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

Г л а в а VII

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТОЛЩИНЫ ПЛЕНОК ЖЕЛЕЗО-НИКЕЛЬ-КОБАЛЬТОВОИ СИСТЕМЫ НА ИХ СВОЙСТВА

Одним из важнейших параметров, определяющих свойства тонких ферромагнитных пленок, является их толщина d, из­ менение которой приводит к изменению энергетического соот­ ношения, описывающего тип доменной структуры. Изменение магнитных свойств пленок в результате роста их толщины по­ зволяет оценить характер процессов, приводящих к пере­ стройке доменной структуры, и найти оптимальные диапазо­ ны толщин, в пределах которых пленки обладают наиболее желательными для практики параметрами.

§ 1. Особенности влияния толщины пленок на их свойства

Зачастую неоправданно полагают, что различия в харак­ теристиках тонких пленок и их массивных аналогов обуслов­ лены влиянием толщины пленки и проистекают лишь из «тон­ копленочного состояния вещества». В действительности, в большинстве случаев такие различия объясняются особенно­ стями структуры пленок и механизмом их кристаллизации в условиях глубоких переохлаждений и пересыщений. В плен­ ках в связи с большими переохлаждениями и пересыщениями, как уже отмечалось, возникает необычно высокая неравновесность структуры. Фазовая неравновесность особенно силь­ но развита в пленках, полученных при больших пересыще­ ниях, в том числе в условиях влияния газовых химически ак­ тивных примесей. Фазовая неравновесность обусловливается возникновением метастабильных состояний (аморфные и т. д.), высокотемпературных модификаций, пересыщенных твердых растворов, химических соединений и пр. Однако не менее важное влияние на параметры пленок оказывает струк­ турная неравновесность. Этот тип неравновесности представ­ ляют микро- и макронапряжения, микро- и макродефекты,

221

высокая дисперсность микроструктуры, большие углы разориентировки между кристаллитами и субблоками, пересы­ щение несовершенствами кристаллической решетки — вакан­ сиями, дислокациями, дефектами упаковки и т. д.

Процессы структурных превращений, протекающих в послекрпсталлизационпый период под воздействием термоотжи­ га, приближают состояние пленки к более равновесному, а ее характеристики в известной мере к свойствам массивйых об­ разцов. Если подобное приближение происходит более или ме­ нее полно, то становится возможным наблюдение влияния на физические свойства пленок собственно их толщины, т. е. со­ здаются условия для наблюдения истинного размерного эф­ фекта в тонких пленках. Размерный эффект проявляется в том, что при достижении некоторой толщины, критической для данного свойства, меняются физические законы, характе­ ризующие это свойство. Так, например, с уменьшением тол­ щины (объема) снижается температура плавления, изменя­ ются электросопротивление, коэрцитивная сила, механическая прочность, оптические константы, возникают новые эффекты, обусловленные существенным увеличением вклада поверхно­ стной энергии.

Для каждой конкретной физической характеристики суще­ ствуют свои критические толщины, при которых вступает в силу размерный эффект. В частности, в случае электросопро­ тивления металлов он реализуется при условии, что толщина пленки d становится меньше длины свободного пробега электронов L. При d<^L удельная электропроводность пленки на несколько порядков ниже, чем у массивного металла вслед­ ствие многократного диффузного рассеяния электронов у ее поверхности.

Для оптических свойств размерный фактор имеет значе­ ние при условии d-O , где к — длина волны монохроматиче­ ского источника света. При d<C?, непрозрачное вещество ста­ новится прозрачным или полупрозрачным. Для магнитных свойств тонких пленок можно выявить несколько типов кри­ тических толщин. Можно, например, указать критическую толщину, ниже которой пленка представляет собой один до­ мен. Известны также критические толщины, при которых осу­ ществляется переход доменной структуры к полосовой или цилиндрической форме и т. д. Во всех этих случаях толщина пленки является в сущности таким же термодинамическим параметром состояния вещества, как например давление, температура, состав и др., так как представляет фактически объем вещества.

Ряд характеристик пленок в функции толщины изменяется весьма значительно, иногда экстремально. Вместе с тем наи­ более типичным переходом через критическую толщину сле:

222

дует считать переход, осуществляющийся постепенно в неко­ тором интервале толщин.

Критические значения толщин для различных физических свойств не обязательно совпадают, а иногда отличаются по значению на несколько порядков. Характерно, что даже для одного и того же вещества значения критических толщин мо­ гут существенным образом изменяться в зависимости от тер­ модинамических и кинетических условий кристаллизации.

Следует учитывать, что истинное проявление эффекта тол­ щины замаскировано не только аномальностью характери­ стик, вызванной степенью отклонения от равновесия струк­ туры тонких пленок. Существенное усложнение истинной кар­ тины изменения свойств пленок в зависимости от их толщины вносит также тот факт, что структурная неравномерность, как и другие ее виды, отличается неоднородным распределе­ нием по толщине пленки. Градиент степени неравновесности 'по толщине пленки обусловлен некоторой неоднородностью в пространстве и времени условий эксперимента. Прежде всего трудно изготовить серию пленок разных толщин в абсолютно идентичных условиях. Если, например, наращивание разных толщин достигается за счет длительности осаждения пленок при постоянстве всех других параметров, то очень трудно со­ хранить одинаковое по времени термическое воздействие на нижние и верхние слои в образцах разных толщин. Это при­ водит к различной завершенности релаксационных процессов в различных частях объема пленки и в каждом образце. В частности, возврат и рекристаллизационные процессы в тол­ стых пленках могут оказаться завершенными вблизи под­ ложки и далеко не законченными на открытой поверхности пленки [24]. Подобного эффекта не будет в тонких пленках, выдерживаемых при той или иной температуре в процессе кристаллизации непродолжительное время.

При выращивании пленок различных толщин в течение одинакового времени методом разной удаленности подложки от источника необходимо жертвовать постоянством какоголибо параметра кристаллизации, чаще всего плотностью пуч­ ка пара. В таких случаях наблюдается разная степень нерав­ новесное™ структуры в пленках, удаленных на разные рас­ стояния от источника пара. В сверхвысоковакуумных пленках неравновесность обусловливается лишь различной степенью пересыщения паровой фазы у поверхности кристаллизации. Однако в условиях влияния примесей (недостаточно высокий вакуум) в рассматриваемом случае начинает фигурировать еще более существенный фактор — образование новых фаз, причем в разных количествах в пленках разных толщин.

Таким образом, получение пленок разных толщин в совер­ шенно одинаковых условиях требует специальных сложных

223

сталлпзационные. Нижние слои пленки дольше и интенсивнее других подвергаются процессу возврата, рекристаллизации, коалесценции и другим структурным превращениям, которые в некотором температурном диапазоне существенно снижают уровень микронапряжений. Поэтому в результате изменения длительности процесса кристаллизации величина микро­ напряжений с увеличением толщины пленок вначале сильно растет, переходя затем к незначительному изменению.

В пленках, склонных к менее интенсивному развитию про­ цессов структурных превращений во время их кристаллиза­ ции, изменение микронапряжений носит противоположный характер: величина микронапряжений с ростом толщины умень­ шается. Типичный пример пленок такого рода — пленки же- лезо-ннкель-кобальтовых сплавов и в несколько меньшей ме­ ре чистого никеля и железа. Важным процессом, ответствен­ ным за характер изменения микронапряжений в пленках, является в этом случае изменение их субструктуры вслед­ ствие снижения термодинамического пересыщения по мере развития кристаллизации.

Из субструктурных процессов, имеющих аналогичную ки­ нетику, назовем следующие: изменение напряжений вслед­ ствие укрупнения микроструктуры, изменение типа или совер­ шенства кристаллографической текстуры, развитие внутрен­ них напряжений противоположного знака по сравнению с первоначальными, разная интенсивность термохимических процессов и т. д. Все указанные процессы с возрастанием тол­ щины могут в той или иной мере способствовать уменьшению общего уровня микронапряжений в пленках. В соответствии с этими изменениями ведут себя структурно-чувствительные ха­ рактеристики тонких пленок, например параметры магнитного гистерезиса и др. Природа такого рода изменений физических свойств пленок связана прежде всего с неоднородностью сте­ пени термодинамической неравновесное™ структуры по тол­ щине. При этом толщина может и не оказывать непосредст­ венного влияния на возникающие изменения свойств пленок. Характер указанных закономерностей зависит главным обра­ зом от условий кристаллизации и в меньшей мере от мате­ риала пленки. При значительной структурной неоднородности по толщине истинный характер влияния размерного эффекта может полностью исказиться.

Если структурная неоднородность в пленках разных тол­ щин сведена к минимуму в результате использования соответ­ ствующей технологической методики, то влияние толщины на физические свойства пленок будет приближаться к истинному. Особенности зависимости магнитных характеристик пленок от их толщины удобно рассматривать раздельно для пленок с планарной и перпендикулярной анизотропией.

§2. Изменение свойств тонких пленок

спланарной магнитной анизотропией

взависимости от их толщины

Коэрцитивная сила. Зависимость коэрцитивной силы на­ пыленных пленок никеля, кобальта, железа и некоторых железо-никелевых сплавов от толщины исследовалась в ряде работ [347—351]. Некоторые экспериментальные исследова­ ния зависимости Нс от толщины связаны с установлением «закона rf—43», впервые рассмотренного Неелем.

Коэрцитивную силу можно найти из условия равновесия: отнесенная к единице длины сила, действующая на границу, равна максимальной скорости изменения энергии границы

толщины пленки. Подобное несоответствие теоретических рас­ четов с экспериментальными результатами объясняется на­ личием различных источников анизотропии, возникающих в процессе кристаллизации пленок, различным содержанием об­ разующихся окнсных и других фаз, развитием эвтектических структур и т. д.

Еще одним фактором, влияющим на коэрцитивную силу, является поверхностное закрепление спинов в тонкой пленке. Причиной такого закрепления могут быть большие поверх­ ностные напряжения или окисление поверхности пленки. Так как сила, действующая на границу, пропорциональна толщине, а количество закреплений на поверхности не зависит от тол­ щины, то # с будет изменяться по закону Hc~ d ~ l.

Эксперимент показывает, что характер зависимости коэр­ цитивной силы от толщины в значительной степени чувстви­ телен к величине плотности потока пара и давлению остаточ­ ных газов. Для больших плотностей зависимость Hc = f(d) для пленок многих составов в тех или иных пределах соответст­ вует закону, найденному Неелем. Аналогичная закономер­ ность наблюдается в сверхвысоковакуумных пленках. При низких плотностях потока пара, высоких температурах под­ ложки, высоких давлениях остаточных газов и больших углах

226