Магнитная анизотропия и гистерезисные свойства аморфных и нанокристаллических пленок Fe-M-Cu-Si-B (M: Nb, NbMo, W) : диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук : 01.04.11

В современной технике и технологиях достаточно давно имеет место тенденция к ми- ниатюризации устройств, одним из способов достижения которой является переход к функциональным средам в виде тонких плёнок. Важное значение в этом классе объектов имеют тонкие магнитные плёнки, используемые в качестве функциональной среды для сенсорных устройств [1–3]. Внедрение в микроэлектронику тонкопленочных сенсоров, в том числе на основе магнитомягких материалов, коммерчески является более привлека- тельным из-за уменьшения стоимости и возможности применения в более широком диа- пазоне устройств.
Среди магнитомягких материалов наибольшую популярность приобрели аморфные и нанокристаллические ленты сплавов на основе системы Fe-M-Cu-Si-B, где M – переход- ный металл [4]. Данные материалы обладают высокими значениями индукции насыщения и магнитной проницаемости наряду с низкими значениями коэрцитивной силы и удель- ных магнитных потерь. Магнитные свойства данных сплавов обусловлены их структурой, которая представляет собой зерна ОЦК-Fe(Si), распределенные в остаточной аморфной матрице. Размер зерен является критически важным при влиянии на магнитные свойства материала, что было объяснено в рамках модели случайной анизотропии [5]. Было пока- зано, что порядок влияния элементов на уменьшение размера зерна выглядит как Nb = Ta > Mo = W > V > Cr [6]. Наиболее эффективным элементом для улучшения магнитных свойств является Nb, при этом частичное замещение ниобия молибденом приводит к по- вышению устойчивости сплава к окислению [7, 8]. С момента открытия сплавов типа Fe- M-Cu-Si-B большинство исследований было посвящено оптимизации его свойств, путем варьирования сорта атомов переходного металла M в составе сплава и проведения терми- ческой и термомагнитной обработок при различных условиях.
Стремление реализовать магнитомягкие свойства лент сплавов типа Fe-M-Cu-Si-B в тонкопленочных объектах обуславливает новую волну интереса к данному материалу. Однако при изучении тонких пленок возникают технологические задачи, требующие ре- шения для достижения оптимальных магнитных свойств пленок: выбор типа подложки, температура подложки, рабочее давление в вакуумной камере, величина технологиче- ского поля. В последнее время предметом исследования тонких пленках сплавов типа Fe- M-Cu-Si-B являлись поиск подходящих режимов термомагнитной обработки, установле- ние влияния микроструктуры, механических напряжений и морфологии поверхности на
6
магнитные свойства, установление толщинных зависимостей магнитных свойств. В част- ности, на примере пленок данного сплава с Nb было показано, что процесс кристаллиза- ции в тонких пленках при отжиге начинается при более низких температурах, чем в лен- тах, а также отлична его кинетика. В тонкопленочном состоянии неровности поверхности пленок становятся существенным центрами задержки смещения доменных стенок, что влияет на гистерезисные свойства пленок. Из теоретических положений следует, что при уменьшении толщины пленки меньше, чем корреляционная длина обменной связи, усред- нение эффективной константы магнитной анизотропии начинает происходить по мень- шему объему, что приводит к росту ее величины и, как следствие, к увеличению коэрци- тивной силы.
Актуальность темы исследования
В настоящее время наблюдается стабильный интерес к магнитомягким тонким плен- кам, главным образом обусловленный высокой активностью в разработке практических приложений на их основе. В частности, магнитомягкие тонкие пленки являются перспек- тивной функциональной средой для различных сенсорных устройств. Несмотря на то, что существующие исследования охватывают множество вопросов (от способов получения тонких пленок до исследования их магнитных свойств), стабильность и воспроизводи- мость свойств тонких пленок, исследование влияния толщины на процесс кристаллиза- ции, а также установление связи между микроструктурой и магнитными свойствами тон- ких пленок до сих пор остаются не до конца решенными задачами, представляющими как фундаментальный, так и практический интерес.
Актуальность данной работы заключается в исследовании влияния тонкопленочного состояния на структуру и магнитные свойства сплава Fe-M-Cu-Si-B (M: Nb, NbMo, W). Развитие представлений о процессе перемагничивания в сплавах типа Finemet в тонко- пленочном состоянии и однозначные зависимости магнитных свойств от структурного состояния и толщины пленок позволят ожидать конкретных практических приложений этих материалов.
Актуальность проведенных исследований подтверждается также задачами, реализо- ванными в рамках темы, выполняемой по заданию Министерства образования и Науки РФ.

7
Степень разработанности темы исследования
Начало исследований тонких пленок сплавов типа Finemet (Fe73,5Cu1Nb3Si13,5B9) было положено в работах Г. Пето (G. Pető) и Е. Кижди-Косо (É. Kisdi-Koszó). Впервые были получены пленки данного сплава, проведен анализ структуры и магнитных свойств, не- сколько работ были посвящены исследованию влияния содержания меди в сплаве на маг- нитные свойства пленок. Однако, впоследствии тематика тонких пленок сплавов типа Finemet не получила дальнейшего развития в работах данных авторов.
Существенный вклад в изучение пленок семейства Finemet внесли работы М. Койс- сона (M. Coïsson), П. Гупта (P. Gupta) и А. Гупта (A. Gupta). Их исследования способство- вали изучению толщинных зависимостей магнитных свойств, влиянию условий получе- ния и структурного состояния пленок на их магнитные свойства. Работы И. Мулена (J. Moulin) отражают возможности практического применения пленок типа Finemet.
Результаты работы упомянутых выше авторов предоставляют весомый эксперимен- тальный материал преимущественно сравнительного характера. В недостаточной мере исследован процесс кристаллизации в тонких пленках, а также его кинетика, что затруд- няет анализ магнитных свойств, установление соответствующих закономерностей между структурой и магнитными свойствами. Практически отсутствуют данные о последствиях влиянии толщины и систематические данные о влиянии состава пленок за счет вариации атома-ингибитора на структуру тонких пленок. В целом магнитные свойства магнитомяг- ких нанокристаллических лент пока превосходят соответствующие свойства пленок, что определяет необходимость дальнейших исследований с целью оптимизации и воспроиз- водимости свойств пленок.
Коллектив исследователей кафедры магнетизма и магнитных наноматериалов и от- дела магнетизма твердых тел НИИ ФПМ Института естественных наук и математики Уральского федерального университета, на базе которых выполнялась данная диссерта- ционная работа, имеет многолетний опыт изучения магнитных свойств быстрозакален- ных материалов (работы О. А. Иванова, Н. А. Скулкиной, В. А. Катаева, Г. В. Кур- ляндской и др.), а также опыт работы со сплошными однослойными и многослойными тонкопленочными объектами, полученными методами высокочастотного ионно-плазмен- ного и магнетронного распыления (работы В. О. Васьковского, А. В. Свалова, П. А. Са- вина, В. Е. Иванова, В. Н. Лепаловского и др.), что является прочной основой для всесто- роннего рассмотрения вопросов тонкопленочного состояния сплавов типа Finemet.

Цель и задачи
8
Целью работы является установление связи между толщиной, микроструктурой и магнитными свойствами тонких пленок сплавов Fe-M-Cu-Si-B (M = Nb, W, NbMo).
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1)получение аморфных и нанокристаллических тонких пленок сплавов Fe73,5Nb3Cu1Si13,5B9, Fe73,5W3Cu1Si13,5B9 и Fe72,5Nb1,5Mo2Cu1,1Si14,2B8,7 толщиной от 10 до 200 нм; аттестация микроструктуры и химического состава полученных пленок;
2) установление толщинных зависимостей магнитных свойств тонких пленок сплавов с различными атомами-ингибиторами;
3) определение влияния условий термообработки аморфных тонких пленок сплавов Fe73,5Nb3Cu1Si13,5B9, Fe73,5W3Cu1Si13,5B9 и Fe72,5Nb1,5Mo2Cu1,1Si14,2B8,7 на формирование нанокристаллической структуры и магнитных свойств;
4) исследование магнитной анизотропии тонких пленок сплавов Fe73,5Nb3Cu1Si13,5B9, Fe73,5W3Cu1Si13,5B9 и Fe72,5Nb1,5Mo2Cu1,1Si14,2B8,7.
Научная новизна
Проведено систематическое исследование структуры и магнитных свойств тонких магнитных пленок варьируемого состава Fe-M-Cu-Si-B (M: Nb, NbMo, W) в диапазоне толщин 10–200 нм.
Показано, что в процессе получения пленок Fe-M-Cu-Si-B присутствие внешнего маг- нитного поля приводит к формированию в них наведенной одноосной магнитной анизо- тропии. Установлен механизм, определяющий возникновения в данных пленках наведен- ной одноосной магнитной анизотропии, в основе которого лежит закрепление подложкой магнитострикционной деформации пленок.
Исследована кинетика кристаллизации в тонких пленках Fe-M-Cu-Si-B методом рент- геноструктурных исследований в процессе нагрева. Показано, что кристаллизация пленок начинается при температуре примерно на 100 °С ниже, чем лент сплава аналогичного со- става, и происходит за счет резкого роста зерен нанометрового масштаба. Обнаружено, что с уменьшением толщины пленок происходит задержка процесса кристаллизации.
Использован метод корреляционной магнитометрии для анализа локальной магнит- ной анизотропии тонких пленок Fe-M-Cu-Si-B. Показано, что в пленках Fe-M-Cu-Si-B в аморфном и нанокристаллическом состояниях формируется стохастическая доменная

9
структура. При уменьшении толщины в пленках происходит изменение размерности кор- реляций намагниченности от трехмерной к двумерной.
Теоретическая и практическая значимость работы
Комплексное исследование тонких пленок Fe-M-Cu-Si-B (M=Nb, W, NbMo) позволяет определить закономерности влияния толщины и структурного состояния на их магнитные свойства. Полученные результаты дополнят существующие экспериментальные данные о влиянии легирующих элементов в тонких пленках сплава Fe-M-Cu-Si-B. Также резуль- таты будут направлены на развитие модели случайной магнитной анизотропии примени- тельно к пленочным средам.
Тонкие пленки исследуемого состава, где в качестве варьируемого атома-ингибитора выступает Nb, демонстрируют наименьшую величину коэрцитивной силы, что позволяет рассматривать их в качестве функциональной среды для сенсорных устройств.
Полученные в рамках данной работы результаты о кинетике кристаллизации пленок в совокупности с анализом гистерезисных свойств могут быть востребованы для прогно- зирования и управления магнитными свойствами тонких пленок Fe-M-Cu-Si-B (M: Nb, W, NbMo) с целью их практического применения.
Методология и методы исследования
Для достижения поставленных в работе цели и задач использовались современные методы аттестации и контроля структурного состояния образцов тонких пленок, а также исследования их магнитных свойств.
Исследование структуры тонких пленок осуществлялось с помощью разнообразных методов рентгеноструктурного анализа и сканирующей зондовой микроскопии. Уникаль- ной методикой, используемой в данной работе, является проведение рентгеноструктур- ного анализа пленок в процессе нагрева, что позволяет наблюдать кинетику процесса кри- сталлизации в тонких пленках. Магнитные измерения тонких пленок в ходе исследования проводились с помощью методов магнитометрии, магнитооптической и магнито-силовой микроскопии.

10
Положения, выносимые на защиту
1. Намагниченность насыщения пленок Fe-M-Cu-Si-B резко уменьшается при толщи- нах менее 150 нм. С уменьшением толщины возрастает вклад от неферромагнитного ок- сидного слоя на поверхности пленки.
2. В процессе получения пленок Fe-M-Cu-Si-B присутствие внешнего магнитного поля приводит к формированию в них наведенной одноосной магнитной анизотропии. Определяющим механизмом наведенной анизотропии является фиксирование подложкой магнитострикционной деформации, возникающей при образовании пленки.
3. При нагреве выше 400 °С происходит кристаллизация пленок Fe-M-Cu-Si-B. Кри- сталлизация начинается при более низкой температуре, чем температура кристаллизации аморфных лент, и развивается за счет резкого роста зерен размером, превышающим оп- тимальный размер в быстрозакаленных лентах аналогичного состава. В процессе кристал- лизации размер зерен не меняется, а увеличивается их общий объем в кристаллической фазе.
4. В пленках Fe-M-Cu-Si-B формируется стохастическая доменная структура, харак- теризующаяся радиусом магнитных корреляций и усредненной константой анизотропии. При уменьшении толщины пленок происходит изменение размерности корреляций намагниченности от трехмерной к двумерной.
Степень достоверности и апробация результатов
Экспериментальные результаты, обсуждаемые в работе, получены с помощью совре- менных методик исследования тонких пленок и проанализированы с использованием ме- тодов, признанных и широко используемых другими исследователями. Достоверность ре- зультатов обеспечивается систематическим характером исследований, удовлетворитель- ным согласием с ранее полученными результатами исследований.
Материалы диссертационной работы были представлены на следующих научных кон- ференциях: Moscow International Symposium on Magnetism MISM (2014, 2017, Москва), Всероссийская научная конференция студентов–физиков и молодых учёных ВНКСФ (2014 – Ижевск, 2017 – Екатеринбург), Международная молодежная научная конферен- ция «Физика. Технологии. Инновации» ФТИ (2015, 2016, Екатеринбург), Всероссийская школа-семинар по проблемам физики конденсированного состояния вещества СПФКС

11
(2014, 2015, 2016, Екатеринбург), Российская молодежная научная конференция «Про- блемы теоретической и экспериментальной химии» (2015, 2016, Екатеринбург), Euro- Asian Symposium “Trends in MAGnetism” EASTMAG (2016, Красноярск), Байкальская международная конференция “Магнитные материалы. Новые технологии” BICMM (2012, 2016, Иркутск), Sino-Russian ASRTU Symposium on Advanced Materials and Processing Technology (2016, Екатеринбург), International Baltic conference on magnetism IBCM (2015, Светлогорск), The European Conference PHYSICS OF MAGNETISM (2014, Познань).
Личный вклад автора
Диссертация выполнена на базе кафедры магнетизма и магнитных наноматериалов и отдела магнетизма твердых тел НИИ ФПМ Института естественных наук и математики Уральского федерального университета.
Выбор тематики исследования, постановка целей и задачей исследования, обсужде- ние результатов исследования и подготовка научных публикаций проводились совместно с научным руководителем Катаевым Василием Анатольевичем. Автор участвовал в под- готовке мишеней и частично в процессе получения образцов пленок и их аттестации. Ав- тором выполнены обработка данных рентгеноструктурного анализа и атомно-силовой микроскопии с помощью существующих программных пакетов, определены структурные параметры образцов, дана интерпретация кинетики структурных превращений в тонких пленках в процессе термообработки.
Проведено исследование гистерезисных свойств тонких пленок методом магнитооп- тической микроскопии на основе эффекта Керра.
Используя метод корреляционной магнитометрии, автор провел анализ магнитной микроструктуры в тонких пленках Fe-Nb-Cu-Si-B и ее влияния на макроскопические маг- нитные свойства пленок.
Результаты исследований докладывались автором на всероссийских и международ- ных конференциях.
Работа автора была поддержана частным благотворительным фондом Михаила Про- хорова, которая в рамках программы «Академическая мобильность» позволила провести рентгеноструктурные исследования в Группе магнетизма и магнитных материалов Уни- верситета страны Басков и получить ценные результаты, и Национальной стипендиаль- ной программой Республики Словакия (National Scholarship Program of The Slovak

12
Republic), которая позволила пройти месячную стажировку в Институте эксперименталь- ной физики г. Кошице (Словакия). Достижения атовра были отмечены стипендиями Гу- бернатора Свердловской области (2014 г.) и Правительства Российской Федерации (2014- 2015 гг.).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 26 печатных работ, из них 4 — в изданиях, вклю- ченных в Перечень рецензируемых научных изданий, рекомендованных Высшей аттеста- ционной комиссией при Министерстве образования и науки Российской Федерации для опубликования основных научных результатов диссертаций.
Диссертация включает в себя введение, пять глав, заключение и список цитируемой литературы. Общий объем составляет 165 страниц, 56 рисунков, 10 таблиц, список ис- пользованных источников из 230 наименований.