Огляд експериментальних досліджень електрофізичних властивостей двошарових систем на основі плівок Ag і Co

Унікальні електрофізичні властивості плівкових зразків постійно знаходяться в полі зору дослідників. Так, цій проблемі присвячена велика кількість робіт.

Електрофізичні властивості тонких плівок можуть значно відрізнятися від властивостей масивних зразків. Це пов’язано, по-перше, з їх кристалічною будовою, яка суттєво залежить від температури підкладки при конденсації, ступеню вакууму, властивостей матеріалу, який випаровується; по-друге, з товщиною плівки незалежно від методу її одержання. Крім цього, електричні властивості дуже чутливі до зміни температури, концентрації дефектів та деформації (стискання або розтягу).

У випадку системи на основі Ag і Со має місце обмежена взаємна розчинність з утворенням т.р. (Ag, Со) з ГЦК-граткою і параметрами близькими до а₀(Ag). У результаті цього надлишкові атоми Со утворюють гранулі в матриці твердого розчину (т.р.), що підтверджується електронно-мікроскопічними дослідженнями[7]. Показано, що утворення гранульованого твердого розчину на основі Ag відбувається при термообробленні до температури 800 К (система Ag/Co/П) або в процесі одночасної конденсації (плівка (Ag + Co)/П).

Експериментальні величини термічного коефіцієнта опору добре узгоджуються із розрахунковими на феноменологічному моделю для гранульованого твердого розчину[7]. Діаграми стану Ag—Co для масивних зразків[8] компонентів мають дуже обмежену розчинність у порівнянні із плівковими зразками. Стабілізація т.р. (Ag,Co) з елементами гранульованого стану має місце як в процесі одночасної конденсації з двох джерел, так і при послідовній конденсації з наступним термообробленням.

Плівкові системи на основі Co і Ag та Co і Au у невідпаленому стані двофазні. У процесі термовідпалювання відбувається аналогічне утворення т.р. (Ag, Со) та (Au, Со). Піки на рентгенограмах від Au(23)/Cо(15)/П (П – підкладка) до і після відпалювання до 700 К, що відповідють ГЦК-Ag, зазнають зміщення, а ті, що відповідають ГЩП-Со, зникають після відпалювання. На мікрознімоку кристалічної структури двошарової плівки Ag/Со/П спостерігається стабілізація наночастинок ГЩП-Со, від яких на відповідній їй електронограмі поряд з лініями т.р. фіксуються екстрарефлекси. Таким чином, у результаті термовідпалювання плівкових систем на основі Co і Ag та Co і Au відбувається утворення гранульованих т. р.[9].

Гранульовані плівкові сплави на основі Ag та Cо відносяться до систем зі спін-залежним розсіювання. Вони мають матрицю із немагнітного матеріалу на основі якої формується твердий розчин т.р. (Ag, Cо) і система феромагнітних гранул Со різного розміру (від декількох ангстрем до декількох нанометрів) [10-12]. Утворення гранульованого плівкового сплаву в системах на основі Ag та Со пов’язане з тією обставиною, що компоненти даної системи мають обмежену взаємну розчинність у масивному стані [9] і тому із надлишкових атомів Со, які продифундували у решітку Ag, формується система гранул (структура такого сплаву та мікрознімок представлені на рис. 1.3) [13].

Рис. 1.3 Схематична структура гранульованого сплаву на основі Co і Ag (а) та його мікроструктура після відпалювання до температури 600 К, отримана в режимі високої розрізнювальної здатності (б). Із роботи [13]

В серії робіт В. Пратта та ін. [14 - 15] на прикладі мультишарів на основі Co і Cu або Ag та Fe і Cr. Отриманих методом пошарової конденсації, було показано, що при вимірюванні у перпендикулярній геометрії величина МО не перебільшує 10 %, в той час як при паралельній геометрії МО досягає 40 % (температура вимірювання Т = 4,2 К). Аналогічний результат був отриманий при дослідженні магніторезистивних властивостей гранульованих сплавів на основі Со і Ag у паралельній геометрії в роботах [16 - 18].

Co–Cu і Co–Ag плівки показують протилежну тенденцію з Co завдяки різним домінуючим вкладенням анізотропії в двох системах, тобто зменшення компонента намагнічення. Тому збільшення перпендикулярної анізотропії може бути виведений для Co–Ag із збільшенням товщини плівки. Використовуючи Ag як магнітну розпірку, маленький перпендикулярний магнітний компонент з'являється також для мультишарів гранульованих систем.

На відміну від плівок Ag, плівки Co мають двофазний склад. На електронограмах поряд з лініями ГЩП-Со фіксуються лінії ГЦК-Со, які можуть відповідати як відбиттям від дефектів пакування в ГЩП-Со, так і незавершеним фазовим ГЦК→ГЩП переходом при конденсації плівки Со[19].

Широкий інтервал значень магнітоопору (від 1 до 40 %) пов’язаний із режимами термообробки та зміною концентрації атомів Со. Розмірна залежність магнітоопору від індукції магнітного поля має нелінійний характер. Згідно даних на концентраційних залежностях для плівкового сплаву на основі Ag та Co при Т = 4,2 К величина МО зростає з 27 до 43% при збільшенні загальної концентрації с_Со в інтервалі від 14 до 37 ат.%. При подальшому збільшенні концентрації атомів Со відбувається різке зменшення величини МО і при с_Со = 60 ат.% досягає мінімального значення (МО = 2%). При температурі вимірювання 300 К спостерігається аналогічний характер залежності (максимум спостерігали при с_Со = 38 ат.%, величина МО = 20%)[13].

Була проведена апробація запропонованої авторами [5] феноменологічної моделі, що використовується для розрахунку електрофізичних властивостей (питомого опору (r) та термічного коефіцієнту опору (b) плівкових гранульованих сплавів. Результати, отримані за допомогою вище наведеного співвідношення та експериментальні дані добре корелюють між собою. Зокрема було встановлено, що для плівкової системи з утворенням гранульованого стану Ag(43)/Co(20)/П b_екс = 1,58×10^-4 К^-1, а b_роз = 1,35×10^-4 К^-1[24].

В роботі [20] досліджували ГМО в гранульованих плівках Ag та Co. Із збільшенням концентрації кобальту, середній розмір зерен варіює від 3 до 9 нм і магнітна поведінка переходить від суперпарамагнітної до одного домену феромагнітного і багатодоменного феромагнітного стану . У ціх матеріалів присутній гігантський магнітоопір , значення яких проходить через максимум залежно від кобальту. Максимальний ГМО досягає 14 % в 10К і 4 % при кімнатній температурі. Ці значення менші, в порівнянні з отриманими іншими методами [20].

Аналогічні дослідження проводились в роботі [21]. Чутливість пов'язана з зернистим типом ГМО в яких вона збільшилася, через зниження опору і підвищення обмінної взаємодії між Co гранулами та суміжних феромагнітного Со або FeCo шарів, які були викликані зростанням Co гранул в Ag або CoAg шарів. Максимальні значення були отримані шляхом відпалу в межах 350-400 °С. Ці високі значення були запропоновано використовувати для магнітного датчика в високих полях [21].

На основі гранульованих сплавів Ag/Co були створені датчики для безконтактного лінійного положення зондування позиції(рис.1.4). Гранульовані сплави з ГМО є хорошим рішення для розробки простих і ефективних недорогих датчиків. Ці матеріали показують високу чутливість і високу робочу температуру. Значення магнітоопору вимірювали при кімнатній температурі під Nd-Fe-B в постійних магнітах, їх вплив становить 8%, що вище, ніж в інших комерційних пристроїв. Це дозволяє мати чутливість вище, ніж 14,6 мВ/мм [22].

Рис. 1.4 Схематичне зображення датчика на основі моста Уитстоуна. Із роботи [22]

У роботі [23] представлені результати впливу деформацій у системах з двухшарової плівки Ag/Co. Розглянуті всі можливі варіанти їх структурних і фазових станах: системи, в яких тримають індивідуальність окремі шари; системи, які сформували твердий розчин на межі розділу і системи у всьому обсязі зразка стабілізованого чи не стабілізованого гранульованого стану.

Автори, провівши аналіз результатів, представлених у таблиці 1.1. прийшли до висновків, що системи, в яких є твердий розчин по всьому об'єму, можна використовувати як високотемпературний чутливий елемент датчика деформації, так як їх поділ спостерігається при дуже високих температурах; особливістю твердого розчину є те, що розчинником є ​​висока концентрація металу, яка забезпечує високу стабільність;

Також плівкові системи, в яких утримуються окремі шари можуть бути використані в якості чутливих елементів в діапазоні низьких і проміжних температурах (до T = 700K), тому що вони мають більш високе значення
в порівнянні з одношаровими плівками, але вони можуть втратити свої властивості деформації при підвищених температурах в результаті виникнення дифузійних процесів в багатошарових[23].

Таблиця 1.1

Експериментальні результати вимірювання коефіцієнтів деформації[23]

Система сплаву	Характеристика системи сплаву	Пружна деформація	Пластична деформація
Системи з обмеженою розчинністю елементів. Фазовий склад: ГЦК-Ag+ +ГЩП-Со + т.р. (Ag, Co).
Ag(18)/Co(17)/П	4,2	= 0,55	-
Ag(22)/Co(22)/П	3,5	= 0,50	-
Ag(40)/Co(20)/П	2,4	= 0,60	-
Ag(45)/Co(36)/П	2,7	= 0,42	-

Таким чином, короткий аналіз робіт показав, що електрофізичні властивості багатошарових плівкових, а особливо гранульованих сплавів в умовах магнітного поля на сьогодні вивчені недостатньо. Значно більше приділяється уваги дослідженню магніторезистивним, структурно-фазовим та тензорезистивним характеристикам плівкових систем на основі Ag та Co. Отже, метою даної роботи є дослідження електрофізичних властивостей гранульованих систем на основі Ag/Co в умовах дії магнітного поля.