МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ПРИКАРПАТСЬКИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ВАСИЛЯ СТЕФАНИКА

ТКАЧУК Валерій Михайлович

УДК 538.975

ДОСЛІДЖЕННЯ ПЕРЕХІДНИХ ШАРІВ

МОНОКРИСТАЛІЧНИХ ПЛІВОК ЗАЛІЗО-ІТРІЄВОГО ГРАНАТУ, ВИРОЩЕНИХ МЕТОДОМ РІДКОФАЗНОЇ ЕПІТАКСІЇ

01.04.18 – фізика і хімія поверхні

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Івано-Франківськ – 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у спільній науково-дослідній лабораторії фізики магнітних плівок Прикарпатського університету імені Василя Стефаника МОН України та Інституту металофізики НАН України.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Остафійчук Богдан Костянтинович, зав. кафедри матеріалознавства і новітніх технологій Прикарпатського університету ім. Василя Стефаника.

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор Довгошей Микола Іванович, заслужений винахідник України, професор кафедри твердотільної електроніки Ужгородського університету, м. Ужгород;

доктор технічних наук, професор Ющук Степан Іванович, професор кафедри фізики Національного університету "Львівська політехніка", м. Львів.

Провідна установа: Інститут фізики НАН України, м. Київ.

Захист відбудеться “ 1 “ червня 2001р. о 11 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 20.051.03 у Прикарпатському університеті

ім. Василя Стефаника за адресою:

76000, м. Івано-Франківськ, вул. Шевченка, 57.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Прикарпатського університету ім. Василя Стефаника (м. Івано-Франківськ, вул. Шевченка, 57).

Автореферат розісланий “ 27 “ квітня 2001 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради К 20.051.03

кандидат фіз.-мат. наук ________________ Кланічка В.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дисертації. Інтерес до вивчення та практичного використання епітаксійних плівок залізо-ітрієвого гранату (ЗІГ) виник на початку 80-х років, і не тільки до матеріалу ЗІГ, але й до більш широкого класу гранатових структур. Це обумовлено їх вищою радіаційною стійкістю у порівнянні із традиційними матеріалами напівпровідникової електронної техніки. Так, в космічній техніці інтенсивно йшла розробка плівкових епітаксійних ферит-гранатових структур як для пристроїв надвисокочастотної техніки, так і систем енергонезалежної магнітної пам'яті. На початку 90-х інтерес до плівкових гранатових матеріалів посилився в зв'язку із створенням планарних хвилеводних та мікрочіпових лазерів.

Епітаксійні монокристалічні плівки Y3Fe5O12 характеризуються невеликою площинною анізотропією і використовуються, як правило, тільки в мікрохвильовій області, де їх застосування базується на гіромагнітних властивостях в намагніченому до насичення стані.

На сьогоднішній день зріс інтерес до нетрадиційного використання епітаксійних гранатових структур як матеріалів для створення сенсорних пристроїв візуалізації просторового розподілу неоднорідних магнітних полів чи магнітометрії ультрамалих полів. Це особливо гостро поставило питання про мікрокристалічну будову перехідних шарів, зумовлену нерівноважністю процесу епітаксії на різних її етапах.

Магнітна макроструктура гранатової плівки тісно пов'язана з особливостями процесів їх епітаксійного отримання. Неконтрольоване входження домішок на початковому і кінцевому етапах епітаксійного вирощування з розчину-розплаву та нерівноважність самого процесу росту головним чином і є визначальними у формуванні магнітних властивостей плівки. Існування двох перехідних шарів плівка - повітря та плівка-підкладка, які в багатьох випадках по товщині співмірні з однорідною частиною плівки, особливо гостро ставить питання вивчення особливостей формування їх магнітної мікроструктури та можливості контрольованого впливу на них на етапі епітаксійного росту.

Для рішення окреслених проблем найбільш перспективними є комплексні експериментальні дослідження з використанням конверсійної електронної мессбауерівської спектроскопії (КЕМС), методу вторинної іонної мас-спектрометрії (ВІМС), індуктивно-частотних польових та температурних методів дослідження, а також методів математичного моделювання.

Одним з основним інструментів формування заданих властивостей поверхневих шарів є іонна імплантація, і тому розгляд проблеми іонного перемішування, проведений в рамках ВІМС досліджень, важливий і для розуміння особливостей процесів, що відбуваються в монокристалічних плівках при іонному опроміненні.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в рамках наукових програм інституту металофізики НАН України та досліджень по науковій тематиці Міністерства освіти і науки України “Вплив іонної імплантації і дифузійних процесів на формування структури і властивостей приповерхневих шарів ферит-гранатових і напівпровідникових плівок” (№01890070690).

Мета і задачі дослідження:

- встановлення особливостей формування магнітної та кристалічної мікроструктури перехідних шарів в залежності від умов рідкофазної епітаксії з урахуванням розподілу основних компонент матриці, підкладки та домішкових атомів по товщині плівки;

- мессбауерівські дослідження плівок ЗІГ в зовнішньому магнітному полі з метою вироблення методологічних підходів до математичної обробки експериментальних даних та дослідження анізотропії параметрів надтонкої взаємодії у гранатовій структурі;

- розробка програмного забезпечення для математичної обробки експериментальних КЕМ спектрів заліза плівок ЗІГ для аналізу їх надтонкої структури з відновленням функції розподілу параметрів надобмінної взаємодії на резонансному ядрі та використання апріорної інформації про особливості мікрокристалічної будови гранату;

- проведення польових та температурних індуктивно-частотних досліджень макромагнітних властивостей плівок ЗІГ;

- математичне моделювання процесів розпилення поверхні мішені при іонному опроміненні для аналізу факторів, що впливають на роздільну здатність ВІМС профілювання з метою підвищення достовірності отримуваних експериментальних даних та дослідження процесів іонного перемішування.

Наукова новизна одержаних результатів. Використання взаємодоповнюючого комплексу експериментальних методів дослідження, чисельного аналізу отриманих результатів та комп'ютерного моделювання фізичних процесів дозволило отримати нову достовірну інформацію:

про особливості мікрокристалічної структури перехідних епітаксійних шарів, яка полягає в тому, що обертання підкладки на різних етапах епітаксії плівки ЗІГ з розчину-розплаву призводить як до змін концентрації входження елементів по товщині, так і їх катіонного розподілу та валентного стану як за підгратками, так і в середині кожної з підграток зокрема;

поверхневий шар товщиною 20-30нм формується після відриву підкладки з плівкою від поверхні розчину-розплаву, а його мікрокристалічна структура визначається передісторією самого рідкофазного процесу;

величина неколінеарності магнітних моментів атомів заліза по підгратках у зовнішніх магнітних полях залишається незмінною. При полі порядку 3kЕ неколінеарна складова змінює свій знак;

процедура чисельного моделювання процесу ВІМС пошарового аналізу з урахуванням іонного перемішування та розвитку складної топології кратеру травлення дозволяє з експериментального отримати мінімально спотворений реальний профіль розподілу домішки, який характеризується високою роздільною здатністю навіть без використання складних систем фокусування та електронної розгортки травлячого пучка.

Практичне значення одержаних результатів. Отримані результати можуть бути використані при розробці нових прогресивних технологій отримання та всестороннього дослідження епітаксійних гранатових матеріалів. Поглиблено знання про вплив умов епітаксії на мікрокристалічну будову перехідних шарів плівок ЗІГ. Комплексний підхід до аналізу експериментальних мессбауерівських спектрів матеріалів із рядом близьких по параметрах надтонкої взаємодії нееквівалентних кристалічних положень забезпечує точність, достовірність та інформативність методу. Створено пакет програм для чисельного моделювання процесу ВІМС профілювання.

Особистий внесок здобувача. Проведення мас- спектрометричних досліджень та індуктивно- частотних вимірювань. Створення комплексу програм для відновлення параметрів розподілу надтонкої взаємодії на резонансному ядрі за експериментальними КЕМС з використанням апріорної інформації про мікрокристалічну будову епітаксійних плівок ЗІГ. Розробка теоретичних підходів та програмна реалізація методу чисельного аналізу перерозподілу компонент матриці при ВІМС профілюванні. Участь у аналізі та інтерпретація отриманих результатів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися та обговорювалися на наукових семінарах, школах, конференціях: І Міжнародному симпозіумі “Фізико-хімічна механіка композиційних матеріалів” (Івано-Франківськ, 1993), VI Міжнародній конференції “Фізика і технологія тонких плівок”( Івано-Франківськ, 1997), ІІ Міжнародній школі-конференції “Physical problem in material science of semiconductors” (Чернівці, 1997), Міжнародній конференції INTAS-UCRAINE WORKSHOP on Condensed Matter Physics (Львів, 1998), VII міжнародній конференції “Фізика і технологія тонких плівок” (Івано-Франківськ, 1999), 8th European Magnetic Materials and Applications Conference ( June 7-10' 2000, Kyiv, Ukraine), ІІ всеукраїнській науковій конференції “Нелінійні проблеми аналізу” (Івано-Франківськ, 26-29 вересня 2000року).

Публікації. Матеріали дисертації опубліковані в 19 друкованих роботах, в тому числі в 7 статтях у наукових журналах.

Структура та об'єм роботи. Дисертація складається із вступу, огляду літератури, 3 оригінальних розділів, висновків та списку використаних джерел. Обсяг дисертації 118 сторінок. Вона містить 43 рисунки, 6 таблиць і список використаних джерел із 111 позицій.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і головні завдання дослідження, обгрунтовано вибір об'єктів та методів дослідження.

Перший розділ містить огляд літератури, який висвітлює теоретичні і експериментальні аспекти досліджуваної тематики у науковій літературі. Розглянуто особливості кристалічної та магнітної мікроструктури епітаксійних гранатових плівок. Дано аналіз робіт, присвячених питанню використання мессбауерівської спектроскопії для дослідження епітаксійних гранатових плівок.

Концентраційний розподіл елементів по товщині плівки лімітується дифузними процесами в зоні кристалізації та перемішуванням розчину-розплаву. Одним із найчастіше використовуваних методів його контролю є ВІМС пошаровий аналіз. Його коректне використання вимагає врахування вторинних ефектів, що супроводжують процес розпилення поверхні.

Другий розділ містить коротку характеристику об'єктів і методів теоретичного та експериментального дослідження. Особливу увагу приділено питанню використання КЕМС для дослідження кристалічної і магнітної мікроструктури поверхневих шарів плівок ЗІГ. Приводяться оригінальні результати (рис.1), отримані безпосередньо за участю дисертанта, по оцінці товщини інформаційного шару КЕМС, для величини якого в літературних даних спостерігається значний розкид - від 100 і до 300нм. Необхідність таких досліджень викликана потребою чіткого розділення величин вкладу тієї чи іншої області поверхневого шару у сумарний КЕМ спектр.

Методологічно чисельний аналіз експериментальних КЕМ спектрів заліза проводиться в два етапи: на першому він чисто якісно розкладається на підспектри. На другому, за допомогою формул, що пов'язують параметри надтонкої структури з даними експериментального КЕМ спектру, отримується інформація про локальне оточення резонансного ядра.

Для аналізу суперпозиції ряду близьких нееквівалентних кристалічних положень мессбауерівського атому використано квазінеперервний підхід до опису мессбауерівського спектру з відновленням функції розподілу надтонких параметрів на резонансному ядрі. Для реалізації такого підходу використано метод Д.Хессе та А.Рубарча. Він зводиться до представлення експериментального КЕМ спектру у вигляді лінійної суперпозиції квазінеперервно розподілених підспектрів, що відрізняються тим чи іншим параметром надтонкої взаємодії:

(1)

де - зеєманівський секстет ліній із розщепленням, пропорційним надтонкій взаємодії Ні; Рі – густина імовірності даного секстиплету; - номер каналу, що відповідає даній експериментальній точці. Значення Рі визначаються з умови мінімуму функціоналу:

(2)

та нормування

,

де g - параметр регуляризації, -експериментальний КЕМ спектр.

Даний підхід може бути застосований при наявності надтонкої взаємодії будь-якої природи. При цьому резонансна крива трансформується в функцію густини з вищою у порівнянні з вихідним спектром роздільною здатністю.

Для дослідження макромагнітних властивостей використано автогенераторний метод, суть якого полягає в тому, що частота власних коливань вимірювального генератора, в коливальний контур якого включено індуктивність із досліджуваним зразком, функціонально пов'язана з диференційною магнітною сприйнятливістю останнього:

, (3)

де Н - зовнішнє магнітне поле; -полярний та азимутальний кути орієнтації магнітного поля відносно площини зразка.

Для уточнення величини температури Кюрі використовувалися дані температурної залежності магнітної сприйнятливості у зовнішньому магнітному полі величиною 1Е. В області критичних температур величина сприйнятливості поводиться як , тому логарифмічна похідна зобразиться на графіку прямою лінією, що перетинає вісь в точці .

У третьому розділі вся увага приділена проблемі роздільної здатності ВІМС пошарового аналізу. Важливим, якщо не визначальним, при розгляді динамічного процесу пошарового аналізу є моделювання одиничного каскаду зіткнень. Опираючись на розроблену та апробовану нами раніше процедуру Монте-Карло для іонної імплантації у багатокомпонентні багатошарові мішені, розроблена програма чисельного моделювання процесу розпилення з урахуванням розвитку складної топології кратеру травлення, зміни фізичних властивостей мішені та перерозподілу основних компонент матриці під впливом травлячого пучка.

Із всіх процесів, що супроводжують гальмування іону в мішені, тільки вихід розпилених компонент формує корисний сигнал ВІМС. При цьому іони вилітають з приповерхневого шару, товщина якого визначається енергією падаючих іонів та кутом падіння на поверхню зразка (рис.2).

Для іонів Ar+ з енергією 4.5кеВ в Al при куті падіння на поверхню 45о проективний пробіг при поперечному розкиді . Хоч область іонного перемішування і обмежена каскадом зіткнень, індукований ним перерозподіл компонент матриці розповсюджується на значні глибини. Всі процеси, що супроводжують входження високоенергетичного іону в мішень, відіграють вторинну по відношенню до ефекту кратера роль, вплив якого по мірі розвитку його топології зростає від нульового на поверхні до максимального на кінцевому етапі ВІМС профілювання.

Задача врахування впливу кратера травлення зводиться до знаходження для моменту часу такого значення , яке б забезпечило мінімальне відхилення розрахункової кривої від експериментально отриманої . В припущенні незалежного вкладу кожної ділянки кратера травлення сумарний ВІМС сигнал розраховується за формулою (4):

, (4)

де - просторові координати області травлення, А- множник нормування.

Для будь-якого моменту часу аналізу форму кратеру можна знайти за формулою:

, (5)

де - форма кратеру травлення по проходженню всього часу травлення , яка визначається експериментально.

Вплив різних факторів (іонне перемішування, вихід компонент з різних глибин, розвиток складної топології кратера травлення, товщини аналізованих шарів) на роздільну здатність методу ВІМС досліджено як експериментально, так і модельно. Деякі з цих результатів приведено на рис.3 і рис.4.

Прояв ефектів іонного перемішування в “чистому” вигляді вивчався на системах типу плівка Al різної товщини на кремнії, імплантованих іонами В+ з енергією 90кеВ. Опосередкованим підтвердженням протікання процесу іонного перемішування може служити вольт-амперна характеристика омічного контакту такої системи, яка тільки у випадку протікання іонного перемішування в області перехідного шару плівка-підкладка із S-подібної набуває майже лінійного характеру. Товщина перехідного шару по Al при цьому складає близько 50нм, що в два рази перевищує її значення для неімплантованої системи.

У прийнятій вище термінології під іонним перемішуванням розуміється тільки перерозподіл компонент мішені внаслідок пружних зіткнень.

У четвертому розділі розроблені методики застосовано до вивчення структури перехідних шарів епітаксійних плівок ЗІГ. За допомогою КЕМС проведено вивчення магнітної мікроструктури, поведінки магнітного моменту мессбауерівського ізотопу у зовнішньому магнітному полі (рис.5). Така зйомка дозволила виробити методологію аналізу експериментальних КЕМ спектрів з малою роздільністю парціальних підспектрів. Зміна орієнтації магнітного моменту мессбауерівського атому відносно симетрії локального кристалічного оточення дозволила також дослідити анізотропний характер комбінованої надтонкої магнітної та електричної взаємодії в гранаті.

Для монокристалічних плівок ЗІГ з орієнтацією <111> характерною є наявність змішаної кубічної та одновісної анізотропії. Для такого її типу характерним є орієнтація осей легкого намагнічування типу “легка вісь у площині”. При цьому на експериментальному КЕМ спектрі спостерігаються два нееквівалентні положення в а-підгратці з відносною заселеністю 1:3 та два – в d-підгратці з відносною заселеністю 1:2. Наявність другої та п'ятої ліній у відсутності зовнішнього поля вказує на майже ортогональний характер орієнтації хвильового вектора гама-променів та осі легкого намагнічування. Характерним є те, що по мірі зростання величини поля проходить синхронна зміна орієнтації магнітних моментів Fe57, а при максимальному його значенні неколінеарна складова сумарного магнітного моменту змінює свій знак.

Це підтверджують також результати індуктивно-частотних вимірювань. В площині плівки можна виділити 6 осей легкого намагнічування з азимутальним кутом , що свідчить про превалюючий характер кубічної складової анізотропії (рис.6.).

З симетрією локального оточення мессбауерівського атому та просторовою орієнтацією магнітного моменту на ньому пов'язана також величина ефективного магнітного поля на ядрі Нeff. Його анізотропна поведінка викликана спіновим біполярним вкладом ВSD(b), в той час як інші вклади в Нeff є інваріантними відносно просторових поворотів. Для d-положення величина анізотропного вкладу лежить в межах похибки визначення самого поля, а для а-положення цей вклад визначається співвідношенням:

, (6)

де bо – кут між головною компонентою Vzz тензора ГЕП та внутрішнього поля на мессбауерівському ядрі. Результат експериментального дослідження анізотропної поведінки ефективного магнітного поля приведено на рис.7. Підгонка експериментальної та теоретичної кривих методом найменших квадратів дає для величини константи значення 3.4kЕ.

Згідно калібровки ізомерних зсувів, електронна конфігурація мессбауерівських атомів Fe57 для d- та a- положень має вигляд 3d54s0.11 і 3d54s0.03 відповідно. Таке її значення може бути пояснене входженням домішкових атомів у гранатову структуру з одного боку, та збідненим по кисню станом приповерхневого шару з другого. Так, за даними ВІМС, поверхневий шар товщиною 150нм збіднений по кисню приблизно на 20%. Викликане цим збільшення віддалі обмінної взаємодії в ланцюжку Fea-O-Fed, зміна її геометрії та спотворення симетрії локального оточення веде до зменшення перекриття електронних оболонок Fe3+ та O2-, що зумовлює локалізацію хвильової функції 4s електронів на ядрі Fe57.

Підгонка по методу найменших квадратів експериментальної та теоретичної кривих густини розподілу квадрупольного розщеплення на мессбауерівському ядрі для значення константи квадрупольної взаємодії для a- та d- положень дає відповідно 0.45мм/с та 0.90мм/с, що корелює з літературними даними.

Враховуючи те, що особливості технології є визначальними у формуванні мікрокристалічної структури перехідних шарів, з одного розчину-розплаву в ідентичних температурно - часових умовах було вирощено та досліджено три типи плівок: занурення, ріст та підйом підкладки з обертанням зі швидкістю 60 об/хв, занурення і підйом без обертання, ріст з обертанням зі швидкістю 60об/хв; занурення, ріст і підйом без обертання. Такі малі товщини плівок (див. таб.) вибрано з міркувань співмірності з ними величини інформаційного шару КЕМС. Значення параметрів надтонкої взаємодії, отримані математичною обробкою експериментальних КЕМ спектрів заліза, приведено в таблиці. Величини магнітних полів та ізомерного зсуву у межах похибки визначення для всіх трьох випадків залишаються незмінними.

Аналіз отриманих результатів показує, що заселеність іонами Fe3+ a- та d- положень залежить як від ростових режимів, так і міняється по товщині плівки (за даними ВІМС досліджень). Характерним є те, що не просто міняються параметри надтонкої взаємодії, а проходить спотворення характеру локального оточення мессбауерівського ізотопу в обох підгратках. Причиною цього є порушення катіонного розподілу по підгратках, нестехіометричний по кисню стан приповерхневого шару та входження іонів розчинника у гранатову структуру.

Таблиця

Параметри мессбауерівських спектрів заліза, розраховані для гранатових плівок, вирощених при різних умовах епітаксії.

Занурення, ріст і витягування без обертання (а) Занурення та витяг без, ріст з обертанням (б) Занурення, ріст та витяг з обертанням (в) Похибка обчислення

Товщина плівки (нм) 150 192 189

b (град.) 81 81 81

DEa, mm/c DEd, mm/c 0.35 -0.03 0.28 -0.07 0.34 -0.19

Sd/Sa 1.52 1.54 1.60

nd/na 1.43 1.45 1.51

G, mm/c 4.18 4.59 4.15

Тс, К 517.6 520.1 523.1

На це вказує також вигляд функції P(DE) - густини розподілу квадрупольного розщеплення на мессбауерівському ядрі. Вона має мінімально спотворений вигляд для ростових умов (в). Температура Кюрі магнітних окислів визначається кількістю надобмінних зв'язків на формульну одиницю. Отримане за даними індуктивно-частотних вимірювань максимальне значення Тс може служити опосередкованим підтвердженням найменшої дефектності гранатової структури якраз в цьому випадку.

Спільним для всіх трьох випадків є наявність на кривих ВІМС профілювання поверхневого перехідного шару товщиною 20-30нм. Його виникнення викликане зміною температурних та дифузних умов росту при виїзді підкладки з готовою плівкою та формуванням цієї області вже після відриву від поверхні розчину-розплаву.

Вивчення розподілу параметрів надтонкої взаємодії по товщині перехідного шару плівка-повітря проведено на плівці ЗІГ товщиною 10.2мкм, вирощеній за традиційною епітаксійною технологією. Метод КЕМС використано у поєднанні з хімічним травленням в ортофосфорні кислоті при температурах, що виключали ефекти перерозподілу компонент плівки.

По мірі просування в глибину плівки значення всіх параметрів надтонкої взаємодії наближаються до своїх номінальних значень. Так, відношення наближається до заселеності відповідних позицій. Ширина парціальної мессбауерівської лінії, значення якої є максимальним на поверхні зразка, спадає до свого мінімального значення по мірі просування в глибину плівки.

За даними КЕМС товщину перехідного шару можна оцінити величиною 40-60нм, що корелює з даними ВІМС профілювання. Тут спостерігається зміна кута орієнтації магнітних моментів і порушення їх колінеарності.

Аналіз поведінки функції розподілу імовірності квадрупольного розщеплення показав, що по всьому об'єму перехідного шару за виключенням приповерхневого, відбувається значне спотворення локального оточення мессбауерівського атому (рис.8).

На поверхні P(DE) приблизно відповідає теоретично розрахованому, що не зовсім зрозуміло в світлі максимальної концентраційної неоднорідності цієї області. Тільки після зняття всього перехідного шару плівка-повітря функція P(DE) наближається до свого номінального вигляду.

Основні результати та висновки полягають у наступному:

1. Показано, що обертання підкладки на різних етапах епітаксії веде до неоднорідності плівки не тільки в концентраційному плані, але й до зміни параметрів надтонкої взаємодії по товщині перехідного шару за рахунок спотворення симетрії локального оточення мессбауерівського атому і нестехіометричним по кисню станом приповерхневого шару плівки. Збільшення віддалі обмінної взаємодії в ланцюжку Fea-O-Fed та зміна її геометрії призводить до зменшення перекриття електронних оболонок Fe3+ та O2- і зумовлює локалізацію хвильової функції 4s-електронів на ядрі Fe57.

2. Неконтрольоване входження домішкових атомів у гранатову структуру на завершальному етапі епітаксії призводить до різної орієнтації вектора намагніченості по товщині перехідного шару та виникнення в ньому неколінеарної магнітної структури. При накладанні зовнішнього магнітного поля порядку 3кЕ відбувається перебудова орієнтації магнітних моментів атомів Fe57 відносно зовнішнього поля – неколінеарна складова сумарного магнітного моменту змінює свій знак із збереженням величини неколінеарності.

3. Наявність поверхневого перехідного шару товщиною 20-30нм викликана як зміною температурних умов росту при виході плівки з розплаву, так і його формування уже після відриву від поверхні розчину-розплаву. Мікрокристалічна структура цієї області визначається передісторією процесу рідкофазної епітаксії.

4. Розроблено математичний підхід до опису процесів розпилення поверхні зразка у методі ВІМС з врахуванням вторинних іонних процесів та розвитку складної топології кратера травлення з метою мінімізації спотворення концентраційних профілів аналізуючим пучком. Процедура дозволяє за експериментальними даними отримати мінімально спотворений реальний профіль розподілу домішки по глибині досліджуваного зразка.

5. Запропонована методика комплексного підходу з використанням зйомки у зовнішньому полі, хімічного травлення та чисельного аналізу отриманих експериментальних спектрів з відновленням функції розподілу параметрів надтонкої взаємодії на мессбауерівському ядрі з метою підвищення достовірності, точності та інформативності методу КЕМС.

6. Розроблено апаратуру для контролю макромагнітних властивостей плівки ЗІГ індуктивно-частотним методом в широкому інтервалі температур. В основу методу покладено одногенераторну його реалізацію з виключенням впливу сприйнятливості зразка на частоту коливань задаючого генератора за допомогою зовнішнього насичуючого магнітного поля. Часова стабільність та чутливість методу на зразках з площею поверхні 1см2 при товщині плівки ЗІГ 0.1мкм забезпечує задовільну відтворюваність результатів.

Публікації по темі дисертаційної роботи:

1. Остафийчук Б.К., Ткачук В.М., Ворончак О.М. О возможном механизме аморфизации поверхности феррит - гранатовых пленок вследствие ионной имплантации// Металлофизика и новейшие технологии.- 1994.-Т.16, №8.- С.51-54.

2. Ткачук О.М., Ткачук В.М. Мессбауерівські дослідження залізо-ітрієвого гранату, імплантованого важкими іонами// УФЖ.- 1999.- Т.44, №3.- С.391-393.

3. Tkachuk O.M., Tkachuk V.M. The Local Magnetic Y3Fe5O12 Structure Implanted by As Ions// Phys. Stat. Sol. (a).- 1999.-V.172.-P.477-484.

4. Б.К.Остафійчук, О.М.Ткачук, В.М.Ткачук, В.Д.Федорів. Механізм формування ефективних магнетних полів та ізомерного зсуву на ядрах Fe57 в ітрієвому ферит-гранаті при йонній імплантації кисню// Журнал фізичних досліджень. - 1999.-T.3, №1.-С.113-116.

5. Ткачук В.М., Ткачук О.М. Модельне дослідження процесів іонної імплантації в багатокомпонентні структури// Вісник Прикарпатського університету. Природничо-математичні науки.-1995.-B.1-C.129-131.

6. Ткачук О.М., Ткачук В.М., Яворський Б.І. Особливості формування магнітної мікроструктури плівок залізо-ітрієвого гранату, підданих іонному опроміненню// Вісник Прикарпатського університету. Природничо-математичні науки. –1996.- B.2-C.109-118.

7. Остафійчук Б.К., Ткачук В.М., Пилипів В.М. Вплив режиму епітаксії на магнітну мікроструктуру перехідних шарів плівок ЗІГ// Фізика і хімія твердого тіла.-2000.- T.1, №2.- C.319-324.

8. Остафійчук Б.К., Ткачук В.М.. Вплив вторинних процесів та ефекту кратера на роздільну здатність методу ВІМС// Металлофизика и новейшие технологии.-2000.- T.22, №10.- C.10-14.

9. Остафійчук Б.К., Ткачук В.М., Ткачук О.М., Федорів В.Д. Мессбауерівські дослідження монокристалічних плівок залізо-ітрієвого гранату у зовнішньому магнітному полі // Металлофизика и новейшие технологии. - 2000.- Т.22, №11.- С.11-16.

Анотації

Ткачук В.М. Дослідження перехідних шарів монокристалічних плівок залізо-ітрієвого гранату, вирощених методом рідкофазної епітаксії.-Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.18 – фізика і хімія поверхні. –Прикарпатський університет, Україна, Івано-Франківськ, 2001.

Дисертація присвячена проблемі дослідження магнітної та кристалічної мікроструктури приповерхневих шарів епітаксійних плівок ЗІГ. Розроблена методика чисельного аналізу експериментальних КЕМ спектрів гранатових структур з великою кількістю близьких нееквівалентних положень з використанням інформації про їх мікрокристалічну будову забезпечила повноту та достовірність отримуваних результатів. Методика базується на квазінеперервному описі експериментального КЕМС.

Вивчено вплив особливостей процесу рідкофазної епітаксії на властивості поверхневого перехідного шару плівка - повітря.

Окремо вивчено спотворення концентраційних профілів розподілу елементів при ВІМС пошаровому аналізі, зумовлене виходом розпилених іонів матриці з різних глибин, селективним іонним перемішуванням компонент мішені та ефектом кратеру.

Ключові слова: вторинна іонна мас спектрометрія, конверсійна електронна мессбауерівська спектроскопія, залізо-ітрієвий гранат, приповерхневий шар, надтонка взаємодія.

Tkachuk V.M. Research of transitional layers microcrystalline yttrium-iron garnet films, grown by method of the liquid-phase epitaxy.- Manuscript.

The dissertation for the Candidate Degree in Physics and Mathematics Speciality – 01.04.18 – Physics and Chemistry of surface. Precarpathian University, Ukraine, Ivano-Frankivsk, 2001.

Dissertation is devoted to research problem magnetic and crystalline microstructure of surface YIG films epitaxy layers. A developed methods of numeral analysis of experimental CEM spectrums of garnet structures with a great many of near non-equivalence positions with use of information about their microcrystalline structure proved the fullness and certainty of the results. A methods are based on the quasi-continuous description experimental CEMS.

The influence of the liquid-phase epitaxy peculiarities on the properties of the air-film surface layer has been analyses.

Separately learned distortion of concentration distribution profiles elements attached to SIMS analysis, conditioned as by sputter matrix ions from different depths, by ionic interfusion target elements and by effect to crater.

Key words: secondary ion mass spectroscopy, conversion electron mossbauer spectroscopy, yttrium-iron garnet, surface layer, superfine interaction.

Ткачук В.М. Исследование переходных слоев монокристаллических пленок железо- иттриевого граната, выращенных методом жидкофазной эпитаксии. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.18 – физики и химия поверхности. Прикарпатский университет, Ивано-Франковск, 2001.

Диссертация посвящена проблеме исследования магнитной и кристаллической микроструктуры приповерхностных слоев эпитаксиальных пленок ЖИГ. В основу исследования положен метод КЕМ - спектров железа в комплексе с другими методами, как экспериментальными, так математического моделирования. Использование КЕМ спектроскопии во внешнем магнитном поле позволило изучить анизотропный характер сверхтонкого взаимодействия в гранатовой структуре. Полученные результаты находятся в хорошем согласии с данными индуктивно-частотных исследований.

Проанализировано влияние вращения подложки на разных этапах эпитаксии на свойства и структуру переходного слоя пленка-воздух. Показано, что пленка ЖИГ является неоднородной не только в концентрационном, но и в микромагнитном плане. Неконтролированное вхождение примесей из раствора-расплава и материала подложки ведет к возникновению неколлинеарной магнитной структуры. Характерным для исследованных пленок, как за результатами КЕМС, так и ВИМС исследований, является также наличие поверхностного слоя толщиной 20-30нм. Его возникновение вызвано изменением температурных и диффузионных условий процесса жидкофазной эпитаксии на конечных ее этапах и формированием микрокристаллической структуры тонкого поверхностного слоя уже после отрыва подложки с пленкой от поверхности раствора-расплава.

Для исследования распределения микрокристаллических параметров пленки ЖИГ не только в тонком поверхностном слое, но и по всей толщине переходного слоя пленка-воздух, размеры которого значительно превосходят область выхода электронов конверсии, метод КЕМС использовался в комплексе с химическим травлением в ортофосфорной кислоте. Температура травления составляла 115оС, что исключало возможность влияния самого процесса травления на свойства исследуемых слоев. При этом наблюдается увеличение угла разориентации магнитных моментов атомов железа (до 10о) в приповерхностном слое пленки относительно ее объема, что указывает на изменение здесь параметров сверхтонкого взаимодействия.

Детальное исследование плотности распределения квадрупольного расщепления указывает на неоднородное распределения атомов Fe3+ как по подрешетках, так и по отдельным неэквивалентным положениям в каждой из подрешеток в частности. Ее поведение свидетельствует об искажении симметрии локального окружения мессбауэровского атома.

Отдельно изучен вопрос искажения концентрационных профилей распределения элементов с помощью ВИМС послойного анализа, обусловленный выходом распыленных ионов матрицы с разных глубин, селективным ионным перемешиванием компонент мишени и эффектом кратера.

Процедура численного моделирования динамического процесса ВИМС послойного анализа базируется на методе Монте-Карло. Она дала возможность проанализировать проблему ионного перемешивания и эффекта кратера для систем, где другие подходы являются принципиально неприемлемыми. В итоге, исходя из экспериментальных данных, получается минимально искаженный реальный профиль распределения компонент по толщине переходных слоев. Проанализировано влияние на величину разрешающей способности метода ВИМС параметров травящего луча и свойств мишени.

В рамках разработанного подхода экспериментально изучалась также проблема ионного перемешивания в "чистом" виде на примере системы пленка Al на кремнии.

Ключевые слова: вторичная ионная масс спектрометрия, конверсионная электронная мессбауэровская спектроскопия, железо-иттриевый гранат, приповерхностный слой, сверхтонкое взаимодействие.