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

ловлено размой скоростью фазообразования и эвтектической кристаллизации при изменении указанных технологических параметров. В частности, наиболее высокая интенсивность фазообразования имеет место в случае уменьшения плотности потока пара,

Изменение характера зависимостей Hc = f(d) при вариации условий роста пленок может быть в каждом конкретном слу­ чае сопоставлено с величиной переохлаждения или термоди­ намического пересыщения при кристаллизации. Наблюдаю­ щаяся при этом корреля­ ция свидетельствует о том, что наименьшим пе­ реохлаждениям соответ­ ствует форма кривой типа

Рис. 72. Зависимость коэрци­ тивной силы пленок железа,

8-10-5 мм рт. ст., плотности

1 на рис. 73, а с увеличением переохлаждения рассматривае­ мая кривая переходит к кривым типа 2, 3, изображенным на том же рисунке.

Необходимо отметить следующую деталь в изменении кри­ вых Hc = f(d) в зависимости от переохлаждения или термоди­ намического пересыщения. Если с помощью той или иной ме­ тодики кристаллизацию пленок всех толщин провести при максимально одинаковом термодинамическом пересыщении, то ординаты резкого возрастания Нс на зависимостях Яс= —f(d), т. е. критические толщины, соответствующие разным пересыщениям, совпадают. Это означает, что изменение тер­ модинамического пересыщения не изменяет значений крити­ ческих толщин, при которых осуществляется смена планарной магнитной анизотропии на перпендикулярную (см. рис. 73). Следовательно, объяснение наблюдаемых закономерностей изменения Hc=f(d) при вариации технологических условий необходимо искать в особенностях микроструктуры и кри­ сталлохимических свойств образующихся в пленке фаз.

Ранее мы рассмотрели закономерности изменения Нс в функции толщины пленок, выращенных в условиях влияния в

233

той или иной степени газовых примесеи. Вместе с тем ряд данных, например в [350, 351], свидетельствует о том, что для пленок тех же составов, полученных в условиях сверхвысокого вакуума, не наблюдается какого-либо изменения Нс при воз­ растании их толщины в диапазоне до нескольких микромет­ ров. Следовательно, в подобном случае, по-видимому, не реа­ лизуется переход планарной анизотропии в перпендикуляр­ ную. Можно, очевидно, предположить, что указанный переход

происходит либо при весьма больших толщинах, либо вообще отсутствует.

Резюмируя изложенное, можно отметить, что возник­ новение перпендикулярной анизотропии и изменение в связи с этим комплекса маг­ нитных характеристик в

Рис. 73. Зависимость коэрцитив­ ной силы пленок никеля, получен­

функции толщины в пленках по крайней мере никеля, железа и их сплавов есть результат влияния на кристаллизационные процессы газовых примесей. Наиболее важным следствием по­ добного влияния служит образование новых фаз и эвтектиче­ ских структур, а также сопутствующее этому изменение темпе­ ратуры плавления пленок.

Дополнительным подтверждением сказанному является закономерность изменения вида кривых Hc = f(d) при отжиге высоковакуумных пленок. Как можно видеть из рис. 74, отжиг пленок небольших толщин в вакууме 5 • 10-5 мм рт. ст. приво­ дит к форме кривой Hc—f(d), характерной для пленок с пер­ пендикулярной анизотропией. Возникновение перпендикуляр­ ной анизотропии в данном случае в некотором диапазоне тол­ щин подтверждается прямыми измерениями К±, а также переходом прямоугольной петли гистерезиса, характерной неотожженным пленкам, в «закритическую» в отожженных пленках. В пленках больших толщин, как было показано в предыдущей главе, подобного изменения при их отжиге не на­ блюдается. При отжиге пленок небольших толщин в условиях технического вакуума процессы фазообразования и эвтектиче­

234

ской перекристаллизации с увеличением изотермической вы­ держки захватывают все большую толщину слоя. В связи с этим ординаты экстремального изменения Нс в пленках боль­ ших толщин соответствуют большим временам отжига.

Таким образом, эффект влияния толщины на физические, в частности магнитные, характеристики поликрнсталлических железо-никель-кобальтовых пленок — это прежде всего прояв­ ление их фазового состава и микроструктуры. С их нзмене-

Рнс. 74. Зависимость коэрцитивной силы пленок 83,6% Ni— 16,4% Fe, осаж­ денных в вакууме 5 - 10—5 мм рт. ст. до изотермического отжига (/) и после изотермического отжига при 620 °К в течение 5 (2), 140 (3) и 320 мин (4), от их толщины

иием изменяются факторы, управляющие магнитным равно­ весием и тем самым реализацией, например, такого эффекта, как переход планарной анизотропии в перпендикулярную.

§ 4. Влияние химического состава пленок на зависимость магнитных свойств от их толщины

Механизм влияния состава пленок на характер зависимо­ сти их свойств от толщины должен рассматриваться в не­ скольких аспектах. Прежде всего указанная зависимость из­ меняется при вариации химического состава в связи с тем, что изменяются величина и тип фундаментальных характеристик магнитного материала в пленке (константы кристаллографи­ ческой и наведенной анизотропии, магнитострикцин, обменно­ го взаимодействия и т. д.). Подобного рода изменения обус-

235

ловлпвают изменение магнитного равновесия в состоянии пле­ нок, что в свою очередь приводит к изменению условий, при которых реализуются размерные эффекты в тонких пленках. Вместе с тем в пленках различных составов наблюдается раз­ личная степень развития процессов возврата, рекристаллиза­ ции, полиморфных превращений и т. д. Названные эффекты, как уже было показано, в силу ряда причин эксперименталь­ ного характера могут развиваться неравномерно по толщине, изменяя тем самым характер зависимости свойств пленок от их толщины. Для пленок различных составов отмеченная не­ равномерность по толщине в одних и тех же диапазонах зна­ чений кристаллизационных параметров может развиваться с различной интенсивностью и в различном сочетании с други­ ми релаксационными эффектами.

Учет роли состава пленок важен также при рассмотрении развития процесса образования новых фаз и эвтектических структур в пленках, получаемых в условиях высоких давлений остаточных газов или при кристаллизации с низкими плотно­ стями потока пара. Таким образом, на изменение магнитных свойств и доменной структуры, связанное с условием магнит­ ного равновесия, накладываются сопутствующие изменения, иногда весьма значительные, связанные с неравновесным ха­ рактером условий кристаллизации пленок и развитием струк­ турных и фазовых превращений.

Вследствие изложенного структурные факторы, оказываю­ щие ориентирующее влияние на вектор намагниченности, бу­ дут изменяться не только под влиянием состава, но и условий кристаллизации. Совместное действие всех указанных факто­ ров может привести к принципиально новым закономерностям в изменении структуры и свойств пленок различных составов и различных толщин. В связи с отмеченным очевидно, что воз­ можна лишь качественная идентификация влияния состава на характер изменения магнитных параметров пленок в функции толщины.

На рис. 75, 76 приведены примеры зависимостей коэрци­ тивной силы и прямоуголы-юсти петли гистерезиса для пленок различных сплавов системы железо—никель—кобальт. Из указанных, а также из приведенных ранее рисунков можно видеть, что в большинстве пленок высоконикелевых сплавов наблюдается тип зависимости Hc=f(d), характеризующийся прохождением через максимум (например, рис. 73, кривые 2, 3\ рис. 75, кривая 1). В пленках других железо-никель-кобаль- товых сплавов у- и а-области зависимость Hc=f(d) большей частью соответствует типу, показанному на рис. 76. В обоих случаях, как известно, вблизи толщин, при которых наблюда­ ется резкое возрастание Нс, наблюдается и снижение коэффи­ циента прямоуголы-юсти петли гистерезиса и переход к поло­

230

совой доменной структуре, обусловленной возникновением перпендикулярной анизотропии.

В пленках сплавов с гексагональной плотноупакованной решеткой при возрастании толщины наблюдается обратный эффект. Как. видно из рис. 75 (кривые 2 и 6), выше некоторой критической толщины происходит резкое снижение коэрци­ тивной силы и рост коэффициента прямоугольное™ петли гис­ терезиса, причем в области малых толщин имеет место перпен-

Рпс. 75. Зависимость коэрцитивной силы (а) и коэффициента прямоугольпости петли гистерезиса (б) пленок 89,5% Ni— 10,5% Со (/),9 0 % С о — 10% Ni (2, 6), 66,6% Fe—33,4% Ni (3, 8), 90% Fe—10% Со (4, 7) и 59,7% Fe— 34,6% Ni—5,7% Со (5) от их толщины

Рис. 76. Зависимость коэрцитивной силы пермаллоевых железо-никелевых пленок, содержащих добавки 9 (2) и 8% кобальта (3), и пленок 60% Fe— 40% Ni (/), 8% Fe—45% Ni—47% Со (4) от их толщины

237

Г л а в а VIII

ДОМЕННАЯ СТРУКТУРА ПЛЕНОК ЖЕЛЕЗО-НИКЕЛЬ-КОБАЛЬТОВЫХ СПЛАВОВ

В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УСЛОВИЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Наиболее важной характеристикой, определяющей магнит­ ное равновесие, тип и параметры доменной структуры в плен­ ке, является энергия магнитной анизотропии. Эффекты анизо­ тропии магнитных свойств в поликристаллических пленках обусловливаются суммой многих компонент: одноосной инду­ цированной магнитным полем анизотропией, направленной в плоскости пленки; одноосной анизотропией, возникающей из-за наклонного падения пучка пара и геометрического фак­ тора формы кристаллитов в пленке; анизотропией, связанной

спримесями и структурными дефектами, и др.

Всвязи с очевидным практическим и теоретическим значе­ нием наибольший интерес представляют два типа магнитных пленок — с преимущественным расположением вектора на­ магниченности в плоскости пленки и в направлении нормали к плоскости пленки, соответствующие пленкам с планарной и перпендикулярной анизотропией.

§1. Магнитная анизотропия

вжелезо-никель-кобальтовых пленках

всвязи с условиями их кристаллизации

Как уже отмечалось, величина магнитной анизотропии всех типов зависит от химического и фазового состава пленок [355, 356] и от термодинамических и кинетических условий их роста.

Напомним кратко основные общепринятые в настоящее время представления о механизме возникновения магнитной анизотропии в пленках ферромагнитных сплавов. В литерату­ ре наиболее известны две модели механизма возникновения одноосной анизотропии. Первая модель связана с температур­ ной зависимостью магнитострикции материала пленки и оста­ точных магиитострикционных напряжений. Теория магнитострикционных напряжений предложена Бозортом [357] для

239