Письма в ЖЭТФ, том 89, вып. 12, с. 725-729
© 2009 г. 25 июня
Фазовые превращения в Мп/Ге(001) пленках: структурные и
магнитные исследования
В. С. ЖигаловВ. Г. Мягков*, О. А. Баюков*, Л. Е. Быкова*, Г. Я. Бондаренко+, А. А. Мацынин
Сибирский государственный аэрокосмический университет им. М.Ф. Решетнева, 660036 Красноярск, Россия * Институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отд. РАН, 660036 Красноярск, Россия + Институт химии и химической технологии Сибирского отд. РАН, 660036 Красноярск, Россия
Поступила в редакцию 9 апреля 2009 г.
После переработки 13 мая 2009 г.
Показано, что твердофазный синтез в эпитаксиальных Мп/Ре(001) двухслойных пленочных системах состава 24 ат.% Мп начинается при температуре 220°С с формирования решетки 7-аустенита и при отжиге до 600 °С пленки Мп и Ре реагируют полностью. После отжига в процессе охлаждения образца ниже 220 °С 7-аустенит по мартенситному механизму превращается в ориентированный е(100)-мартенсит. При повышении температуры отжига выше 600° С атомы Мп мигрируют из 7-решетки, которая становится неустойчивой, и пленка частично снова трансформируется в эпитаксиальный Ре(001) слой. Обосновывается предположение, что твердофазный синтез в Мп/Ре(001) двухслойных нанопленках и мультислоях определен обратным е —¥ 7 мартенситным переходом в Мп-Ре системе. Предполагается существование нового структурного низкотемпературного (~ 220 °С) перехода в Мп-Ре системе с высоким содержанием железа.
РАСБ: 66.30.Pa, 81.15.Np, 81.20.Ka, 81.30.Вх
Введение. Экспериментальные и теоретические исследования показывают, что слои Мп на металлических поверхностях обладают необычными структурными и магнитными свойствами [1,2]. Хорошо известно, что а-Мп имеет сложную кубическую структуру, однако высокотемпературные 7- и 5-фазы Мп имеют простые гранецентрированную и объемно-центрированную решетки, соответственно. Это предполагает стабилизацию высокотемпературных фаз эпитаксиальным ростом тонких пленок Мп на кубические (001) подложки [3]. Осаждение Мп на поверхность Ее(001) приводит к формированию деформированной объемно-центрированной тетрагональной структуры [4,5]. Мессбауэровские данные указывают на присутствие сплава Г<^.Мп| г на интерфейсе в Мп/Те образцах, растущего при температурах выше 50° С [5]. Фотоэмиссионные измерения показывают перемешивание на Мп/Ее интерфейсе при 150°С [6]. Сплавление ультратонких пленок Мп с Ее№ наблюдается после отжига при 280 °С в течение 20 с [7]. Синтез е- и 7-фаз Мп-Ее системы осуществлен под действием облучения ионами криптона двухслойных пленок Мп/Ее [8] и механическим сплавлением [9]. Условия твердофазного сплавления Мп с Н» и формирования Г<^.Мп| г сплавов остаются
1'е-таП: zhigaloveiph.krasn.ru
неизученными. Эти сплавы с высоким содержанием железа обладают уникальными свойствами, включающими низкотемпературные 200 °С) мартенсит-ные превращения [10], инварный эффект [11] и используются как антиферромагнитные слои в пленочных структурах с обменным взаимодействием [12].
В данной статье описаны исследования твердофазных превращений поликристаллической Мп пленки, осажденной на эпитаксиальный Ее(001) слой. Результаты работы показали, что ориентированный е(100)-мартенсит образуется в продуктах реакции в температурном диапазоне (220-600)°С. При температурах отжига выше 600 °С происходит десорбция Мп из пленки и восстановление первоначального Ее(001) слоя.
Образцы и методика эксперимента. Пленочные Мп/Ее(001) структуры изготавливались методом термического испарения электронной бомбардировкой Мо тигля в вакууме Ю-6 торр. Первый слой Ее толщиной 150 нм наносился при температуре (220-250)°С на монокристаллическую подложку ]^0(001). При этих температурах кристаллиты а-Ее росли эпитаксиально плоскостью (001) на поверхности ]^0(001). Следующий слой Мп толщиной 40-50 нм осаждался при комнатной температуре, чтобы избежать неконтролируемой реакции со слоем Ее. Тонкий верхний слой Ее толщиной ~ 10 нм нано-
сился для защиты пленки Мп от окисления. При данных соотношениях толщин полученные образцы соответствовали ~24ат.% номинальной концентрации содержания Мп. При этих концентрациях сплавы Мп„Ге1_а, обладают е ^ 7 мартенситным превращением. Исходные пленочные структуры подвергались термическому отжигу в вакууме в температурном диапазоне от 100 до 800 °С с шагом 50 °С и выдержкой при каждой температуре 30 мин. Измерения намагниченности насыщения М$ и первой константы кристаллографической анизотропии К\ выполняли методом крутящих моментов с максимальным магнитным полем 18 кЭ. Мессбауэровские спектры были измерены с источником Со57(Сг) в режиме постоянных ускорений. Фазовый состав и структурные параметры получены методом рентгеновской спектроскопии на дифрактометре ДРОН-4. Толщина каждого слоя Мп и Ее определялась с помощью рентгено-флуоресцентного анализа. Все измерения сделаны при комнатной температуре. Измерения электрического сопротивления выполнены четырехзондовым методом.
Экспериментальные результаты. Рентгеновский спектр исходного образца Мп/Ге(001) содержал только Ге(002) отражение (рис.1а). Наличие одно-
§
t
£
(Л
е
и
.(а) MgO (002)Kp/ 1 Mg0(002) r 1 Fe(002)
" 8(100) <b>y (c)l/ . > L..........J --------------------
WJ/ \ Fe(002) V . » .
35
4S
55 65
20 (deg)
75
Рис.1. Дифрактограммы эпитаксиальной Mn/Fe(001) пленочной системы от температуры отжига: (а) -20 °С; (Ь) - 250 °С; (с) - 600 °С; (d) - 800 °С
го Ге(002) отражения свидетельствует об эпитакси-альном росте слоя железа, осажденного на поверхность Mg0(001). Из-за поликристаллической структуры в спектре отсутствуют рефлексы от Мп. Месс-бауэровский спектр исходного образца Мп/Ге(001) (рис.2а) имеет отношение площадей линий сексте-
il •• - " .* 1 1 .
§
t £
СЛ
е
и
(a)
(b) Ч:
(c)
А /Ч * .Л Г*
;) : 1 » *.л •
_L
V
_1_
-10
-5 0 5
Velocity (mm/s)
10
Рис.2. 57Fe мессбауэровские спектры эпитаксиальной Mn/Fe(001) пленочной системы после различных температур отжига: (а) - 20 °С; (Ь) - 600 °С; (с) - 800 °С
та 3:4:1 и параметры сверхтонкой структуры (таблица), характерные для слоя a-Fe с намагничен-
Мессбауровские параметры пленок после различных
температур отжига. IS — изомерный химический сдвиг относительно a-Fe, Н — сверхтонкое поле, QS — квадрупольное расщепление, W — ширина линий, А — заселенность неэквивалентных позиций
IS, мм/с Я, кЭ QS, мм/с W, мм/с A,%
20 °c 0.008 331 0 0.30 95
0.129 212 0.01 0.18 5
200 °C -0.089 0 0.61 0.42 77
-0.082 0 0 0.40 23
800 °C 0.015 336 0 0.24 10
0.010 325 0 0.29 23
0 309 0 0.40 29
-0.015 299 -0.06 0.19 6
-0.020 281 0.04 0.64 24
-0.090 0 0 0.28 8
ностью, лежащей в плоскости пленки. 5 %-я примесь дополнительной фазы с полем 212 кЭ, вероятно, связана с межслойным железом. Исходные Мп/Ге(001) образцы имели также двухосную анизотропию с константой, равной первой константе магнитокристаллографической анизотропии К\ массивного железа. Анализ расположения легких осей показывает, что нижний Ге(001) слой растет
Фазовые превращения в Мп/Ре(001) пленках
727
на М^0(001) в соответствии с ориентационным соотношением Ге(001)[110]||мё0(001)[100]. Структурные особенности и магнитные характеристики слоя Ге(001), осажденного на М^0(001), подробно описаны в наших предыдущих публикациях [13].
На рис.3 приведены относительные изменения намагниченности насыщения М$ (а) и первой констан-
1.0
(Л
'3 0 8
¡3
■А 0.6
о- 0.4
0.2
0
1.0
(Л
0.8
¡3
0.6
(Я
0.4
0.2
0
"(а) | 1 ^-Т 1
" (Ь) | , , ,
200
400 600
г5 (°С)
800
1000
Рис.3. Зависимости нормализованной намагниченности насыщения Мв(а) и нормализованной величины константы магнитокристаллографической анизотропии железа А'х(Ь) Мп/Ре(001) пленочных образцов от температуры отжига Т5. Штриховой линией обозначена температура инициирования То ~ 220° С твердофазной реакции
ты кристаллографической анизотропии К\ (Ь) в зависимости от температуры отжига Т$. До температуры 200 °С значения М$ и К\ не менялись, что указывает на отсутствие перемешивания и формирование соединений лишь на интерфейсах слоя Мп с слоем Ге. При температурах отжига выше 200 °С значения М$ и К\ уменьшаются и при температуре 600 °С становятся равными нулю. Одновременное уменьшение намагниченности насыщения М$ и константы магнитной анизотропии К\ указывает на образование в продуктах реакции неферромагнитных фаз. Дальнейшее увеличение отжига до температуры 800°С приводит к увеличению М$ и К\ (рис.3).
Результаты измерений температурных зависимостей М3(Т3) и А"1(Т5) пленочной Мп/Ге(001) структуры согласуются с эволюцией рентгеновских спектров этих образцов (рис.1). Дифрактограммы не изменялись до температуры 200 °С, что подтверждает отсутствие формирования новых соединений в
исходных Мп/ге(001)/]у^0(001) образцах. Резкое уменьшение пика Ге(002) при температурах отжига выше 200° С и образование нового рефлекса с параметром 0.222 нм (рис.1Ь) подтверждает начало твердофазной реакции между слоями Мп и Ге. Данный пик соответствует рефлексу (ЮО)е-мартенсита, который растет с ростом температуры отжига (рис.1с). Мессбауровский спектр подтверждает формирование парамагнитной е-МпГе фазы (рис.2Ь, таблица), которая составляет основную часть (77%) материала. Часть сплава (23%) формирует 7-фазу. Увеличение температуры отжига до 600 °С приводит к полному исчезновению Ге(002) рефлекса (рис.1с). Эти данные полностью согласуются с магнитными измерениями и показывают, что при 600 °С слой Ге полностью прореагировал с пленкой Мп (рис.3). Увеличение значений М$ и А" 1 для пленок, отожженных в интервале от 600 до 800°С (рис.3), связано с повторным образованием эпитаксиального слоя Ге(001), что подтверждается появлением на дифрактограммах сильного (002) рефлекса (рис.Ы), а в мессбауэровском спектре вновь появляется секстет, (рис.2с). Многокомпонентность системы (таблица) связана с диффузией марганца и образованием сплава ГеМп с концентрационной неоднородностью. Небольшая часть сплава (8 %) остается в 7-состоянии. Магнитные измерения (рис.3) и месс-бауэровские данные (таблица) показывают, что восстанавливается 40-60% п
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.