Малоугловая дифракция гетерогенных композитных наноструктур на основе co45Fe45

• Название: Малоугловая дифракция гетерогенных композитных наноструктур на основе co45Fe45
• Дата: 16.03.2018
• Размер: 367.86 Kb.
• Имя файла: IzvFiz1609054YurakovLO.pdf
• Тип: Документы; #38624

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2016, том 80, № 9, с. 1319–1322
1319
МАЛОУГЛОВАЯ ДИФРАКЦИЯ ГЕТЕРОГЕННЫХ КОМПОЗИТНЫХ
НАНОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ (Co
45
Fe
45
Zr
10
)
35
(Al
2
O
3
)
65
© 2016 г. Ю. А. Юраков
1,
*, В. В. Логачев
1
, С. В. Канныкин
1
,
С. В. Ситников
2
, Ю. Е. Калинин
2
, Э. П. Домашевская
1
1
Воронежский государственный университет
2
Воронежский государственный технический университет
*E-mail: [e-mail]
Методом малоугловой рентгеновской дифракции исследованы эффекты свехрешетки в многослой- ных гетерогенных металлсодержащих композитных наноструктурах [(Co
45
Fe
45
Zr
10
)
35
(Al
2
O
3
)
65
/a-Si]
m
и
[(Co
45
Fe
45
Zr
10
)
35
(Al
2
O
3
)
65
/a-Si:H]
m
с прослойками из аморфного (a-Si) и гидрированного аморфного кремния a-Si:H.
DOI: 10.7868/S0367676516090544
ВВЕДЕНИЕ
В связи с развитием спинтроники в настоящее время большой интерес вызывают многослойные наноструктуры (МНС), содержащие контактиру- ющие ферромагнитные и полупроводниковые компоненты. Наибольшее внимание сфокусиро- вано на изучении аморфных многослойных нано- структур, которые, наряду с высокими магнитными и магниторезистивными характеристиками, облада- ют улучшенной структурной стабильностью и боль- шей однородностью границ раздела слоев из-за от- сутствия межзеренных границ. Такими материалами являются МНС [(Co
45
Fe
45
Zr
10
)
35
(Al
2
O
3
)
65
/a-Si]
m
и
[(Co
45
Fe
45
Zr
10
)
35
(Al
2
O
3
)
65
/a-Si:H]
m
, в которых m – ко- личество бислоев “металлсодержащий композитный слой + кремниевая прослойка”, а в качестве магнит- ной компоненты используется аморфный сплав
Co
45
Fe
45
Zr
10
, относящийся к легко аморфизируемым безметаллоидным системам с содержанием фер- ромагнитной фазы 90%.
В работе [1] исследовали морфологию, а также зависимость магнитных и проводящих свойств
МНС [(Co
45
Fe
45
Zr
10
)
35
(Al
2
O
3
)
65
/a-Si:H]
m
с металл- содержащими слоями, контактирующими с по- лупроводниковыми прослойками, от толщины последних. На основании полученных данных была предложена общая морфологическая мо- дель, предполагающая чередование слоев сферо- образных плотноупакованных металлических
(Co–Fe–Zr) и металлоидных кластеров (Al–O) с прослойками аморфного гидрированного крем- ния a-Si:H.
Также следует отметить работу [2], в кото- рой на примере многослойных наноструктур
(Co
45
Fe
45
Zr
10
/a-Si)
40
и (Co
45
Fe
45
Zr
10
/SiO
2
)
32
пока- зано, что большая часть кислорода в поверхностных слоях образцов находится в связанном состоянии и,
вероятнее всего, сконцентрирована в области фер- ромагнитных гранул, состоящих преимущественно из оксидов наноферрита FeO
2
⋅ Fe
2
O
3
⋅ ZrO
2
⋅ CoO.
Различие двух исследованных систем состоит в том,
что в результате твердофазных реакций на интер- фейсах в первой из двух систем прослойки из аморфного кремния превращаются в металлсили- цидные прослойки (образование силицидов в таком образце подтверждается численным моделировани- ем в работе [5]), тогда как оксидные прослойки второй системы сохраняют в значительной степе- ни связи кремний-кислород.
Цель данной работы – диагностика с помо- щью малоугловой рентгеновской дифракции структурных особенностей тонкого композитного слоя (Co
45
Fe
45
Zr
10
)
35
(Al
2
O
3
)
65
и двух многослойных гетероструктур [(Co
45
Fe
45
Zr
10
)
35
(Al
2
O
3
)
65
/a-Si]
m
и
[(Co
45
Fe
45
Zr
10
)
35
(Al
2
O
3
)
65
/a-Si:H]
m
, с одинаковы- ми металлсодержащими слоями, но различными прослойками: из аморфного кремния и гидриро- ванного аморфного кремния.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Тонкие композитные слои
(Co
45
Fe
45
Zr
10
)
35
(Al
2
O
3
)
65
, а также многослойные наноструктуры [(Co
45
Fe
45
Zr
10
)
35
(Al
2
O
3
)
65
/a-Si]
m
и
[(Co
45
Fe
45
Zr
10
)
35
(Al
2
O
3
)
65
/a-Si:H]
m
были получены методом ионно-лучевого распыления двух мише- ней: пластины сплава Co
45
Fe
45
Zr
10
с размещенны- ми на ее поверхности накладками из Al
2
O
3
и пла- стины Si.
УДК 5399.216.2:537.622.2/.6
13*

1320
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 80 № 9 2016
ЮРАКОВ и др.
Слои a-Si:H получались распылением крем- ния в плазме, содержащей водород. В качестве подложек использовали монокристаллы Si(100).
Количество бислоев “металлсодержащий компо- зитный слой + кремниевая прослойка” m в МНС
[(Co
45
Fe
45
Zr
10
)
35
(Al
2
O
3
)
65
/a-Si]
m
составляло 120, в структуре с прослойками гидрированного аморф- ного кремния (Co
45
Fe
45
Zr
10
)
35
(Al
2
O
3
)
65
/a-Si:H]
m
–
100. Количество слоев m в композитной пленке без прослоек кремния [(Co
45
Fe
45
Zr
10
)
35
(Al
2
O
3
)
65
]
m
–
101. Напыление проводилось в плазме Ar при дав- лении 5 ⋅ 10
−4
Торр. Перед получением многослой- ных структур проводилось предварительное распы- ление мишеней в течение 30 минут при закрытой подложке с целью снятия верхнего загрязненного слоя мишени. После окончания предварительного распыления осуществлялась ионная очистка подло- жек в течение 20−30 минут. Скорость травления по- верхности составляла 0.1 мкм ⋅ час
–1
. Последую- щее напыление МНС проводилось в течение не- скольких часов на подложку, циклически перемещающуюся над двумя разными мишенями попеременно.
Толщина напыляемых слоев контролирова- лась по предварительно определенной скорости осаждения, по ней же были рассчитаны толщины металлсодержащих и кремниевых слоев, а также общая толщина композитных гетероструктур, что представлено в табл. 1.
Исследования малоугловой рентгеновской ди- фракции проводились на приборе ARL X’TRA в геометрии параллельного пучка (оптическая схема
“параболическое зеркало–тонкопленочный кол- лиматор”). Съемку проводилась в режиме θ–θ в интервале углов 1
°
–10
°
(2θ), в качестве источника излучения использовалась рентгеновская трубка с медным анодом (СuK
α
), дискриминация неупруго рассеянного излучения осуществлялась полупро- водниковым энергодисперсионным детектором с разрешением 250 эВ и охладителем на элементах
Пельтье. Прибор был откалиброван по стандарт- ному образцу NISTSRM-1976a, погрешность по- ложения рефлексов относительно эталона не превышала 0.010
°
(2θ).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Ввиду того что исследуемые образцы пред- ставляют собой тонкие слои с аморфным спла- вом, геометрия и выбранный диапазон съемки позволяют наблюдать вероятные сверхструктур- ные эффекты, обусловленные их слоистым стро- ением. Расчет положений пиков и сопутствую- щих характеристик проводился с помощью ана- литического пакета Fityk [3]. Были найдены следующие параметры профилей дифракцион- ных гало и рефлексов: положение центра тяже- сти, амплитуда, интегральная интенсивность. В
качестве аппроксимирующей функции дифрак- ционных профилей была использована функция
Фойгта, поскольку при профильном моделирова- нии пиков именно этой функцией достигалось наилучшее соответствие между эксперименталь- ными и расчетными данными [4]. Фон был ап- проксимирован логарифмической функцией. По центру тяжести пиков с помощью формулы Вуль- фа–Брэгга были рассчитаны межплоскостные расстояния для четырех гипотетических поряд- ков отражения. Условные совпадения в значени- ях межплоскостных расстояний для разных по- рядков отражения интерпретировались как про- явление сверхструктуры МНС, периодом которой является толщина бислоев. Условно сов- падающие значения представлены на рис. 1, а также выделены жирным шрифтом в расшифров- ке дифракционной картины (табл. 2).
Как следует из рис. 1, 2 и табл. 1, тонкий одно- родный по толщине композитный слой
(Co
45
Fe
45
Zr
10
)
35
(Al
2
O
3
)
65
на подложке Si(100) име- ет два слабых дифракционных максимума в фор- ме гало с центрами с 3.02
°
и 5.25
°
(2θ). В соответ- ствии с этим параметры ближнего порядка структуры композита из плотно прилегающих металлических (Co–Fe–Zr) и металлоидных (Al–O)
частиц составляют

2.9 и 1.7 нм. Наличие только двух диффузных особенностей в дифракционной структуре, из которых одна значительно более раз- мыта, свидетельствует об отсутствии какого-либо выраженного дальнего порядка в упаковке ча- стиц. Наличие таких частиц в структурах слоев
(Co
45
Fe
45
Zr
10
)
35
(Al
2
O
3
)
65
, входящих в состав мно- гослойных структур с прослойками аморфного гидрированного кремния, было показано метода-
Таблица 1. Соотношение толщин металлсодержащих слоев и неметаллических прослоек в композитных гетеро- структурах
Композитная гетероструктура, пленка
Толщина слоев в наноструктуре металл/прослойка, нм
Общая толщина, нм
[(Co
45
Fe
45
Zr
10
)
35
(Al
2
O
3
)
65
/a-Si]
m
2.3/1.9 500
[(Co
45
Fe
45
Zr
10
)
35
(Al
2
O
3
)
65
/a-Si:H]
m
420
Co
45
Fe
45
Zr
10
–Al
2
O
3 1.6 (толщина нанесения за 1 цикл)
160

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 80 № 9 2016
МАЛОУГЛОВАЯ ДИФРАКЦИЯ ГЕТЕРОГЕННЫХ КОМПОЗИТНЫХ НАНОСТРУКТУР
1321
ми рентгеновской и нейтронной дифракции [1].
Полученные нами данные дают основание пред- полагать, что эти частицы сохраняются и в тол- стых металлоксидных слоях. В то же время про- странственная упаковка этих частиц в толстом однородном слое не имеет дальнего порядка.
Многослойная структура из композитных сло- ев того же состава и прослойки из аморфного кремния [(Co
45
Fe
45
Zr
10
)
35
(Al
2
O
3
)
65
/a-Si]
m
дает че- тырех порядка интенсивных отражений, в кото- рых в результате моделирования выделено восемь дифракционных максимумов, соответствующих двум значениям периодов сверхструктуры. Нали- чие высших порядков отражений указывает на их принадлежность к двум слоистым сверхструкту-
Рис. 1. Дифракционные картины гетерогенного ком- позита и многослойных гетерогенных композитных структур (цифрами обозначены порядки отражения).
0 10 20 5
15 1
2 3
4 5
6 7
8 9
10
1
2
3
4
4
3
2
1
[(Co
45
Fe
45
Zr
10
)
35
(Al
2
O
3
)
65
/a-Si:H]
m
[(Co
45
Fe
45
Zr
10
)
35
(Al
2
O
3
)
65
/a-Si]
m
[(Co
45
Fe
45
Zr
10
)
35
(Al
2
O
3
)
65
]
m
ln (Интенсивность), отн. ед.
2θ, град
Таблица 2. Результаты расчета дифракционных картин
Образцы
№ пика Центр пика,
град. (2θ)
Расчетное межплоскостное расстояние для четырех гипотетических порядков отражения n, нм
n = 1
n = 2
n = 3
n = 4
[(Co
45
Fe
45
Zr
10
)
35
(Al
2
O
3
)
65
/a-Si:H]
m
1 2.4
3.7
7.4 11 14.7 2
4.72 1.9
3.7
5.6 7.5 3
6.91 1.3 2.6
3.8
5.1 4
9.02 1
2 2.9
3.9
[(Co
45
Fe
45
Zr
10
)
35
(Al
2
O
3
)
65
/a-Si]
m
1 2.18
4
8.1 12.1 16.2 2
2.42
3.7
7.3 11 14.6 3
4.21 2.1
4.2
6.3 8.4 4
4.72 1.9
3.7
5.6 7.5 5
6.23 1.4 2.8
4.3
5.7 6
7.1 1.2 2.5
3.7
5 7
8.3 1.1 2.1 3.2
4.3
8 9.44 0.9 1.9 2.8
3.7
Co
45
Fe
45
Zr
10
–Al
2
O
3 1
3.02 2.9 5.8 8.8 11.7 2
5.25 1.7 3.4 5
6.7
Рис. 2. Результат математического моделирования дифракционной картины МНС Co
45
Fe
45
Zr
10
–Al
2
O
3
:
точками изображена экспериментальная кривая,
тонкими сплошными линиями – компоненты разло- жения, толстой сплошной – суммарная модельная кривая.
0 20 40 60 80 1
2 3
4 5
6 7
8 9
10 2θ, град
Интенсивность, имп · с
–1

1322
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 80 № 9 2016
ЮРАКОВ и др.
рам с периодами в 4.2 и 3.7 нм, первый из которых совпадает с заданной технологами толщиной бислоев 2.3 + 1.9 = 4.2 нм, тогда как второй не- сколько меньше (табл. 2).
В многослойном образце
[(Co
45
Fe
45
Zr
10
)
35
(Al
2
O
3
)
65
/a-Si:H]
m
с прослойками из гидрированного аморфного кремния было об- наружено также четырех порядка отражений, но относились они к единственной сверхструктуре,
период которой – 3.8 нм – с учетом влияния во- дородной атмосферы напыления и интервала точности эксперимента совпадает по величине со вторым значением периода многослойной струк- туры с прослойками из аморфного кремния, на- носимыми в технологической камере в отсут- ствии водорода.
Можно предположить, что уменьшение пери- ода сверхструктуры МНС с гидрированным кремнием по сравнению с технологически задан- ным значением 4.2 нм и обнаружение двух пери- одов сверхструктуры в МНС с прослойками из чистого аморфного кремния может быть обуслов- лено физико-химическим взаимодействием меж- ду металлическими компонентами металлсодер- жащих слоев и полупроводниковыми прослойка- ми аморфного чистого/гидрированного кремния.
Наличие одного уменьшенного периода сверх- структуры в МНС с прослойками аморфного гид- рированного кремния может свидетельствовать о ее более близком к равновесному состоянии по сравнению с МНС с двумя значениями периодов,
в которой образование промежуточных фаз на интерфейсах не завершилось.
Таким образом, принципиально установлен- ное соответствие структурных характеристик
МНС, определенных методом малоугловой рент- геновской дифракции, с задаваемыми толщинами бислоев МНС позволяет заключить, что данная методика может успешно применяться для диагно- стики технологических параметров многослойных наноструктур в процессе их изготовления.
Работа выполнена при поддержке Минобрнау- ки России в рамках государственного задания
ВУЗам в сфере научной деятельности на 2014–2016
годы (Проект № 757 и Задание № 3.1868.2014/K).
При выполнении исследования использова- лось оборудование Центра коллективного поль- зования научным оборудованием Воронежского государственного университета.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дядькина Е.А., Воробьев А.А., Уклеев В.А. и др. //
ЖЭТФ. 2014. Т. 145. Вып. 3. С. 472.
2. Домашевская Э.П., Чернышев А.В, Турищев С.Ю. и др. //
Физика твердого тела. 2014. Т. 56. Вып. 11. С. 2219.
3. Wojdyr M. // J. Appl. Cryst. 2010. V. 43. P. 1126.
4. Langford J.I. // J. Appl. Cryst. 1978. V. 11. P. 10.
5. Chekrygina Ju., Devizenko A., Kalinin Yu. et al. // Solid
State Phenomena. 2012. V. 190. P. 605.