ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 6, с. 829-831
УДК 548:537.611.44
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИТНЫХ ПЛЕНОК Fe-Ti-O, ПОЛУЧЕННЫХ ТВЕРДОФАЗНЫМ СИНТЕЗОМ © 2015 г. К. П. Полякова1, В. В. Поляков1, В. А. Середкин1, Г. С. Патрин1, 2
E-mail: pkp@iph.krasn.ru
Приведены результаты исследования магнитных и магнитооптических свойств композитных пленок Fe—Ti—O составов выше порога перколяции, полученных в условиях твердотельной реакции с обменом кислородом в слоистых структурах FeO/Ti. Обнаружены особенности магнитооптических спектров полученных пленок в сравнении со спектрами сплошных пленок металлов.
DOI: 10.7868/S0367676515060277
Композитные пленки с неоднородным распределением компонет в плоскости пленки (наногра-нулированные пленки), состоящие из ферромагнитных гранул, находящихся в диэлектрической матрице, обладают рядом интересных свойств среди которых следует отметить туннельное магнито-сопротивление, магниторефрактивный эффект, увеличение магнитооптических эффектов. Большинство исследований посвящено гранулированным пленкам в диэлектричеких матрицах 8102 и А1203.
Магнитооптические спектры в неоднородных системах, в сравнении со сплошными пленками, зависят от коэффициента заполнения магнитной фракцией (или относительного объема) и типа диэлектрической матрицы [1—3]. В связи с этим представляют интерес магнитооптические свойства гранулированных пленок в матрице ТЮ2 [4—6] с диэлектрической константой, превышающей соответствующие значения 8102 и А1203.
Ранее было показано, что продуктами твердофазной реакции
2СоО + Т1 ^ 2Со + Т102 являются гранулы Со в матрице окиси титана [4]. Учитывая высокую химическую активность титана по отношению к кислороду, для получения гранулированных пленок Бе в диэлектрической матрице окиси титана мы использовали следующую реакцию:
2Бе0 + Т1 ^ 2Бе + ТЮ2.
Здесь реагентами реакции могут служить слои БеО и Т1 на подложке. Для изменения соотношения объемов магнитной и диэлектрической фаз в продуктах реакции необходимо менять не только
1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики имени Л.В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук, Красноярск.
2 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский федеральный университет", Красноярск.
соотношение толщин слоев реагентов, но и давление остаточных газов. Объемную концентрацию магнитной фазы определяли как Х = V%/(FFe + Vj¡), а твердотельные реакции в слоистых структурах FeO/Ti осуществляли в режиме изотермического отжига.
Пленки FeO были получены окислением на воздухе при температуре 620 K пленок железа, осажденных методом термического испарения в вакууме ~10-6 Торр на пластины покровного стекла при температуре 470—520 K. Слои титана осаждали методом ионно-плазменного распыления массивной мишени титана в атмосфере аргона при давлении (4—5) 10-4 Торр и температуре подложки ~320 K. Твердофазная реакция осуществлялась в режиме изотермического отжига при температуре 570—600 K в вакууме 10-6—10-5 Торр. В работе представлены результаты исследования магнитных свойств композитных пленок с объемной концентрацией 0.5, 0.56 и 0.63.
Химический состав и толщину пленок контролировали методом рентгеноспектрального флуоресцентного анализа. Кристаллическую структуру анализировали методом рентгеноструктурного фазового анализа. Магнитные свойства полученных пленок были измерены с использованием магнитооптического магнитометра Nano MOKE 2. Измерение величин полярного магнитооптического эффекта Керра (9k ) а также их спектральные зависимости снимали по методике нуль-анализатора с двойной модуляцией плоскости поляризации падающего света по азимуту на магнитооптическом стендев полях до 14 кЭ. Измерения проводили при комнатной температуре в интервале длин волн 400—1000 нм. Точность измерения составляла 0.2 нм.
Результаты рентгеноструктурных исследований пленок, полученных отжигом пленочных структур FeO/Ti, показали восстановление Fe в продуктах реакции.
830
ПОЛЯКОВА и др.
а
б
в
Рис. 1. Кривые перемагничивания пленок Ре—И—О с объемными концентрациями Х = 0.35 (а), Х = 0.6 (б) и Х = 0.63 (в).
Значение удельного электросопротивления, составляющие р = 5 • 10-3 Ом • м для Х = 0.5 соответствует наногранулированным пленкам в непроводящей матрице.
Исследование магнитных свойств полученных композитных пленок Бе—И—О показало следующее.
29k, град
X, нм
Рис. 2 . Спектральные зависимости угла керровского вращения пленок Fe—Ti—O с Х = 0.5 (кривая 1), Х = = 0.56 (кривая 2), с Х = 0.63 (кривая 3), однородной пленки Fe (кривая 4) и пленки полученной из слоистой структуры Ti—O/ Fe/Ti—O (кривая 5).
Вид кривых перемагничивания в плоскости пленок с объемными концентрациями Х = 0.4 и выше указывает на ферромагнитный характер взаимодействия между магнитными гранулами. На рис. 1 представлены кривые перемагничивания пленок с X = 0.35 (а), 0.56 (б), 0.63 (в). Значения коэрцитивной силы пленок с концентраций 0.5, 0.56, 0.63 равны 600, 500 и 350 Э соответственно. Как видно, с увеличением объемной концентрации магнитной фазы коэрцитивная сила пленок уменьшается. Для гранулированных пленок наблюдались как аналогичная, так и обратная зависимости коэрцитивной силы от концентрации [7].
Магнитооптические спектры полученных пленок были исследованы в области видимого света в магнитном поле до 14 кЭ.
Спектральные зависимости эффекта Фарадея были измерены на пленках с Х = 0.5. Спектр фара-деевского вращения представляют собой немонотонную зависимость с широким максимумом в области длин 750—800 нм. Значение угла фарадеевско-го вращения в максимуме достигает 9 град • мкм-1.
На рис. 2 представлены зависимости угла вращения (29k) полярного эффекта Керра от длины волны (к) пленок для Х = 0.5, 0.56 и 0.63, а также для однородной пленки Fe толщиной 30 нм. Как видно, зависимости являются немонотонными. В отличие от исследованных ранее гранулированных пленок Co—Ti—O [5] спектры пленок Fe—Ti—O не носят ярко выраженного резонансного характера, хотя и показывают значительное усиление (в 5 раз) угла вращения в коротковолновой области спектра для концентрации Х = 0.5 в сравнение с одно-
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИТНЫХ ПЛЕНОК Fe—Ti—O
831
29k, град 1.2 -
0.8 -
0.4 -
0
0.45 0.50 0.55 0.60 0.65
X, отн. ед.
Рис. 3. Зависимость абсолютного значения максимального угла керровского вращения от объемной концентрации магнитной фазы на длине волны 400 нм.
родными пленками железа. На рис. 3 изображена зависимость абсолютного значения максимального угла керровского вращения от объемной концентрации на длине волны 400 нм. Для Х = 0.5 наблюдается усиление магнитооптического вращения в коротковолновой области спектра. Еще больший рост (в 20 раз) керровского вращения наблюдается у композитных пленок с такой же концентрацией, полученных нами традиционным способом, а именно последовательным нанесением слоев Fe и Ti—O и последующим отжигом (рис. 2, кривая 5).
Следует отметить, что наблюдаемые особенности в спектре эффекта Керра полученных композитных пленок характерны для неоднородных сред металл—диэлектрик [5, 6, 8, 9]. Можно видеть, что результаты исследований магнитооптических свойств полученных пленок носят предварительный характер и не могут быть объяснены в рамках настоящего эксперимента.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 14-02-00238-а).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Abe M., Gomi M. // Jpn. J. Appl. Phys. 1984. V 23. P. 1580.
2. Gan'shina E., Granovsky A., Dieny B, Kumaritova M., Yurasov A. // Physica B. 2001. V. 299. P. 260.
3. Дынник Ю.А., Эдельман И.С., Морозова Т.П., Ким П.Д., Турпанов И.А., Бетенькова А.Я. // Письма в ЖЭТФ. 1997. Т. 65. № 7. С. 53.
4. Поляков В.В., Полякова К.П., Середкин В.А., Жарков С.М. // Физика тв. тела 2009. Т. 51. Вып. 9. С. 1757.
5. Поляков В.В., Полякова К.П., Середкин В.А., Пат-рин Г.С., Бондаренко Г.В. // Изв. РАН. Сер. Физ. 2011. Т. 57. № 8. С. 11684; Polyakov V.V., PolyakovaK.P., Seredkin V.A., Patrin G.S., Bondarenko G.V. // Bull. Russ. Acad. Sci. Physics. 2011. V. 57. № 8. P. 1106.
6. Gan'shina E.A., Granovsky A.B., Orlov A.F. // J. Magn. Magn. Mater. 2009. V. 321. P. 723
7. Стогней О.В., Ситников А.В. // Физика тв. тела 2010. Т. 125. Вып. 12. С. 2356.
8. Gan'shina E.A., Aimuta K., Granovsky A.B., Kochneva M., Sherbak P., Vashuk M.V. // J. Appl. Phys. 2004 . V. 95. № 11. P. 6882.
9. Кравец В.Г., Поперенко Л.В. // Оптика и спектроскопия. 2008. Т. 104. С. 677.
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.