Вышедшие номера
Магнитные свойства пленок нитрида железа, полученных реактивным магнетронным распылением
Чеботкевич Л.А.1, Воробьев Ю.Д.1, Писаренко И.В.1
1Дальневосточный государственный университет, Владивосток, Россия
Поступила в редакцию: 8 августа 1997 г.
Выставление онлайн: 19 марта 1998 г.

1. В последние годы направленная ионная имплантация азота в металлы становится эффективным методом формирования нитридов металлов при комнатной температуре. Добавки небольшого количества азота к пленкам на основе Fe делают их мелкокристаллическими, что существенно улучшает их магнитомягкие свойства, увеличивает индукцию насыщения Bs, улучшает сопротивление коррозии [1-5]. В настоящей работе исследовалась зависимость кристаллической структуры, индукции насыщения и коэрцитивной силы тонких (40 nm) пленок Fe-N от содержания азота в рабочей смеси Ar + N2, от давления рабочего газа и от температуры подложек Ts. 2. Пленки получались реактивным магнетронным распылением Fe-мишени в атмосфере смеси газов Ar + N2. Давление рабочей смеси газов в процессе напыления варьировалось от 1.3·10-4 до 1·10-2 Torr. Содержание азота в смеси Ar + N2 изменялось в интервале 0-20%. Пленки напылялись на стеклянные подложки и сколы NaCl. Ts при напылении изменялась от 20 до 300oC. [!b] Зависимость магнитной индукции Bs ( 1) и коэрцитивной силы Hc ( 2) пленок Fe-N от концентрации азота в рабочем газе. Температура подложек равна 20oC. Толщина пленок контролировалась по времени напыления. Bs измерялась на автоматизированном вибрационном магнитометре; коэрцитивная сила Hc определялась индукционным и магнитооптическим методами; структура пленок исследовалась методами просвечивающей электронной микроскопии и электронной микродифракции. 3. Исследования зависимости Bs и Hc от давления рабочего газа при различной CN в рабочей смеси показали, что максимальное значение Bs и минимальная величина Hc наблюдаются при P=2.3·10-4 Torr. [!b] Зависимость Bs ( 1) и Hc ( 2 ) пленок Fe-N от температуры подложек. Давление рабочего газа равно 2.3·10-4 Torr. Концентрация азота в рабочем газе составляет 10%. На рис. 1 приведена зависимость Bs и Hc пленок Fe-N, осажденных на подложки при комнатной температуре, от CN в рабочей смеси. Видно, что только при CN>10% Bs начинает уменьшаться. Иначе ведет себя Hc. Минимум Hc наблюдается в интервале CN 7-12% в рабочем газе. Уменьшение Bs при CN>10% обусловлено образованием немагнитной фазы. Как показали картины электронной микродифракции, при добавлении азота в рабочий газ появляются дифракционные кольца, принадлежащие различным фазам нитрида железа. Надежно идентифицирована только фаза Fe2N в пленках, полученных при CN<=15% в рабочем газе. Разделить ферромагнитные фазы (Fe16N2, Fe4N, Fe3N), образующиеся при малом содержании азота, не удалось из-за перекрытия дифракционных колец. Однако об образовании ферромагнитных фаз нитрида железа свидетельствует возрастание Bs при повышении Ts (кривая 1 на рис. 2). Уменьшение Hc (рис. 1) связано с уменьшением размера зерна от 7 nm (в чистом Fe) до 3-4 nm (в пленках Fe-N). Увеличение Hc при CN>10% обусловлено внутренними напряжениями и магнитостатическими полями образовавшихся фаз нитрида железа [6]. На электронно-микроскопических изображениях структуры пленок видны "складки-сборки", которые свидетельствуют о наличии внутренних напряжений. Деформация решетки фазы alpha-Fe возрастает с увеличением содержания азота и при CN=19% составляет 1.3%. Зависимость Bs и Hc от температуры подложки для пленок Fe-N, полученных при CN=10%, показана на рис. 2. При осаждении пленок на нагретые подложки Bs увеличивается и при Ts=300oC составляет 1.9 T. Увеличение Bs связано с образованием ферромагнитных фаз нитридов железа с индукцией, превышающей индукцию чистого железа. Поскольку образование химических соединений распыленных веществ возможно только на поверхности подложки, рост ее температуры способствует повышению реакционной способности компонент, увеличению относительного количества таких нитридных фаз в массе пленки и, следовательно, возрастанию магнитной индукции. С другой стороны, повышение Ts приводит к росту зерна и в конечном итоге к росту Hc. 4. Таким образом, пленки Fe-N, полученные реактивным магнетронным распылением, являются многофазными и содержат как ферромагнитные, так и немагнитные фазы. Нанокристаллические пленки Fe-N, осажденные при CN=10% в рабочем газе, имеют минимальное значение Hc. Повышение Ts в процессе конденсации позволяет получать пленки Fe-N с более высокой Bs, чем для пленок чистого Fe.
  1. K. Terunuma, M. Miyazaki, H. Kowashima, K. Terazono. J. Magn. Soc. Jpn. 14, 257 (1990)
  2. E. Ma, B.X. Liv, X. Chen, H.D. Li. Thin Solid Films 147, 49 (1987)
  3. Y. Hoshi, M. Naoe, J. Appl. Phys. 69, 8, 5622 (1991)
  4. M. Kume, T. Tsujioka, K. Matsuura et al. IEEE Trans. Magn. MAG-23. 3633 (1990)
  5. С.Х. Карпенко. Зарубеж. электрон. 6, 3 (1993)
  6. В.Э. Осуховский, Ю.Д. Воробьев, Л.А. Чеботкевич и др. ФММ, 3, 543 (1986)

Подсчитывается количество просмотров абстрактов ("html" на диаграммах) и полных версий статей ("pdf"). Просмотры с одинаковых IP-адресов засчитываются, если происходят с интервалом не менее 2-х часов.

Дата начала обработки статистических данных - 27 января 2016 г.