авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Магнитные и структурные свойства наноразмерных слоев ферромагнетик-изолятор- ферромагнетик на основе fesix и feoy

На правах рукописи

ГОЙХМАН АЛЕКСАНДР ЮРЬЕВИЧ

МАГНИТНЫЕ И СТРУКТУРНЫЕ СВОЙСТВА

НАНОРАЗМЕРНЫХ СЛОЕВ ФЕРРОМАГНЕТИК-ИЗОЛЯТОР-

ФЕРРОМАГНЕТИК НА ОСНОВЕ FeSix И FeOy

01.04.07 – «Физика конденсированного состояния»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Автор

Москва 2010

Работа выполнена в Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ»

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Неволин Владимир Николаевич

Научный консультант: кандидат физико-математических наук Зенкевич Андрей Владимирович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Троян Виктор Иванович, НИЯУ МИФИ доктор физико-математических наук, профессор Лейцин Владимир Нояхович, РГУ им. И. Канта

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт ядерной фи зики им Д.В. Скобельцина Московского государ ственного университета, г. Москва

Защита диссертации состоится «30» июня 2010 года в 15.00 часов на заседании Диссертационного совета Д212.130.04 при Национальном исследовательском ядерном университете МИФИ по адресу:

115409, Москва, Каширское шоссе, д.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИЯУ «МИФИ»

Автореферат разослан «27» мая 2010 года Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенном печатью организации, по адресу НИЯУ «МИФИ».

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук, профессор И.И. Чернов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В элементе магнитной памяти, основанном на квантовом туннелировании и состоящем из структуры ферромагнетик-изолятор-ферромагнетик (ФМ-И ФМ), ориентация намагниченности одной из ферромагнитных обкладок изме няется приложением внешнего магнитного поля, величина которого подбирает ся так, чтобы ориентация намагниченности второй ферромагнитной обкладки не менялась. Изменение вероятности туннелирования при изменении относи тельной ориентации намагниченности ферромагнитных обкладок приводит к изменению «гигантского» магнитосопротивления RGM=(R-R)/R тонкопле ночной структуры ФМ–И–ФМ, и может быть использовано для создания эле ментов памяти произвольного доступа (Random Access Memory, RAM).

Среди возможных материалов электрода в элементах магнитной памяти особый интерес представляет использование полуметаллов, которые, согласно теории, должны иметь только одну заполненную спиновую подзону на уровне Ферми, что потенциально может давать значения спиновой поляризации элек тронов, близкие к 100%. Однако, для получения наибольшего эффекта магнито сопротивления, который, в конечном счете, и определяет функциональность та кого рода структур для использования в элементах энергонезависимой памяти, критически важна комбинация материалов ферромагнитных электродов и тун нельного изолятора, а также границ раздела ФМ/И Полученные результаты экспериментов по формированию и исследова нию структур ФМ-И-ФМ показали перспективность применения выбранных материалов Fe3Si, Fe3O4, MgO и SiO2 и их комбинаций в качестве функциональ ных структур магнитных туннельных переходов.

Цель работы.

Целью диссертационной работы явилась разработка оптимальных усло вий формирования и выявление структурных, химических, фазовых и функ циональных магнитных свойств тонкопленочных наноразмерных слоев ФМ-И ФМ с использованием ферромагнитных силицидов FeSix и оксидов FeOy железа в качестве ферромагнитных электродов, а оксидов магния MgO и кремния SiO – в качестве изолирующих слоев.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи.

1. Разработаны механизмы формирования тонкопленочных слоев Fe3Si и Fe3O4, обладающих заданными магнитными и структурными свойствами, спо собы формирования сверхтонких (~ 2 нм) туннельно-прозрачных изолирующих слоев MgO и SiO2 в контакте с ферромагнитными слоями.

2. Установлены оптимальные условия ориентированного (эпитаксиально го) роста тонкопленочных слоев ферромагнитных полуметаллических силицида Fe3Si и оксида Fe3O4 на монокристаллических подложках MgO.

3. Разработан способ формирования поликристаллических и ориентиро ванных структур FeOy/MgO/FeSix, обладающих независимым переключением намагниченностей в ферромагнитных слоях при сверхтонком изолирующем слое (~3 нм).

4. Разработана диагностическая методика исследования функциональных магнитных свойств структур ФМ-И-ФМ.

Научная новизна.

Впервые для поликристаллического тонкопленочного ферромагнитного оксида железа Fe3O4 обнаружен эффект усиления магнитных свойств при использовании подслоя Fe.

Впервые обнаружено влияние взаимного расположения слоев Fe и Fe3O на проявление эффекта усиления магнитных свойств тонкопленочных на норазмерных слоев магнетита.

Впервые с применением метода ферромагнитного резонанса для анализа магнитного состояния ферромагнитных слоев в структурах ФМ-И-ФМ установлена взаимосвязь между кристаллическими и магнитными свой ствами ферромагнитных слоев Fe3Si и Fe3O4.

Разработан новый способ формирования бислойных структур Fe3Si/SiO (2 нм) в одном вакуумном цикле путем проведения твердофазной реакции в системе Fe-Si с предварительным окислением в атмосфере активиро ванного кислорода.



Разработан новый способ ориентированного (эпитаксиального) роста тонкопленочных слоев ферромагнитных полуметаллических силицида Fe3Si и оксида железа Fe3O4 на монокристаллической подложке MgO ме тодом импульсного лазерного осаждения с применением компонентных мишеней заданного стехиометрического состав.

Предложена новая комбинация материалов и разработан способ форми рования структур FeOy/MgO/FeSix, обладающих независимым переклю чением намагниченностей в ферромагнитных слоях при сверхтонком изолирующем слое (~ 3 нм).

Теоретическая и практическая ценность.

Проведенные экспериментальные исследования магнитных и фазовых свойств наноразмерных слоев ферромагнитных силицидов и оксидов железа, а также сверхтонких слоев оксидов магния и кремния продемонстрировали пер спективность выбранной материаловедческой системы с точки зрения приме нения её для создания магнитных туннельных переходов – основных элементов энергонезависимой памяти нового поколения. Проведена оптимизация условий формирования отдельных слоев, бислойных и многослойных структур ферро магнетик-изолятор-ферромагнетик, обладающих высоким качеством границ раздела, заданными фазовым составом и магнитными свойствами, что позволи ло сформировать образцы структур магнитных туннельных переходов, обла дающих независимым переключением намагниченностей ферромагнитных сло ев. На разработанные способы роста структур ФМ-И-ФМ на основе ферромаг нитного полуметалла Fe3Si получен патент на изобретение.

Полученные результаты по формированию тонкопленочных наноразмер ных слоев полуметаллических ферромагнитных силицидов и оксидов железа FeSix и FeOy, а также сверхтонких изолирующих слоев MgO и SiO2, легли в ос нову разработанного способа формирования структур ФМ-И-ФМ, обладающих свойствами независимого переключения намагниченностей в ФМ слоях, при туннельно-прозрачных толщинах изолирующих слоев. При этом предложенные способы роста отдельных слоев и бислойных структур оптимизированы для формирования поликристаллических и аморфных структур, как наименее тре бовательных с точки зрения технологического процесса создания магнитных туннельных переходов. Результаты работы могут быть применены в технологи ческих процессах при создании энергонезависимой магниторезистивной памяти произвольного доступа на основе магнитных туннельных переходов.

Основные положения, выносимые на зщащиту.

1. Установленный эффект усиления магнитных свойств поликристалли ческого тонкопленочного ферромагнитного оксида железа Fe3O4 при использо вании подслоя Fe и результаты экспериментальных исследований условий фа зообразования в тонкопленочной бислойной системе Fe/FeOx.

2. Обнаруженная впервые зависимость проявления эффекта усиления магнитных свойств тонкопленочных слоев магнетита от взаимного расположе ния слоев Fe и Fe3O4 и возможное ее объяснение: в последовательности Fe3O4/Fe усиления не происходит в отличие от последовательности Fe/Fe3O4, в которой намагниченность магнетита возрастает в 35 раз, а петля гистерезиса приобретает прямоугольную форму.

3. Результаты экспериментальных исследований магнитного состояния ферромагнитных слоев в структурах ФМ-И-ФМ, впервые примененным для этих целей методом ферромагнитного резонанса: установлена взаимосвязь ме жду кристаллическими и магнитными свойствами ферромагнитных слоев Fe3Si и Fe3O4.

4. Разработанный способ формирования бислойных структур Fe3Si/SiO (2 нм) в одном вакуумном цикле путем проведения твердофазной реакции в системе Fe-Si с предварительным окислением в атмосфере активированного ки слорода и экспериментально установленные температуры активации твердо фазной реакции Fe-Si, оптимальные для формирования необходимого фазового состава ФМ слоев и границ раздела ФМ/И, а также параметров шероховатости изолирующего слоя SiO2, играющих критическую роль в функциональных структурах ФМ-И-ФМ.

5. Экспериментальные результаты по выявлению оптимальных условий ориентированного (эпитаксиального) роста тонкопленочных слоев ферромаг нитных полуметаллических силицида Fe3Si и оксида Fe3O4 на монокристалли ческой подложке MgO методом импульсного лазерного осаждения с примене нием компонентных мишеней заданного стехиометрического состава.

6. Разработанный способ формирования поликристаллических и ориен тированных структур FeOy/MgO/FeSix, обладающих независимым переключе нием намагниченностей в ферромагнитных слоях при сверхтонком изолирую щем слое (~ 3 нм).





Достоверность научных положений, результатов и выводов.

Полученные экспериментальные результаты и разработанные методики подтверждаются известными теоретическими моделями. Достоверность резуль татов обеспечивается использованием современного исследовательского обо рудования для анализа магнитных и структурных свойств, фазового состава, морфологических свойств. Результаты, полученные разными методами иссле дования, согласуются между собой. Опубликованные результаты согласуются с рядом экспериментальных результатов других авторов. Полученные результаты подтверждены патентом на изобретение.

Личный вклад соискателя.

Соискатель принимал непосредственное участие в обсуждении и постановке задачи по разработке новой материаловедческой системы на основе полуметал лов для создания магнитных туннельных переходов. Все экспериментальные ре зультаты по формированию и исследованию нанорзамерных структур на основе FeSix и FeOy, представленные в работе, получены соискателем лично, либо в со авторстве при его непосредственном участии.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литерату ры. Работа изложена на 141 странице, содержит 53 рисунка, 10 таблиц и список цитируемой литературы из 87 наименований.

Апробация работы.

Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих международных симпозиумах и конференциях:

European Material Research Society Symposium, Strasbourg, May 2008;

Moscow International Symposium on Magnetism, Moscow, June 2008;

International Confer ence on Magnetism ICM-2009, Karlsrhue, Germany, August 2009;

International Conference on Superconductivity and Magnetism, Antalya, August 2008;

Interna tional Symposium on the Industrial Applications of Mssbauer Effect, Budapest, Au gust 2008;

Meeting 50 Years After – the Mssbauer Effect Today and in the Future, Mnchen, October 2008;

Euro-Asian Symposium “Magnetism on nanoscale”, Kazan, August 2007;

International Conference “Micro- and nanoelectronics” Zvenigorod October 2007;

ежегодная научная сессия НИЯУ МИФИ в 2007, 2008, 2009 и 2010 годах;

Национальная конференция по росту кристаллов, Москва, ноябрь 2008;

5-ая зимняя школа-конференция «Магнитный резонанс и его приложе ния», Санкт-Петербург, декабрь 2008;

14-ая Всероссийская межвузовская науч но-техническая конференция «Микроэлектроника и информатика - 2007», Зеле ноград, апрель 2007;

ежегодная Международная конференция по физике взаи модействия заряженных частиц с кристаллами ФВЗЧК в 2008 и 2009 годах, Мо сква.

Публикации.

По теме диссертации было опубликовано 26 работ в научных журналах и сборниках трудов Международных и Российских конференций и симпозиумов, в том числе 4 статьи в реферируемых журналах из перечня ВАК, и 1 патент.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность разработки тонкопленочных нано размерных слоев ФМ-И-ФМ с использованием ферромагнитных силицидов и оксидов железа в качестве ферромагнитных электродов, а оксидов магния и кремния – в качестве изолирующих слоев;

сформулированы цель работы и ре шаемые задачи, указаны научная новизна и практическая значимость, изложе ны основные положения, выносимые на защиту.

В перовой главе приведен литературный обзор и анализ состояния иссле дований, проводимых в России и за рубежом, по направлению спинтроники, в частности, в приложениях магнитных туннельных переходов и спиновых кла панов. Проанализированы результаты исследований функциональных свойств тонкопленочных наноразмерных слоев оксидов и силицидов железа, оксидов магния и кремния и других перспективных материалов, опубликованные в ве дущих международных и российских журналах в последние годы. Приведено подробное рассмотрение и анализ проведенных по состоянию на начало года экспериментальных исследований и теоретических расчетов структурных свойств и фазового состава функциональных магнитных и транспортных свойств разрабатываемых материалов. По результатам анализа литературы обоснована актуальность темы диссертационной работы.

Во второй главе приводится описание используемого метода формирова ния образцов тонкопленочных структур импульсного лазерного осаждения (ИЛО). Рассмотрены экспериментальные установки, в которых реализован ис пользуемый метод: приведены схемы экспериментальных установок и пред ставлены основные характеристики лазерной системы по формированию нано размерных тонкопленочных слоев. Отдельно рассмотрена используемая в дан ной работе установка, реализованная на базе исследовательского комплекса XSAM-800, в камере препарирования которого смонтирована система импульс ного лазерного осаждения, что позволило проводить анализ химических и структурных свойств создаваемых наноразмерных слоев in-situ, то есть в про цессе роста. Приведен краткий обзор физических принципов работы исполь зуемых методик анализа структурных, химических, морфологических свойств, фазового состава и магнитного состояния исследуемых образцов. Дано описа ние таких методов, как рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС), спектроскопия рассеяния медленных ионов, оже-электронная спектроскопия, резерфордовское обратное рассеяние, атомно-силовая микроскопия, спектро скопия комбинационного рассеяния, мессбауэровская спектроскопия конверси онных электронов, вибрационная магнитометрия и ферромагнитный резонанс.

В третьей главе приведены основные экспериментальные результаты по формированию и исследованию тонкопленочных функциональных слоев фер ромагнетиков и изоляторов, а также бислойных структур ФМ-И.

Подробно описаны результаты экспериментов по определению оптимальных условий формирования бислойных структур Fe3Si/SiO2 в одном вакуумном цикле.

На рис. 1 приведены рентгеновские фотоэлектронные (РФЭ) спектры ос товного уровня Si2p для сформированных образцов Fe/Si/SiO2, снятые in-situ после проведения процедуры окисления верхнего слоя Si в плазме тлеющего разряда кислорода и последующего вакуумного отжига, активирующего твер дофазную реакцию силицидообразования (до начала вакуумного отжига слой Fe находился под слоем Si/SiO2 ниже предельной глубины, с которой регист рируются нерассеянные фотоэлектроны с уровня Fe2p3/2 ( 5 нм), и соответст вующий пик на спектре Fe2p3/2 отсутствует). Исходный спектр Si2p состоит из линии Si4+ (энергия связи Еb 103,1 эВ), соответствующей диоксиду кремния на поверхности, и Si0 (Eb 99,2 эВ), от слоя неокисленного кремния (нижний спектр на рис. 1). По соотношению площадей этих пиков, используя известную методику была рассчитана толщина оксидного слоя, которая оказалось равной d 2 нм. Следующие спектры РФЭ были сняты на различных стадиях последо вательного (по 10 мин) вакуумного отжига бислойной системы Fe/Si при тем пературе Т = 350600 оС. Начиная с Т = 500 оС относительная интенсивность линий в спектрах с учетом фактора относительной чувствительности соответст вует соотношению Fe:Si = 3:1. Анализ асимметрии линии Fe2p3/2 (параметр асимметрии = 0,37) дополнительно подтверждает формирование обогащенной железом силицидной фазы Fe3Si уже при Т = 500 оС. Таким образом, in-situ РФЭС анализ позволил определить диапазон температур (450550 оС), при ко торых происходит формирование конечной обогащенной железом (ферромаг нитной) фазы силицида Fe3Si в структурах Fe/Si/SiO2.

Fe Fe2p3/ 4+ Si2p Si Si ox Fe 600 0C 600 0C 500 0C 500 0C 400 0C 400 0C 350 0C 350 0C окисление Si окисление Si 110 107.5 105 102.5 100 97.5 715 712.5 710 707.5 Энергия связи, эВ Энергия связи, эВ Рис. 1. РФЭ спектры линий Fe2p3/2 и Si2p, снятые in situ в процессе последо вательного (по 10 минут) вакуумного отжига структур Fe/Si/SiO2.

Проведены эксперименты по формированию наноразмерных слоев Fe3Si и Fe3O4 методом импульсного лазерного осаждения из компонентных стехио метричных мишеней, в том числе и на монокристаллических подложках MgO.

В силу близости параметров решетки MgO, Fe, Fe3Si и Fe3O4 возможным оказа лось получение эпитаксиальных наноразмерных слоев данных материалов.

Анализ результатов исследования сформированных структур методом канали рования ионов при резерфордовском обратном рассеянии показал правильную стехиометрию сформированных слоев и качество эпитаксии, которое для слоев Fe3O4 и Fe3Si составило соответственно ~ 9% и ~ 20% разориентации решеток тонкой пленки.

Приведены результаты исследования фазового состава формируемых слоев методом мессбауэровской спектроскопии, показывающие состояние ло кального окружения атомов Fe57 в решётках Fe3Si и Fe3O4. Данные результаты подтверждают правильность стехиометрического состава на локальном уровне и позволяют сделать выводы о правильном фазовом составе наноразмерных слоев Fe3Si и Fe3O4.

Приведенные в главе результаты исследования магнитных свойств сфор мированных слоев и бислойных структур позволили определить функциональ ные свойства разрабатываемых материалов. При этом исследования показали неудовлетворительное качество магнитных свойств отдельных поликристалли ческих слоев Fe3O4, в связи с чем был предложен способ улучшения функцио нальных магнитных параметров Fe3O4 путем введения дополнительного ферро магнитного подслоя Fe.

Серия образцов, отличающихся расположением слоев Fe/Fe3O4 и Fe3O4/Fe с толщинами слоев 12 и 45 нм для Fe и Fe3O4 соответственно, была сформиро вана методом ИЛО на подложке Si/SiO2 при комнатной температуре роста с по следующим вакуумным отжигом при температурах до T = 500 oC. Исследова ния методом ферромагнитного резонанса (ФМР) показали, что для образца со структурой Fe3O4/Fe наблюдались два резонансных сигнала: узкий интенсив ный сигнал в области Врез = 336 мТ, с шириной линии В = 18 мТ, не зависящей от расположения образца, и широкий слабый сигнал, интенсивность которого на порядок ниже, а резонансное поле и ширина линии которого зависят от угла. Такое поведение сигналов указывает на существование двух магнитных фаз:

преобладающей парамагнитной и слабой ферромагнитной. На Рис. 2а приведе ны угловые зависимости резонансных полей Вres, отвечающие этим двум со стояниям Fe и Fe3O4, (геометрия "out of plane"). Данные ФМР согласуются с по лученной гистерезисной кривой намагничивания, которые приведены на встав ках к рис. 2. Для образца с обратным порядком расположения слоев Fe/Fe3O наблюдаются два близко расположенных сигнала, положение и ширина линии которых зависят от ориентации образца (рис. 2б). Изменение магнитного со стояния образца с подслоем железа подтверждается полученной гистерезисной кривой намагничивания.

emu/cm emu/cm 500 200 450 - 400 400 - Э Э -3000 0 -3000 0 350 300 H, Э H, Э 250 0 45 90 135 а) б) 0 45 90 135, deg, deg Рис. 2. Зависимость резонансного магнитного поля ФМР от угла между на правлением силовых линий постоянного магнитного поля и плоскостью плен ки: а) образец со структурой Fe3O4/Fe;

б) образец со структурой Fe/Fe3O4.

Анализ экспериментальных данных показывает, что введение дополни тельного слоя Fe на подложку Si/SiO2 приводит к существенному изменению магнитных свойств Fe3O4.

Впервые обнаружено влияние взаимного расположения слоев Fe и Fe3O на проявление эффекта усиления магнитных свойств тонкопленочных слоев магнетита: в последовательности Fe3O4/Fe усиления не происходит в отличие от последовательности Fe/Fe3O4, в которой намагниченность магнетита возрастает в 35 раз, а петля гистерезиса приобретает прямоугольную форму. Обнаруже но, что намагниченность, измеренная в плоскости поликристаллической пленки Fe3O4, выращенной на Si/SiO2, не насыщалась в полях до 15 кЭ. Сходное пове дение наблюдалось и в ориентированных пленках, выращенных различными методами на подложках MgO и Al2O3. Причем, монокристаллические пленки на MgO насыщались более медленно, чем пленки на Si/SiO2 (не насыщались в по лях до 21 кЭ). Более того, отжиг образцов пленок при разных температурах и разных режимах не оказывал существенного влияния на процесс насыщения.

Установлено, что введение подслоя Fe приводит к тому, что насыщение намаг ниченности наступает при более низких полях, зависящих от температуры от жига. При этом абсолютное значение намагниченности в Fe/Fe3O4 значительно выше (при температуре отжига 500 oС, Мs = 1300 emu/см3, 1emu = 1эрг/Гс = = 10-3 А*м2), чем в Fe3O4 (Мs = 480 emu/см3 для объемного образца).

При исследовании методом спектроскопии комбинационного рассеяния процесса фазообразования при вакуумном отжиге структур Fe/Fe3O4, сформи рованных на аморфных подложках Si/SiO2, показано, что вакуумный отжиг бислойной структуры Fe/FeOx при температурах ~ 450 оС приводит к формиро ванию монофазного оксида железа Fe3O4 в бислойной структуре Fe/Fe3O4.

Таким образом, анализ показывает, что введение дополнительного буфер ного слоя Fe на подложку Si/SiO2 позволяет использовать Fe3O4 в качестве маг нитожесткого слоя магнитных туннельных переходов. В структурах Fe/Fe3O локальное магнитное поле, создаваемое слоем Fe, индуцирует некоторый поря док, оказывающий влияние на дальнейший рост слоя Fe3O4. Объяснением дан ному эффекту может служить предположение об образовании зародышей поли кристаллического роста на границе Fe/Fe3O4, которые при вакуумном отжиге системы играют ключевую роль в формировании фазы Fe3O4 (кристаллизации).

Таким образом, вакуумный отжиг системы Fe/Fe3O4 приводит к созданию еди ной ферромагнитной фазы, которая регистрируется при ферромагнитном резо нансе единственной линией поглощения, которая значительно сужается по сравнению с линией, зарегистрированной в образце, содержащем только Fe3O4.

Обратный порядок следования слоев не обнаруживает подобных свойств. В не давно опубликованных работах усиление магнитных свойств объясняется из менением плотности антифазных границ (АФГ). При этом важную роль играет внутреннее давление, вызванное несоответствием решеток подложки из MgO и буферного слоя Fe. В данном случае буферный слой наносится на аморфную поверхность Si/SiO2. На основе данных по просвечивающей электронной мик роскопии среза авторами упомянутых работ было доказано существование АФГ и показано, что плотность антифазных границ оказывает существенное влияние на магнитные свойства пленок Fe3O4, выращенных на поликристаллических структурах. Можно предположить, что в изученных образцах Fe/Fe3O4 отжиг, приводящий к кристаллизации, изменяет плотность антифазных границ, что оказывает существенное влияние на формирование магнитного состояния.

В четвертой главе предложены альтернативные способы синтеза сверхтон ких изолирующих слоев оксида кремния и магния, установлена сплошность этих слоев при толщинах 12 нм.

LEIS He+, Eo=1 keV Mg O Si Fe He+ 15 min 400 500 600 700 800 Kinetic energy, eV Кинетическая энергия, эВ Рис. 3. Спектры СРМИ, полученные после осаждения методом ИЛО MgO толщи ной 1,5 нм (1) и последующей бомбардировки ионами He+ в течение 15 мин (2).

На рис. 3 приведены данные исследования методом спектроскопии рассея ния медленных ионов (СРМИ) сверхтонкой пленки МgO толщиной 1,5 нм сразу после осаждения на поверхность тонкопленочного слоя Fe. На спектре обратно рассеянных ионов гелия с начальной энергией Е0 = 1000 эВ наблюдаются толь ко линии Mg и O. Пик Fe появляется только после бомбардировки поверхности MgO ионами He+ в течение 15 мин. По затенению сигнала Fe слоем MgO, в ча стности, путем сравнения интенсивности линии Fe3p в РФЭ спектрах (здесь не приведены) до и после травления слоя MgO, можно рассчитать толщину сплошного слоя MgO, которая составила ~1,5 нм. Таким образом, измерения РФЭС/СРМИ указывают на то, что формируемые методом ИЛО сверхтонкие слои MgO на самых ранних стадиях осаждения при толщинах 1,5 нм являются сплошными. Полученные данные о сплошности слоя MgO подтверждаются ре зультатами исследования трехслойных структур Fe3O4/MgO/Fe3Si методом про свечивающей микроскопии среза, в которых наблюдаются равномерный сплошной слой MgO толщиной 3,5 нм.

Результаты проведенных экспериментальных исследований по формиро ванию сверхтонких сплошных слоев SiO2 показывают, что контролируемый процесс окисления кремния в атмосфере реактивного кислорода позволяет соз давать слои SiO2 толщиной 2 нм. Сплошность этих наноразмерных слоев под тверждается результатами РФЭ исследований.

В пятой главе приведены результаты формирования и исследования мно гослойных структур ФМ-И-ФМ, продемонстрирована функциональность и пер спективность предложенной материаловедческой системы. В данной главе предложена новая диагностическая методика исследования магнитной фазы от дельных ФМ слоев в многослойных структурах ФМ-И-ФМ методом ФМР.

Формирование поликристаллической трехслойной структуры Fe Fe3O4/MgO/Fe3Si на аморфных подложках предварительно окисленного крем ния Si/SiO2 проводилось на основе разработанных методик роста индивидуаль ных слоев Fe, Fe3O4, Fe3Si и MgO. Таким образом, методика роста данной трех слойной структуры типа ФМ/И/ФМ в одном вакуумном цикле состоит в сле дующем.

На подготовленную аморфную поверхность подложки SiO2 методом ИЛО осаждается подслой Fe толщиной 10 нм при комнатной температуре.

Осаждением из стехиометрической мишени при комнатной температуре формируется слой Fe3O4 толщиной 10 нм.

Производится вакуумный отжиг бислойной структуры Fe/Fe3O4, активизи рующий кристаллизацию слоя Fe3O4. Целесообразность кристаллизации слоя магнетита рассмотрена и доказана в главе 3, и заключается образова нии единой магнитной фазы в слоях Fe/Fe3O4 при кристаллизации Fe3O4, которая приводит к усилению магнитных свойств магнетита.

Формирование изолирующего слоя MgO производится посредством осаж дения Mg в атмосфере кислорода при низком (~10-6 Па) давлении на по верхность ФМ слоя Fe3O4 в одном вакуумном цикле. Были выявлены опти мальные параметры скорости осаждения (~0,05 монослоя/с) и давления ки слорода, а также температура последующего отжига формируемого эпи таксиального слоя.

Формирование верхнего поликристаллического ФМ слоя Fe3Si проводи лось осаждением из стехиометрической мишени Fe3Si с последующим ва куумным отжигом (Toтж = 400 oC) 0. 0. MFe3Si M, emu 0. -0. MFe3O -0. -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 H, Oe Рис. 4. Петля гистерезиса исследуемого образца поликристаллической структуры Fe-Fe3O4/MgO/Fe3Si. Намагниченности слоев, рассчитанные по обозначенным на графике магнитным моментам М, с учетом толщин слоев, составляют I Fe O 1200 200 emu/см3 и I Fe Si 1600 250 emu/см 34 Данные вибрационной магнитометрии (рис. 4) показали, что в диапазоне полей 25 +25 Э наблюдается узкая петля гистерезиса, характерная для Fe3Si, переходящая в широкую петлю Fe3O4 в диапазоне -100100 Э. Таким образом, в исследуемой структуре наблюдается независимое переключение намагничен ностей отдельных ФМ слоев, что является важнейшим критерием функцио нальности трехслойной структуры. Анализ экспериментальных данных вибра ционной магнитометрии позволил определить значения магнитного момента ФМ слоев трехслойной структуры: в силу независимости магнитных состояний Fe/Fe3O4 и Fe3Si наблюдается последовательное переключение магнитных мо ментов, как показано на рис. 4. Рассчитанные значения намагниченностей со ставили 1200±200 и 1600±250 emu/см3 для слоев Fe/Fe3O4 и Fe3Si соответствен но. Полученные значения в пределах погрешности совпадают со значениями экспериментально установленных намагниченностей отдельных слоев Fe/Fe3O и Fe3Si, сформированных при тех же условиях, что и в данной трехслойной структуре.

В заключении приведены результаты анализа функциональных магнитных свойств сформированных многослойных структур, даны объяснения получен ных результатов и рекомендации по их применению, формулированы основные выводы работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ На основе проведенных экспериментальных исследований магнитных и структурных свойств, анализа фазового состава и морфологических свойств тонкопленочных наноразмерных ФМ слоев FeSix и FeOy и изолирующих слоев SiO2 и MgO, а так же границ раздела ФМ-И и И-ФМ, сформированных в струк турах ФМ-И-ФМ, можно сделать следующие выводы.

1. Впервые для поликристаллического тонкопленочного ферромагнитного оксида железа Fe3O4 обнаружен эффект усиления магнитных свойств при использовании подслоя Fe и установлены оптимальные условия фазообра зования в тонкопленочной бислойной системе Fe/FeOx.

2. Впервые обнаружено влияние взаимного расположения слоев Fe и Fe3O4 на проявление эффекта усиления магнитных свойств магнетита: в последова тельности Fe3O4/Fe усиления не происходит в отличие от последовательно сти Fe/Fe3O4, в которой намагниченность магнетита возрастает в 35 раз, а петля гистерезиса приобретает прямоугольную форму. Дано возможное объяснение наблюдаемой зависимости.

3. Разработана методика синтеза бислойных структур Fe3Si/SiO2 (2 нм) в од ном вакуумном цикле путем проведения твердофазной реакции в системе Fe-Si с предварительным окислением в атмосфере активированного кисло рода. При разработке методики установлены температуры активации твер дофазной реакции Fe-Si, оптимальные для формирования необходимого фазового состава ФМ слоев и границ раздела ФМ/И, а также параметров шероховатости изолирующего слоя SiO2, играющих критическую роль в функциональных структурах ФМ-И-ФМ.

4. Установлены оптимальные условия ориентированного (эпитаксиального) роста тонкопленочных слоев ферромагнитных полуметаллических силици да и оксида железа Fe3Si и Fe3O4 на монокристаллических подложках MgO методом импульсного лазерного осаждения с применением компонентных мишеней заданного стехиометрического состава.

5. Разработана методика формирования структур FeOy/MgO/FeSix, демонст рирующих независимое переключение намагниченностей в ферромагнит ных слоях при сверхтонком изолирующем слое (~3 нм) 6. Разработана методика роста на аморфных подложках Si/SiO2 поликристал лических структур Fe/Fe3O4/MgO/Fe3Si, обладающих независимым пере ключением намагниченностей 7. Разработана диагностическая методика исследования функциональных магнитных свойств структур ФМ-И-ФМ, в которой впервые применен ме тод ФМР для анализа магнитного состояния ФМ слоев в данных структу рах.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Mantovan R., Georgieva M., Fanciulli M., Goikhman A., Barantsev N., Lebedinskii Yu. and Zenkevich A. Synthesis and characterization of Fe3Si/SiO2 structures for spintronics. Phys. Stat. Sol. (a), 2008, v. 205, p.

17531757.

2. Хоменко Е.В., Чеченин Н.Г., Гойхман А.Ю., Зенкевич А. В. Обменное смещение в структурах IrMn/Co с альтернативным чередованием ан тиферромагнитного и ферромагнитного слоев. Письма в ЖЭТФ, 2008, т. 88, с. 693697.

3. Зенкевич А.В., Лебединский Ю.Ю., Гойхман А.Ю., Неволин В.Н., Черных П.Н., Куликаускас В.С., Мантован Р., Фанчулли М. Форми рование и исследование сверхтонких изолирующих слоев SiO2 и MgO на поверхности ферромагнитных электродов. Поверхность. Рентге новские, синхротронные и нейтронные исследования, 2009, № 3, с.

510.

4. Mantovan R., Wiemer C., Lampereti A., Georgieva M., Fanciulli M., Goikhman A., Barantsev N., Lebedinskii Yu. and Zenkevich A. Moss bauer spectroscopy study of interfaces for spintronics. – Hyperfine Inter actions, 2009, 191, p. 41- 5. Гойхман A.Ю., Зенкевич А.В., Прохоренко Е.Е., Черненков А.О., Алиев ский А.А., Зюбин А.Ю., Куприянова Г.С. Исследование многослойных структур для магнитных туннельных переходов методом ферромагнитно го резонанса. Вестник РГУ им. И. Канта, 2009, вып. 4. c.64-71.

6. Гойхман A.Ю., Куприянова Г.С., Прохоренко Е.Е., Черненков А.О. Маг нитно-резонансные свойства тонкопленочных структур с Fe3O4. Вест ник РГУ им. И. Канта, 2010, вып. 6, с. 81-88.

7. Гойхман А.Ю., Зенкевич А.В., Лебединский Ю.Ю. Формирование магнитных туннельных переходов на основе наноразмерных струк тур металл-изолятор-металл и структура магнитного туннельного перехода для магниторезистивной магнитной памяти произвольного доступа (варианты) / Патент на изобретение, рег. №2367057 от 10.09.2009.

8. Goikhman A.Yu., Lebedinskii Yu.Yu., Zenkevich A.V., Mantovan R., Geor gieva M. and Fanciulli M. Fe3Si as a ferromagnetic electrode in magnetic tun nel junctions. – In: Proc. of European Material Research Society Symposium (E-MRS 2008), Strasbourg, France 2008, on CD-ROM.

9. Goikhman A., Lebedinskii Yu., Zenkevich A., Mantovan R., Fanciulli M. and Chernykh P. Pulsed laser deposition of epitaxial magnetic thin films. – In:

Book of Abstracts of Moscow International Symposium on Magnetism (MISM 2008), Moscow, Russia – 2008, on CD-ROM 10. Goikhman A. and Kupriyanova G. FMR study of sandwiched magnetic struc tures. – In: Book of Abstracts of Moscow International Symposium on Mag netism (MISM 2008), Moscow, Russia – 2008, on CD-ROM.

11. Goikhman A., Zenkevich A., Mantovan R., Fanciulli M., Samsonova V. and Perov N. Structural and magnetic properties of Fe3O4/MgO/Fe3Si trilayers syn thesized by pulsed laser deposition. – In: Abstracts of International Confer ence on Magnetism (ICM-2009), Karlsrhue, Germany – 2009, on CD-ROM.

12. Goikhman A., Kupriyanova G. and Zenkevich A. Magnetic properties of Fe/Fe3O4 bilayers studied by ferromagnetic resonance. – In: Abstracts of In ternational Conference on Magnetism (ICM-2009), Karlsrhue, Germany – 2009, on CD-ROM.

13. Goikhman A., Zenkevich A., Gler S., Rameev B. and Kupriyanova G. FMR study of sandwiched magnetic structures. – In: Book of abstracts International Conference on Superconductivity and Magnetism (ICSM), Antalya, Turkey – 2008, on CD-ROM.

14. Mantovan R., Wiemer C., Lamperti A., Georgieva M., Fanciulli M., Goikhman A., Barantcev N., Lebedinskii Y. and Zenkevich A. Mssbauer spectroscopy study of interfaces for spintronics. – In: Abstracts of International Symposium on the Industrial Applications of Mssbauer Effect (ISIAME 2008), Budapest, Hungary – 2008, on CD-ROM.

15. Mantovan R., Fanciulli M., Wiemer C., Lamperti A., Georgieva M., Goikhman A., Barantcev N., Lebedinskii Y. and Zenkevich A. Application of conversion Mssbauer spectroscopy to the study of interfaces for spintronics. – In: Proc. of Meeting 50 Years After – the Mssbauer Effect Today and in the Future, Mnchen, Germany – 2008, on CD-ROM.

16. Goikhman A., Barantsev N., Lebedinskii Y., Zenkevich A., Mantovan R. and Fanciulli M. Fe3Si/SiO2/Fe functional structures formed by pulsed laser depo sition. – In: Abstracts of Euro-Asian Symposium “Magnetism on nanoscale”, Kazan, Russia – 2007, p. 54.

17. Goikhman A., Barantsev N., Lebedinskii Y., Zenkevich A., Mantovan R. and M. Fanciulli Synthesis and characterization of Fe3Si/MgO structures for spin tronics. – In: Book of Abstracts International Conference “Micro- and nanoelectronics”, Zvenigorod, Russia – 2007, CD-ROM.

18. Гойхман А. Ю., Лебединский Ю.Ю., Зенкевич А.В., Неволин В.Н. Фор мирование функциональных структур Fe3Si/SiO2/Co и Fe3Si/SiO2/Fe для магнитных туннельных переходов. – В. сб.: тез. докл. Научной сессии МИФИ, Москва – 2007, т.15, с. 41.

19. Гойхман А. Ю., Лебединский Ю.Ю., Зенкевич А.В., Неволин В.Н. Фор мирование функциональных структур Fe3Si/SiO2/Co и Fe3Si/MgO/Fe(Co) для магнитных туннельных переходов. – В. сб.: тез. докл. Научной сессии МИФИ, Москва – 2008, т. 7., с. 174.

20. Гойхман А. Ю., Лебединский Ю.Ю., Зенкевич А.В., Неволин В.Н. Функ циональные структуры магнитных туннельных переходов на основе фер ромагнитных полуметаллов. – В. сб.: тез. докл. Научной сессии МИФИ, Москва – 2009, т. 2, с. 84.

21. Гойхман А. Ю., Зенкевич А.В., Самсонова В.В., Перов Н.С., Неволин В.Н. Исследование формирования магнитной фазы в структуре Fe/Fe3O4.

– В. сб.: тез. докл. Научной сессии МИФИ, Москва – 2010, т. 2, с. 170.

22. Гойхман А. Ю., Лебединский Ю.Ю., Зенкевич А. В., Самсонова В. В., Перов Н.С. Многослойные эпитаксиальные структуры для магнитных туннельных переходов. – В. сб.: трудов Национальной конференции по росту кристаллов, Москва – 2008, CD-ROM 23. Гойхман А. Ю., Куприянова Г. С. и Зенкевич А.В. Исследование много слойных магнитных структур методом ферромагнитного резонанса. – В.

сб.: тез. докл. 5-й зимней школы-конференции «Магнитный резонанс и его приложения», Санкт-Петербург – CD-ROM 24. Гойхман А. Ю. Разаботка физических основ технологии изготовления элементов энергонезависимой памяти на основе магнитных туннельных переходов в структурах ФМ-ТИ-ФМ. – В. сб.: тез. докл. 14-й Всероссий ской межвузовская научно-техническая конференция «Микроэлектроника и информатика - 2007», Зеленоград – 2007, с. 29.

25. Черных П.С., Куликаускас В.С., Гойхман А.Ю., Зенкевич А.В. Импульс ное лазерное осаждение эпитаксиальных магнитных плёнок. – В. сб.: тез.

трудов XXXVIII Международной конференции по физике взаимодейст вия заряженных частиц с кристаллами (ФВЗЧК-2008), Москва – 2008, с.

150.

26. Гойхман А.Ю., Лебединский Ю.Ю., Зенкевич А.В., Черных П.С., Кули каускас В.С., Самсонова В.В., Перов Н.С., Куприянова Г.С. Структурные и магнитные свойства Fe3O4/MgO/Fe3Si. – В. сб.: тез. трудов XXXIX Ме ждународной конференции по физике взаимодействия заряженных час тиц с кристаллами (ФВЗЧК-2009), Москва – 2009, c. 122.

Александр Юрьевич Гойхман МАГНИТНЫЕ И СТРУКТУРНЫЕ СВОЙСТВА НАНОРАЗМЕРНЫХ СЛОЕВ ФЕРРОМАГНЕТИК-ИЗОЛЯТОР-ФЕРРОМАГНЕТИК НА ОСНОВЕ FeSix И FeOy Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Подписано в печать 24.05.2010 г.

Бумага для множительных аппаратов. Формат 6090 1/16.

Гарнитура «Таймс». Ризограф. Усл. печ. л. 1,5. Уч.-изд. л. 1,4.

Тираж 100 экз. Заказ.

Издательство Российского государственного университета им. Иммануила Канта 236041, г. Калининград, ул. А. Невского,

 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.