СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Хурсенко Світлана Миколаївна

УДК 539.216:544.003.26

СТРУКТУРА, ЕЛЕКТРО- ТА МАГНІТОРЕЗИСТИВНІ ВЛАСТИВОСТІ

ТОНКИХ ПЛІВОК МІДНО-НІКЕЛЕВИХ СПЛАВІВ

01.04.07 – фізика твердого тіла

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Суми – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Сумському державному педагогічному університеті ім. А.С. Макаренка Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник – | кандидат фізико-математичних наук, доцент

Лобода Валерій Борисович,

доцент кафедри фізики

СумДПУ ім. А.С. Макаренка

Офіційні опоненти: | доктор фізико-математичних наук, професор

Панченко Олег Антонович,

провідний науковий співробітник Інституту фізики НАН України

доктор фізико-математичних наук, доцент

Чорноус Анатолій Миколайович,

проректор з наукової роботи Сумського державного університету

Захист відбудеться "25" січня 2008 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .051.02 у Сумському державному університеті за адресою: 40007, м. Суми,
вул. Р.-Корсакова, 2, корпус ЕТ, ауд. .

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Сумського державного університету.

Автореферат розісланий "20" грудня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради ____________________________ А.С. Опанасюк

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Поглиблене вивчення фізичних властивостей тонких металевих плівок стимульоване як можливістю отримання важливої інформації, необхідної для розв’язання окремих фундаментальних проблем фізики твердого тіла та фізики поверхні, так і широкими перспективами практичного використання нанокристалічних плівкових систем. Значний прогрес у мікро- та оптоелектроніці, спінтроніці, оптиці, техніці надвисоких частот та інших галузях сучасної техніки, який за короткий час перетворив інформаційний світ, безпосередньо пов’язаний з розвитком та досягненнями тонкоплівкових технологій.

Разом зі створенням плівок з чистих металів актуальними і перспективними є розробки в області отримання плівкових сплавів. У переважній більшості випадків масивні сплави відрізняються від чистих металів покращеними фізико-хімічними, механічними та експлуатаційними характеристиками. Аналогічна ситуація спостерігається і для плівкових сплавів. У той же час проблема отримання плівкових сплавів, як у науковому, так і в технологічному відношенні вирішена далеко не повністю.

Наявні у періодичній літературі дані про особливості технології нанесення, електрофізичні властивості, а також питання теорії отримання плівкових сплавів у вакуумі здебільшого мають фрагментарний характер, висвітлюючи лише часткові закономірності тих чи інших властивостей плівкових сплавів. Потік наукової і технічної інформації у даній області постійно збільшується, що визначає необхідність систематизації та розроблення єдиних принципів підходу до розв’язання наукових і технологічних завдань при створенні нових плівкових сплавів.

Особливістю плівкових сплавів на основі міді є ефективне та успішне їх використання як замінників дорогих металів (золото, срібло, платина та ін.) у виробах електронної техніки та мікроелектроніки (створення струмопровідних доріжок, низькоомних резисторів та ін.). З іншого боку, плівкові сплави на основі феромагнітних металів (Ni, Fe, Co) мають ряд особливостей, які не властиві масивним магнетикам. Параметри мікроприладів значною мірою визначаються електрофізичними властивостями плівок, які, у свою чергу, залежать від ряду як технологічних (тиск і склад газів залишкової атмосфери, швидкість конденсації, температура підкладки та ін.), так і фізичних (прояв розмірних ефектів, особливості структурно-фазового стану, кількість і особливості дефектів кристалічної структури та ін.) факторів. Таким чином, проведення комплексних експериментальних досліджень поведінки електрофізичних властивостей плівкових мідно-нікелевих сплавів в умовах зміни товщини, температури, структурно-фазового стану, елементного складу та умов отримання є актуальним як з наукової, так і з практичної точок зору.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження проводилося частково в рамках держбюджетної теми № U000637 “Структура та фізичні властивості плівкових матеріалів з гігантським магнітоопором” Міністерства освіти і науки України (2004-2006 рр.).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є встановлення загальних закономірностей концентраційних, температурних та розмірних ефектів у електро- та магніторезистивних властивостях тонких плівок сплавів Ni-Cu та з’ясування впливу на питомий опір, температурний коефіцієнт опору (ТКО), магнітоопір (МО) елементного складу та структурно-фазового стану плівкових зразків.

У зв’язку з цим у роботі необхідно було вирішити такі наукові задачі:

– встановлення закономірностей у температурних залежностях питомого опору і ТКО для плівок сплаву Ni-Cu з різною концентрацією компонент;

– дослідження структурних характеристик, фазового та елементного складу свіжосконденсованих і термостабілізованих плівкових сплавів у широкому інтервалі товщин та концентрацій;

– встановлення особливостей взаємозв’язку структурно-фазового стану плівкових сплавів та їх електрофізичних властивостей;

– дослідження впливу співвідношення концентрації компонент і товщини плівок на величину питомого опору та ТКО; проведення оцінки параметрів електроперенесення;

– дослідження поведінки магнітних властивостей (МО, величина коерцитивної сили та температура Кюрі) плівкових сплавів Ni-Cu під впливом концентраційних та температурних ефектів.

Об’єкт дослідження – концентраційні, розмірні та температурні ефекти у електрофізичних і магніторезистивних властивостях плівкових нанокристалічних сплавів.

Предмет дослідження – електрофізичні (питомий опір і ТКО), гальваномагнітні (МО) та магнітні (точка Кюрі та величина коерцитивної сили) властивості плівкових сплавів Ni-Cu в інтервалі товщин d) нм з концентрацією компонент 0Cu  ат.% в інтервалі температур (100-700) К.

Для реалізації поставлених задач використовувалися такі методи отримання та експериментального дослідження зразків: вакуумна конденсація чистих металів термічним та електронно-променевим способами з двох незалежних джерел; метод резистометрії в умовах впливу зовнішніх температурних та магнітних полів; електронна мікроскопія та електронографія; рентгеноспектральний мікроаналіз; вторинно-іонна мас-спектрометрія.

Наукова новизна отриманих результатів. Проведене у дисертаційній роботі комплексне дослідження кристалічної структури, фазового та елементного складу, електро- та магніторезистивних властивостей дозволило встановити такі закономірності:

1. У плані подальшого розвитку уявлень про структурно-фазовий стан плівкових систем вивчено процеси формування фазового складу та кристалічної структури плівкових сплавів на основі Ni та Cu товщиною до 200 нм в інтервалі співвідношення концентрацій компонент 0Cu  ат.% та встановлено:–

плівковий ГЦК-сплав Ni-Cu в усьому інтервалі товщин утворюється безпосередньо на підкладці при одночасній конденсації компонент; значення параметра решітки у термостабілізованих плівках змінюються згідно з правилом Вегарда від 0,353 нм до 0,362 нм;–

показано, що в острівцевих плівках сплавів Ni-Cu (середній розмір острівців (1,5-2) нм) з ефективною товщиною d  нм, отриманих на аморфних підкладках при температурі Т  К, відпалювання при 700 К приводить до коагуляції окремих острівців та збільшення їх середніх розмірів до 20 нм залежно від ефективної товщини та складу.

2. Встановлено особливості взаємозв’язку електрофізичних властивостей сплавів Ni-Cu зі структурою плівок та їх елементним складом:–

уперше показано, що для острівцевих плівок сплаву Ni-Cu з ефективною товщиною d ?  нм спостерігається від’ємний ТКО і величина енергії активації провідності становить Еа,086-0,105) еВ;–

встановлено, що у структурно-суцільних плівках Ni-Cu у процесі термостабілізуючого відпалювання до 700 К при СNi  ат.% залежність (Т) Т2, а при СNi  ат.% залежність (Т) Т;–

запропоновано співвідношення для теоретичного розрахунку ТКО плівкового сплаву та проведено його апробацію для сплавів Ni-Cu; показано, що розбіжність між розрахунковими та експериментальними результатами становить величину до 25що дозволяє говорити про можливість використання даного співвідношення для оцінки величини ТКО плівкових сплавів;–

уперше встановлено межі застосування методу визначення точки Кюрі за екстремумом температурних залежностей ТКО; показано, що при СCu  ат.% на залежності в(Т) спостерігається максимум, який відповідає точці Кюрі; збільшення концентрації міді у сплаві приводить до “розмиття” зазначеного максимуму.

3. Встановлено вплив умов отримання, термомагнітної обробки та елементного складу на магнітні властивості (МО і величина коерцитивної сили) сплавів Ni-Cu:–

показано, що для всіх плівок з СCu  ат.% при кімнатній температурі спостерігається гістерезис МО;–

уперше показано, що прикладання зовнішнього магнітного поля під час термостабілізації зразків приводить до більш чіткого прояву гістерезису МО, перебігу процесу перемагнічування у дуже вузькому інтервалі напруженості зовнішнього магнітного поля та збільшення значень МО.

Практичне значення отриманих результатів. Фундаментальне значення отриманих у роботі результатів полягає у подальшому розвитку уявлень про вплив структурно-фазового стану, елементного складу та умов конденсації на електрофізичні властивості металоплівкових матеріалів мікроелектроніки. Теоретичне співвідношення для ТКО, запропоноване в роботі, може бути застосоване для прогнозування значень ТКО плівкових сплавів та багатошарових плівкових структур на основі металів з необмеженою взаємною розчинністю компонент. Практичне значення полягає в тому, що отримані в роботі систематичні дані стосовно фазового та елементного складу, кристалічної структури, електрофізичних та магнітних властивостей плівкових сплавів Ni-Cu у широкому інтервалі концентрацій компонент можуть бути використані у плівковому матеріалознавстві, металофізиці, мікро- та наноелектроніці. Зокрема, плівки сплавів товщиною (150-200) нм з концентрацією міді (25-60) ат.% можуть бути використані для створення технологічних, стабільних та недорогих резистивних елементів.

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок автора полягає у самостійному пошуку та аналізі літературних джерел, що стосуються досліджуваної проблеми. Поставлення мети та задач дослідження, вибір експериментальних методик та обговорення отриманих результатів проводилися разом з науковим керівником доц. Лободою В.Б. Автором особисто здійснено отримання плівкових зразків Ni-Cu, дослідження їх електрофізичних та магніторезистивних властивостей, фазового складу та кристалічної структури, обробка експериментальних результатів. Рентгенівський мікроаналіз проводився при консультаціях з провідним інженером відділу растрової електронної мікроскопії ВАТ „Selmi” Падусенком О.В. Дослідження елементного складу методом вторинно-іонної мас-спектрометрії проводилися при консультаціях з доц. Салтиковою А.І. Особисто автором підготовлені статті [1, ] та тези доповідей [7-10], окремі розділи в роботах [3-6]. Основна частина результатів представлялась автором на конференціях та семінарах.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися та обговорювалися на таких наукових конференціях і семінарах: IV International Conference MPSL (Феодосія, 2001 р.); 15-му Міжнародному симпозіумі “Тонкі плівки в оптиці і електроніці” (Харків, 2003, 2005 рр.); ІХ та Х Міжнародних конференціях “Фізика і технологія тонких плівок” (Івано-Франківськ, 2003, 2005 рр.); Міжнародній конференції студентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики “ЕВРИКА” (Львів, 2003, 2007 рр.); Науково-технічній конференції викладачів, співробітників, аспірантів і студентів фізико-технічного факультету Сумського держуніверситету (Суми, 2003, 2004, 2006 рр.).

Публікації. Основні матеріали дисертації відображені у 18 публікаціях (назви 10 наведені у списку опублікованих праць в авторефераті), із них 5 статей опубліковано у виданнях, що входять до переліку ВАК України.

Структура і зміст роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків та списку використаних джерел. Загальний обсяг дисертації складає 163 сторінки, містить 67 рисунків та 10 таблиць. Список використаних джерел містить 195 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета і задачі досліджень, визначені об’єкт та предмет досліджень, розкриті наукова новизна й практичне значення отриманих результатів, визначено особистий внесок здобувача, наведені відомості про апробацію роботи та структуру дисертації.

У першому розділі ”Фізичні властивості тонких металевих плівок”, який являє собою літературний огляд, спочатку коротко наведені дані щодо основних фізичних властивостей нікелю, міді та їх сплавів у масивному стані. Далі проведено порівняльний аналіз літературних даних стосовно фазового складу, кристалічної структури та електрофізичних властивостей плівок металів, які є компонентами досліджуваного сплаву, та ряду плівкових сплавів на їх основі (Cu-Mo, Cu-Сo, Ni-Co, Fe-Ni, Ni-Cr, Ni-Ag та ін.). Акцентовано увагу на тому, що роботи, присвячені дослідженню плівкових сплавів, мають, як правило, вузько спрямований прикладний характер. Наявні в літературі дані про фізичні властивості плівок мідно-нікелевих сплавів обмежені досить вузьким інтервалом концентрацій компонент (наприклад, 54% – 46%) або товщин (декілька мкм), що визначає необхідність у дослідженні особливостей концентраційних, температурних та розмірних ефектів у електро- і магніторезистивних властивостях тонких плівок сплавів Ni-Cu у широкому інтервалі концентрацій компонент і товщин зразків та у з’ясуванні впливу на електрофізичні властивості плівок їх елементного складу, структурно-фазового стану, умов конденсації та термостабілізуючої обробки плівкових зразків.

Оскільки електрофізичні властивості тонких металевих плівок значною мірою визначаються розмірними (зовнішні і внутрішні) ефектами, у літературному огляді наведені узагальнені дані стосовно обробки результатів електропровідності для плівок Ni та Cu у рамках різних теоретичних моделей розмірних ефектів (модель Фукса-Зондгеймера, модель ефективної середньої довжини вільного пробігу, лінеаризована та ізотропна моделі Тельє-Тоссе-Пішар).

Представлено також аналіз літературних даних стосовно дослідження процесів стабілізації електропровідності плівок міді, нікелю та мідних сплавів і обробки цих результатів у рамках теорії Венда. Наприкінці першого розділу наведено дані щодо впливу зовнішнього магнітного поля на електропровідність металів у масивному та плівковому станах.

Другий розділ ”Методика і техніка експерименту” містить інформацію про методику отримання плівкових зразків, методи проведення досліджень їх елементного і фазового складу, кристалічної структури, електрофізичних і гальваномагнітних властивостей.

Тонкоплівкові сплави Ni-Cu товщинами (1-200) нм в інтервалі концентрацій компонент 0Cu <  ат.% отримували у вакуумній камері (пристосованій до наших потреб) установки ВУП-5 при тиску газів залишкової атмосфери 10-3-10-5 Па. Конденсація плівок здійснювалася в результаті одночасного випаровування металів чистотою не менше 99,98% з двох незалежних джерел (Сu – з вольфрамової стрічки, Ni – з електронно-променевої гармати). Конденсація плівок проводилася при різних температурах підкладки (300 К, 400 К, 500 К і 600 К) зі швидкістю щ,5-1,5) нм/с залежно від режимів випаровування. Для дослідження електро- та магніторезистивних властивостей за підкладки брали поліровані скляні пластини з попередньо нанесеними контактними площадками; для структурно-фазових досліджень як підкладки використовували монокристали NaCl (KBr) та вуглецеві плівки.

Конструкція виготовленого нами підкладкотримача (рис. ) дозволяла отримувати за один технологічний цикл чотири плівкові зразки різної концентрації компонент близьких товщин. Геометричні розміри (а, b на рис.1) плівок для вимірювання їх електричного опору задавалися вікнами, виготовленими з високою точністю у механічних масках з ніхромової фольги.

Товщина плівок вимірювалася за допомогою мікроінтерферометра МІІ-4 з лазерним джерелом світла та комп’ютерної системи реєстрації інтерференційної картини, що дозволяло підвищити точність вимірювань, особливо в області товщин d  нм.

Рис. . Схема підкладкотримача: 1, 3 – екрани; 2 –контактні площадки; 4 – плівкові зразки (а  ± ,05 мм, b  ± ,05 мм); 5, 6 – скляні пластини “свідки”; 7 – монокристали NaCl, вуглецеві плівки

Після конденсації плівки витримувалися при температурі підкладки (Тп) протягом 30 хв. Термостабілізація фізичних властивостей зразків та дослідження залежностей їх електричного опору від температури здійснювалися за схемою “нагрівання-охолодження” з постійною швидкістю (2-3) К/хв упродовж 3 циклів у інтервалі температур (100-700) К. Похибка при знаходженні питомого опору () визначалася в основному похибкою вимірювання товщини плівки: 10-15% при d  нм і 5-10% при d  нм. Значення при перших двох циклах відпалювання плівок сплавів використовувалися для розрахунку параметрів структурних дефектів у рамках теорії Венда.

Структурно-фазові дослідження зразків проводилися за допомогою просвічуючих електронних мікроскопів ЕМ-125, ПЕМ-100-01 та електронографа, виготовленого на базі мікроскопа УЕМВ-100К. Дослідження елементного складу плівок проводилися методом рентгеноспектрального мікроаналізу (растровий електронний мікроскоп РЕМ-103-01 з приставкою ЕДС) та методом вторинно-іонної мас-спектрометрії (мас-спектрометр МС-7201М).

Вимірювання магнітоопору та термомагнітна обробка плівок проводились у спеціально виготовленій нами установці в умовах надвисокого безмасляного вакууму (10-6-10-7) Па у постійному магнітному полі напруженістю до Н А/м.

Третій розділ ”Фазовий склад та кристалічна структура плівкових сплавів Ni-Cu” складається з трьох підрозділів. У першому підрозділі наводяться результати вивчення фазового складу та кристалічної структури плівкових сплавів Ni-Cu в інтервалі товщин d) нм та концентрацій 0Cu  ат.%. Результати обробки електронограм свідчать про те, що формування ГЦК-сплаву з параметром кристалічної решітки, який залежить від концентрації компонент, відбувається на підкладці безпосередньо у процесі конденсації. У структурно-суцільних термостабілізованих плівках сплаву величина параметра решітки а,353-0,362) нм дещо більша порівняно з масивними зразками (рис. ), що можна пояснити як проникненням атомів із залишкової атмосфери до решітки сплаву, так і зайняттям у процесі конденсації атомами однієї з компонент сплаву позицій, які не відповідають упорядкованому сплаву. Для надтонких сплавів з ефективною товщиною d) нм параметр решітки на 0,002-0,003 нм менший порівняно з масивними зразками, що можна пояснити наявністю додаткового тиску, який виникає через малий радіус кривизни наночастинки, або збільшеною концентрацією поверхневих та приповерхневих вакансій у наночастинках. У процесі термостабілізації зразків, отриманих при щ ? 0,5 нм/с, спостерігалось утворення ГЦК-оксиду Cu2O з параметром а,424-0,450) нм і не спостерігалось утворення інших хімічних сполук (NiO чи Ni3N).

Рис. 2. Концентраційна залежність параметра ГЦК-гратки сплавів Ni-Cu (температура вимірювань Т =  К): ¦ – суцільні плівки; ^ – острівцеві плівки; --- – правило Вегарда

Дослідження кристалічної структури показали, що надтонкі плівки з ефективною товщиною d ?) нм (підкладка – вуглецева плівка) мають острівцеву структуру з середнім розміром окремих острівців від (1,5-2) нм у невідпалених (рис.  а) та до 20 нм у відпалених (рис.  б-е) плівках залежно від ефективної товщини зразка. Зі збільшенням товщини (d  нм) свіжосконденсовані плівкові сплави як на орієнтованих ((001)або KBr), так і на неорієнтованих (вуглецеві плівки) підкладках стають структурно суцільними (рис.  а) з дрібнокристалічною структурою (середні розміри кристалітів L  нм). Обробка даних електронно-мікроскопічних досліджень плівок Nі-Cu після їх відпалювання при Т  К (рис.  б, в) показує, що L ?1,3)d.

Рис. . Мікрознімки невідпалених (а) і відпалених до 700 К (б-е) надтонких плівок сплаву
Ni-Cu/С різної товщини: d = 1 нм; CCu = 50 ат.% (а, б); d = 2,5 нм; CCu = 36 ат.% (в); d ,5 нм; CCu = 86 ат.% (г); d = 6 нм; CCu = 90 ат.% (д); d = 6,5 нм; CCu = 10 ат.% (е)

Рис.4. Мікроструктура (а-б) та гістограма (в) невідпаленої (а) та відпаленої (б-в) плівки сплаву Ni-Cu/С (d = 40 нм, CCu = 40 ат.%)

У другому підрозділі наведені результати дослідження впливу температури підкладки Тп на кристалічну структуру плівок сплаву Ni-Cu, отриманих на підкладках (001)або KBr при Тп , 400, 500 та 600 К. Показано, що збільшення температури підкладки при конденсації плівок приводить до збільшення середнього розміру кристалітів від L ?) нм при Тп 0, 400 К до L ?) нм при Тп  К. Електронографічні дослідження показують, що при Тп ?  К починається орієнтований ріст досліджених тонких плівок відносно підкладки, що добре узгоджуються з літературними даними для плівок Ni та Cu з урахуванням концентраційного впливу компонент на формування кристалічної структури сплавів.

Третій підрозділ містить результати дослідження елементного складу плівкових сплавів
Ni-Cu. Результати рентгенівського мікроаналізу показують відсутність домішкових атомів інших металів у досліджених сплавах і дозволяють оцінити точність розрахункового методу визначення складу зразків. Так, при d  нм розбіжність між розрахованими та виміряними значеннями концентрації компонент становить близько 10%, а при d  нм розбіжність зменшується до 1-3%. Проведені мас-спектрометричні дослідження показують, що плівкові зразки Ni-Cu достатньо чисті (відсутність монооксидів, нітридів та інших хімічних сполук на основі Ni та Cu) та однорідні за товщиною, оскільки у міру травлення плівки іонами Ar+ не відбувається перерозподілу інтенсивностей ліній відповідних ізотопів Ni+ і Cu+ за глибиною.

Четвертий розділ ”Електропровідність плівок сплаву Ni-Cu” містить чотири підрозділи та охоплює коло питань, пов’язаних з термостабілізацією електрофізичних властивостей, впливом температури на електропровідність та ТКО відпалених плівок, проявом розмірних та концентраційних ефектів у електропровідності, результатами дослідження магніторезистивних властивостей досліджуваних плівкових сплавів.

Визначені значення енергії активації провідності острівцевих плівок сплаву Ni-Cu з ефективною товщиною d ? 1 нм становлять Еа,086-0,105) еВ і близькі до значень Еа для плівок чистих металів (Ni, Cr, Pt) з подібною структурою, що цілком узгоджується з уявленнями про термічно активоване тунелювання (енергія активації визначається в основному розмірами острівців і проміжків між ними і не залежить від роботи виходу металу), оскільки Еа визначається не хімічним складом острівців (а він змінюється у широких межах), а приблизно однаковим структурним станом даних острівцевих плівок (див. рис.  а).

Розрахунок енергії активації заліковування дефектів кристалічної будови у свіжосконденсованих плівках був проведений у рамках теорії Венда з використанням результатів зміни опору протягом першого та другого циклів термостабілізації. На залежностях функції розподілу дефектів від енергії спостерігаються 2-3 максимуми (залежно від концентрації компонент) з енергіями заліковування дефектів Еm  еВ, що згідно з літературними даними свідчить про те, що у свіжосконденсованих плівках Ni-Cu переважну більшість дефектів кристалічної будови становлять дефекти типу “вакансія – домішковий атом із залишкової атмосфери”.

На характер залежностей с(Т) і в(Т) плівкових сплавів у інтервалі температур (100-700) К впливають як розмірні, так і концентраційні ефекти, що приводить до прояву ряду особливостей цих залежностей у порівнянні з масивними зразками. Так, особливості при температурі Кюрі (ИС) на графіках с(Т) і в(Т) залежно від концентрації компонент можуть проявлятися чітко (CCu ? 10 ат.%), бути розмитими або зовсім зникати (CCu >  ат.%). При цьому значення ИС у плівкових сплавах дещо менші у порівнянні з масивними зразками, що можна пояснити проявом розмірної залежності температури Кюрі. Для плівкових сплавів Ni-Cu з різними концентраціями компонент спостерігається різний характер температурних залежностей питомого опору та ТКО. Так, при температурах, вищих від температури Дебая сплаву з CNi < 45 ат.%, залежність с(Т) є лінійною, що характерно для плівок міді. При температурах, менших від температури Кюрі ИС сплаву з CNi > 60 ат.%, залежність с(Т) має квадратичний характер, як у випадку плівок нікелю, що обумовлено проявом електрон-магнонної взаємодії.

Для відпалених при 700 К структурно-суцільних плівок Ni-Cu у всіх досліджених інтервалах товщин і концентрацій компонент спостерігаються додатні значення ТКО, які залежать від концентрації компонент (рис.  а). Тенденція проходження концентраційної залежності питомого опору плівкових сплавів через максимум зберігається як і для масивних сплавів (рис.  б), проте для плівкових зразків максимум зміщений на 10 ат.% у бік Ni. Експериментальні значення питомого опору плівок сплавів Ni-Cu у цілому перевищують значення питомого опору в масивних зразках, що пояснюється проявом розмірних ефектів електропровідності.

Рис. . Концентраційна залежність ТКО (а) та с (б) плівкових сплавів Ni-Cu (?): ? – дані для масивних зразків

Характер розмірних залежностей електрофізичних властивостей плівкових сплавів Ni-Cu узгоджується з відомими літературними даними, де описані ці процеси у металевих плівках: значення питомого опору плівок монотонно зменшуються з ростом товщини, виходячи поступово на насичення (рис.  а), а значення ТКО – збільшуються (рис.  б). Особливо яскраво розмірні залежності с і ТКО виражені в області відносно малих товщин 20  нм.

Рис. 6. Розмірна залежність с (а) та ТКО (б) для відпалених плівок Ni-Cu з CCu  ат.%

Експериментальні залежності в(Т) використовувались для оцінки параметрів електроперенесення в тонких плівках сплаву Ni-Cu на основі різних теоретичних моделей розмірних ефектів електропровідності. Нами була здійснена спроба використати лінеаризовану, ізотропну та тривимірну моделі Тельє-Тоссе-Пішар (ТТП), розроблені для однокомпонентних металевих плівок, оскільки плівки Ni-Cu згідно з даними електронно-мікроскопічних досліджень мали сумірний з товщиною розмір зерна. Оцінка параметра дзеркальності поверхні (р), коефіцієнтів проходження (r) та розсіяння (R) носіїв струму на межах зерен у рамках ізотропної та тривимірної моделей проводилася з використанням величини середньої довжини вільного пробігу, отриманої у рамках лінеаризованої моделі ТТП у дифузійному наближенні розсіяння електронів провідності зовнішніми поверхнями. Результати розрахунків, проведених для плівок з CCu ? , 15, 20 та 90 ат.% (табл. ), не суперечать наявним літературним даним для плівок Ni і Cu.

Таблиця 1

Параметри перенесення, розраховані за різними теоретичними моделями

CCu,

ат.% | Лінеаризована модель | Ізотропна модель | Тривимірна модель

л0(1-р), нм | R | р | R | r | р | R | r

10 | 33,4 | 0,24-0,31 | 0,06 | 0,22-0,29 | 0,73-0,68 | 0,002 | 0,18-0,25 | 0,73-0,63

15 | 31,7 | 0,22-0,28 | 0,02 | 0,27-0,35 | 0,70-0,63 | 0,001 | 0,20-0,32 | 0,77-0,62

20 | 36,5 | 0,23-0,34 | 0,03 | 0,22-0,33 | 0,75-0,60 | 0,001 | 0,14-0,23 | 0,84-0,73

90 | 32,1 | 0,27-0,32 | 0,05 | 0,29-0,34 | 0,70-0,65 | 0,003 | 0,21-0,29 | 0,78-0,70

Експериментальні значення ТКО плівкових сплавів порівнювалися з розрахунковими, визначеними за допомогою запропонованого нами співвідно-шення, що ґрунтується на основі моделі Мотта. Для ізоелектронних перехідних металів питомий опір сплаву можна подати у вигляді

, (1)

де сзал – залишковий опір, який не залежить від температури.

Скориставшись співвідношенням (1) для визначення ТКО одержимо

, (2)

де індекс “1” належить до Ni, індекс “2” – до Cu.

Порівняння експериментальних і розрахункових значень ТКО (табл. ) свідчить про їх непогану відповідність. Зважаючи на те, що компоненти сплаву лише в окремих випадках можуть поводитися як квазіізоелектронні метали, і використання співвідношення (2) для сплаву Ni-Cu може виявитися не цілком коректним, але, завдяки своїй простоті, воно є дуже зручним для оцінки порядку величини ТКО і може використовуватися як для сплаву Ni-Cu, так і для інших плівкових сплавів.

Таблиця 2

Експериментальні та розраховані на основі (2) значення ТКО плівок Ni-Cu

№ п/п | CCu, ат.% | d, нм | в·103, К-1 | , %

експ. | розр.

1 | 91 | 37,0 | 0,54 | 0,42 | 22,2

2 | 85 | 162,0 | 1,40 | 1,47 | 5,4

3 | 83 | 89,0 | 1,30 | 1,10 | 15,1

4 | 60 | 37,0 | 0,62 | 0,75 | 21,3

5 | 52 | 40,0 | 0,80 | 0,73 | 8,9

6 | 44 | 40,0 | 0,80 | 0,69 | 13,2

7 | 32 | 66,0 | 0,95 | 0,77 | 18,4

8 | 29 | 69,0 | 0,97 | 0,77 | 20,4

9 | 27 | 87,0 | 0,72 | 0,83 | 15,2

10 | 23 | 89,0 | 1,16 | 0,89 | 22,8

11 | 22 | 42,0 | 0,55 | 0,64 | 17,5

12 | 20 | 45,0 | 0,54 | 0,57 | 6,5

13 | 18 | 47,5 | 0,68 | 0,59 | 13,5

14 | 16 | 50,0 | 0,85 | 0,68 | 19,6

15 | 15 | 55,0 | 0,82 | 0,65 | 20,4

16 | 14 | 51,0 | 0,89 | 0,67 | 24,6

17 | 13 | 64,0 | 0,54 | 0,64 | 18,8

18 | 12 | 68,0 | 0,64 | 0,73 | 15,3

19 | 11 | 70,0 | 1,08 | 0,81 | 24,9

20 | 9 | 69,5 | 0,56 | 0,67 | 19,6

У четвертому підрозділі наведені результати дослідження магніторезистивних властивостей тонких плівок сплавів Ni-Cu порівняно з результатами для плівок Ni, отриманих за аналогічних умов. Для всіх зразків плівкових сплавів Ni-Cu з концентраціями CCu  ат.%, як і для зразків Ni, характерною є наявність гістерезису магнітоопору (рис. ), що свідчить про зв’язок МО з доменною структурою плівок. Порівняно з плівками Ni тієї самої товщини, величина магнітоопору ДRmax/R0 у сплавах дещо менша. При CCu  ат.% ефект МО практично не спостерігається не тільки при кімнатній температурі, а навіть при Т  К, хоча, згідно з літературними даними масивні сплави з CCu  ат.% при цих температурах вимірювання ще повинні бути феромагнітними (И0С  К).

Порівняно із зразками, відпаленими без впливу магнітного поля (рис.  б), у плівках, що пройшли відпалювання у зовнішньому магнітному полі (рис.  в), явища гістерезису МО проявляються більш чітко, величина ДRmax/R0 досягає більших значень (наприклад, для зразків з CCu  ат.% при кімнатній температурі вимірювань величина ДRmax/R0 становить 0,7% проти 0,2-0,3%), а насичення залежності ДRmax/R0 досягається у менших полях (Н А/м проти Н А/м). При цьому петлі гістерезису МО таких зразків стають більш “прямокутними”, що свідчить про істотні відмінності у процесах перемагнічування плівок, які пройшли таку термомагнітну обробку.

Особливості магнітоопору, обумовлені наявністю доменної структури, дозволяють за залежністю величини магнітоопору ДRmax/R0 від концентрації Cu у плівкових сплавах визначити температуру Кюрі сплавів або, фіксуючи певну температуру вимірювання МО, визначити наявність доменів у плівці. На рис.  а подана залежність величини ДRmax/R0 від концентрації Cu для плівкових сплавів при Т  К. При СCu  ат.% ДRmax/R0 ? (доменна структура плівок не проявляє себе в МО при кімнатній температурі).

На температурних залежностях (ДRmax/R0)|| плівкових сплавів Ni-Cu (рис.  б) спостерігається максимум МО, положення якого істотно залежить від концентрації компонент. Зміщення максимуму в область більш низьких температур при збільшенні концентрації Cu у сплавах, на нашу думку, можна пояснити значним збільшенням магнітної анізотропії зі зменшенням температури.

Аналіз температурних залежностей коерцитивної сили Нс (рис.  в) плівкових сплавів Ni-Cu свідчить, що збільшення вмісту Cu до 20 ат.% практично не приводить до змін величини Нс порівняно з плівками Ni приблизно такої самої товщини, що дозволяє робити висновок про близькість їх магнітних структур. Для всіх отриманих залежностей Нс(Т) спостерігається тенденція монотонного зменшення значень Нс зі збільшенням температури з обривом в області точки Кюрі, при якій руйнується магнітна структура плівок.

Рис. . Типові залежності повздовжнього (||) та поперечного (+) МО від напруженості зовнішнього магнітного поля для плівок сплаву Ni-Cu (d  нм, CCu  ат.%): невідпалені (а), відпалені до 700 К без впливу магнітного поля (б), відпалені до 700 К у магнітному полі (в)

Рис. . Концентраційна залежність МО (а) та температурні залежності МО (б) і Hc (в) плівкових сплавів Ni-Cu (d = 49-89 нм): CCu = 2,8 ат.% (1); CCu = 16 ат.% (2); CCu = 20 ат.% (3); CCu = 31,5 ат.% (4); СCu= 34,5 ат.% (5); плівка Ni (d = 60 нм) (6)

У висновках подано перелік та стислу характеристику основних результатів роботи.

ВИСНОВКИ

1. Вивчення структурно-фазового та елементного складу плівкових сплавів методами електронографії, вторинно-іонної мас-спектрометрії, рентгенівського мікроаналізу та просвічуючої електронної мікроскопії дозволило встановити наступне:

– формування ГЦК-сплаву Ni-Cu у всьому інтервалі товщин відбувається на підкладці безпосередньо у процесі одночасної конденсації компонент; для структурно-суцільних термостабілізованих плівок ГЦК-сплаву залежно від концентрації компонент параметр кристалічної решітки становить а,353-0,362) нм відповідно до правила Вегарда;

– вперше показано, що у плівках сплавів Ni-Cu з ефективними товщинами d  нм, отриманих на аморфних підкладках при температурі Т  К, спостерігається острівцева структура з середнім розміром острівців (1,5-2) нм (невідпалені зразки) та до 20 нм (відпалені зразки) залежно від ефективної товщини;

– проведений порівняльний аналіз результатів розрахункового методу визначення концентрації компонент плівкового сплаву з результатами рентгенівського мікроаналізу показав, що в області товщин d  нм розбіжність становить ~ %, знижуючись до 1-3% при d  нм.

2. Експериментально показано, що у плівкових сплавах Ni-Cu на хід температурних залежностей питомого опору та ТКО впливають концентраційні ефекти. Так, особливості при температурі Кюрі на температурних залежностях електрофізичних властивостей в інтервалі температур (100-700) К можуть проявлятися чітко, бути розмитими або зовсім зникати залежно від концентрації компонент; у структурно-суцільних плівках Ni-Cu у процесі термостабілізуючого відпалювання до 700 К при СNi  ат.% залежність (Т) Т2, а при СNi  ат.% залежність (Т) Т.

3. Проведена оцінка параметрів електроперенесення у тонких плівках сплаву Ni-Cu на основі лінеаризованої, ізотропної та тривимірної моделей Тельє-Тоссе-Пішар; показано, що дані моделі розмірних ефектів можуть бути використані для оцінки параметрів електроперенесення у плівкових бінарних сплавах з необмеженою розчинністю компонент (в області концентрацій легуючої компоненти до 20 ат.%).

4. На основі запропонованого співвідношення для визначення ТКО плівкових сплавів проведено розрахунок значень ТКО плівок Ni-Cu. Показано, що розраховані значення ТКО узгоджуються з експериментальними результатами з точністю до 25що робить співвідношення придатним для прогнозу величини ТКО у плівкових бінарних сплавах.

5. Вивчення впливу умов отримання, термомагнітної обробки та елементного складу на магнітні властивості (магнітоопір і величину коерцитивної сили) тонких плівок сплавів
Ni-Cu дозволило встановити такі закономірності:

– при кімнатній температурі гістерезис магнітоопору спостерігається у структурно-суцільних плівках сплавів Ni-Cu усіх товщин при CCu  ат.%, що дозволяє робити висновок про наявність у таких об’єктах доменної структури;

– у плівкових зразках сплавів, які пройшли термостабілізуюче відпалювання у постійному магнітному полі напруженістю Н  кА/м (100 Ое), порівняно із зразками, термостабілізованими без впливу магнітного поля, гістерезисні явища магнітоопору проявляються більш чітко, величина ДRmax/R0 досягає у 2,5-3,5 раза більших значень, а насичення залежності ДR(Н)/R0 досягається у магнітних полях, напруженість яких менша приблизно у 10 разів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. LobodaPirogova, Saltykova A.I.of substrate temperature on crystalline structure and galvanomagnetic characteristics of Ni-Cu alloy thin filmsMaterials. – 2006. – Vol. , № . – P. .

2. Лобода В.Б., Хурсенко С.Н. Кристаллическая структура и электропроводность сверхтонких пленок сплава Ni-Cu // ЖЭТФ. – 2006. – Т. , № (11). – С. .

3. Лобода В.Б., Пирогова С.М., ПроценкоІ. Структура та електрофізичні властивості плівок сплаву Ni-Cu в температурному інтервалі 300-700 К // Вісник СумДУ. Серія Фізика, математика, механіка. – 2001. – № 3(24)-4(25). – С. .

4. Лобода В.Б., Пирогова С.М., Шкурдода Ю.О. Структура та гальваномагнітні властивості плівок Ni Вісник СумДУ. Серія Фізика, математика, механіка. – 2002. – № (46). – С. .

5. Лобода В.Б., Пирогова С.Н., Шкурдода Ю.А. Электропроводность тонких пленок Ni и сплавов Ni-Cu в слабых магнитных полях в интервале температур 100-700 К // Вісник СумДУ. Серія Фізика, математика, механіка. – 2003. – № (56). – С. .

6. Лобода В.Б., Пирогова С.Н., Шкурдода Ю.А. Магнитосопротивление тонких пленок сплавов Ni-Cu // Тонкие пленки в оптике и электронике. – Харьков: ННЦ ХФТИ. – 2003. – С. .

7. LobodaPirogova, SaltykovaStructure and spectrum of lattice defects in films of Ni-Cu alloys // Materials of International Conference „Modification of Properties of Surface Layers of Non-Semiconducting Materials Using Particle Beams”. – Feodosia. – 2001. – P. 55.

8. Лобода В.Б., Пирогова С.М., Шкурдода Ю.О. Структура та гальваномагнітні властивості тонких плівок сплавів Ni-Cu // Матеріали ІХ Міжнародної конференції „Фізика і технологія тонких плівок”. – Івано-Франківськ: Місто НВ. – 2003. – Т. . – С. .

9. Пирогова С.М., Пігуль О.В., Максименко Т.М. Вплив температури відпалення на магнітоопір тонких плівок сплавів Ni-Cu // Матеріали науково-технічної конференції викладачів, співробітників, аспірантів і студентів фізико-технічного факультету СумДУ. – Суми: СумДУ. – 2003. – С. 117-119.

10. Лобода В.Б., Хурсенко С.М. Вплив товщини на питомий опір тонких плівок сплаву Ni-Cu // Матеріали Міжнародної конференція cтудентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики „Еврика”. – Львів: ЛНУ ім. Івана Франка. – 2007. – С..

АНОТАЦІЯ

Хурсенко С.М. Структура, електро- та магніторезистивні властивості тонких плівок мідно-нікелевих сплавів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 – фізика твердого тіла. – Сумський державний університет, Суми, 2008.

Дисертаційна робота присвячена встановленню закономірностей формування структурно-фазового стану, поведінки електрофізичних (питомий опір і ТКО), магніторезистивних та магнітних (магнітоопір, коерцитивна сила та точка Кюрі) властивостей плівкових сплавів Ni-Cu в інтервалі товщин d) нм, концентрацій компонент 0Cu ат.% та температур Т) К.

Показано, що формування ГЦК-сплаву Ni-Cu відбувається на підкладці безпосередньо у процесі одночасної конденсації компонент. Для структурно-суцільних термостабілізованих плівок сплаву залежно від концентрації компонент параметр кристалічної решітки становить а,353-0,362) нм. Дослідження фазового складу та кристалічної структури надтонких плівкових зразків дозволили встановити механізми формування сплаву Ni-Cu на початкових стадіях росту. Показано, що у плівках сплавів Ni-Cu з ефективними товщинами d  нм, отриманих на аморфних підкладках при температурі Т  К, спостерігається острівцева структура з середнім розміром острівців (1,5-2) нм (невідпалені зразки) та до 20 нм (відпалені зразки) залежно від товщини.

Експериментально визначено вплив концентраційних ефектів на хід температурних залежностей питомого опору. У структурно-суцільних плівках Ni-Cu у процесі термостабілізуючого відпалювання до 700 К при СNi  ат.% залежність (Т) є квадратичною, а при СNi  ат.% – лінійною.

Запропоновано співвідношення для визначення ТКО плівкових сплавів і проведено розрахунок значень ТКО для плівок Ni-Cu. Показано, що розраховані значення ТКО узгоджуються з експериментальними, що робить це співвідношення придатним для прогнозування величини ТКО у плівках бінарних сплавів.

Оцінка параметрів електроперенесення у плівках Ni-Cu на основі лінеаризованої, ізотропної та тривимірної моделей Тельє-Тоссе-Пішар показала, що дані моделі розмірних ефектів (розроблені для однокомпонентних металевих плівок) можуть бути використані і для оцінки параметрів електроперенесення у плівках бінарних сплавів при невеликих (до 20 ат.%) концентраціях однієї з компонент.

Дослідження гальваномагнітних та магнітних властивостей тонких плівок сплавів Ni-Cu виявило суттєвий вплив на них умов отримання, термомагнітної обробки та елементного складу. Термостабілізуюче відпалювання зразків у зовнішньому постійному магнітному полі з Н  кА/м приводить до збільшення величини магнітоопору у 2,5-3,5 раза та зменшення приблизно у 10 разів величини поля насичення залежності ДR(Н)/R0. При Т  К гістерезис магнітоопору спостерігається у структурно-суцільних плівках сплавів усіх дослід-жених товщин при концентраціях Cu менше 35 ат.%.

Ключові слова: плівкові сплави, кристалічна структура, питомий опір, температурний коефіцієнт опору, параметри електроперенесення, магнітоопір, коерцитивна сила.

АННОТАЦИЯ

Хурсенко С.Н. Структура, электро- и магниторезистивные свойства тонких пленок медно-никелевых сплавов. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 – физика твердого тела. – Сумский государственный университет, Сумы, 2008.

Диссертационная работа посвящена установлению закономерностей формирования структурно-фазового состояния, поведения электрофизических (удельное сопротивление и ТКС), магниторезистивных и магнитных (магнитосопротивле-ние, коэрцитивная сила и точка Кюри) свойств пленочных сплавов Ni-Cu в интервале толщин d) нм, концентраций компонент 0Cu ат.% и температур Т) К.

Установлен характер изменения параметра кристаллической решетки, удельного сопротивления, ТКС и магнитосопротивления с изменением концентрации компонент в медно-никелевых пленочных сплавах. Показано, что формирование ГЦК-сплава происходит на подложке непосредственно в процессе одновременной конденсации компонент из двух независимых источников. Для структурно-сплошных термостабилизированных пленок сплава в зависимости от концентрации компонент параметр кристаллической решетки изменяется в интервале а,353-0,362) нм согласно правилу Вегарда. Для сверхтонких образцов сплава
Ni-Cu с эффективными толщинами d) нм параметр кристаллической решетки на (0,002-0,003) нм меньше по сравнению с массивными образцами, что можно объяснить исходя из наличия дополнительного давления Лапласа, возникающего из-за малого радиуса кривизны наночастицы, или из увеличенной (по сравнению с макроскопическим образцом) концентрации поверхностных и приповерхностных вакансий в наночастицах.

Исследования фазового состава, кристаллической структуры и температурных зависимостей удельного сопротивления сверхтонких пленочных образцов позволили установить механизмы