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

(ач^у-переход) 11 гранецентрированной кубической фазы в гексагональную плотпоупакованную (у^е-переход) в плен­ ках сплавов системы железо — никель — кобальт.

Из уравнения (5.15) также следует, что величина свобод­ ной энергии является основным контролирующим фактором, управляющим закономерностями развития полиморфных фа­ зовых превращений.

§ 4. Фазовые превращения порядок—беспорядок

Специфические условия кристаллизации тонких пленок могут способствовать протеканию такого вторичного терми­ чески активируемого процесса, как образование сверхструк­ тур в случае упорядочивающихся сплавов. Атомное упорядо­ чение, как известно, относится к реакциям, происходящим в твердой фазе. Реакции такого рода определяются структурой материала, концентрацией дефектов, характером термическо­ го воздействия.

ветствующих массивных материалах (760 °К). Fla электронограммах пленок после медленного охлаждения от 870 до 670 °К наблюдается сверхструктурный рефлекс, который можно

можно наблюдать уже через час после отжига при темпера­ туре 685 °К, в то время как в массивных материалах подобное изменение количества упорядоченной фазы может наблюдать­ ся только в результате отжига в аналогичных условиях в те­ чение десятков часов.

Скорость превращения в упорядоченную фазу при задан­ ной температуре зависит от толщины пленки. При толщинах, например, 300—3000 А процесс упорядочения происходит суще­ ственно быстрее, чем при толщине 14000 А. Влияние темпера­ туры подложки на кинетику упорядочения определяется по­ следовательностью релаксационных процессов в пленках. Обычно протеканию процессов упорядочения предшествуют эффекты возврата и рекристаллизации. Бурное предшествую­ щее протекание процессов возврата и рекристаллизации оказывает тормозящее влияние на последующие реакции по атомному упорядочению. Интенсивность процессов упорядо-

188

чения возрастает с увеличением размеров кристаллитов. Мел­ кодисперсная структура упорядоченной фазы способствует по­ давлению процессов атомного упорядочения.

В процессе кристаллизации пленок в условиях значитель­ ных термодинамических пересыщении образуются также метастабнльные промежуточные фазы, несвойственные массив­ ным образцам сплавов. Так, например, у такого классического представителя материалов, не обладающих полиморфизмом, каким является никель, в случае пленок наряду с ГЦК решет­ кой образуется гексагональная фаза. Заметим, однако, что есть основания приписать указанный тип решетки не никелю, а его химическому соединению.

Кристаллизация пленок в условиях высоких пересыщений способствует, как было отмечено, образованию сильно пересы­ щенных растворов, причем диапазон взаимной растворимости компонентов значительно расширяется в сравнении с массив­ ными материалами. Термоотжиг при температуре подложки во время кристаллизации или охлаждения и последующего отжига в изотермических или изохронных условиях приводит к процессам распада образовавшихся пересыщенных раство­ ров и перекристаллизации метастабильных фаз, по своей кинетике сходных с рассмотренными ранее фазовыми превра­ щениями. Возникающие при этом внутренние напряжения имеют локальный характер , и способствуют росту вторичных зерен в виде сферолитов.

\

Г л а в а V I

ВЛИЯНИЕ УСЛОВИИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ И ОТЖИГА НА ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТОНКИХ ПЛЕНОК СПЛАВОВ СИСТЕМЫ Fe—Ni—Со

Рассмотренные в предыдущих главах механизм кристал­ лизации, особенности субструктуры и структурных превраще­ ний оказывают закономерное влияние на физические свойства тонких пленок. Изучение взаимосвязи структуры и субструк­ туры тонких пленок, в особенности выращенных в условиях высокого термодинамического пересыщения, с их физически­ ми свойствами должно служить отправным пунктом в поисках причин необычайного разнообразия свойств, особых явлений

влияния на физические свойства пленок величины термодина­ мического пересыщения, а также структурных факторов, по­ рожденных отклонением процесса кристаллизации от равно­ весных условий.

Под влиянием условий кристаллизации оказываются прежде всего структурно-чувствительные характеристики пленок, на­ пример электросопротивление, магнитная проницаемость, коэрцитивная сила и др. Однако поскольку при кристаллиза­ ции пленок в условиях влияния газовых примесей в ряде слу­ чаев, как было показано, наблюдается существенное измеиениё химического, фазового состава пленок, то определенному изменению при этом должны подвергаться и такие физические их характеристики, которые обычно являются константами ве­ щества, если оно синтезировано в равновесных стандартных условиях. В качестве примера можно указать на изменение в зависимости от условий кристаллизации удельного электросо­ противления, намагниченности насыщения [311], констант кри­ сталлографической магнитной анизотропии пленок ряда соста­ вов и т. д. Указанное изменение свойств пленок может быть

190

незначительным, если возмущающими факторами являются пересыщение паровой и конденсированной фаз или температур­ ные переохлаждения, не сопровождающиеся заметным изме­ нением химического потенциала системы. Возникающие при этом закономерности изменения физических свойств достаточ­ но полно описываются переохлаждением или пересыщением.

В случае, когда вследствие термохимических реакций с остаточными газами оказывается измененным химический состав пленок, физические свойства их изменяются не только вследствие изменения термодинамического пересыщения при кристаллизации, т. е. кристаллической структуры, но и вследствие изменения кристаллохимических свойств, т. е. электронной структуры, свойственной той или иной фазе или химическому соединению. Факторы обоих указанных типов в зависимости от сочетания кристаллизационных параметров изменяются, как можно было видеть, крайне неоднозначно. В связи с этим наблюдается аналогичная неоднозначность, необычное разнообразие и в изменении физических свойств пленок, обусловленное вариацией фазового состава в услови­ ях примесной кристаллизации. При этом в зависимости от ти­ па фаз, возникающих в результате термохимических реакций,

пленок также может существенно изменять не только их суб­ структуру, но и фазовый состав. Если, например, условия отжига пленок не соответствуют сверхвысокому вакууму, то вследствие развития на поверхности пленок тех же термохи­ мических реакций с остаточными газами наряду с релаксаци­ онными процессами будут происходить процессы фазообразовання. В пленках малых толщин с резко неупорядоченной структурой последние из указанных процессов могут оказать­ ся доминирующими. Это влечет за собой аномальное измене­ ние свойств пленок при термоотжиге, обусловленное не только возвратом их структуры к более стабильному состоянию, но и изменением химического состава пленок, в особенности в приповерхностном слое.

Зависимость от условий кристаллизации и термоотжига в отмеченном плане совершенно четко прослеживается для большинства исследованных до сих пор физических свойств тонких пленок: электрических, гальваномагнитных, резонанс­ ных, магнитных и др. Проанализируем механизм подобных зависимостей на примере изменения магнитных свойств пле­ нок в функции условий кристаллизации и отчасти термоот­ жига.

191

§ 1. Влияние условий кристаллизации и отжига на статические магнитные свойства

Очевидно, варьируя условия кристаллизации, за счет структурных факторов можно значительно расширять спектр

метода изыскания материалов с новыми, практически важны­ ми характеристиками. Однако с физической точки зрения наиболее ценным аспектом такого рода исследовании является изучение процессов образования, строения и физико-химиче­ ских свойств тонких ферромагнитных пленок. Данные о зави­ симости основных параметров пленок различных составов от условий напыления, или так называемых технологических факторов, имеют важное значение для полного раскрытия за­ кономерностей изменения свойств тонких пленок в функции состава.

Систематическое изучение влияния технологических фак­ торов на свойства пленок железо-ннкель-кобальтовых спла­ вов проведено в [299, 312—320].

Влияние температуры подложки на свойства железо-ни- кель-кобальтовых пленок. Температура подложки, как было показано,— один из важнейших параметров процесса кри­ сталлизации, существенно определяющих структуру и фазо­ вый состав получаемых пленок.

Изучение закономерностей изменения магнитных свойств в зависимости от температуры подложки начато давно ([319, 321—324] и др.). Между тем до настоящего времени в этом вопросе не сделано решающих выводов. Пожалуй, нельзя указать даже несколько сообщений, касающихся, например, зависимости коэрцитивной силы от температуры подложки, в которых приводимые результаты хотя бы в деталях не были различными. Зачастую, однако, можно наблюдать противо­ положные тенденции в характере аналогичных по смыслу за­ висимостей. Подобная неоднотнпность зависимости магнит­ ных свойств пленок, в том числе и железо-никель-кобальто- вых, от технологических условий кроется, по нашему мнению, в бесконечном множестве вариаций термодинамического пере­ сыщения или, в первом приближении, переохлаждения, обус­ ловленных различием во взаимном сочетании кристаллиза­ ционных параметров в каждом конкретном случае. Следует различать при этом два предельных типа условий. Первый из них относится к кристаллизации в сверхвысоком вакууме (10-9 мм рт.ст. и выше). Степень изменения магнитных ха­ рактеристик в функции температуры в подобном случае отно­ сительно невелика, а характер самого изменения сравнитель­

на