ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2014, № 11, с. 37-41
УДК 539.231:539.216
ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНООСНОЙ МАГНИТНОЙ АНИЗОТРОПИИ ТОНКИХ ПЛЕНОК СИЛИЦИДА ЖЕЛЕЗА, ИОННО-СИНТЕЗИРОВАННЫХ
ВО ВНЕШНЕМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ
© 2014 г. А. В. Алексеев*, Г. Г. Гумаров, Д. А. Коновалов, В. Ю. Петухов, В. И. Нуждин
Казанский физико-технический институт им. Е.К. Завойского КазНЦРАН,
420028 Казань, Россия *Е-таИ: alexceevanton@gmail.com Поступила в редакцию 23.01.2014 г.
Тонкие пленки ферромагнитного Бе^ были синтезированы методом имплантации ионов железа в пластины монокристаллического 81(111) и 81(100). С помощью магнитооптического эффекта Керра была детально исследована зависимость магнитных свойств тонких пленок силицидов железа от дозы ионной имплантации. В зависимости от режимов ионно-лучевого синтеза формировались как магнитно-изотропные, так и магнитно-анизотропные пленки. С повышением дозы ионной имплантации значение коэрцитивной силы возрастает. Рентгеноструктурный анализ показал, что магнитно-изотропные образцы со средним размером кристаллитов 20—30 нм обладают большей степенью кристаллизации по сравнению с магнитно-анизотропными пленками. Полученные результаты свидетельствуют о том, что магнитные свойства как изотропных, так и анизотропных образцов могут быть описаны в рамках модели случайной анизотропии. Установлено, что с увеличением дозы ионной имплантации магнитокристаллическая анизотропия случайно ориентированных кристаллитов конкурирует с одноосной наведенной анизотропией вплоть до ее подавления.
Б01: 10.7868/80207352814090030
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время появились работы по получению и исследованию тонких слоев ферромагнитного силицида железа Бе381. Интерес к этому соединению вызван тем, что на границе между п-81 и Бе381 образуется барьер Шоттки, обладающий поляризующими свойствами для электронов проводимости. Этот переход может быть использован при создании как магнитных датчиков [1], так и устройств спинтроники [2]. Обычно такие силициды получают методом молекулярно-лучевой эпитаксии [3, 4]. Для создания тонких магнитных пленок может быть также использован метод ионной имплантации [5]. Известно, что облучение быстрыми ионами является одним из эффективных методов управления магнитными свойствами тонких пленок [6]. Этот метод обладает широким спектром возможностей, в частности позволяет изменять локальные свойства модифицируемых слоев. Особый интерес вызывает высо-кодозная ионная имплантация, которой присущ ряд особенностей [7]. Кроме того, имплантацией ионов с высокой дозой можно получать материалы с уникальными свойствами (метод ионно-лу-чевого синтеза). Для формирования анизотропных ферромагнитных слоев силицида железа
Бе381 в кремнии нами был предложен метод ионно-лучевого синтеза во внешнем магнитном поле [8].
Ранее при исследовании полученных структур методами индукционной магнитометрии, дифракции быстрых электронов на отражение и магнито-оптического эффекта Керра было установлено, что на магнитные свойства тонких синтезированных пленок могут оказывать влияние режимы ионно-лучевого синтеза, механические напряжения в подложке, наличие температурного градиента, неоднородность распыления ионного пучка [9]. Целью данной работы являлось детальное изучение влияния режимов имплантации на кристаллическую структуру формируемых тонких ионно-синтезированных пленок и установление механизма возникновения в них магнитной анизотропии.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В качестве подложек были использованы пластины монокристаллического кремния, вырезанные вдоль кристаллографических плоскостей (100) и (111). Имплантация ионов Бе+ с энергией 40 кэВ проводилась на ускорителе ИЛУ-3 при комнатной температуре. Доза имплантации варьировалась от 1.4 х 1017 ион/см2 до 3 х 1017 ион/см2 с шагом
29, град
Рис. 1. Рентгенограммы анизотропных и изотропных ионно-синтезированных тонких пленок силицида железа. Вертикальными линиями обозначены табличные положения и амплитуды рефлексов для сте-хиометричного а'-Без81.
0.2 х 1017 ион/см2, плотность ионного тока составляла ] = 5 мкА/см2. Во время имплантации параллельно поверхности пластин было приложено внешнее магнитное поле напряженностью Н = 4 х х 104 А/м.
Для исследования фазового состава и структуры синтезированных образцов использовался метод рентгеноструктурного анализа в скользящей геометрии падения рентгеновских лучей (ДРОН-3М, Си^-излучение).
Локальные магнитные свойства исследовались сканированием поверхности образцов на оригинальном магнитополяриметре в режиме меридионального эффекта Керра [10]. Размер лазерного пятна составлял ~50 мкм, угол падения светового луча был равен 45°. Сканирование проводилось по поверхности образцов площадью 7 х 7 мм2 с шагом 1 мм. После каждого цикла сканирования с записью кривых намагничивания образец поворачивался на угол 9°. Таким образом, для каждой из 49 условных точек поверхности была построена угловая (азимутальная) зависимость приведенной остаточной намагниченности Мг/М&.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Рентгеноструктурный анализ показал существенные различия между дифрактограммами от магнитно-анизотропных и магнитно-изотропных образцов, синтезированных при одинаковых режимах ионной имплантации (рис. 1). Было определено, что у магнитно-анизотропной пленки отсутствуют линии 400 и 422 от стехиометри-ческого Бе381, а рефлекс 202 имеет значительно меньшую интенсивность и большую ширину по
сравнению с тем же рефлексом для изотропного образца. При этом у образцов с магнитной анизотропией отсутствует кристаллическая текстура, а характерные для Fe3Si рефлексы от плоскостей (111) и (002) малоинтенсивны.
Моделирование полученных дифракционных спектров было проведено с помощью программы Maud 2.33 [11]. Путем вариации параметров рассматриваемых фаз данная программа позволяет провести анализ структуры, определить процентное содержание фазы и установить наличие микронапряжений. Установлено, что спектры образцов с изотропными магнитными свойствами хорошо описываются в предположении наличия двух фаз со следующими концентрациями: 50— 60% а' — Fe3Si и 50—40% s — FeSi. Этот результат находится в согласии с данными, полученными методом мессбауэровской спектроскопии конверсионных электронов [12]. Моделирование спектров также показало, что средний размер кристаллитов фазы Fe3Si для магнитно-изотропных образцов составляет ~20—30 нм, а значение микронапряжений мало.
В отличие от этих результатов, математическая обработка дифрактограмм от магнитно-анизотропных образцов указывает на присутствие существенных микронапряжений ~4%. При этом в ширину рефлекса вносят вклад не только микронапряжения, но и значительно меньшие в сравнении с магнитно-изотропными пленками размеры кристаллитов. Таким образом, для магнитно-анизотропного образца наблюдается значительно меньшее кристаллическое упорядочение, что обычно приводит к уменьшению коэрцитивной силы в тонких гранулярных пленках. Этот вывод хорошо согласуется со сделанным ранее предположением о применимости модели Герцера при формировании анизотропии магнитных наночастиц [13, 14].
На рис. 2 представлены кривые намагничивания для осей легкого и трудного намагничивания, получаемые при сканировании образцов методом магнитооптического эффекта Керра. Построенное в полярных координатах отношение остаточной намагниченности Mr к намагниченности насыщения Ms представляет собой азимутальную зависимость приведенной остаточной намагниченности Mr/Ms (рис. 3). Построенные для каждой точки поверхности угловые зависимости Mr/Ms, образуют топограмму, которая демонстрирует не только наличие магнитной анизотропии, но и локальные направления оси легкого намагничивания и оси трудного намагничивания.
Топограммы показали, что в некоторых точках образцов, обладающих одноосной магнитной анизотропией, направление оси легкого намагничивания отклоняется от направления внешнего магнитного поля, приложенного при имплантации
-2000 -1000 0 1000 2000 Н, А/м
Рис. 2. Нормированные кривые намагничивания для тонкой пленки Рвз81, синтезированной при дозе 2 х 1017 ион/см2 в магнитном поле Н = 4 х 104 А/м: 1 -кривая намагничивания вдоль направления оси легкого намагничивания; 2 — в направлении оси трудного намагничивания.
Рис. 3. Угловая зависимость приведенной остаточной намагниченности тонкой пленки Рвз81, синтезированной при дозе 2 х 1017 ион/см2 в магнитном поле Н = 4 х 104 А/м. Измерения проводились методом магнитооптического эффекта Керра.
1 мм
Рис. 4. Топограмма азимутальной зависимости приведенной остаточной намагниченности тонкой пленки Рвз81, синтезированной при дозе 2 х 1017 ион/см2 в магнитном поле Н = 4 х 104 А/м. Сканирование проводились с шагом 1 мм. Области крепления образца выделены серым цветом.
ионов железа (рис. 4). Угол отклонения увеличивается при приближении к местам крепления пластины, что свидетельствует о влиянии механических напряжений на процесс формирования маг-
проведенных методом сканирующей магнитопо-ляриметрии, было установлено следующее:
1) Для образцов, синтезированных при дозах
нитной анизотропии. В результате исследований, имплантации (1.4—1.6) х 1017 ион/см2, магнито-
(а)
(б)
280 260 240 220 ^ 200 180 ^ 160 140 120 100
Рис. 5. Топограмма азимутальной зависимости приведенной остаточной намагниченности тонкой пленки Без81: магнитно-изотропный участок (а); магнитно-анизотропный участок (б). Сканирование проводилось с шагом 1 мм.
оптический сигнал либо отсутствует, либо имеет малую интенсивность.
2) Образцы, полученные при дозах (1.8—2.0) х
х 1017 ион/см2, ферромагнитны при комнатной температуре. При этом для всех образцов наблюдается ярко выраженная одноосная анизотропия.
1.6 1.8 2.0 2.2 Ф, 1017 ион/см2
Рис. 6. Зависимость коэрцитивной силы от дозы имплантации ионов железа для кремния, вырезанного вдоль кристаллографических плоскостей (111) и (100).
з) Синтезированные при дозах от 2.2 х х 1017 ион/см2 до 3 х 1017 ион/см2 образцы также ферромагнитны при комнатной температуре, однако в них наблюдаются как изотропные, так и анизотропные участки (рис. 5). Учитывая данные рентгенострукт
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.