Дополнительные материалы

О магнитных пленках

Тонкой магнитной пленкой называется слой магнитного материала толщиной от нескольких ангстрем (A) до 10 000 A (1 A = 10-1 нм). До настоящего времени магнитные пленки являются объектом интенсивных исследований в России и за рубежом (США, Япония, ФРГ, Англия, Франция и др.). Ежегодно результаты изучения физических свойств пленок обсуждаются на международных и российских конференциях. Описанию их кристаллической структуры и свойств посвящаются многочисленные статьи, обзоры, монографии. Естественно возникает вопрос: чем же примечательны эти пленки? Почему к их исследованию проявляется такой интерес?

Прежде всего, это связано с тем, что изучение физических свойств ферромагнитных пленок способствует решению фундаментальных проблем физики магнитных явлений, развитию теории ферромагнетизма. Исследование пленок позволяет получать новую и ценную информацию о магнитных свойствах ферромагнетиков, углублять наши знания по многим вопросам в области магнетизма. Например, изучение тонких пленок существенно расширило представления о физической природе анизотропии ферромагнетиков, позволило выявить и исследовать разнообразные процессы перемагничивания, обнаружить новые физические явления. В пленках можно реализовать структурные состояния, которые трудно или невозможно получать в обычных (массивных или объемных) магнитных образцах. Это существенно расширяет возможности исследования связи между структурными характеристиками и физическими свойствами магнитных материалов.

Изучение физических свойств тонких ферромагнитных пленок также актуально с точки зрения их практического применения в микроэлектронике и вычислительной технике.

cd.jpgВажнейшим применением пленок является их использование в качестве магнитной среды для записи и хранения информации в запоминающих устройствах (ЗУ). Магнитные пленки имеют особенности, благодаря которым их использование способствует повышению плотности записи информации и быстродействия ЗУ. Одна из таких особенностей - гигантское магнитосопротивление, которое привлекло особенно большое внимание и в последние несколько лет стало предметом всестороннего исследования.

Запоминающие устройства должны обеспечивать надежное и длительное хранение информации, малое время доступа, низкую стоимость хранения единицы информации, высокую плотность и скорость записи. Чтобы отвечать этим требованиям, пленки должны обладать вполне определенным набором структурных и магнитных характеристик. Получить такие пленки можно только зная механизмы формирования их свойств. Поэтому до настоящего времени не ослабевает интерес к исследованиям в этой области.

Лаборатория физики магнитных пленок

Методика химического осаждения

lmf.jpg

Методика химического осаждения относится к так называемым «мокрым» технологиям, и основана на реакции выделения чистых металлов (Co, Ni, Fe и др.) из растворов соответствующих солей с помощью различных восстановителей.

С помощью химического осаждения в лаборатории получаются:

 

  • bif.gifпленки бинарных сплавов Со-Р, Fe-P, Ni-P, и тройных сплавов Со-Ni-P, Fe-Ni-P, Fe-Со-Р в поликристаллическом, нанокристаллическом и аморфном состояниях;
  • por.gifпорошки бинарных сплавов Со-Р, Fe-P, Ni-P, а так же тройных сплавов Со-Ni-P, Fe-Ni-P, Fe-Со-Р в поликристаллическом, нанокристаллическом и аморфном состояниях;
  • mult.gifмультислойные пленки Co/Pd, Co/Ni, Co/CoNi, Co/Pd/CoNi, Fe/Pd, FeNi/Pd с нанокристаллическими и аморфными слоями нанометровой толщины;
  • niti.gifферромагнитные нити СоNi в порах поликарбонатных мембран либо пористого кремния.

Технология импульсно-плазменного распыления (ИПР)

ipt.jpg

Установка импульсно-плазменного распыления

Схема импульсно-плазменной установки с лазерным поджигом

d_ipt.gif

В этом методе лазерное излучение (1) используется для получения первичной порции пара распыляемого металла, в которой зажигается плазма аномального тлеющего разряда между водоохлаждаемым анодом (7) и распыляемой мишенью (8) за счет энергии конденсаторной батареи (9) необходимой емкости.

В этом случае каждый испаренный атом ионизируется в плазме разряда, т.е. генерирует один электрон и один атом. Положительные ионы испаряющегося металла возвращаются вновь к мишени, ускоряясь электрическим полем, и бомбардируют мишень, выбивая новые атомы. То есть, особенностью плазмы является самоподдерживающийся характер жизни.

Процесс распыления продолжается в течение времени, превышающего длительность импульса лазера примерно на 4 порядка. Так при длительности лазерного импульса tи = 10-8 с, время жизни плазмы составляет примерно ~ 10-4 с, а область взаимодействия ионов с мишенью по сравнению с пятном сфокусированного излучения увеличивается на несколько порядков.

Часть выбитых из мишени атомов в нейтральном состоянии достигает подложки, образуя пленку. При этом средняя скорость напыления при сохранении порядка величины импульсной скорости, характерного для чисто лазерного напыления (~ 105 нм/с), возрастает более чем в 10000 раз.

Метод термического испарения в вакууме

vak.gif

Этот метод заключается в испарении металла или сплава в вакууме и конденсации его паров на поверхности пластинки (подложки). Качество и прочность пленок в большей степени зависят от чистоты подложки. Поэтому поверхность подложки предварительно полируется и тщательно очищается. Часто во время напыления подложка нагревается при помощи специального нагревателя до температуры 100-3000С. При подогретой подложке частично снимаются внутренние напряжения в пленке, и улучшается ее сцепление с подложкой. Подложки могут быть изготовлены из стекла, кварца, слюды и немагнитных металлов. В качестве подложки в некоторых случаях используются сколы монокристаллов поваренной соли NaCl. Простейшая схема установки для получения тонких магнитных пленок методом термического испарения металлов и сплавов в вакууме показана на рис. 1. Сплав или металл, который должен быть осажден на подложку 1, помещают в испаритель 2. В рассматриваемом случае он имеет форму лодочки, изготовленной из тугоплавкого металла, например вольфрама. Через лодочку пропускают электрический ток, пока она не приобретет достаточно высокую температуру, при которой исходный материал начинает плавиться. Пары от расплавленного металла в виде атомарного пучка, распространяясь от лодочки, попадают на подложку 1 и осаждаются на ее поверхности, образуя слой в виде тонкой пленки (вакуумного конденсата).

Если подложку предварительно поместить на пластинку (маску) с отверстиями 3, например круглыми, то в процессе конденсации на подложке образуются пленки, имеющие форму в виде круглых пятен, то есть в соответствии c формой отверстий в маске. Таким образом, с помощью маски 3 можно придавать пленкам различные размеры и форму.

Вся система помещается в вакуумную камеру 6, откачанную до достаточно высокого вакуума. Вакуум должен быть таким, чтобы атомы металла не сталкивались с молекулами остаточного газа при своем движении к подложке, то есть их траектории должны быть прямолинейными. Это условие выполняется, если в камере создается давление порядка 10- 5 мм ртутного столба. В этом случае расстояние от испарителя до подложки достаточно мало по сравнению со средней длиной свободного пробега молекул газа и большая часть атомов металла будет достигать подложки, не испытывая столкновений с молекулами остаточного газа. Такой вакуум легко получить в обычной лабораторной вакуумной установке. При осаждении паров на подложку происходит переход атомов металла из паровой фазы в конденсированное состояние.

Рассмотренный метод позволяет получать пленки разной толщины. Она регулируется изменением скорости или времени конденсации. На процесс формирования пленок оказывают влияние несколько факторов, наиболее существенным, из которых является температура подложки. В зависимости от этой температуры могут реализоваться различные механизмы конденсации, которые в большой степени определяют структурное состояние и магнитные свойства пленок. В частности, при повышении температуры подложки от 200 до 5000С наблюдается заметное изменение магнитной проницаемости и величины внешнего магнитного поля Hs , в котором происходит насыщение ферромагнитной среды. Не анализируя каждый механизм в отдельности, рассмотрим один из них, например механизм конденсации пар жидкость кристалл, который осуществляется, когда температура подложки выше определенной критической.

Применение электронной микроскопии позволило установить, что при конденсации паров сначала образуются капли жидкой конденсированной фазы, которые на некоторой стадии роста кристаллизуются, образуя отдельные изолированные частицы (зародыши), имеющие в большинстве случаев сферическую форму. Затем в процессе дальнейшей конденсации паров происходит рост зародышей, их слияние и образование сплошного слоя.

По материалам статьи: В. Г. КАЗАКОВ ‘ТОНКИЕ МАГНИТНЫЕ ПЛЕНКИ’ Соросовский Образовательный журнал, ФИЗИКА, 1997.

Теория и практика компьютерного моделирования нанообъектов

Т.А. Романова, П.О. Краснов, С.В. Качин, П.В. Аврамов. Справочное пособие

В современной химии уделяется большое внимание использованию точного математического описания изучаемых объектов и явлений. Мультимедийное издание содержит ряд подходов компьютерной химии и конкретные приложения из актуальных направлений современной химии и материаловедения. Книга состоит из четырех разделов: первый посвящен теоретическим основам компьютерного моделирования в химии (соответствующий курс лекций по квантовой химии, читаемый в Красноярском государственном университете); второй раздел посвящен широко распространенной программе HyperChem, позволяющей проводить квантово-химические и молекулярно-динамические расчеты; третий и четвертый разделы рассматривают структуру и свойства элементарных форм углерода и биологических молекул.
Мультимедийное издание предназначено для студентов, аспирантов, преподавателей, а также специалистов в области химии и материаловеления.
Табл. 26, ил. 125, молекулярно-динамических фильмов 83, молекулярных структур 615, библиогр. назв. 290.

Теория и практика компьютерного моделирования (архив .rar 303,433 kb)

Калорические эффекты в ферроиках и мультиферроиках (обзор)

Михалёва Е.А., Флёров И.Н. Научно-популярный материал.

АННОТАЦИЯ

Обзор содержит краткое изложение физических и термодинамических принципов нетрадиционных специфических методов охлаждения, основанных на так называемых калорических эффектах, имеющих место в термодинамических системах под действием внешних полей различной природы. В частности, рассматриваются электро-, магнето- и барокалорический эффекты; физическая природа материалов, в которых наиболее ярко выражен тот или иной тепловой эффект; некоторые экспериментальные результаты, позволяющие получить представление о величинах изменения энтропии и/или температуры в результате изотермического и/или адиабатного процессов, а также, в качестве примера, принципиальные схемы холодильных циклов, осуществляемых на основе электро- и магнетокалорических эффектов.

Полный текст

Новые направления наноматериаловедения

Учебно-методическое пособие для самостоятельной работы [Электронный ресурс] сост. Г. Н. Чурилов, И. В. Осипова, Г. А. Глущенко, А. Л. Колоненко

 

Проведение экспериментальных исследований по синтезу в потоке углеродно-гелиевой и аргоновой плазмы наночастиц mg, содержащих защитную оболочку металлов (ti, ni, pd), катализирующих процесс диссоциации водорода

В учебно-методическом пособии описаны основные научные, технологические и технические проблемы водородной энергетики. Рассмотрены эффективные сорбенты водорода на основе магния и приведены способы высокопроизводительного
получения наноразмерных композиционных веществ. Описаны аналитические методы исследования сорбционных параметров веществ.

Предназначено для студентов, обучающихся по специальности 223200.68 «Техническая физика».

Полный текст [pdf]