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

взаимосвязь с термодинамическим пересыщением, им,и ооус-

‘ ловленным.

Температура подложки и степень переохлаждения. Темпе­ ратура подложки непосредственно связана со степенью пере­ охлаждения при кристаллизации. Поскольку различие между температурой плавления в равновесных условиях и темпера­ турой подложки бывает обычно значительным, то рассматри­ ваемый параметр в термодинамическом отношении имеет

важнейшее значение.

Температура кристаллизации пленок. Совпадение темпе­ ратуры подложки с температурой фронта кристаллизации зависит от многих причин, однако в наибольшей мере от харак­ тера отвода скрытой теплоты кристаллизации. Следует пола^ гать, что ввиду незначительного объема пленки и сильно раз­ витой по сравнению с объемом поверхностью, способной рас­ сеивать тепло, условия теплоотвода в данном случае весьма благоприятны. Естественным направлением наиболее интен­ сивного теплоотвода от поверхности пленки является направ­ ление падения пучка пара. Этот факт в известной мере под­ твержден теоретическими расчетами и рядом эксперименталь­ ных результатов.

В общем случае для нахождения температуры фронта кри­ сталлизации решается задача теплопроводности согласно

При этом учитываются теплопроводность подложжи и кри­ сталлизующейся пленки, их геометрические размеры, свойст­ ва исходных фаз вблизи поверхности фазового раздела и дру­ гие условия теплоотвода.

В работе [10] для жидкой пленки железа на медной под­ ложке найдено следующее уравнение, описывающее измене­

где Тп — начальная температура подложки; Тт — начальная температура жидкого слоя; р — плотность; d — толщина; ср — теплоемкость. Второе слагаемое в выражении (1.8) соот­ ветствует повышению температуры фронта кристаллизации сверх значений, заданных температурой подложки. Подобное повышение может быть обусловлено скрытой теплотой пре­ вращения, повышенной тепловой энергией молекул или ато­ мов, поступающих к фронту кристаллизации, и другими фак­ торами.

15

Отмеченное выше позволяет считать, что температура под­ ложки хотя бы в первом приближении должна соответство­ вать температуре кристаллизации пленок.

Температура плавления тонких пленок. Для оценки пере­ охлаждения при кристаллизации, определяемого приблизи­ тельно как разность между температурами плавления ТПЛ и подложки Та, необходимо знание Гпл. Исходя из общих сооб­ ражений, следует принять, что температура плавления тонких пленок закономерным образом отличается от Гпл соответст­ вующего сплава в равновесных условиях. Проанализируем возможные факторы, снижающие температуру плавления ве­ щества в тонких пленках.

Ф ’

точка плавления вещества должна понижаться с уменьшени­ ем его объема. В уравнениях (1.9) и (1.10) Ts — температура плавления вещества в малых объемах; о —1поверхностная энергия; М — молекулярный вес; р — плотность; L — теплота плавления; г — радиус кристалла сферической формы; Гпл — температура плавления вещества в макрообъеме. Заметим, что в рассматриваемом случае в отношении Гпл и Ts имеются в виду равновесные условия, т. е. предполагается плавление при медленном изменении температуры. Далее будет показа­ но, что Ts изменяется также и вследствие неравновесное™ условий кристаллизации.

Полученные из уравнения (1.9) расчетные данные для не­ которых веществ приведены в табл. 1 [3]. Ожидаемые большие понижения температуры плавления с уменьшением объема вещества многократно подтверждены эксперимен­ тально [18—21]. На каплях никеля диаметром 100—250 мкм подобное снижение достигает 470 град [22]. Для железа по­ лученное снижение Гпл больше 300 град [23]. Приведенные значения, по-видимому, не предельны. При кристаллизации пленок металлов из паровой фазы ввиду крайне малых объ­ емов возможно весьма значительное, практически предельное снижение Гпл [24].

Скорость охлаждения вещества в пленках. Эксперимен­ тально установлена [10, 15, 25] весьма—*ысокдя_^скорлсть охлаждения жидких пленок металлов.иг^лШ оф :. р а б о т е

Т а б л и ц а 1

Изменение температуры плавления Тпл (°К) кристаллов в зависимости от их объема (радиуса}*

Калий (Гпл=330) Серебро (7’пл=1233) Платина (Гпл=2046)

* Тпл— нормальная (равновесная) температура плавления; Тг — темпе­ ратура плавления кристалла с радиусом г.

[10] найдена зависимость скорости охлаждения от толщины жидкой пленки железа на медной подложке

степени, равный 2 в случае идеального контакта жидкости на границе с подложкой и 1 при неполном контакте с подложкой. Некоторые результаты представлены в табл. 2. Приведенные данные свидетельствуют о сверхвысоких скоростях охлажде­ ния в диапазоне толщин пленок 10-4—10-5 см даже при пло­ хом контакте подложки и пленки. В тончайшие пленках ско­ рость охлаждения максимальна. Подобные скорости охлаж­ дения практически не достижимы при самой тщательной закалке массивных образцов.

Предельно возможные скорости охлаждения в пленках за­ висят не только от их объема, но и от соотношения темпера­ туры плавления, материала, теплоемкости пленки и подложки, а также некоторых других факторов.

Увеличение скорости охлаждения отражается, с одной сто­ роны, на снижении температуры плавления пленок, с другой— на снижении предельной температуры затвердевания жидкой фазы. Физический аспект влияния сверхвысокой скорости охлаждения на температуру плавления связан с изменением разности энтропии смешения (упорядочения) AS жидкой и твердой фаз. При сверхвысоких скоростях охлаждения ука­ занная разность будет минимальной из-за недостаточной упо­ рядоченности возникающей кристаллической фазы. Подобная ситуация, как известно, благоприятствует плавлению при по­ ниженных температурах.

18

* £ — коэффициент температуропроводности (кал/см2-сек2-°С).

Снижение температуры затвердевания жидкой фазы при увеличении скорости охлаждения обусловлено скачкообраз­ ным уменьшением подвижности атомов вследствие сверх­ быстрого снижения температуры и, следовательно, временно­ го подавления зародышеобразования.

Уточним, что разность между температурой плавления пленки и температурой подложки соответствует истинному переохлаждению на поверхности роста пленки АТ. Разность же между температурой плавления пленки и критической температурой затвердевания Тк представляет собой пере­ охлаждение АТк жидкой фазы при данных условиях кристал­ лизации. В зависимости от скорости охлаждения изменяются и АТ и АТК.

Переохлаждение жидкой фазы. Предельная температура затвердевания жидкой фазы Тк в пленках является темпера­ турной координатой, в общем смысле соответствующей так называемой тройной точке, в которой возможно сосущество­ вание парообразной, жидкой и кристаллической фаз. Так как вокруг равновесной тройной точки существует некоторый тем­ пературный интервал, обусловленный гистерезисом превра­ щения в неравновесных условиях, то рассматриваемая нами величина Тк имеет смысл нижней неравновесной тройной точки.

Если в веществе отсутствует полиморфизм, то Тк разделяет диапазон возможных температур кристаллизации пленок из паровой фазы на две области. В первой области — от темпе­ ратуры плавления Ts до Тк— на подложке может существо­ вать жидкая фаза. Кристаллизация пленки в этом случае про­ исходит по законам, в известном смысле аналогичным законам кристаллизации из расплава.