнитосопротивление (ГМС), гигантский магнитный импеданс, гигантский аномальный эффект Холла, значительный магниторефрактивный эффект, сильный магнитооптический (МО) отклик и аномальные оптические эффекты. Все эти явления открывают огромные перспективы, как для фундаментальных исследований, так и для многообещающих возможностей их применения.

Так, например, нанокомпозитные материалы могут использоваться в высокочувствительных датчиках магнитного поля и температуры, в устройствах для записи и считывания, а также хранения информации, в защитных покрытиях от электромагнитного излучения и во многих других приложениях. Природа вышеперечисленных эффектов, наблюдаемых в наноматериалах, остается до конца не изученной, поэтому необходимы как экспериментальные, так и теоретические комплексные исследования микроструктурных, электрических, магнитных, МО и оптических свойств таких материалов.

Известно, что электрические, магнитные, оптические и МО свойства нанокомпозитных материалов сильно зависят от их состава и микроструктуры, в особенности от размеров гранул, от их распределения по объему образца, от концентрации магнитной фазы и от свойств интерфейса [1, 2]. Поэтому МО методы исследования в комплексе с оптическими представляют значительный интерес, так как позволяют получить уникальную информацию о магнитной и электронной структуре, механизмах рассеяния носителей заряда, характере межзонных переходов, а также о характерных размерах, форме и топологии нанонеоднородностей. Кроме того, оптические и МО исследования крайне чувствительны к микро свойствам 3d металлов и сплавов на их основе, поэтому являются эффективными методами исследований фазовых переходов и критических явлений, происходящих в подобных структурах, как в результате изменения концентрации магнитной фазы, так и вследствие термообработки.

Таким образом, изучение оптических и МО свойств магнитных нанокомпозитных материалов, как с гранулированной, так и с мультислойной структурой, является актуальным и с точки зрения перспектив практического применения подобных структур, и для фундаментальной физики конденсированного состояния.

Целью работы являлось комплексное исследование оптических и МО свойств и их эволюции при изменении, как внешних условий, так и внутренних параметров различных типов новых магнитных нанокомпозитных материалов: гранулированных систем типа «аморфный ферромагнитный (ФМ) металл – диэлектрик», «ФМ металл - диэлектрик», мультислойных систем типа «аморфный ФМ металл – диэлектрик», «аморфный ФМ металл – полупроводник (ПП)» и полупроводниковых пленок диоксида титана, допированного Со.

В работе были поставлены следующие задачи:

1. Получить экспериментальные данные по оптическим и МО свойствам нанокомпозитов различного типа: гранулированных систем «аморфный ФМ металл – диэлектрик», «ФМ металл - диэлектрик», мультислоек «аморфный ФМ металл – диэлектрик» и «аморфный ФМ металл – полупроводник».

2. Получить дисперсионные зависимости диагональных и недиагональных компонент тензора диэлектрической проницаемости (ТДП) в широком спектральном диапазоне для выяснения природы увеличения МО отклика в гранулированных и мультислойных системах.

3. Изучить зависимость оптических и МО свойств различных типов нанокомпозитов от их состава и концентрации металлической фазы.

Исследовать влияние микроструктурных параметров нанокомпозитов на их оптические и МО характеристики.

4. Провести сравнение полученных экспериментальных данных с теоретическими расчетами, выполненными в рамках приближения эффективной среды.

5. Исследовать зависимость спектров экваториального эффекта Керра (ЭЭК) полупроводниковых пленок диоксида титана, допированного кобальтом от уровня допирования и технологических параметров изготовления, с целью изучения взаимосвязи структурных, транспортных, магнитных и МО свойств и получения данных о природе ферромагнетизма в исследованных структурах.

Для решения поставленных задач был применен комплекс спектральных методов исследования, включающий эллипсометрический метод определения оптических констант и МО метод измерения эффекта Керра в экваториальной геометрии.

обоснованностью используемых в работе экспериментальных методов изучения оптических и МО свойств нанокомпозитов, детальным анализом физических явлений и процессов, определяющих эти свойства, а также корреляцией результатов, полученных на различных образцах. В значительной степени достоверность полученных результатов подтверждается хорошим согласованием между экспериментально полученными данными и значениями, рассчитанными в рамках общепринятых физических моделей.

Научная новизна результатов, полученных в диссертации:

1. Впервые проведено комплексное экспериментальное исследование оптических и МО свойств гранулированных нанокомпозитов аморфный ФМ металл – диэлектрик, позволившее вычислить диагональные и недиагональные компоненты ТДП для исследуемых 2. Из анализа найденных спектральных зависимостей диагональных и недиагональных компонент ТДП установлено, что усиление МО (Co41Fe39B20)x(SiO2)100-x, (Co45Fe45Zr10)x(Al2O3)100-x + О2 и (FePt)100x(SiO2)x вблизи порога перколяции не связано с увеличением их МО активности, а обусловлено изменением оптических и МО параметров при изменении топологии и микроструктуры нанокомпозитов.

3. Установлено, что в ряду нанокомпозитов (FePt)100-x(SiO2)x (Co41Fe39B20)x(SiO2)100-х (Co45Fe45Zr10)x(SiO2)100-х (Co45Fe45Zr10)x(Al2O3)100-x с ростом плотности поляризованных электронных состояний на уровне Ферми в ФМ гранулах, одновременно растут значения ГМС и ЭЭК.

4. Установлено, что изменения оптических и МО свойств системы (Co45Fe45Zr10)x(Al2O3)100-x + О2 после отжига, обусловлены как изменением микроструктуры, так и изменением электронной структуры композитов, вследствие формирования после отжига сложной многофазной системы с присутствием окислов металлов.

5. Впервые проведено исследование оптических и МО свойств наномультислойных структур {CoFeZr(x)-aSi(y)}n. Показано, что изменение толщины ФМ и полупроводниковых слоев приводит к сильным изменениям вида спектральных и полевых зависимостей ЭЭК, спектров оптической проводимости и функции потерь.

6. Обнаружена корреляция между усилением МО отклика в районе 1,6- эВ в мультислойных структурах {CoFeZr(x)-aSi(y)}n с толщиной слоев ~ 10 нм и появлением максимума в спектральной зависимости функции потерь, что может быть связано с поверхностными плазменными колебаниями в этой области энергий.

7. Показано, что аномальное поведение спектральных и полевых зависимостей ЭЭК в мультислойных структурах {CoFeZr(x)-aSi(y)}n в области малых толщин aSi слоев свидетельствует о сильном взаимодействии между ФМ слоями через полупроводниковую прослойку и на участие кремния в процессах обменного взаимодействия.

8. Впервые исследована эволюция спектров ЭЭК для полупроводниковых пленок диоксида титана, допированного Со, в зависимости от уровня допирования и технологических параметров получения.

9. Показано, что характер спектров ЭЭК для ФМ образцов Ti1-хCoхO2 с малым уровнем допировния (х~0.004), свидетельствует о том, что ферромагнетизм в этих пленках не связан с ФМ кластерами.

Научная и практическая ценность работы состоит в получении и анализе новых результатов, которые являются важными как для понимания фундаментальных электронных, оптических и МО свойств наноструктур, так и для развития технологий получения наноматериалов с заданными свойствами.

Защищаемые положения:

1. Новые экспериментальные данные по оптическим и МО свойствам (Co45Fe45Zr10)x(SiO2)100-x, (Co41Fe39B20)x(SiO2)100-x, (Co45Fe45Zr10)x(Al2O3)100-x + О2, (FePt)100-x(SiO2)x, Cox(SiO2)100-x, мультислойных структур {CoFeZr(x)-aSi(y)}n и {CoFeZr(x)-SiO2(y)}n в спектральном диапазоне 0.5-4.5 эВ.

2. Найденные спектральные зависимости диагональных и недиагональных компонент ТДП систем (Co45Fe45Zr10)x(SiO2)100-x, (Co41Fe39B20)x(SiO2)100-x, (Co45Fe45Zr10)x(Al2O3)100-x + О2 и (FePt)100-x(SiO2)x и вывод о том, что усиление МО отклика в ближней ИК области спектра в данных системах не вызвано увеличением МО активности, а обусловлено особенностями микроструктуры композитов.

3. Утверждение об изменении микро- и электронной структуры нанокомпозитов (Co45Fe45Zr10)x(Al2O3)100-x + О2 после отжига, вследствие формирования сложной многофазной системы с присутствием окислов металлов.

4. Утверждение о корреляции максимальных значений ГМС и ЭЭК в магнитных нанокомпозитах.

5. Вывод о сильном взаимодействии между ФМ слоями через {CoFeZr(x)-aSi(y)}n в области малых толщин слоев аморфного кремния.

6. Полученные спектральные зависимости ЭЭК для полупроводниковых пленок диоксида титана, допированного кобальтом, в зависимости от уровня допирования и технологических параметров получения, и вывод о том, что при низком уровне допировния (х~0.004) примесные кластеры Со в ФМ образцах Ti1-хCoхO2 со структурой анатаза не образуются.

Апробация результатов работы. Материалы, вошедшие в диссертацию, опубликованы в 26 работах, из которых 9 статей и 17 тезисов в сборниках докладов и трудов конференций (список основных публикаций приводится в конце автореферата). Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях: Международный симпозиум «Порядок, беспорядок и свойства оксидов» (ODPO), Сочи, (2003, 2005, 2006); «EASTMAG, EuroAsian Symposium «Trends in Magnetism», Краноярск (2004); «EASTMAG, Euro-Asian Symposium «Magnetism on a Nanoscale», Казань (2007);

международная конференции "Функциональные материалы" (ICFM), Крым, Украина (2003); International Symposium on Advanced Magnetic Materials (ISAM2) Yokohama, Japan (2003); International Magnetics Conference (MMMIntermag) California, USA (2004); международная школа-семинар «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (НМММ), Москва (2004, 2006);

Moscow International Symposium on Magnetism (MISM), Москва (2005);

симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний Новгород (2006, 2007); VIII International Workshop on Non-crystalline Solids, Spain, (2006).

Личный вклад соискателя. Автором лично получена основная часть экспериментальных результатов: исследованы оптические спектры всех представленных образцов, получены спектральные зависимости ЭЭК для некоторых исследованных систем. Выполнена математическая обработка спектральных зависимостей, позволившая получить компоненты ТДП.

Обсуждение и анализ полученных результатов проводились авторами соответствующих работ совместно.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка цитируемой литературы из 119 наименований. Общий объем работы составляет страниц машинописного текста, включая 57 рисунка и 2 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, сформулирована цель работы, поставлены задачи исследований, обозначена научная новизна и практическая ценность работы, а также представлена степень апробации, количество публикаций и структура диссертации.

В первой главе, которая имеет обзорный характер, обсуждается актуальность исследований наноразмерных материалов и возможности их практического применения, также дан обзор экспериментальных и теоретических работ, посвященных исследованию основных свойств магнитных нанокомпозитов: структурных, магнитных, электрических, оптических и МО свойств, явлениям магнитосопротивления и перколяции.

Обсуждаются основные модели эффективной среды, использующиеся при описании оптических и МО свойств композитной системы.

Вторая глава посвящена описанию экспериментальных методик и установок, использовавшихся в настоящей работе. В параграфе 2.1 описан эллипсометрический метод Битти, применяемый для измерения оптических постоянных n и k в области энергий падающего света 0,5 – 4,5 эВ. Параграф 2.2 посвящен описанию экспериментальной установки по измерению оптических констант n и k. В параграфе 2.3 дается определение ЭЭК и приводится уравнение, связывающее величину эффекта c компонентами ТДП [3]:

1, 2 и '1, '2 – действительная и мнимая части диагональной и недиагональной компонент ТДП. При этом 1 = n 2 k 2, 2 = 2nk, где – n и k коэффициенты преломления и поглощения соответственно.

Таким образом, на основе экспериментально определенных значений ЭЭК (величины ) при двух углах падения света, а также значений n и k, можно разрешить данное уравнение, определив компоненты ТДП, позволяющие достаточно полно описать свойства среды. Кроме того, исследуя частотные зависимости мнимых частей диагональных и недиагональных компонент ТДП можно сделать выводы о зонной структуре исследуемой среды.

В параграфе 2.4 описан алгоритм проведения эксперимента и экспериментальная установка, позволяющая проводить измерения ЭЭК в области энергий падающего света 0,5 – 4,5 эВ в присутствии переменного магнитного поля, достигающего значений ~ 3,5 кЭ.

Третья глава посвящена изучению гранулированных нанокомпозитов «аморфный ФМ металл - диэлектрик» и «ФМ металл– диэлектрик».

Во введении приводится обзор основных свойств гранулированных нанокомпозитов, а также обсуждается актуальность исследования оптических и МО свойств подобных структур.

В параграфе 3.2 описаны методы синтеза изучаемых образцов и приведены данные по их аттестации. Нанокомпозиты (Co45Fe45Zr10)x(SiO2)100x, (Co41Fe39B20)x(SiO2)100-x, (Co45Fe45Zr10)x(Al2O3)100-x и (Co)x(SiO2)100-x с варьирующейся концентрацией ФМ компоненты были получены в Воронежском государственном техническом университете методом ионнолучевого напыления в атмосфере аргона, при изготовлении пленок (Co45Fe45Zr10)x(Al2O3)100-x также добавлялся кислород [4]. Гранулированные пленки (FePt)100-x(SiO2)x были изготовлены в лаборатории профессора M.

Inoue (Toyohashi University of Technology, Japan) методом последовательного магнетронного распыления.

Параграф 3.3 посвящен экспериментальным результатам исследования (Co45Fe45Zr10)x(SiO2)100-x, (Co41Fe39B20)x(SiO2)100-x и (Co45Fe45Zr10)x(Al2O3)100-x + О2, (FePt)1-x(SiO2)x, и (Co)x(SiO2)100-x. На рис.1 представлены спектральные зависимости ЭЭК нанокомпозитов при различных значениях концентрации ФМ компоненты. Видно, что спектры МО отклика всех систем имеют подобное поведение. Наблюдается существенное изменение вида спектров композитов по сравнению со спектром соответствующей металлической компоненты. Кроме того, в ближней ИК области спектра величина эффекта для образцов, находящихся вблизи порога перколяции хпер, в несколько раз превосходит величину ЭЭК соответствующего чистого ФМ металла.

Четко выраженный максимум эффекта в ближней ИК области вблизи хпер обнаруживается для всех исследованных систем независимо от элементного состава фаз. С другой стороны, величина этого максимального значения МО отклика зависит от материала ФМ компоненты нанокомпозитов. У всех исследованных систем максимум величины ЭЭК в ближней ИК области имеет большее значение для композитов с большим значением ГМС. Такой рост величины ЭЭК в ближней ИК области и ГМС в цепи нанокомпозитов (FePt)100-x(SiO2)x (Co41Fe39B20)x(SiO2)100-х (Co45Fe45Zr10)x(SiO2)100-х (Co45Fe45Zr10)x(Al2O3)100-x обусловлены, по нашему мнению, тем, что величина как МО эффектов, так и магнитосопротивления прямо пропорциональны плотности поляризованных электронных состояний на уровне Ферми, возникающих при ФМ упорядочении в гранулах.

Полученный результат в исследованных системах, отличающихся друг от друга элементным составом, в которых максимальный ЭЭК в ближней ИК диапазоне спектра наблюдается в области перколяционного перехода, ЭЭК* ЭЭК* Рис.1. Спектральные зависимости ЭЭК для нанокомпозитов (а) - (Co41Fe39B20)x(SiO2)100-х; (б) - спектры образца (Co45Fe45Zr10)47(SiO2)53, полученные при различных углах падения света; (в) - (Co45Fe45Zr10)x(Al2O3)100-x + О2; (г) - Cox(SiO2)100-x позволяет использовать МО методы для определения xпер. Причем значение х, при котором наблюдается появление ФМ фазы, и значение хпер, определенное из исследования концентрационной зависимости электросопротивления, хорошо согласуются друг с другом.

Так же как в спектрах ЭЭК, в спектральных зависимостях действительной 1 и мнимой 2 части диагональной компоненты ТДП гранулированных систем (Co41Fe39B20)x(SiO2)100-x, (Co45Fe45Zr10)x(SiO2)100-x, (Co45Fe45Zr10)x(Al2O3)100-x + О2, Cox(SiO2)100-x и (FePt)100-x(SiO2)x наблюдалось существенное изменение вида и величины оптических спектров нанокомпозитов по сравнению со спектрами соответствующих аморфных сплавов CoFeB, CoFeZr, однородным аморфным сплавом меняет знак на протяжении всей области энергий. Лишь для образца Cox(SiO2)100-x с содержанием металлической компоненты x = 76,7% наблюдается смена знака 1 в районе 2,8 эВ и уже при энергиях E > 2,8 эВ поведение 1 подобно действительной части диэлектрической проницаемости металла. Исследования оптических спектров показало, что как 1, так и 2 зависят от соотношения концентраций составляющих нанокомпозит материалов, и при замене, как магнитной фазы, так и диэлектрической поведение спектров 1 и 2 не претерпевает существенных изменений.

Вычисленные недиагональные компоненты ТДП для гранулированных систем имеют существенно иной вид по сравнению с соответствующими компонентами ТДП однородных сплавов. Дисперсионные зависимости 1 и для систем (Co41Fe39B20)x(SiO2)100-x, (Co45Fe45Zr10)x(SiO2)100-x и (Co45Fe45Zr10)x(Al2O3)100-x + О2 приведены на рис.2. Спектры 1 и нанокомпозитов, в которых в качестве материала ФМ гранул выступает аморфный металл Co41Fe39B20 или Co45Fe45Zr10 обнаруживают особенность:

действительная часть 1 проявляет максимум, в то время как мнимая часть 2 пересекает ноль (при Е ~ 1.5 эВ для (Co41Fe39B20)x(SiO2)100-x и (Co45Fe45Zr10)x(SiO2)100-x с хxпер видим резкий сдвиг энергии описанной выше особенности в область 1 эВ.) Следует отметить, что в отличие от спектров ЭЭК, в спектрах недиагональной компоненты ТДП всех нанокомпозитов, ответственной за МО активность материала, мы не наблюдаем усиления по сравнению с однородным аморфным сплавом. Более того, в “красной” области спектра величина 2 в случае Co45Fe45Zr10 более чем на порядок превосходит значение 2 для композита (Co45Fe45Zr10)x(SiO2)100-x с х = 43%, который демонстрировал максимальный эффект именно в этом интервале энергий.

Таким образом показано, что усиление МО отклика в ИК диапазоне спектра нанокомпозитов (Co45Fe45Zr10)x(SiO2)100-x, (Co41Fe39B20)x(SiO2)100-x, (Co45Fe45Zr10)x(Al2O3)100-x + О2 и (FePt)100-x(SiO2)x вблизи порога перколяции не связано с увеличением их МО активности, а обусловлено изменением Рис.2. Спектры действительной 1 (пустые значки) и мнимой 2 (сплошные значки) части недиагональной компоненты ТДП систем при различных х:(а) - (Co41Fe39B20)x(SiO2)100-х; (б) - (Co45Fe45Zr10)x(SiO2)100-х; (в) Co45Fe45Zr10)x(Al2O3)100–x + O2; (г) – однородный сплав Co45Fe45Zr совокупности диагональной и недиагональной компоненты ТДП при изменении микроструктуры композита вблизи перколяционного перехода.

Известно, что термическое воздействие сильно влияет на морфологию композитных сплавов. С целью исследования изменения магнитных, МО и оптических свойств гранулированного сплава при изменении микроструктуры композита вследствие термообработки, системы (Co45Fe45Zr10)x(Al2O3)100-x +О2 и (FePt)1-x(SiO2)x были исследованы до и после отжига.

Сильное влияние отжига можно проследить по спектрам коэффициента отражения, вычисленного из оптических констант n и k, которые представлены на рис. 3. Для нанокомпозита с х=25,7% отжиг не оказал влияние на отражательную способность, т.е. при малом содержании металлической компоненты образцы до и после отжига структурно эквивалентны. По мере увеличения x наблюдается уменьшение коэффициента отражения пленок после термической обработки, а при х46,5% появляется максимум в районе 3,5 эВ.

R 0, 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4, 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4, Рис.3. Спектральные зависимости коэффициента отражения нанокомпозитов (Co45Fe45Zr10)x(Al2O3)100-x до (светлые значки) и после отжига (темные значки) Интерпретация оптических спектральных зависимостей нанокомпозитов с многокомпонентным составом представляется крайне сложной, но, учитывая процессы формирования таких систем и зная оптические свойства элементов входящих в состав композита, можно сделать некоторые предположения. При термической обработки металлические гранулы системы (Co45Fe45Zr10)x(Al2O3)100-x начинают объединяться и увеличиваться в размере, при этом увеличивается диэлектрическая прослойка между ними, сама же структура становиться более однородной. Ранее было показано, что такие геометрические изменения микроструктуры оказывают влияние как на оптические так и на МО свойства системы [5-7]. Но появление новой особенности в ближнем УФ диапазоне в МО и оптических спектрах отожженных образцов при х46,5%, по нашему мнению, обусловлено появлением новой фазы в результате отжига, которая может образоваться из сложных оксидов, при достаточно большом содержании металлической компоненты. В работе [8] методом рентгено-спектрального анализа вблизи края поглощения было обнаружено присутствие межатомного взаимодействия между элементами металлических и диэлектрических компонентов нанокомпозита (Co41Fe39B20)x(SiO2)1x и присутствие окислов Fe2O3, FeO, CoO. В этой работе было установлено, что уже в процессе осаждения происходит поверхностное окисление металлических гранул независимо от добавления кислорода в распылительную камеру. В тоже время, последнее обстоятельство оказывает влияние на содержание и стехиометрию диэлектрической фазы в поверхностном слое нанокомпозитов, что влечёт за собой изменение транспортных свойств. Аналогично, в нашем случае, при напылении системы (Co45Fe45Zr10)x(Al2O3)100-x в присутствии кислорода в распылительной камере образуются окислы Fe2O3, FeO и CoO и в образцах может присутствовать растворенный кислород. При термической обработке композитов растворенный кислород вступает в химическую реакцию с элементами металлических и диэлектрических компонентов, таким образом, увеличивая содержание оксидов металлов, образующихся на поверхности металлических гранул. Увеличение содержания окислов после отжига приводит к уменьшению величины коэффициента отражения и МО отклика. Спектры R и ЭЭК демонстрируют, что влияние окисной оболочки сказывается сильнее при увеличении концентрации металлической компоненты, что свидетельствует о возрастании содержания оксидов металлов при увеличении x.

Спектры действительной 1 и мнимой 2 части недиагональной компоненты ТДП системы (Co45Fe45Zr10)x(Al2O3)100-x также демонстрировали появление дополнительной особенности в спектрах отожженных образцов с большим содержание металлической компоненты (x45,5%) в области энергий около 3,5 эВ. Особенности в районе 1-1,5 эВ в спектрах 1 и (Co45Fe45Zr10)x(SiO2)100-х, (Co41Fe39B20)x(SiO2)100-х и (Co45Fe45Zr10)x(Al2O3)100-x + О2 (рис.2) и в районе 3,5 для отожженных нанокомпозитов (Co45Fe45Zr10)x(Al2O3)100-x + О2 с х45,5% по всей видимости имеют разную природу, так как частота первого перехода не существенно зависит как от х до порога протекания, так и от структурных изменений в нанокомпозитах вследствие термической обработки. В то время как второй переход существенно зависит от обоих этих параметров. Такое поведение спектральных зависимостей 1 и 2 композитов с х45,5%, свидетельствует об изменении электронной структуры этих материалов после отжига. Это подтверждает наше предположение о появлении новой фазы, которая может образоваться в результате отжига из окислов металлов, при достаточно большом содержании металлической компоненты.

гранецентрированной структура FePt переходит в упорядоченную тетрагональную структуру. Анализ кривых намагничивания в сильных полях (~ 20 кЭ) и зависимостей ЭЭК от магнитного поля позволил предположить, что наблюдаемые изменения МО и оптических свойств, а также увеличение магнитной жесткости (при x~57%) нанокомпозитов (FePt)100-x(SiO2)x после термообработки при 7000С вызваны тем, что характер структурного перехода в пленках зависит от концентрации магнитной составляющей. Установлено, что структурный переход в высококоэрцитивную упорядоченную структуру происходит только в тех композитах, ФМ гранулы которых обладают достаточно большими размерами.

моделирование экспериментальных кривых в рамках приближения Бруггемана (ЕМА) [9] и симметризованного приближения МаксвеллаГарнетта (СМГ) [10].

Полученные экспериментальные зависимости эффекта Керра для неупорядоченных нанокомпозитов (FePt)100-x(SiO2)x удалось объяснить в рамках приближения Бруггемана. В то время как попытка описать экспериментальные спектры для систем (Co45Fe45Zr10)x(SiO2)100-х, (Co41Fe39B20)x(SiO2)100-х и (Co45Fe45Zr10)x(Al2O3)100-x + О2 в рамках приближении ЕМА не привела к удовлетворительным результатам. Очевидно, что выбор теоретической модели, пригодной для описания оптических и МО свойств конкретного гранулированного сплава, обусловлен, прежде всего, особенностями его микроструктуры. В нанокомпозитной системе (FePt)100x(SiO2)x, где металлическая фаза обладает кристаллической структурой, гранулы металла формируются отдельно от диэлектрической матрицы, а распределение частиц по форме и размерам более однородно, чем в случае сплавов “аморфный металл – диэлектрик”, в которых возможно смешивание (взаимное растворение) компонент. Этим можно объяснить необходимость использования более сложного метода при описании оптических и МО свойств таких материалов, каким является приближение СМГ.

TKE* Рис.4. Полученные экспериментально (сплошные и пустые точки) и рассчитанные в приближении СМГ (сплошные и пунктирные линии) диагональные и недиагональные компоненты ТДП, а также спектральные зависимости ЭЭК нанокомпозита (Co45Fe45Zr10)46(Al2O3)54. Параметры использованные при рассчете: x=46 (f=42), La=0.25, Lb=0.4 и a=0. В приближении СМГ рассматривается среда, в которой один тип частиц (А) представляет собой компоненту материала 1 внутри компоненты материала 2, другой тип (Б) наоборот – компоненту 2 внутри компоненты 1.

В нашем случае материал 1 есть металлическая компонента сплава, а материал 2 – диэлектрическая.

При использовании для расчета значений форм-факторов частиц LА и LB из очень узкого диапазона величин, удалось получить как качественное, так и количественное согласование теории и эксперимента. Таким образом, на основе результатов моделирования, можно сделать вывод о форме частиц композита (рис.4).

В рамках приближения СМГ не удалось описать экспериментальные результаты для отожженной системы (Co45Fe45Zr10)x(Al2O3)100-x + О2, при этом расхождение рассчитанных и экспериментальных спектров увеличивалось при увеличении x. Это обстоятельство хорошо объяснимо, если принять во внимание присутствие окислов (Fe2O3, FeO, CoO) в композитах и появление новой фазы, содержание которых увеличивается после отжига при увеличении x.

В заключение к данной главе сформулированы основные выводы и результаты по исследованию оптических и МО свойств гранулированных нанокомпозитов.

В четвертой главе представлены результаты исследования наномультислойных систем «аморфный ФМ металл-ПП» {Co0,45Fe0,45Zr0,1(x)aSi(y)}n и «аморфный ФМ металл-диэлектрик» {Co0,45Fe0,45Zr0,1(x)- SiO2(y)}n.

Во введении приводится обзор основных свойств мультислойных систем ФМ металл - ПП, а также обсуждается актуальность исследования оптических и МО свойств подобных структур.

В параграфе 4.2 описаны методы синтеза изучаемых образцов и приведены данные по их аттестации. Многослойные магнитные пленки составов {Co0,45Fe0,45Zr0,1(x)-aSi(y)}n с числом бислоев n = 54, 101, 215 и {Co0,45Fe0,45Zr0,1(x)-SiO2(y)}n n = 55 и 32 были получены в вакуумной установке путем ионно-лучевого распыления мишеней из Co0.45Fe0.45Zr0.1 и Si/или SiO2 на ситаловые подложки при комнатной температуре.

исследования оптических и МО свойств мультислойных систем {CoFeZr(x)aSi(y)}n и {CoFeZr(x)-SiO2(y)}n. Измерения ЭЭК показали, что вид и величина МО спектров сильно изменяются в зависимости от толщины металлических (х) и полупроводниковых (у) слоев. Для системы с наиболее толстыми слоями (х, y10 нм) и n=54, как для нанокомпозитов ФМ металл – диэлектрик, наблюдалась немонотонная зависимость величины ЭЭК от объемного содержания (f) CoFeZr и появление максимума МО отклика в ближней ИК области в районе 1,6 эВ, который незначительно смещался в зависимости от толщины металлических и полупроводниковых слоев. Для систем с меньшими толщинами слоев (х, y1-5 нм) и n=101, 215 наблюдалось увеличение эффекта в видимой и УФ области спектра при малых толщинах слоя кремния (y = 1,4 и 0,9 нм) и падение величины эффекта с его ростом.

Спектры ЭЭК мультислоев {CoFeZr(x)-SiO2(y)}55 демонстрировали сходство между собой при различных толщинах слоев и со спектрами чистого сплава CoFeZr, а также монотонное падение величины эффекта с уменьшением металлической компоненты f.

Анализ полевых зависимостей ЭЭК показал, что для системы с толстыми слоями (х,y10 нм) взаимодействие между слоями не играет существенной роли. В то время как для образцов с меньшими толщинами слоев наблюдалось сильное влияние полупроводниковой прослойки на магнитную структуру образцов и участие aSi в процессах обменного взаимодействия.

Моделирование МО спектров в приближении Бруггемана (EMA) и на основе макроскопической френелевской магнитооптики для ультратонких слоев, с учетом интерференции лучей, отраженных от границ слоев [11], показало, что приближение эффективной среды дает хорошее согласование экспериментальных МО спектров с расчетными для системы с наиболее толстыми слоями (х, y10 нм) и n=54, в то время как на основе макроскопической френелевской магнитооптики для ультратонких слоев не удалось описать поведение спектральных зависимостей ЭЭК этих образцов.

По всей видимости, это связано с тем, что слои в исследованных системах не имеют четких границ. Размытие границ между слоями может происходить вследствие взаимной диффузии металла и кремния с образованием силицидов, а соседние слои в мультислойке могут представлять собой островковые пленки. Образцы с наиболее толстыми слоями возможно рассматривать как агрегатную среду, свойства которой хорошо объясняются в приближении Бруггемана. Поведение МО спектров для систем с меньшими толщинами слоев (х, y1-5 нм) и n=101, 215 не удалось объяснить ни в приближении простой эффективной среды, ни на основе макроскопической френелевской магнитооптики для ультратонких слоев, что свидетельствует о более сложной реальной микроструктуре данных образцов. С одной стороны здесь может в значительно большей степени сказываться влияние на оптические и МО свойства диффузного интерфейса из силицидов, чем в мультислоях с большой толщиной слоев. С другой стороны в образцах с малыми толщинами aSi в большей степени может происходить окисление аморфного кремния, что также в значительной степени изменяет оптические и МО свойства системы.

На рис.5 приведены спектральные зависимости диагональной компоненты ТДП мультислойных систем {CoFeZr(x)-aSi(y)}n (а, б), {CoFeZr(x)- SiO2(y)}55 (в) и однородного аморфного сплава CoFeZr (г). В дисперсионных зависимостях 1 и 2 для системы с наиболее толстыми слоями (х, y10 нм) (рис.5а) проявляются как особенности в ИК области, связанные с вкладом электронов проводимости в CoFeZr слоях, так и особенности в районе 3,7 эВ характерные для межзонных переходов в аморфном кремнии, в этой области энергий 2 обнаруживает максимум, а пересекает ноль (значения 1 и 2 для aSi приведены на вставке к рис.5г). Для образца с большим содержанием металлической компоненты (f=71,1%) поведение спектров диагональной компоненты, как и спектров ЭЭК, близко к спектрам для чистого сплава CoFeZr. Для систем с меньшими толщинами слоев (х, y1-5 нм) (рис.5б) особенностей в поведении кривых в области 3, эВ, характеризующих межзонные переходы в a-Si, не наблюдается, также как в оптических спектрах мультислойной системы {CoFeZr(x)-SiO2(y)} (рис.5в).

Для выяснения природы наблюдаемых особенностей для мультислоев с х, y10 нм были рассчитаны спектры оптической проводимости =2*E, где E – энергия падающего излучения, и функции энергетических потерь L(hw) ~ -Im( -1)=2/(12+22). По спектрам оптической проводимости наблюдалось резкое увеличение значения в районе энергий 3,7 эВ, обусловленное межзонными переходами в аморфном кремнии. В дисперсионных зависимостях функции энергетических потерь обнаруживался максимум в районе 1,6 эВ, который незначительно смещался в зависимости от толщины металлических и полупроводниковых слоев, как и максимум в спектрах МО Рис.5. Действительная 1 (пустые точки) и мнимая 2 (сплошные точки) части диагональной компоненты ТДП систем {CoFeZr(x)-aSi(y)}n (а, б), {CoFeZr(x)-SiO2(y)}55 (в) при различных толщинах слоев и однородного аморфного сплава CoFeZr (г) эффекта, обнаруженный в этой же области энергий. Поскольку максимум в функции потерь проявлялся в районе энергий, где наблюдалось уменьшение 2 и 10, то можно предположить, что мы наблюдали потери, обусловленные плазменными колебаниями, тогда как другие потери, обусловленные, например, межзонными переходами, должны характеризоваться относительным максимумом в 2. Действительно, оценка энергии поверхностных плазмонов мультислойной системы {CoFeZr(x)-aSi(y)}n по формуле h s = h p / 1 + d, также дает величину h s 1,6 эВ (для расчета были взяты следующие параметры: h p 5,6 эВ и d 12 ). Следовательно, наблюдаемый максимум МО отклика для системы с толстыми слоями (х, y10 нм) в районе 1,6 эВ связан с поверхностными плазменными колебаниями в этой области энергий. Подобный максимум отсутствовал для наномультислойных пленок с меньшими толщинами слоев (х, y1-5 нм), что может быть связано, как с большей неоднородностью мультислоев с малыми толщинами, т.е. с большим влиянием интерфейсов, так и с возможным влиянием туннелирования через aSi на плазменные колебания.

В заключении перечислены основные результаты данной главы и сформулированы основные выводы.

В пятой главе описаны результаты исследования оптических, магнитных и МО свойств полупроводниковых пленок диоксида титана, допированного кобальтом.

Во введении к пятой главе речь идет о перспективах применения этого нового класса магнитных материалов в спиновой электронике и магнитофотонике, а также приводится обзор основных свойств таких структур. Описываются методы создания однофазного магнитного полупроводника в котором ферромагнетизм, обусловлен локальным обменным взаимодействием между спином носителей и локальным магнитным моментом примеси в гомогенном материале. Показано, что МО спектроскопия является одним из эффективных методов изучения разбавленных магнитных полупроводников.

В параграфе 5.2 описан процесс изготовления изучаемых образцов и приведены данные по их аттестации, а также результаты исследования структурных, магнитных и электрических свойств. Пленки оксидов титана, легированных Co, толщиной 0.2-0.3 мкм были получены методом высокочастотного магнетронного распыления металлической сплавной мишени в смеси Ar-O2 при парциальном давлении кислорода 2.10-6 - 2.10- тор на подложках LaAlO3. Изменение парциального давления кислорода в процессе получения пленок позволяло фиксировать в них различные структурные фазы TiO2-, которые возможно было изменять проведением дополнительных термических обработок.

В параграфе 5.3 приведены экспериментальные результаты по МО и оптическим исследованиям пленок Ti1-xCoxO2-.

На рис. 6 представлены МО спектры ФМ пленок TiO2- : 8%Со при различных структурных состояниях матрицы TiO2. Видно, что как значения ЭЭК, так и форма спектров зависят от структуры пленок. Не смотря на низкий уровень допирования, для пленки со структурой анатаза в области прозрачности матрицы наблюдается большое значение МО эффекта, превышающее даже значение для кобальта, что может иметь практическое TKE* TKE*