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

ности ориентирующего поля позволяет снизить или полностью устранить спонтанную дисперсию осей намагничивания пле­

ночных элементов.

Отметим, что абсолютная величина дисперсии анизотропии в трехкомпонентных железо-никель-кобальтовых пленках при всех условиях получения ниже, чем в пермаллоевых.

От величины напряженности магнитного ориентирующего поля зависят импульсные характеристики железо-никель-ко­ бальтовых пленок.

В качестве интересных объектов исследования в научных и практических целях следует отметить обширную группу спла­ вов системы Fe—Ni—Со, пленки которой характеризуются практически изотропной петлей гистерезиса с низкой прямоугольностью, получившей в литературе название закритической. Составы пленок со спонтанно возникающей закритической петлей гистерезиса и полосовой доменной структурой располагаются главным образом у никелевого угла концентра­ ционной диаграммы рассматриваемой тройной системы. К ним относятся сплавы Fe—Ni и Ni—Со с содержанием никеля от О до 20% и тройные сплавы Fe—Ni—Со с высоким содержа­ нием никеля. Аналогичными свойствами обладают пленки сплавов, составы которых примыкают к сторонам Fe—Ni и Ni—Со вблизи состава 50% Fe — 50% Ni и 50% Ni — 50% Со.

Некоторые из отмеченных особенностей трехкомпонентиых пленок, в том числе перминварных, могут быть, очевидно, ис­ пользованы практически, например в запоминающих устрой­ ствах.

Напомним, что наиболее распространенной конструкцией плоскопленочных запоминающих элементов является запоми­ нающее устройство, предложенное Бредли [491]. Поскольку в такого типа запоминающих устройствах предъявляются жест­ кие требования к величине возбуждающих токов, то примене­ ние железо-никель-кобальтовых магнитных элементов по бы­ стродействию не дает преимуществ в сравнении с пермаллоевыми пленками. В этом случае можно использовать только такие преимущества, как незначительная чувствительность параметров железо-никель-кобальтовых пленок к химическо­ му составу, толщине, температуре и т. д., т. е. использовать более высокую воспроизводимость и однородность свойств тонких железо-никель-кобальтовых пленок, а также в извест­ ной мере меньшую их подверженность процессам сползания доменных границ.

В значительно большей степени преимущества железо-ни­ кель-кобальтовых пленок можно использовать на цилиндри­ ческих запоминающих элементах. Цилиндрическая форма пленок позволяет применить многовитковые соленоиды, кото­ рые при умеренных значениях возбуждающих токов создают

310

сильное и однородное перемагничивающее поле. Так как раз­ брос осей анизотропии в железо-никель-кобальтовых пленках (например, 29% Fe — 42% Ni — 29% Со) может быть сведен до минимума, то амплитуда выходного сигнала в цилиндриче­ ских пленках этого состава будет значительно увеличена как вследствие высокой максимальной магнитной проницаемости, так и вследствие увеличения угла обратимого поворота векто­ ра намагниченности.

Применение железо-никель-кобальтовых пленок в качестве запоминающих элементов перспективно, по-видимому, и ' в других типах устройств, в'частности типа «бикор» [492]. В по­ добных устройствах, как известно, применяются двухпленочные элементы, информация с которых может быть считана мето­ дом совпадения токов без ее разрушения. Ячейки памяти в этом случае работают по общему принципу запоминания дво­ ичного знака в одной пленке и считывания его переключением второй пленки так, чтобы магнитное состояние первой не из­ менялось. Одна из пленок в такой ячейке изготавливается обычно из высококоэрцитивного материала и служит для запи­ си информации, а вторая является низкокоэрцитивной и слу­ жит для считывания информации.

Для элементов записи используют обычно железо-кобаль­ товые пленки. Эти пленки обладают высокими значениями ко­ эрцитивной силы и поля анизотропии, но вместе с тем для них характерна значительная дисперсия осей анизотропии, недо­ статочно высокая прямоугольность петли гистерезиса, боль­ шие коэффициенты переключения, а также низкая воспроиз­ водимость свойств. Это снижает пригодность железо-кобаль­ товых пленок для применения в качестве запоминающих элементов. Для таких целей удобнее использовать железо- никель-кобальтовые пленки. Этому способствуют их высокий коэффициент прямоугольности петли гистерезиса и высокая воспроизводимость свойств, способность не перемагничиваться вплоть до полей, равных полю анизотропии. В полях, боль­ ших поля анизотропии, железо-никель-кобальтовые пленки перемагничиваю4ся с высокими скоростями, что приводит к значительному сокращению цикла записи информации.

Практическое применение могут находить пленки с поло­ совой доменной структурой. Пленки указанного типа обладают доменной структурой, состоящей из длинных полосовых доме­ нов, ширина которых сравнима с длиной световых волн. Ори­ ентация полосовых доменов с помощью сильного внешнего магнитного поля создает в плоскости пленки анизотропию, легкая ось которой параллельна полосовым доменам. Ось созданной таким образом анизотропии следует за направлени­ ем приложенного магнитного поля. Благодаря указанному эффекту пленки с полосовой доменной структурой представля­

311

ют собой идеальные дифракционные решетки, параметрами которых можно управлять с помощью магнитного поля. Мел­ кая структура полосовых доменов и вращающаяся анизотро­ пия позволяют использовать пленки с такими свойствами для записи информации с высокой плотностью, регистрации ла­

зерного излучения и т. д.

Очевидный практический интерес для сверхплотной запи­ си информации представляют также высококоэрцитивные тон­ кие пленки, составы которых расположены вблизи сплава 90% Fe — 10% Со, и пленки некоторых трехкомпонентных со­ ставов.

Мы отметили некоторые наиболее очевидные возможности практического применения тонких пленок. Однако нам не хо­ телось бы заострять внимание лишь на чисто практических особенностях свойств тонких пленок железо-никель-кобальто- вых сплавов, так как этот вопрос требует изучения. Нам кажется более важным то обстоятельство, что с помощью разум­ но выбранных условий кристаллизации пленок можно неизме­ римо расширить спектр свойств, представляющих значитель­ ный интерес для разнообразных практических устройств. Оче­ видно, что подобная задача будет существенно облегчена в результате использования кинетического и термодинамическо­ го подходов к проблеме кристаллизации пленок, а также уче­ та закономерностей изменения их фазового состава в зависимо­ сти от количества и типа газовых примесей.

Считаем необходимым также напомнить, что приведенная в настоящей и предыдущей главах картина концентрационной зависимости фазового состава и свойств пленок железо-никель- кобальтовых сплавов — всего лишь частный пример измене­ ния параметров пленок при фиксированном диапазоне кри­ сталлизационных условий. Естественно, что различным другим комплексам кристаллизационных условий будет соответстствовать другая картина концентрационной зависимости свойств пленок рассматриваемой системы сплавов. Возникаю­ щие при этом изменения характера диаграмм состав — свой­ ство могут быть существенными и весьма разнообразными, в особенности в случае кристаллизации пленок при высокой кон­ центрации газовых примесей. Об этом, кстати, свидетельствуют известные различия литературных данных по вопросу концен­ трационных свойств пленок на основе железа, никеля и ко­ бальта.

Отметим, что приведенные нами ранее результаты по ис­ следованию изменения магнитных и иных свойств пленок в функции состава позволяют констатировать разную предрас­ положенность отдельных областей концентраций железо-ни- кель-кобальтовых пленок к процессам фазообразования вслед­ ствие термохимических реакций с остаточными газами.

312

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основа кристаллической структуры тонких пленок, опреде­ ляющая не только уровень и характер их послекристаллизацнонных параметров, но и дальнейшее поведение, закладыва­ ется в процессе роста пленок. Экспериментальный и отчасти теоретический материал настоящей работы с очевидностью убеждает в том, что кристаллизация тонких пленок не выде­ ляется в какое-то особое явление, не укладывающееся в рамки общепринятых представлений о закономерностях образования конденсированной фазы. Это типичный кристаллизационный процесс, протекающий в соответствии с общими законами фа­ зовых превращений, однако реализующийся в экстремально неравновесных условиях. Экстремальность условий может быть сведена к наличию сверхвысоких скоростей охлаждения, степеней переохлаждения и пересыщения паровой фазы у фронта кристаллизации и перенасыщения в определенных, условиях конденсированной фазы газовыми и иными приме­ сями. Все названные факторы — следствие хорошо известной специфики технологических приемов, используемых при полу­ чении пленок.

Практически именно упомянутые технологические факторы оказывают наибольшее влияние на ростовые характеристики пленок, их структуру и физические свойства. Сверхвысокие скорости охлаждения и значительные переохлаждения, с одной стороны, обусловливают сильное диспергирование структуры пленок и высокую плотность структурных дефектов, с другой стороны, приводят к весьма существенному снижению скоро­ сти диффузионных процессов. Отметим, однако, что диффузи-

.онная активность при кристаллизации пленок во всех случаях остается достаточно высокой вследствие сильного сокраще­ ния диффузионных путей (величины диффузионных переско­ ков). Наряду с этим весьма важно еще одно последствие сверхвысокой скорости охлаждения фаз, участвующих в кри-

314

сталлизации, — мгновенное рассеивание, отвод теплоты от фронта кристаллизации пленок, если она не поддерживается постоянно действующим источником. Это обстоятельство, проистекающее из чрезмерной малости объема пленок, упро­ щает учет температурных условий на фронте кристаллизации, позволяя отождествлять в известных границах температуру подложки с температурой кристаллизации.

Нами было показано, что применение к процессу кристал­ лизации пленок кинетического и термодинамического анали­ зов позволяет выяснить главные особенности его протекания.

В соответствии с термодинамическими представлениями и приведенными в данной работе экспериментальными резуль­ татами можно отметить, что механизм и кинетика кристалли­ зации тонких пленок при любом методе их изготовления опре­ деляется прежде всего степенью переохлаждения и термоди­ намического пересыщения, при которых происходит образова­ ние твердой фазы. В общем случае в качестве комплексной характеристики отклонения процесса кристаллизации от его равновесного протекания следует считать технологические условия получения пленок. В таком понимании технологиче­ ские параметры процесса кристаллизации пленок являются своего рода компонентами общего термодинамического пере­ сыщения. В частности, в случае кристаллизации тонких пле­ нок из паровой фазы в вакууме такими компонентами явля­ ются температуры подложки и испарителя, давление и состав остаточных газов, плотность потока пара, угол наклона пучка пара, различного рода поля (магнитные, электрические, уль­ тразвуковые), используемые при кристаллизации, степень на­ сыщения примесями и многие другие важные факторы. Таким образом, все технологические условия получения пленок сле­ дует рассматривать в едином аспекте их влияния на разность свободной энергии участвующих в кристаллизации фаз и ки­ нетику процесса роста.

Большинство технологических параметров нетрудно учесть, причем возможно теоретически рассчитать их вклад в термо­ динамическое пересыщение при кристаллизации.

Отметим, однако, что при кристаллизации пленок в усло­ виях влияния примесей теоретическая оценка степени термо­ динамического пересыщения трудно осуществима. В связи с этим нами были использованы экспериментальные методы определения величины переохлаждения и термодинамического пересыщения, реализация которых основана на известных за­ кономерностях, установленных кинетической теорией кристал­ лизации и теорией абсолютных скоростей реакций. Скорость роста кристаллов при значительных переохлаждениях и пере­ сыщениях вследствие усиливающегося барьера диффузии на­ чинает изменяться линейно с возрастанием переохлаждения и

315

пересыщения. Этот вывод кинетической теории, давно под­ твержденный экспериментально при изучении роста большин­ ства кристаллов, в полной мере реализуется при кристалли­ зации тонких пленок. На основании подобной закономерности при известной температуре кристаллизации можно легко на­ ходить переохлаждение на фронте роста, что дает возможность устанавливать степень отклонения процесса кристаллизации от равновесия, а также оценивать величину температуры плав­ ления пленок. Последняя оказывается существенно более низ­ кой по сравнению с равновесной температурой плавления мак­ рокристаллов, что термодинамически вполне закономерно.

На основании скорости роста пленок в соответствии с тео­ рией абсолютных скоростей реакции можно определять сво­ бодную энергию активации кристаллизационного процесса и ряд других термодинамических характеристик, необходимых для нахождения величины термодинамического пересыщения и представляющих значительный самостоятельный интерес.

Знание скорости роста и некоторых термодинамических параметров может быть использовано для оценки кинетиче­ ских характеристик процесса кристаллизации пленок.

Особенности изменения скорости роста пленок в зависимо­ сти от кристаллизационных условий неизменно отражаются на структуре и свойствах пленок, а также на их поведении при всевозможных последующих обработках. Комплекс термоди­ намических и кинетических параметров, который может быть почерпнут из результатов исследования скорости роста пле­ нок, позволяет выявить существенные детали процесса кри­ сталлизации пленок в различных условиях.

Кристаллизация пленок в сверхвысоком вакууме, т. е. ког­ да влияние примесей сведено к минимуму, формально по закономерностям протекания аналогична кристаллизации мак­ рообразцов из расплава или из раствора. Для выявления главных особенностей кристаллизационного процесса в этом случае достаточно располагать сведениями о переохлаждении или пересыщении на фронте кристаллизации и некоторыми данными о кинетике роста пленок. Отклонение от равновесных условий состоит при этом в изменении температурного пере­ охлаждения вследствие вариации температуры кристаллиза­ ции (Тп) и изменения температуры плавления, обусловленно­ го нестандартностью параметров равновесия, например дав­ ления (в рассматриваемом случае вакуум), электромагнитных полей и пр. Отклонение Ts от равновесных значений в зависи­ мости от давления, напряженностей магнитного и электриче­ ского полей может быть учтено с помощью уравнения Клау­ зиуса—Клапейрона. При этом, как было показано, влияние давления в достаточно большом диапазоне его значений неве­ лико и им можно пренебрегать. Изменение Ts в зависимости

316