МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І науки УКРАЇНИ

прикарпатський національний університет

імені василя стефаника

Яблонь Любов Степанівна

УДК 538.975 .21

Вплив іонного і лазерного опромінення на кристалічну

та маГнітну мікроструктуру ферит-ґранатових плівок

01.04.18 – фізика і хімія поверхні

А в т о р е ф е р а т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Івано-Франківськ – 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі матеріалознавства і новітніх технологій Прикарпатського національ-ного університету імені Василя Стефаника Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Остафійчук Богдан Костянтинович,

Прикарпатський національний універ-си-тет

імені Василя Стефаника, ректор

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор

Фодчук Ігор Михайлович,

Чернівецький національний університет

імені Юрія Федьковича,

професор кафедри фізики твердого тіла

кандидат фізико-математичних наук

Котлярчук Богдан Костянтинович,

Інститут прикладних проблем математики і механіки НАН України,

провідний науковий співробітник

Провідна установа: Інститут металофізики імені Г.В. Курдюмова

НАН України, відділ теорії твердого тіла, м. Київ

Захист відбудеться “26” травня 2006 р. об 11.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .051.06 у Прикарпатському національ-ному університеті імені Василя Стефаника за адресою: 76025, м. Івано-Франківськ, вул. Шевченка, 79, конференц-зал Будинку вчених.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Прикарпатського національного університету імені Василя Стефаника (76025, м. Івано-Франківськ, вул.Шевченка, ).

Автореферат розісланий “20” квітня 2006 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Г.О. Сіренко

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. Актуальність дослідження властивостей ферит-ґранатових плівок (ФҐП) зумовлена як можливістю отримання важливих даних про природу явищ, що мають місце у кристалічних магнітовпорядкованих структурах, якими є ферит-ґранати, так і їх практичним використанням у пристроях збереження і передачі інформації. Зокрема, вивчення властивостей тонких плівок суттєво розширило обсяг знань про фізичну природу анізотропії феромагнетиків, дозволило виявити, дослідити і пояснити різноманітні процеси перемагнічування, які привернули увагу багатьох вчених світу і стали предметом всестороннього вивчення. Тому вже протягом десятиліть плівки ферит-ґранатів є об’єктом інтенсивних досліджень як у нас в Україні, так і за кордоном.

Завдяки особливим положенням іонів кисню в елементарній комірці та порівняно великому об’єму комірки, кристалічна структура ґранату дозволяє вкорінення в неї різноманітних катіонів, що дає можливість регулювати магнітними властивостями ферит-ґранатів у досить широкому діапазоні. Зокрема, вкорінення в структуру плівок залізо-ітрієвого ґранату немагнітних іонів Ga3+ і La3+ значно поліпшує їх термостабільність без суттєвого зростання ширини лінії феромагнітного резонансу, що, в свою чергу, зменшує магнітні втрати при поширенні магнітостатичних хвиль.

Важливим є також і те, що завдяки багатоцільовому методу модифікації приповерхневих шарів – іонній імплантації – в ФҐП можна реалізувати нові структурні стани, які важко або неможливо отримати в звичайних об’ємних магнітних кристалах. Це суттєво розширює можливості реалізації впливу на фізичні властивості через структурні трансформації, що є вкрай необхідним для подальшого поступу в питанні прогнозованого керування їх електричними і магнітними властивостями та наукового передбачення їх поведінки в процесі експлуатації.

Проте, незважаючи на багаточисельні роботи, в яких досліджувалася імплантація різноманітних типів іонів у структуру ґранату, ще й досі залишаються нез’ясованими механізми дефектоутворення при імплантації іонів фтору в ФҐП та механізми аморфізації імплантованого шару, не встановлені взаємозв’язки параметрів іонної імплантації з кристалічною і магнітною структурою приповерхневих шарів плівок ферит-ґранату.

Доволі актуальним є завдання відновлення кристалічної та магнітної структури іонно-імплантованих шарів ФҐП, ефективне вирішення якої можливе шляхом використання потужного лазерного випромінювання, що, в свою чергу, дало б змогу розробити фізичні основи цілеспрямованої модифікації фізичних властивостей досліджуваних плівок.

Таким чином, розв’язання завдань, пов’язаних з дослідженнями модифікованих в процесі іонної імплантації та лазерного опромінення ФҐП, допоможе розширити і поглибити наші знання про фізику процесів, що відбуваються при цьому, і відкрити нові можливості їх ефективного використання.

Зв’язок роботи з науковими програмами, темами. Робота виконана в рамках наукових програм Національної академії наук України та досліджень, пов’язаних з науковою тематикою Міністерства освіти і науки України “Вплив іонної імплантації і дифузійних процесів на формування структури і властивостей приповерхневих шарів ферит-ґранатових і напівпровідникових плівок” (№ держ. реєстр. 01890070690), “Структура та магнітні властивості приповерхневих шарів моно- і полікристалічних матеріалів, модифікованих іонною імплантацією”; досліджень, пов’язаних з виконанням міжнародного проекту №1709 згідно з угодою між Прикарпатським національним університетом ім. Василя Стефаника та Українським науково-технологічним центром “Розробка лазерних і комбінованих інтеркаляційних методів для нанотехнологій низькорозмірних структур” та у процесі досліджень, виконаних у науково-дослідній лабораторії фізики магнітних плівок Прикарпатсь-ко-го національного університету імені Василя Стефаника МОН України.

Об’єкт дослідження. La,Ga-заміщені ферит-ґранатові плівки, імплан-товані іонами фтору та піддані лазерному опроміненню.

Предмет дослідження. Кристалічна структура та магнітна мікро-структура La,Ga-заміщених ферит-ґранатових плівок, імплантованих іонами фтору, до і після лазерного опромінення.

Мета і задачі дослідження. Основною метою даного дослідження було вивчення змін кристалічної структури та магнітної мікроструктури припо-верхневих шарів монокристалічних La,Ga-заміщених ФҐП, модифікованих внаслідок імплантації іонів фтору та наступного лазерного опромінення. При цьому вирішувались такі наукові завдання:

1. Дослідження механізмів утворення радіаційних дефектів при імплантації іонів фтору в ФҐП.

2. Математичне моделювання процесу іонної імплантації та обчислення профілів відносної зміни міжплощинної відстані при імплантації іонів фтору.

3. Дослідження кристалічної структури імплантованих іонами фтору з енергією 90 кеВ La,Ga-заміщених ФҐП в інтервалі доз 1•1013–2•1014 см-2.

4. Дослідження магнітної мікроструктури La,Ga-заміщених монокристалічних плівок ферит-ґранату, імплантованих іонами фтору.

5. Визначення домінуючих механізмів впливу лазерного опромінення на поведінку радіаційних дефектів.

6. Встановлення характеру структурних перетворень в іонно-імплантованих La,Ga-заміщених ФҐП, обумовлених дією лазерного опромінення та впливу такого перетворення на їх магнітну мікроструктуру й оптичні властивості.

Методи дослідження. Дослідження процесів радіаційного руйнування кристалічної та, відповідно, магнітної мікроструктури La,Ga-заміщених ферит-ґранатових плівок у процесі імплантації іонів фтору та їх відновлення внаслідок лазерного опромінення проводилося із застосуванням низки взаємодоповнюючих і взаємоконтролюючих фізичних методів: двокристальної рентґенівської дифрактометрії, конверсійної електронної мессбауерівської спектроскопії, інфрачервоної спектроскопії в поєднанні з математичним моделюванням процесів та теоретичною обробкою експериментальних результатів.

Наукова новизна отриманих результатів. Аналіз результатів комплексних досліджень ФҐП з використанням методів математичної обробки отриманих результатів дозволив вперше встановити загальні закономірності розупорядкування кристалічної та магнітної мікроструктури La,Ga-заміщених ФҐП у результаті імплантації іонів фтору та наступного їх відновлення під впливом імпульсного лазерного опромінення. При цьому отримано такі наукові результати:

– вперше шляхом моделювання процесу іонної імплантації визначено основні типи дефектів, утворених при імплантації іонів фтору в ФҐП;

– вперше встановлено залежність величини деформації іонно-імплантованого шару від дози імплантації іонами фтору;

– експериментально встановлена оптимальна доза імплантації іонами фтору в 1•1013 см-2 з енергією 90 кеВ, при якій на ядрах Fe57 ефективні магнітні поля зростають, що зумовлено ростом степені перекриття хвильових функцій зовнішніх електронів;

– вперше встановлені залежності кристалічної структури та магнітної мікроструктури імплантованих ФҐП від геометрії лазерного опромінення;

– вперше виявлено, що при лазерному опроміненні ФҐП відбувається зменшення максимального значення деформації та її ґрадієнта зі сторони поверхні, внаслідок лазерно стимульованої дифузії дефектів до поверхні.

Практичне значення отриманих результатів. Встановлені в роботі закономірності впливу іонної імплантації фтором та імпульсного лазерного випромінювання на профілі деформації в ФҐП да-ють можливість оптимізувати режими іонної імплантації та лазерного відпалу, при яких властивості плівок ферит-ґранату будуть прогнозованими. Одержані в роботі результати дозволяють пояснити особливості трансформації кристалічної структури іонно-імплантованого приповерхневого шару ФҐП в процесі лазерного опромінення та виділити ряд особливостей, що сприяють відновленню їх кристалічної та магнітної мікроструктури. Встановлені зміни структурних параметрів порушеного шару при лазерному опроміненні мають важливе практичне значення для прогнозування поведінки магнітних характеристик ФҐП у процесі експлуатації.

Особистий внесок здобувача:

–

–

–

–

–

–

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи допові-да-лися та обговорювалися на наукових семінарах та конференціях, в тому чис-лі на ІХ-й та Х-й міжнародних конференціях з фізики і технології тон-ких плівок (Івано-Франківськ, 2003, 2005), Міжнародній конференції студентів та молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики “ЕВРІКА-2003” (Львів, 2003), ІІI-й Всеукраїнській конференції молодих науковців “Інфор-маційні технології в науці, осві-ті, техніці” (Черкаси, 2002), IV міжнародній кон-ференції “New electrical and electronic technologies and their industrial imple-mentation” (Zakopane, Poland, 2005), в Інституті металофізики ім. Г.В. Кур-дю-мова НАН України, на об’єднаних наукових семінарах кафедр “Мате-ріалознавства і новітніх технологій” та “Фізики твердого тіла” Прикар-патського національного університету імені Василя Стефаника.

Публікації. Матеріали дисертації викладені в 12 публікаціях, у тому чис-лі в 5 статтях, опублікованих у наукових журналах.

Структура та обсяг дисертації. Робота складається із вступу, 4-х розділів, висновків та списку використаних джерел. Дисертація викладена на 132 сторінках, у тому числі містить 39 рисунків, 6 таблиць та 157 бібліо-графічних джерел.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і завдання дослідження, відзначено наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів.

Перший розділ містить аналітичний огляд літератури, що висвітлює теоретичні та експериментальні аспекти досліджуваної тематики як у загальнонауковому плані, так і стосовно фактично досліджуваних матеріалів. Зокрема, проаналізовано зв’язок кристалічної структури з фізичними властивостями монокристалічних ФҐП, вплив на дані властивості заміщення іонів ітрію та заліза немагнітними іонами лантану та галію. Розглянуто сучасний стан проблеми дослідження властивостей приповерхневих шарів ферит-ґранатів, модифікованих іонною імплантацією. Відзначені особливості впливу енергії, дози та типу іона на структурні зміни ФҐП. Слід відзначити, що, незважаючи на велику кількість публікацій з даної проблеми, кристалічна та магнітна мікроструктури ФҐП, модифіковані імплантацією іонів фтору, до цього часу практично не вивчались. У зв’язку з цим особливої актуальності набуває необхідність комплексного дослідження структурного та магнітного розупорядкування в монокристалічних плівках, обумовленого імплантацією іонів фтору.

Що стосується впливу постімплантаційного лазерного опромінення на структурну перебудову заміщених ФҐП, то таких досліджень небагато, вони носять фрагментарний характер і не дають повної картини перебігу відновлення кристалічної та магнітної структури.

Другий розділ містить коротку характеристику обєктів досліджень, технологію їх отримання й особливості методів експериментального та теоретичного дослідження.

Об’єктами досліджень були монокристалічні плівки складу Y2,8La0,2Fe4,545Ga0,455O12, які вирощувались методом рідкофазної епітаксії на підкладках Gd3Ga5O12, орієнтованих в площині (111), з розчину-розплаву ґранатоутворюючих оксидів Y2O3 –2O3 –2O3 –2O3 і розчинника PbO –2O3. Іони лантану вводились у плівку для компенсації зменшення параметру її кристалічної ґратки при заміні іонів Fe3+ меншими за розміром іонами Ga3+ і наближення його до параметра ґратки підкладки. При вирощуванні плівок горизонтально розміщена підкладка оберталась з кутовою швидкістю 60 об./хв. Температура росту становила 1237 К, товщина вирощених плівок становить 2,44 мкм. Процес вирощування здійснювався на обладнанні НВП “Карат” (м.Львів), спеціально розробленому для вирощування ґранатів.

Для модифікації кристалічної та магнітної мікроструктури приповерхневих шарів досліджуваних плівок було застосовано метод іонної імплантації. Імплантація проводилась іонами F+ з енергією 90 кеВ у дозовому інтервалі 1•1013–2•1014 см-2 на установці “Везувій” при кімнатній температурі в умовах, що виключали самовідпал і ефекти каналювання (опромінення відбувалася під кутом 7 о відносно нормалі до площини плівки). Густина іонного струму під час імплантації не перевищувала 0,1 А/см2.

З метою усунення утворених в результаті іонного опромінення радіаційних дефектів, підвищення термостабільності структури, часткового зняття механічних напруг а, відповідно, покращення магнітних характеристик, La,Ga-заміщені ФҐП піддавалися опроміненню імпульсами YAG:3+-лазера. Лазерний відпал здійснювався лазером, що працював у режимі модульованої добротності з енергією випромінювання в імпульсі E ,04 Дж, тривалістю імпульсу ф15 нс та частотою слідування імпульсів f  Гц. Тривалість опромінення змінювалась в межах 25–35 с. Плівки опромінювались лазером як з імплантованої, так і з протилежної сторони.

Дослідження структурних параметрів монокристалічних La,Ga-заміщених ФҐП до і після іонної імплантації з наступним імпульсним лазерним опроміненням проводилося методом двокристальної рентґенівської дифрактометрії. Криві дифракційного відбивання (КДВ) від кристалографічної площини (444) для досліджуваних зразків одержані на установці ДРОН-2 в симетричній геометрії Брега з використанням Cu-Ka1-випромінювання. КДВ аналізували на основі динамічної теорії дифракції рентґенівських променів. Припускалось, що порушений шар складається з кількох десятків підшарів, в межах яких міжплощинна відстань не змінюється. Профіль відносної зміни міжплощинної відстані вибирався у вигляді асиметричної гаусіани:

де , h – відстань, яка відраховується від поверхні в глибину кристалу, RP – точка зшивки гаусіан, 1 і 2 – параметри гаусіан, які характеризують їх ширину на піввисоті.

Одним із ефективних і неруйнуючих методів аналізу магнітної мікроструктури тонкого приповерхне-вого шару ФҐП, співрозмірного з глибиною імплантаційних пошкоджень, є метод конверсійної електронної мессбауерівської спектроскопії (КЕМС). Зйомка спектрів від вихідних, імплантованих та опромінених лазером La,Ga-заміщених ФҐП проводилась у режимі постійного прискорення із використанням ядерного г-резонансного спектрометра ЯГРС-4М й аналізатора імпульсів УНО-4096. КЕМ-спектри Fe57 отримувались при кімнатній температурі з використанням джерела г-квантів Co57 в хромовій матриці з активністю ~ 90 мКu. Реєстрація конверсійних електронів здійснювалась проточним лічильником з газовою сумішшю 96 Не +  СН4. Калібровка спектрів проводилась відносно б-Fe57.

Розшифрування спектрів здійснювалось на підставі того, що в структурі ґранату кожен іон заліза в а-позиції має в якості своїх найближчих сусідів 6 іонів d-позицій, а кожен іон d-позиції оточений 4 іонами а-позицій, заміщення Fe3+ галієм приводить до виникнення нееквівалентних положень заліза як в а- так і в d-позиціях, ймовірність яких можна обчислити за формулою:

,

де z – координаційне число (z = 4, 6); n – число магнітних сусідів, 0 ? n ? z; k – відносна кількість немагнітних іонів в сусідніх підґратках.

Знаходження параметрів окремих компонент спектрів дало можливість оцінити частку парамагнітної складової в іонно-імплантованому шарі ФҐП та розподіл заліза за а- і d-підґратками.

Інфрачервоні (ІЧ) спектри ФҐП одержані на приладі FT-IR Termo Nicolet у режимі пропускання. Метод інфрачервоної спектроскопії, на основі аналізу спектрів, дозволив прослідкувати за відносною зміною концентрації дефектів різних типів, що утворюються в плівках при імплантації, та їх релаксацію під дією лазерного опромінення.

У третьому розділі викладено експериментальні й теоретичні результати досліджень впливу дози імплантованих іонів F+ з енергією 90 кеВ на кристалічну та магнітну мікроструктуру La,Ga-заміщених ФҐП. Математичне моделювання про-цесу іонної імплантації в залізо-ітрієвий ґранат за допомогою програми SRIM-2003 дозволило здійсни-ти безпосереднє визначення розподілу іонних пробігів та індукованих ними дефектів у наближенні, що атом-атомні взаємодії в каскаді взаємонезалежні і абсолютно пружні; іон-імплантант чи атом віддачі випадковим чином взаємодіє з атомом мішені; ймовірність зіткнення вибитого атома з атомами різних підґраток пропорційна перерізу зіткнення з ураху-ванням концентрації атомів кожного сорту, їх енергії зв’язку в ґратці та порогових енергій зміщення. Як пока-зують розра-хунки, при імплан-тації іонів фтору з енергією 90 кеВ перева-жаючими є електронні втрати (~ що становили для умов експерименту 30,9 еВ/Е (рис. ). Статис-тична обробка даних, одер-жаних при моделюванні процесу іонної імплантації, показала, що максимально ймовірним є процес генерації френкелівських пар ~ ; розвиток каскаду з двох атомів віддачі ~ трьох – чоти-рьох – Середній об’єм роз-упорядкованої ділянки V  Е3. Для проаналізованих статистичних маси-вів чіткої залежності V(h) не виявлено, однак спостерігається максимум значення V на глибині ~  нм.

Співставляючи результати вищенаведеного моделювання з експеримен-тально визначеними значеннями максимальної деформації (табл. ), було отримано такі характеристики радіаційного дефектоутворення: радіус ділянки нестійкості становить rзн ,4 ± ,9 Е, ефективний радіус дефекту rеф = ,9 ± ,2 Е, концентрація дефектів при дозі 1•1013-2•1013 см-2 становить (2,6ч3).1021см-3 для випадку, коли з регулярних положень зміщено ~ % загальної кількості іонів.

Таблиця 1

Структурні та магнітні параметри La,Ga-заміщених ФҐП, імплантованих іонами фтору з енергією 90 кеВ

Доза, іон/см2 | Дd/d, % | Ефективне магнітне поле на ядрі Fe57

Н, кЕ | Відносна інтенсивність S, % | Ширина лінії підспектра

w, мм/с

На1 | На2 | На3 | Нd | Sa | Sd | SD | wa | wd | wD

0– | 429 | 385 | 306 | 352 | 40,7 | 56,0 | 3,3 | 0,6 | 0,78 | 0,3

11013 | 0,17 | 430 | 395 | 303 | 352 | 39,0 | 55,8 | 5,2 | 0,6 | 0,72 | 0,43

210130,21 | 420 | 381 | 301 | 347 | 39,1 | 55,3 | 5,5 | 0,64 | 0,75 | 0,44

41013 | 0,35 | 409 | 367 | 277 | 334 | 39,7 | 55,0 | 5,3 | 0,7 | 0,91 | 0,47

61013 | 0,55 | 380 | 347 | 271 | 331 | 39,1 | 54,9 | 5,9 | 0,81 | 0,94 | 0,44

81013 | 0,72 | 366 | 332 | 245 | 311 | 37,8 | 54,1 | 8,0 | 0,86 | 1,04 | 0,49

11014 | 0,81 | 335 | 322 | 213 | 290 | 35,7 | 52,6 | 11,7 | 0,88 | 1,04 | 0,64

Похибка | ±0,01 | ±3 | ±0,1 | ±0,01

З аналізу експериментальних КДВ (рис. 2), на основі динамічної теорії дифракції рентгенівських променів, розраховано профілі відносної зміни міжплощинної відстані (рис. ). При малих дозах імплантації (1•1013–2•1013 см-2) вони монотонно спадають з глибиною, а при зростанні дози на даних профілях появляються максимуми на глибині, яка практично співпадає з ділянкою основних ядерних енергетичних втрат. Таку поведінку максимуму деформації Rp для доз, нижчих за критичну, можна пояснити тим, що в глибині порушеного шару енергія, передана як у ядерну, так і в електронну підсистему мішені, не пере-вищує критичної, тобто утворення і ріст аморфної фази відбу-вається з набором дози в результаті накопичення радіацій-них дефектів на глибині, яка відповідає положенню максимуму переданої в ядерну підсис-тему енергії. У приповерх-невому шарі кожен іон віддає в електронну підсистему енергію, більшу за критичну, тому відбу-вається утворення окремих приповерхне-вих аморфних ділянок.

Очевидно, що при низьких дозах імплантації, коли профілі відносної деформації монотонно спа-дають, основ-ний вклад у деформацію вносять приповерхневі ділянки [1]. Як видно із залежності відносної макси-мальної деформації плівки, імплантованої іонами фтору, від дози опромінення (рис. ), при дозах, менших 1•1014 см-2, відбувається поступове накопичення радіаційних дефектів, що приводить до зростання відносної зміни міжплощинної відстані. При цьому дефор-мація в іонно-імплантованому шарі спричи-нена голов-ним чином вибитими іонами матриці, а не іонами фтору, про що свідчить співпадання макси-мумів у профілях відносної дефор-мації (рис. ) та теоретично розрахованих профілях ядерних енерге-тичних втрат (рис. ).

При зростанні дози відбувається швидке накопичення дефектів у глибині порушеного шару, у результаті чого поле напруг в іонно-імплантованому шарі перероз-поділяється, і відбувається зміщен-ня максимуму деформації в область основних ядерних втрат. При досягненні дози 2•1014 см-2 максимальна відносна деформа-ція стано-вить ~ 0,82

Товщина деформованого шару (товщина, на якій Дd/d ? ,01в межах точності обчислень становить від 2500 Е до 3100 Е для діапазону доз 1•1013-2•1014 см-2.

Розупорядкування кристалічної струк-тури La,Ga-заміщених ферит-ґранатових плівок у результаті імплантації іонів фтору знаходить своє відображення в КЕМ-спектрах (параметри КЕМС досліджуваних зразків, імплантованих іонами фтору з енергією 90 кеВ подано в табл. ). З їх аналізу випливає, що із зростанням дози опромінення в імплантованому шарі відбувається уширення ліній мессбауерівських спектрів, спочатку деяке збільшення і подальше зменшення ефективних магнітних полів на ядрах заліза Fe57 та ріст об’ємної концентрації парамагнітної фази в результаті зменшення ступеня надобмінної взаємодії між іонами заліза в а- і d-підгратках.

При заміщенні іонів Fe3+ на іони Ga3+, які володіють меншим іонним радіусом і спотворюють симетрію внутрі-криста-лічного електричного поля в місцях знаходження ядер заліза, поява різним чином орієнтованих та спотворених координа-ційних поліедрів викликає додаткове уширення ліній надтонкої структури мессбауерівського спектра (табл. ); відбувається послаб-лен-ня надтонкої а-d-взаємодії, і як наслідок цього – зменшення ефективних полів на ядрах іонів заліза в а- і d-під-ґратках (табл. , рис. ). Отримані зна-чення ефективних полів 429 і 352 кЕ на ядрах іонів заліза, що займають, відпо-відно, октаедричні та тетраедричні поло-ження в неімплантованій La,Ga-заміще-ній ФГП, значно менші за значення 485 і 396 кЕ для залізо-ітрієвого ґранату [2]. На більшу величину змінюється поле на ядрах заліза а-підґратки, що говорить про переважаюче входження діамагнітного галію в тетра-підґратку. Це підтверджується і зменшенням відношення інтегральних інтенсивностей парціальних компонент d-підґратки до а-підґратки, яке становить 1,4 (для ЗІГ це відношення дорівнює 1,5) (табл. ).

Для малих доз імплантації (1·1013–2·1013 см-2) спостерігається незначний ріст величини магнітних полів на ядрах заліза (рис. ), спричинений ростом степені перекриття хвильових функцій зовнішніх електронів за рахунок напруг стиску і зміни кількості магнітних сусідів внаслідок перерозподілу іонів Fe3+ і Ga3+ за підґратками. Із зростанням величини дози іонної імплантації пропорційний ріст кисневих вакансій приводить до порушення непрямої обмінної взаємодії і, як результат, до зменшення величини магнітних полів на ядрах заліза при зростанні ширини лінії парціальних підспектрів (табл. ).

У результаті зміщення іонів кисню зі своїх позицій, утворення дефектів і часткової “заміни” іонів кисню іонами фтору в аніонній підґратці зростає число магніто-нееквівалентних положень іонів заліза, відбувається викривлення геометрії обмінних зв’яз-ків. Оче-видно, що при досягненні дози імплантації 1•1014–2·1014 см-2 концент-рація дефектів в імплантованому шарі стає достатньою для реалізації їх взаємодії й утворення дрібнодис-персних областей, що викликає ріст інтегральної інтенсивності дублетної компоненти (рис. ). У парамагнітну складову в однаковій мірі вносять вклад як іони, що знаходяться в а-, так і в d-підґратці. Таким чином, резуль-тати аналізу мессбауерівських спектрів заліза вказують на наявність при дозах імплантації > ·1014 см-2 іонноаморфізо-ваних областей, що підтвер-джується рентґенівськими дослі-дженнями кристалічної структури зразків.

У четвертому розділі викладено результати дослідження впливу лазерного опромінення на кристалічну структуру і магнітну мікроструктуру La,Ga-заміщених ФГП, імплантованих іонами фтору.

З огляду на те, що для досліджуваних плівок hc/л < Eg (л ,06 мкм – довжина хвилі лазерного випромінювання, Eg= 2,8 еВ – ширина забороненої зони), енергія лазерного випромінювання поглинається в основному недосконалостями кристалічної структури, сформованими як в процесі росту плівок ферит-ґранату, так і генерованими іонною імплантацією. Очевидно, що концентрація дефектів в іонно-імплантованому шарі ФҐП на декілька порядків більша, ніж у неімплантованому, а отже, ефект дії лазерного опромінення найбільш повно проявляється саме в цьому шарі.

Профілі відносної деформації ФҐП після лазерного опромінення ФҐП з імплантованої сторони та із сторони підкладки (неімплан-тована сторона) представлено на рис. . Характерною їх особ-ливістю (для доз 6.1013 см–2 та 1.1014 см–2), незалежно від способу опромінення, є зменшення максимального значення деформації d/d та її ґрадієнта зі сторони поверхні.

Лазерне опромінення, бу-дучи прозорим для ФҐП, поглинається радіаційними дефектами, причому максимум поглинання приходиться на глибину, де концентрація дефектів найбільша. Внаслідок цього з обох сторін шару з максимальною кіль-кістю де-фектів появляються протилеж-но напрямлені ґра-дієнти тем-ператури, які сти-мулюють ди-фузію і, відповід-но, нейтралі-зацію дефектів (голов-ним чином вибитих іонів кисню по аніонних вакансіях), що, як видно з рис. 8, призводить до змен-шення величини віднос-ної деформації. Ефективність опро-мінення ФҐП зі сторони протилежної до імплантова-ного шару очевид-на, оскільки в даному випадку концентрація радіаційних де-фек-тів на шляху лазерного променя до шару з максимальною кількістю де-фектів значно менша, ніж у випадку опромінення з імплан-тованої сторони, а отже, у вказаному шарі при незмінній енергії лазер-ного імпульсу погли-нається знач-но більша енергія.

При дозі імплантації 2•1013 см–2 вакансійний меха-нізм, що стимулює дифузію дефектів, є незначним, тому деформація зменшується не суттєво.

ІЧ-спектри пропускан-ня ФҐП в області 2,5–25 мкм (4000–400 см-1) до і після лазерного опромінення пред-ставлено на рис.9. Збільшен-ня пропускання після лазер-ної обробки в області 2,5–6 мкм (4000–1660 см-1), ймо-вір--но, пов’яза-не з тим, що на фоні “холодної” ґратки енергія, поглинута дефектом, дозво-ляє пере-вести його в інший заря-довий і енерге-тичний стан, що приводить до його анігіляції з іншим дефектом. В області 4,3 мкм (2300 см-1) спостерігається інтерферен-ційний рефлекс, який, оче-видно, зумовлений макси-мумом інтерференції прохід-них хвиль на плівці тов-щиною 2,44 мкм. В області 7–25 мкм (1400-400 см-1) для неопромі-неного лазером та імпланто-ваного фтором з дозою імплантації 4•1013 см-2 зразка спосте-рігається різке зменшення пропускання. Після лазерного опромінення пропус-кання плівок в цій області (7–25 мкм) збільшується майже на 20–25(рис. , криві 2 і 3), що свідчить про значне зменшення кількості центрів поглинання. Ймовірно, ними є аніонні вакансії, утворені при іонній імплантації, які в результаті лазерного опромі-нення анігі-люють з іонами кисню та фтору, що рухаються до поверхні. Пропускання плівок, опроміне-них лазером з імплан-тованої сто-рони, є меншим за пропускання плівок, опроміне-них з неімплан-тованої сторони, що пов’язане з меншою кількістю дефектів, які релак-сують при даній геометрії опромінення.

Лазерний відпал радіацій-них дефектів ФҐП веде до відновлення магніт-ної мікро-структури, що відобра-жається у КЕМ-спектрах, отриманих від імплан-тованих La,Ga-заміщених плівок фе-рит-ґранату.

Ефективне магнітне по-ле на ядрах заліза для а- і d-підґраток у результаті дії лазерного опромінення зрос-тає на 5-20 % (рис. ). З ростом дози іонної імплантації монотонний спадний характер залежності магнітного поля від дози імплантації для d-підґратки переходить практично у незмінний, що свідчить про впорядкування у системі, спричинене лазерним опроміненням.

У результаті лазерного опромінення відбувається перерозподіл інтенсивностей зеєманівських складових спектру від а- до d-підґратки (рис. ), у той час як інтенсивність парамагнітного дублету залишається практично незмінною. Таким чином, можна стверджувати, що при лазерному опроміненні імплантованих іонами F+ ФҐП відбувається перерозподіл іонів Ga3+ і Fe3+ між тетраедричними й октаедричними позиціями в ґратці. Відносна кількість d-позицій, заповнених Fe3+, зростає, у той час як додаткове заповнення а-позицій іонами Fe3+ зменшується. Очевидно, що при лазерному опроміненні вибиті іони Fe3+ та Ga3+ займають не свої колишні положення, іони Fe3+ віддають перевагу d-позиції, а Ga3+ – а-позиції.

Основні результати та висновки

1. Встановлено, що максимально ймовірним при іонній імплантації F+ (Е  кеВ) ФҐП складу Y2,8La0,2Fe4,545Ga0,455O12 є процес генерації френкелівської пари аніонна вакансія-вкорінений кисень; середній об’єм розвпорядкованої ділянки, утвореної при каскаді атом-атомних зміщень, становить ~20 Е3; усереднений радіус області нестійкості дефектів становить 4,4 ± ,9 Е; ефективний радіус дефекту 0,9 ± 0,2 Е; концентрація дефектів при дозі (1-2)•1013 см-2 становить (2,6ч3).1021см-3, при цьому з регулярних положень зміщено ~ % загальної кількості іонів; дозі (1-2)•1014 см-2 відповідає ~ ,5.1022 см-3 зміщених іонів ґратки, що становить ~30загальної кількості іонів.

2. Показано, що при імплантації іонів F+ структурне розупорядкування поверхневого шару ФҐП та в її глибині відбувається за різними механізмами, які характеризуються різною швидкістю дефектоутворення з ростом дози імплантації. При малих дозах переважний вклад у деформацію вносять дефекти, спричинені електронними енергетичними втратами в приповерхневій області. При зростанні дози відбувається швидке накопичення дефектів у глибині порушеного шару, у результаті чого поле напруг в іонно-імплантованому шарі перероз-поділяється і відбувається зміщення максимуму деформації в область основних ядерних втрат. Встановлено, що товщина деформованого шару в межах точності обчислень становить від 2500 Е до 3100 Е для діапазону доз 1•1013–2•1014 см-2.

3. Експериментально встановлено зростання ефективних магнітних полів на ядрах Fe57 як в а-, так і d-підґратках ФҐП, імплантованих іонами фтору з дозою 1•1013 см-2, яке, очевидно, зумовлене ростом степені перекриття хвильових функцій зовнішніх електронів за рахунок напруг стиску і зміни кількості магнітних сусідів внаслідок перерозподілу іонів Fe3+ і Ga3+ за підґратками. Подальший ріст величини дози іонів фтору обумовлює зменшення магнітних полів на ядрах Fe57 у результаті “руйнування” непрямої обмінної взаємодії.

4. Встановлено, що при лазерному опроміненні ФҐП відбувається зменшення максимального значення деформації та її ґрадієнта зі сторони поверхні. Це пояснюється, перш за все, рухом дефектів до поверхні плівки, тобто при лазерному опроміненні визначальним фактором руху та релаксації дефектів є ґрадієнт температури, який стимулює дифузію дефектів.

5. Шляхом аналізу даних КЕМ-спектроскопії на ядрах Fe57 показано, що при лазерному опроміненні La,Ga-заміщених іонно-імплантованих ФҐП їх кристалічна структура і магнітна мікроструктура значною мірою відновлюється. Відбувається перерозподіл іонів Ga3+ і Fe3+ між тетраедричними й октаедричними позиціями в ґратці. Відносна кількість d-позицій, заповнених Fe3+, зростає, у той час як число іонів Fe3+ в а-позиціях зменшується. Часткове відновлення кристалічної структури внаслідок лазерного опромінення приводить до впорядкування надобмінної взаємодії а- та d-підґраток, що проявляється у збільшенні на ~ 20 ефективних магнітних полів на ядрах Fe57 при всіх використовуваних дозах імплантації.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Остафійчук Б.К., Гасюк І.М., Копаєв О.В., Надутов В.М., Яблонь Л.С.Вплив незначних катіонних заміщень на магнітну мікроструктуру магній-цинкових феритів // Фізика і хімія твердого тіла. – 2001. – Т.2. – №3. – С.387-395.

2. Остафійчук Б.К., Кравець В.І., Федорів В.Д., Яремій І.П., Яблонь Л.С. Дослідження структурних змін в монокристалах ГГГ, модифікованих іонами бору при різних енергіях // Фізика і хімія твердого тіла. – 2002. – Т.3. – №3. – С.437-441.

3. Остафійчук Б.К., Федорів В.Д., Яблонь Л.С., Яремій І.П., Яворський Б.І.  Залежність ступеня деформації LaGa-заміщених ферит-ґранатових плівок від дози іонної імплантації // Фізика і хімія твердого тіла. – 2002. – Т.3. – №4. – С.687-693.

4. Остафійчук Б.К., Яблунь Л.С., Коцюбинський В.О. Кристалічна і магнітна мікроструктура приповерхневих шарів монокристалічних плівок LaGa-заміщеного залізо-ітрієвого ґранату, імплантованих іонами F+ // Фізика і хімія твердого тіла. – 2004. – Т.5. – №4. – С.744-749.

5. Остафійчук Б.К., Будзуляк І.М., Гасюк І.М., Яблонь Л.С. Лазерна моди-фікація La,Ga-заміщених ФГП, імплантованих іонами фтору // Наносис-теми, наноматеріали, нанотехнології. – К., 2005. – Т.3. – Вип.4. – С.901-907.

6. Кравець В.І., Яремій І.П., Яремій С.І., Яблонь Л.С. Про можливість одно-значного визначення профілів відносної деформації за даними двохкри-стальної рентґенівської дифрактометрії // Матеріали ІІI Всеукраїнської конференції молодих науковців “Інформаційні технології в науці, освіті і техніці” (ІТОНТ-2002), 17-19 квітня 2002 р. – Черкаси, 2002. – С.24-25.

7. Яблонь Л.С. Визначення профілів деформації в іонно-імплантованих LaGa-заміщених ферит-ґранатових плівках // Матеріали Всеукраїнської конфе-ренції студентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики “Еврика-2003”, 21-23 травня. – Львів, 2003. – С.58.

8. Остафійчук Б.К., Федорів В.Д., Коцюбинський В.О., Мокляк В.В., Яблонь Л.С. Вплив зовнішнього магнітного поля на магнітну мікро-структуру іонно-імплантованого шару ферит-ґранатових плівок // Мате-ріали ІХ Міжнародної конференції “Фізика і технологія тонких плівок”, 19-24 травня 2003 р. – Івано-Франківськ, 2003. – Т.1. – С.220.

9. Остафійчук Б.К., Федорів В.Д., Яблонь Л.С., Яремій І.П. / Дослідження впливу дози імплантованих іонів F+ на кристалічну мікроструктуру LaGa-заміщених ферит-ґранатових плівок // Матеріали ІХ Міжнародної конфе-ренції “Фізика і технологія тонких плівок”, 19-24 травня 2003 р. – Івано-Франківськ, 2003. – Т.1. – С.221-222.

10. Яблонь Л.С., Остафійчук Б.К., Будзуляк І.М., Соловко Я.Т., Яремій І.П. Особливості дефектоутворення у ферит-ґранатових плівках при імплантації іонами різних енергій // Матеріали Ювілейної Х Міжнародної конференції “Фізика і технологія тонких плівок”, 16-21 травня 2005 р. – Івано-Франківськ, 2005. – Т.1. – С.152-153.

11. Коцюбинський В.О., Пилипів В.М., Яблонь Л.С. Радіаційне дефекто-утворення при імплантації іонів F+ в монокристалічні плівки LaGa:ЗІГ // Матеріали Ювілейної Х Міжнародної конференції “Фізика і технологія тонких плівок”, 16-21 травня 2005 р. – Івано-Франківськ, 2005. – Т.1. – С.328-329.

12. Яблонь Л.С., Будзуляк И.М., Остафийчук Б.К., Соловко Я.Т. Поведение примесной подсистемы LaGa-замещенных ферит-гранатов, вызванное действием лазерного облучения // Mat. IV International Conference Neet-2005 “New electrical and electronic technologies and their industrial implementation”. – June, 21-24, 2005. – Zakopane, Poland, 2005. – P.158-159.

Цитована література

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

2. Остафийчук Б.К., Олейник В.А., Пылыпив В.М. и др. Кристаллическая и маг-нитная структура имплантированных слоев монокристаллических пленок железо-иттриевого граната // Препринт 1.91. – К.: Ин-т метал-ло-физики АН Украины, 1991. – 70 с.

АнотаціЯ

Яблонь Л.С. Вплив іонного і лазерного опромінення на кристалічну та магнітну мікроструктуру ферит-ґранатових плівок. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.18 – фізика і хімія поверхні. Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, 2006.

У дисертації представлені результати досліджень впливу імплантації іонами фтору в дозовому інтервалі 1•1013–2•1014 см-2 з енергією 90 кеВ та імпульсного лазерного випромінювання наносекундної тривалості на кристалічну та магнітну мікроструктуру La,Ga-заміщених ФҐП.

Обчислено профілі відносної зміни міжплощинної відстані при різних дозах імплантації іонами фтору. Встановлено залежність ступеня деформації від дози іонної імплантації. Проведено мессбауерівські дослідження змін магнітних характеристик ФҐП внаслідок іонної імплантації. Запропоновано механізм формування деформованого шару.

На основі даних рентґенівської дифрактометрії, конверсійної мессбауерівської та інфрачервоної спектроскопії досліджена трансформація кристалічної та магнітної структури монокристалічних епітаксійних La,Ga-заміщених плівок залізо-ітрієвого ґранату, викликана їх імплантацією іонами фтору та лазерним опроміненням.

Встановлено, що лазерне опромінення приводить до відпалу радіаційних дефектів, частинного відновлення структурної досконалості та збільшення оптичного пропускання ФҐП.

Ключові слова: ферит-ґранатові плівки (ФҐП), іонна імплантація, лазерне опромінення, рентґенівська дифрактометрія, конверсійна електронна мессбауерівська спектроскопія, інфрачервона спектроскопія, радіаційні дефекти, профілі деформації, конверсійні мессбауерівські спектри.

Аннотация

Яблонь Л.С. Влияние ионного и лазерного облучения на кристал-лическую и магнитную микроструктуру феррит-гранатових плёнок. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.18 – физика и химия поверхности. Прикарпатский национальный университет имени Василия Стефаника, Ивано-Франковск, 2006.

В диссертации представлены результаты исследований влияния имплантации ионами фтора в интервале доз 1•1013–2•1014 см-2 с энергией 90 кэВ и импульсного лазерного излучения наносекундной длительности на кристаллическую и магнитную микроструктуру La,Ga-замещённых феррит-гранатовых пленок.

Деградация кристаллической структуры в результате ионной имплантации фтором осуществляется в ходе набора дозы, как результат скопления точечных радиационных дефектов с их последующим связыванием в комплексы, что приводит к росту межплоскостного расстояния в имплантированном слое. Профиль относительного изменения межплоскостного расстояния выбирался в виде асимметрической гауссианы:

,

где , h – расстояние, которое отсчитывается от поверхности в глубину кристалла, RP – точка сшивки асимметрической гауссианы, 1 и 2 – параметры гауссиан, которые характеризуют их ширину на половине высоты.

Вычислены профили относительного изменения межплоскостного расстояния при разных дозах имплантации ионами фтора, предложены механизмы формирования деформированного слоя. Установлена зависимость степени деформации от дозы ионной имплантации.

Разупорядочение кристаллической структуры в результате ионной имплантации фтором, приводит к изменению магнитной микроструктуры исследуемых образцов, что находит свое отражение в конверсионных мессбауэровских спектрах, полученных при комнатной температуре в режиме постоянных ускорений. Использовался источник г-квантов Co57 в хромовой матрице с активностью ~90 мКu. Для улучшения качества КЭМ-спектров железа в исходной шихте использовался окисел железа Fe2O3, обогащенный до 10 % изотопом Fe57. Регистрация конверсионных электронов осуществлялась проточным счетчиком в газовой смеси: 96 % Не + 4 % СН4; калибровка спектров проводилась относительно б-Fe.

На основе данных рентгеновской дифрактометрии, конверсионной мессбауэровской и инфракрасной спектроскопии исследована трансформация кристаллической и магнитной структуры монокристаллических La,Ga-замещённых пленок, имплантированных ионами фтора, обусловленная лазерным облучением. Установлено, что лазерное облучение приводит к отжигу радиационных дефектов, возобновлению структурного совершенства и увеличению оптического пропускания ФГП.

Ключевые слова: феррит-гранатовые плёнки (ФГП), ионная имплантация, лазерное облучение, рентгеновская дифрактометрия, конверсионная электронная мессбауэровская спектроскопия, инфракрасная спектроскопия, радиационные дефекты, профили деформации, конверсионные мессбауэровские спектры.

Summary

YablonThe influence of ion and laser irradiation on crystalline and magnetic microstructure of ferrite-garnet films. – Manuscript.

The thesis for the Candidate Degree in Physics and Mathematics. Speciality 01.04.18 – Physics and Chemistry of Surface. Vasyl Stephanyk Precarpathion National University, Ivano-Frankivsk, 2006.

The research results of influencing of fluorine ions implantation in a dose interval of 1·1013–2·1014-2 with energy of 90and impulsive laser irradiation of nanosecond duration on a crystalline and magnetic microstructure of La,Ga-substituted films are presented in dissertation.

The profiles of relative change of interplanar spacing are calculated at different implantation doses by fluorine ions. Dependence of deformation degree on the dose of ionic implantation is set. Mцssbauer researches of magnetic characteristic changes of ferrite-garnet films as a result of ionic implantation are realized. The mechanism of the strained layer forming is offered.

The transformation of crystalline and magnetic structure of epitaxial La,Ga- substituted films of monocrystall yttrium-iron garnet, caused by their fluorine ions implantation and laser irradiation, is explored on the data basis of X-ray diffractometry, conversion mцssbauer and infra-red spectroscopy.

It is set, that the laser irradiation results in annealing of radiation defects, partial renewal of structural perfection and increase