Файл: Сухвало, С. В. Структура и свойства магнитных пленок железо-никель-кобальтовых сплавов.pdf

другими химическими соединениями, в частности с углеродом,

азотом.

Судя -по результатам электронномикроскогшческих иссле­ дований, микроструктура в железо-никелевых пленках в зави­ симости от сочетания соответствующих кристаллизационных условий и состава может представлять собой довольно ши­ рокий набор типов эвтектической структуры. Характерно, од­ нако, то обстоятельство, что в пленках, фазовый состав кото­ рых близок к.эвтектическому, ячеисто-столбчатая и стержне­ вая структуры являются всегда 'сквозными то толщине пленки. При этом вид такой микроструктуры вдоль .поперечного сече­ ния пленки при вариации ее модификаций (допустим, перехо­ да стержневого в ячеистый) внешне не сопровождается каки­ ми-либо существенными геометрическими преобразованиями: во всех случаях фиксируются периодически чередующиеся столбики двух окрасок, толщина которых может быть как одинаковой, так и значительно различающейся. Различия, при­ сущие ячеистой и стержневой структурам, можно наблюдать лишь в планарном сечении пленки.

На рис. 21 продемонстрирован один из при/меров ячеистой эвтектической структуры в железо-никелевых пленках в ее планарном сечении. Как видно из снимка, основу эвтектиче­ ской структуры в рассматриваемом случае составляют ячейки в виде неправильных шестигранников, иногда многогранников с меньшим числом сторон. На снимке можно заметить также некоторую тенденцию выстраивания многогранников в виде полос, что можно в известной мере классифицировать как од­ новременное наличие элементов пластинчатой эвтектики.

Исследования показали, что эвтектическая структура того или иного типа возникает практически во всех пленках спла­ вов Fe—Ni—Со, если только в результате оптимального под­ бора условий кристаллизации возможно создание критическо­ го соотношения фаз, необходимого для протекания эвтектиче­ ской реакции.

Модификация эвтектической структуры в пленках зависит прежде всего от физико-химических характеристик соедине­ ний, с которыми основной сплав образует эвтектику, что опре­ деляется химическим составом пленок и термодинамическими условиями кристаллизации. Выше, в частности, отмечалось, что эвтектика высоконикелевых оплавов с РезС>4(преимущест­ венно столбчатая (ячеистая). В то же время при однотипных условиях в пленках никеля часто можно наблюдать неупоря­ доченную эвтектическую структуру игольчатого _ типа (рис. 22). Параметры эвтектической структуры весьма существенно могут изменяться также в зависимости от кинетических ха­ рактеристик кристаллизации и полноты развития эвтектиче­ ской реакции. Заметим, что четкое разделение фаз и наиболее

106

гюрциональна 1/у'ор, где vv — скорость кристаллизации. Боль­ шая скорость роста, составляющая меньше времени для диф­ фузии, должна способствовать меньшей толщине.

Относительные размеры ячеек (в частности, их ширина в поперечном сечении) соответственно для каждой из отдельно кристаллизующихся фаз аз эвтектической структуре можно оценить исходя из термодинамического пересыщения пои кри­ сталлизации. Расчеты показывают, что ширина ячеек железа должна не менее чем в 2 раза превышать ширину ячеек из окисных фаз. Ячейки эвтектической структуры, состоящей из железа и его соединений на основе углерода, имеют сравни­ мую ширину. Можно вместе с тем получить эвтектические структуры, в которых ячейки из соединений, например, NiFeoO

•превосходят по ширине металлические ячейки.

Необходимо отметить, что в настоящее время принята сле­ дующая модель известной столбчатой структуры железо-нике­ левых пленок в поперечном сечении. Ячейки, имеющие в сече­ нии большую толщину, принимают за столбчатые кристалли­ ты основной магнитной фазы. Промежуточные же прослойки меньшей толщины считаются межкристаллитными границами, состоящими из аморфного немагнитного вещества. На самом деле, как было показано, оба типа прослоек являются кри­ сталлитами различных фаз и чаще всего находятся в кристал­ лическом состоянии. Кроме того, в ряде случаев ячейки, со­ стоящие из соединений, ферромагнитны наряду с железом, ни­ келем или кобальтом. В аморфном состоянии выпадают обычно фазы неметаллического типа. Примером слабомагннтных фаз эвтектической структуры может служить NiO. Как правило, аморфпзированными и немагнитными бывают сегре­ гационные выделения на межфазных границах.

Микроструктура пленок с составом, отклоняющимся от эвтектического (доэвтектические и заэвтектические). Если фазовый состав пленок не очень удален от эвтектического, то механизм кристаллизации и формирование их микрострук­ туры в некоторых деталях напоминают эвтектические. Так, в значительной степени происходит раздельная кристал­ лизация составляющих фаз, возникают подобные эвтектиче­ ским типы микроструктуры. По мере отклонения состава пле­ нок от эвтектического вправо или влево в них взамен ячеистой и стержневой структур, непрерывных в поперечном сечении пленки, начинает преобладать глобулярная микроструктура. Иначе говоря, столбчатая структура в поперечном сечении пленки превращается постепенно в цепочечную, звенья кото­ рой имеют вначале вытянутую вдоль нормали форму, а затем равноосную или вообще искаженную для составов, далеких от эвтектики. При этом микроструктура, как было уже отмечено, в зависимости от характера изменения А5 может сильно из-

108

мельчаться или укрупняться. Такая картина наблюдалась электронномпкроскопически многими исследователями [60,

61,207].

Описанные закономерности полностью согласуются с теоре­ тическими прогнозами, предсказывающими возникновение при избытке той или другой фаз, составляющих эвтектику, глобу­ лярной, вытянутой формы кристаллитов [197—202]. Отметим, что постепенное накопление нестехиометрической фазы обус­ ловливает не только переход от столбчатой к глобулярной фор­ ме кристаллитов, их измельчение, но в итоге приводит также к выпаданию избыточных фаз в виде различного рода выделе­ ний. Подобные выделения имеют самую разнообразную фор­ му, так как зависят от многих переменных. Основное значение при этом имеет кинетика процесса кристаллизации, опреде­ ляемая скоростью охлаждения и диффузии атомов компонен­ тов, и ряд вторичных явлений, в частности развитие ликвации в сплаве и пр.

Таким образом, в «доэвтектических» и «заэвтектических» пленках с большим количеством избыточных фаз эвтектиче­ ская структура (чаще всего глобулярной, но иногда и ячеис­ той модификации) .нерегулярным образом перемежается с вы­ делениями избыточных фаз. Вследствие этого в характере микроструктуры таких пленок начинает преобладать хаотич­ ность структурных составляющих как вдоль поперечного, так

и вдоль планарного сечения пленки.

Микроструктура косонапыленных пленок. Как было пока­ зано нами в предыдущих главах, увеличение угла наклона пучка пара к поверхности подложки эквивалентно уменьше­ нию количества адсорбировавшихся атомов напыляемого ве­ щества при неизменном числе примесных атомов. Следова­ тельно, при определенном, но постоянном сочетании кристал­ лизационных условий можно путем изменения лишь угла наклона пучка пара управлять интенсивностью термохимиче­ ских реакций, происходящих на поверхности роста. При неко­ тором угле .наклона количество газовых примесей на поверх­ ности роста может оказаться настолько высоким, что разви­ вающиеся в результате этого термохимические реакции обеспечат критический фазовый состав пленок, соответствую­ щий эвтектической кристаллизации. При превышении указан­ ного угла наклона в пленках реализуется заэвтектическая структура. Если температура подложки достаточно низка, то интенсивность термохимических реакций может оказаться не­ достаточной для поддержания эвтектической кристаллизации даже при максимальном угле наклона. В подобном случае в пленках возникает лишь доэвтектическая структура с избыт­ ком металлической фазы и глобулярными, цепочечными кри­ сталлитами. Аналогичная ситуация возникает при высоком

109

вакууме или весьма высокой плотности потока .пара. Однако если термохимические реакции развиваются без ограничений, что может соответствовать низкому вакууму и низкой плотно­ сти потока пара или тому и другому вместе, то изменение угла наклона пучка пара от 0 до 70—80° приводит к чрезвычайно значительным изменениям структуры пленок. Из рис. 23 и 24 можно видеть, насколько велики изменения термодинамиче­ ских и кинетических условий кристаллизации никелевых пле­ нок в вакууме 10-4 мм рт. ст. при наклоне пучка пара всего лишь на угол 30°. Среди прочих изменений можно, в частно­ сти, заметить, что в рассматриваемых условиях наклон пучка пара приводит к образованию двух эвтектик вместо одной при нормальном падении пара. Очевидно, при максимальном угле наклона пучка пара количество эвтектик в рассматриваемом диапазоне температур подложки возрастает еще больше. Обратим внимание, что, как'следует из рис. 23 и 24, уменьше­ ние плотности потока пара при прочих неизменных условиях способствует усилению полноты развития эвтектической кри­ сталлизации. Анализ зависимостей Ts = f(ty) показывает, что увеличение угла наклона пучка пара г|э еще больше усиливает эту тенденцию.

Учитывая сказанное, можно представить, сколь разнооб­ разны по параметрам и типу эвтектические структуры в косонапыленных плевках. Отметим, что при наклонном напылении пленок в высоком или в сверхвысоком вакууме образуется ча­ ще всего одна эвтектика, термодинамически наиболее легко достижимая. Примечательно, что в подобном случае эвтекти­ ка реализуется со значительной полнотой развития, в то время как при нормальном падении пучка пара она может иногда отсутствовать. При определенном угле наклона пучка дости­ гаются условия стехиометрической эвтектики с образованием ячеистой (столбчатой) микроструктуры в случае, например, железо-никелевых пленок. При максимальных углах наклона пучка, соответствующих доэвтектическим составам, в косоиапыленных пленках образуются при этом лишь цепи удлинен­ ных кристаллитов. Вариацией кристаллизационных условий, ограничивающих протекание термохимических реакций, обра­ зование эвтектики можно сместить к самым максимальным углам или вовсе избежать ее полного развития, что, вообще говоря, осуществимо лишь при весьма высоком вакууме и низкой температуре подложки.

Из изложенного следует, что закономерности и механизм образования микроструктуры в коеонапыленных пленках в общих чертах ничем не отличаются от возникновения столбча­ той и глобулярной структуры в условиях низкого вакуума и низкой скорости испарения (т. е. низкой плотности потока пара) при нормальном падении пара на подложку. Опреде­

110