КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2014, том 59, № 5, с. 814-818
ПОВЕРХНОСТЬ, ТОНКИЕ ПЛЕНКИ
УДК 537.622:538.216.2539.216.2: 537.621.2
ОСОБЕННОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ И МЕХАНИЗМ РОСТА МНОГОСЛОЙНЫХ КВАЗИОДНОМЕРНЫХ СИСТЕМ (Co-Ni-Fe)/Cu В ПОРАХ МАТРИЦ АНОДНОГО ОКСИДА АЛЮМИНИЯ
© 2014 г. А. В. Труханов, С. С. Грабчиков, А. Н. Васильев*, C. А. Шарко, Н. И. Мухуров**,
И. В. Гасенкова**
ГО "НПЦНАНБеларуси по материаловедению", Минск E-mail: truhanov86@mail.ru * Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова ** Институт физики НАН Беларуси, Минск Поступила в редакцию 22.07.2013 г.
Описан метод получения многослойных квазиодномерных систем ферромагнетик/диамагнетик на примере нанопроволок Co—Ni—Fe/Cu. Процессы получения осуществлены в едином технологическом цикле из комбинированного электролита потенциостатическим электроосаждением в импульсном режиме. Описаны режимы получения слоев различных систем от чистых ферромагнитных металлов до сплавов на их основе. Приведены механизмы роста нанопроволок. Исследовано распределение химических элементов в слоях в зависимости от состава электролита и условий получения. Изучена микроструктура нанопроволок методом высокоразрешающей растровой электронной микроскопии.
DOI: 10.7868/S0023476114050221
ВВЕДЕНИЕ
Не ослабевает интерес к исследованию магнитных наноструктур, включая многослойные пленки, нанопроволоки и др., что обусловлено научной значимостью и перспективами практического использования этих материалов [1—3]. Многослойные структуры в виде нанопроволок, выращенные в порах алюмооксидной матрицы с диаметрами пор от 20 нм до 10 мкм, являются прекрасными модельными объектами для изучения магнитных и магнитотранспортных явлений в нанокристаллических квазиодномерных системах. Наноструктуры, сформированные путем за-ращивания пор в матрицах анодного оксида алюминия (АОА) ферромагнитными металлами и сплавами, являются перспективными материалами для вертикальной магнитной записи [4, 5]. Перпендикулярная магнитная анизотропия в указанных системах формируется за счет ячеи-сто-пористой структуры АОА и распределения в ней игольчатых частиц ферромагнитного материала, ориентированных своей длинной осью по нормали к поверхности пленки. Особое внимание привлекают квазиодномерные объекты (нанопроволоки) [6], что связано с возможностью реализации в них магниторезистивного эффекта (гигантский магниторезистивный эффект — ГМР). Эффект ГМР — квантово-механический эффект, наблюдаемый в тонких металлических многослойных системах, состоящих из чередующихся ферромагнитных и диамагнитных слоев.
Эффект состоит в существенном изменении электрического сопротивления такой структуры при изменении взаимного направления намагниченности соседних магнитных слоев. В многослойных нанопроволоках коэффициенты ГМР-эффекта существенно выше по сравнению с пла-нарными структурами, в которых плоскости слоев имеют ориентацию, параллельную направлению электрического тока. Для нанопроволок эффект ГМР значителен в геометрии, когда электрический ток перпендикулярен границам раздела слоев. В отличие от традиционной пленочной геометрии с током, направленным параллельно слоям, эффект ГМР в такой конфигурации существенно выше. Данная конфигурация обеспечивает рассеяние практически всех электронов, участвующих в токопереносе, на границах последовательно расположенных магнитных слоев с антипараллельной ориентацией намагниченностей. Следствием этого будет и большее значение коэффициента ГМР по сравнению с обычными многослойными структурами. Эффект ГМР может быть использован для реализации сенсоров магнитного поля, работающих в широких температурных интервалах. Существуют ключевые факторы, влияющие на величину коэффициента ГМР в многослойных нанопроволоках: геометрическое соотношение «длина/толщина» нанопроволок (при увеличении этого соотношения коэффициент ГМР должен увеличиваться); толщина диамагнитного слоя (должна быть сопоставима с
ОСОБЕННОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ И МЕХАНИЗМ РОСТА
815
длиной свободного пробега спин-поляризован-ных электронов); качество границ раздела "фер-ромагнетик/диамагнетик".
Однако широкое применение материалов на основе многослойных и гранулированных нано-проволок, выращенных в порах матриц АОА, ограничено рядом причин, в том числе недостаточно изученным механизмом роста. Исследования процессов формирования наноструктур в матрицах прямыми методами сильно затруднены. Таким образом, задача исследования механизма роста многослойных нанопроволок в порах матриц АОА является актуальной.
Целью настоящей работы является исследование особенностей получения квазиодномерных многослойных систем (нанопроволок на основе чередующихся ферромагнитных и диамагнитных слоев), а также изучение методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) механизма роста многослойных нанопроволок (CoNiFe)/Cu в порах алюмооксидной матрицы.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
В качестве матрицы использовались темплаты на основе АОА толщиной ~40 и диаметром пор ~6—7 мкм. Активная площадь осаждения составляла не более 30%. Перед осаждением образцов на одну из сторон алюмооксидной пленки термически напылялся слой ванадия, затем гальванически наращивался контактный слой никеля толщиной 4—6 мкм. Образцы в виде проволок металлов и сплавов системы Ni—Co—Fe, а также многослойных проволок систем Co/Cu, NiCo/Cu и NiFe/Cu электролитически осаждали в поры АОА. Проволоки систем Co/Cu и NiCo/Cu синтезировали из комплексных электролитов следующих составов: NiSO4 • 7H2O - 0-280; OaSO4 •
• 7H2O - 20-100; NiCl2 • H2O - 10; H3BO3 - 30 г/л; сахарин - 1; CuSO4 • 7Н2О - 2 г/л. Проволоки Co и NiCo, содержащие 30 ат. % Со и 70 ат. % Ni, осаждали в потенциостатическом режиме при потенциалах 9Co = 9NiCo = -1200-1900 мВ; микропроволоки меди - 9Cu = -300-400 мВ. Время осаждения магнитных слоев и меди изменялось в интервалах 2-30 и 3-120 мин соответственно. Скорость осаждения магнитных слоев составляла 1.5-2 мкм/мин, медных слоев - 0.03-0.04 мкм/мин. Температура электролита 20-25°C, кислотность рН 2.4. Анод - никелевый.
Образцы системы NiFe/Cu синтезировали из комплексного электролита следующего состава: NiSO4 • 7H2O - 280; FeSO4 • 7H2O - 13; MgSO4 •
• 7H2O - 120; H3BO3 - 30; сахарин - 1; CuSO4 •
• 7Н2О - 2 г/л. Образцы сплавов Ni-Fe, содержащие 20-30 ат. % Fe, осаждали в потенциостатическом режиме при 9NiFe = -800-1700 мВ; проволоки меди - 9Cu = -300-400 мВ. Время осажде-
Рис. 1. РЭМ-изображение многослойной пленки Со/Си, содержащей пять слоев меди и пять слоев кобальта и осажденной на подслой никеля толщиной 6 мкм.
ния магнитных слоев и меди изменялось в интервалах 5—30 и 20—180 мин соответственно. При этом скорость осаждения магнитных слоев составляла 0.7—0.8, медных слоев — 0.014—0.02 мкм/мин. Температура электролита 20—25°C, кислотность рН 2.4. Анод — никелевый.
Электронномикроскопические исследования изломов пленок проводились на растровом электронном микроскопе LE0-1420 при увеличениях от 1000х до 40000х с разрешающей способностью до 100 Ä. Анализ химического состава образцов проводился на рентгеноспектральной приставке к микроскопу LEO-1420 "Rontec Edwin" путем сканирования вдоль оси микропроволоки. Локальность зонда 0.5—1.0 мкм.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ,
Система Co/Cu. РЭМ-изображение многослойной пленки Co/Cu (рис. 1), состоящей из пяти слоев Co и пяти слоев Cu с временами осаждения отдельных слоев 200 с, 60 мин соответственно, свидетельствует, что на определенной стадии нарушается непрерывность процесса роста.
В некоторых местах микропроволоки образуются дефекты в виде полостей и микропор, что, по-видимому, связано с процессом формирования и операцией приготовления излома. Первая составляющая определяется механизмом роста многослойной структуры, вторая — механическими разрушениями дефектных областей микропроволоки. При этом можно заметить, что в некоторых случаях на границах раздела наблюдается изменение текстуры роста, закручивание зерен, образование структур дендритного типа. Исследования химического состава в направлении роста микропроволоки показали (табл. 1), что данные дефекты образуются на границах раздела между слоями Cu и Co. На рис. 1 номерами обозначены точки, в которых проводился анализ химического состава образцов. Для выяснения причин дефектности рассмотрим, как протекают процессы роста отдельных слоев Cu и Co в матрице АОА. Осаждение отдельных слоев проводилось
816 ТРУХАНОВ и др.
Таблица 1. Изменение химического состава микропроволоки Co/Cu в направлении роста
Концентрация элементов в точках измерения, ат. %
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Co 9.81 86.17 32.06 91.69 62.44 93.87 69.61 95.08
Ni 95.45 33.84 1.41 1.02 0.76 0.26 0.45 0.77 0.00
Cu 44.07 4.20 61.88 3.79 33.74 3.33 26.11 1.99
Al 4.55 12.29 8.21 5.05 3.77 3.56 2.36 3.50 2.93
из комплексного электролита сплава Со/Си при потенциалах, соответствующих потенциалам осаждения Си и Со. На рис. 2а представлено РЭМ-изображение микропроволоки Со, выращенной в
Рис. 2. РЭМ-изображения микропроволок Со (а), №Со (б) и №Ре (в), выращенных в пористых структурах АОА матрицы с подслоем никеля толщиной 6 мкм.
матрице АОА. Наблюдается плотное однородное заполнение пористой структуры. Форма зерен Co анизотропная, ориентированная своей большей осью параллельно оси поры, продольный размер зерен составляет 0.2—0.25 мкм. На изображении можно заметить границу раздела между подслоем Ni и слоем Co. Данные химического анализа также подтверждают разделение по химическому составу (ат. %): для подслоя Ni — 2.8 Co, 91.0 Ni, 6.2 Al; для слоя Co - 94.1 0.8 Ni, 5.1 Al. Присутствие примесных элементов, по-видимому, обусловлено недостаточной локальностью зонда анализатора. По своей форме, размерам и текстуре роста зерна микропроволок Co близко соответствуют строению стенок АОА матрицы. Из чего можно предположить, что механизм роста осадков Cu/^/Cu в микропорах во многом определяется формой, топологией стенок АОА матрицы.
Иная картина наблюдается при росте отдельных слоев Co, осаждаемых в поры матрицы АОА из электролитов для сплавов Co/Cu (а), Ni^/Cu (б) и NiFe/Cu (в) (рис. 3). Как видно из рис. 3а для случая меди, осаждаемой из комплексного
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.