ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2013, том 114, № 12, с. 1086-1091
^ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
УДК 539.216.2:537.621.2:537.623
СТРУКТУРА, МАГНИТНЫЕ, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТОНКИХ ПЛЕНОК СПЛАВОВ ГЕЙСЛЕРА Fe2NbSn и Co2Cr06Fe04Al, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ
© 2013 г. Н. А. Виглин, В. В. Марченков, М. А. Миляев, С. В. Наумов, Е. И. Патраков, А. О. Шориков, Е. И. Шредер, К. А. Белозерова
Институт физики металлов УрО РАН, 620990 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18
e-mail: viglin@imp.uran.ru Поступила в редакцию 18.12.2012 г.; в окончательном варианте — 25.06.2013 г.
Методом магнетронного распыления мозаичных мишеней были приготовлены тонкие пленки сплавов Гейслера Fe2NbSn и Co2Cr0 6Fe0 4Al. В этих сплавах зонные расчеты предсказывают высокую степень поляризации носителей заряда. Исследованы химический состав, магнитные и структурные характеристики пленок сплавов обоих составов, а в пленках Fe2NbSn, сплава ранее не исследовавшегося, еще оптические и электрические свойства. На основании полученных данных сделан вывод, что получены пленки, имеющие близкий к стехиометрическому состав. Отжиг пленок приводит к возникновению в них кристаллической структуры и магнитных свойств, соответствующих теоретическим расчетам. Для пленок состава Co2Cr0.6Fe0.4Al, структурные и магнитные характеристики идентичны литературным данным для пленок, полученных из сплошных мишеней.
Ключевые слова: спин-поляризованный транспорт, полуметаллический ферромагнетик, сплавы Гей-слера, стехиометрия, кристаллическая структура, намагниченность.
DOI: 10.7868/S0015323013120085
1. ВВЕДЕНИЕ
Сплавы Гейслера представляют большой интерес, поскольку многие из этих материалов обладают уникальными функциональными характеристиками [1—3]. Основные особенности многих сплавов Гейслера определяются тем, что они являются полуметаллическими ферромагнетиками (ПМФ). Согласно зонным расчетам, для носителей заряда с одним направлением спина уровень Ферми лежит в энергетической щели, а для носителей с противоположным направлением спина плотность состояний на уровне Ферми велика. Это приводит к 100%-й спиновой поляризации носителей тока и поэтому такие сплавы Гейслера могут быть использованы в устройствах спинтроники [4]. Поскольку для таких устройств необходимы материалы в виде тонких пленок и наноструктур, то синтез, аттестация и исследование физических свойств пленок сплавов Гейслера является актуальной задачей.
В данной работе в качестве объектов исследований были выбраны два сплава Гейслера Ре2№8п и Со2Сг06Ре04Л1. Насколько известно авторам, данных о сплаве Ре2№&п в литературе нет, поэтому следовало выяснить, может ли это соединение быть полуметаллическим ферромагнетиком. С этой целью были проведены расчеты электронной зонной структуры Ре2№8п, которые показали, что этот сплав Гейслера
действительно является ПМФ. Далее решалась задача синтеза этого соединения, которая представляет самостоятельный интерес. Попытки изготовить объемные образцы Ре2№8п оказались безуспешными, поэтому в данной работе пленки этого соединения были получены методом магнетронного распыления с использованием мозаичных мишеней; т.е. синтез соединения требуемого состава происходил непосредственно во время роста пленки. Для проверки обоснованности использования указанного метода были синтезированы пленки хорошо известного в научной литературе и обладающего состоянием полуметаллического ферромагнетика сплава Гейслера Со2Сг06Ре04Л1 [5, 6].
Таким образом, целью настоящей работы является приготовление тонких пленок сплавов Гейслера Ре2МЪ8п и Со2Сг06Ре04Л1, исследование их структурных, магнитных, электрических и оптических свойств.
2. ЭЛЕКТРОННАЯ ЗОННАЯ СТРУКТУРА СПЛАВА Ре2МЪ8п
Расчет электронной структуры соединения Ре2МЪ8п был проведен в рамках приближения LSDA [7] с помощью расчетного метода ТВ-ЬМ-ТО-Л8Л [8]. Поскольку сведений о параметре ре-
шетки сплава Ре^ЫЬВп в литературе нет, то на первом этапе расчета был использован параметр решетки а = 6.076 А, вычисленный из равновесного объема решетки. Была выбрана группа симметрии Еш-3ш, и атомы располагались в позициях: Бе — (1/4, 1/4, 1/4), N - (0, 0, 0), 8п - (1/2, 1/2, 1/2). Затем параметр решетки был скорректирован в соответствии с данными рентгеноструктурных исследований пленки Ре2№8п (см. далее) и, согласно полученным данным, равнялся а = 5.78 А.
Результаты расчета представлены на рис. 1. Расчет показал, что сплав Ре2№8п является полуметаллическим ферромагнетиком. В зоне со спином вверх наблюдается пик плотности состояний на уровне Ферми, а в зоне со спином вниз имеется щель ~1 эВ. Магнитный момент составляет ~1 цв на формульную единицу, обусловлен поляризацией ^-состояний железа. Зоны вблизи уровня Ферми в обеих спиновых подзонах имеют основной вклад от ^-состояний Бе с незначительной примесью ё-состояний №. Сильно гибридизованные ё-состояния № и р-состояния 8п располагаются в интервале энергий от —7 эВ до 7 эВ. Они дают незначительный и примерно равный вклад в плотность состояний и практически не несут магнитного момента. Необходимо отметить, что результаты расчета не изменяются качественно даже при изменении параметра решетки от 6.076 до 5.78 А (см. рис. 1). Незначительное уширение зон связано с уменьшением расстояния между атомами и усилением гибридизации. В основном это приводит к сдвигу зон и незначительному росту плотности состояний в зоне со спином вниз. При этом щель сужается примерно на 20%.
N(E), эВ-1 8
— a = 6.076 А a = 5.78 А
0
Е, эВ
Рис. 1. Плотность электронных состояний Бе2№^п, полученная в LSDA-расчете. Уровню Ферми соответствует 0 эВ.
6
4
2
2
4
6
8
3. ПРИГОТОВЛЕНИЕ ПЛЕНОК И ИХ АТТЕСТАЦИЯ
Синтезируемые пленки получали методом маг-нетронного распыления мозаичных мишеней, составленных из пластин, имеющих форму секторов круга. Пластины изготавливали из металлов, входящих в состав необходимых сплавов Гейслера. Пленки напыляли в установке Q150T SE Quorum Technologies при комнатной температуре одновременно на подложки из стекла, ситалла и полистирола. Для такой установки требуются мишени относительно больших размеров (50—60 мм в диаметре и 1.5-2 мм толщины). Поскольку приготовление хороших (высокая однородность, отсутствие трещин, пор и, следовательно, низкая хрупкость) тройных и четверных сплавов Гейслера таких размеров является отдельной, достаточно сложной технологической задачей, то для синтеза пленок была разработана и выбрана технология "составных мозаичных мишеней".
Толщина пленок и скорость напыления контролировали во время их синтеза встроенным в установку кварцевым измерителем толщины. Соответствие истинной и измеренной толщины проверяли с помощью интерферометра белого света ZygoLOT NewWiew 7300. Химический состав пленок и его од-
нородность по площади пленок определялись рент-геноспектральным микроанализом (Inspect F, EDAX). Для определения состава использовали пленки на подложках из полистирола. В случае отклонения состава от стехиометрии проводили коррекцию относительных площадей пластин, из которых были изготовлены мозаичные мишени.
Были получены пленки сплавов Fe2NbSn и Co2Cr0.6Fe0.4Al толщиной 100, 150 и 200 нм. Массовое и атомное содержание элементов в типичных пленочных образцах обоих соединений приведено в табл. 1, из которой видно, что для обоих сплавов отклонения от стехиометрического состава являются незначительными.
Рентгеноструктурные исследования пленок Fe2NbSn и Co2Cr0.6Fe04Al проводили с помощью
Таблица 1
Элемент Мас. % Ат. % Элемент Мас. % Ат. %
Co 58.5 50 Fe 36.5 52
Cr 20 19 Nb 26.5 23
Fe 10 9 Sn 37 25
Al 11.5 22
600 -
В
о £
о о я <ч
и
о Я
В
Я
И
580
560
540 -
520 -
26.3
26.4
26.5
26.6 26.7 29, град
26.8
26.9
27.0
Рис. 2. Фрагмент дифрактограммы пленки Fe2NbSn в CuS^-излучениии. Линия, соответствующая углу 26.67°, вызвана отражением от плоскости (111) в элементарной кубической решетке с параметром а = 5.78 А.
рентгеновских дифрактометров ДР0Н-4.0 и ДР0Н-2.0 в Си^а- и в Cr^-излучении соответственно. Проведенные исследования пленок Fe2NbSn, напыленных на подложки из стекла и не подвергавшихся структурированию (as grown), позволили заключить, что они являются "рентгеноаморфными", поскольку в них не было обнаружено никаких рефлексов.
Отжиг пленок Fe2NbSn в атмосфере Ar при температуре 200° С в течение 7 ч привел к появлению на дифрактограмме рефлекса, который соответствует отражению от плоскости (111) в элементарной кубической решетке с параметром а = 5.78 А (рис. 2). Значение параметра а = 5.78 А было затем использовано для уточнения расчетов электронной структуры этого соединения (см. выше и рис. 1).
На пленках Co2Cr0.6Fe0.4Al до отжига не было обнаружено никаких рефлексов. После часового отжига в аргоне при 600°С появился рефлекс, соответствующий отражению от плоскостей с межплоскостным расстоянием d = 2.03 А. На пленке, измельченной в порошок вместе со стеклянной подложкой, был выявлен рефлекс от плоскостей с межплоскостным расстоянием d = 3.33 А (рис. 3). Мы полагаем, что обнаруженные рефлексы соответствуют отражениям от плоскостей (220) и (111) кубической ячейки, что позволило вычислить параметр кристаллической решетки пленки Co2Cr0.6Fe04Al а = 5.8 А. Такое значение параметра кристаллической решетки согласуется с величиной а = 5.81 А, найденной для пленок такого же состава в работе [9].
4. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ПЛЕНОК Fe2NbSn И Co2Cr0.6Fe0 4Al
Измерения намагниченности пленок Fe2NbSn до отжига (as grown), выполненные на прецизионном вибрационном магнитометре при комнатной температуре, показали, что эти пленки являются ферромагнетиками с величиной намагниченности насыщения при комнатной температуре ms = = 28 emu/г (рис. 4).
Отжиг пленок Fe2NbSn в атмосфере Ar при температуре 200°C в течение 4 ч привел к увеличению намагниченности насыщения до 36.6 emu/г (рис. 4). Увеличение продолжительности отжига до 7 ч привело к еще большему сужению петли гистерезиса намагниченности, возрастанию ее величины до ms = 41 emu/г (рис. 4).
В отличие от сплава Fe2NbSn, свойства объемных и пленочных образцов сплава Co2Cr0
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.