Температурні та концентраційні ефекти в електро- і магніторезистивних властивостях багатокомпонентних плівкових наноструктур

Abstract

Дисертаційна робота присвячена встановленню загальних закономірностей впливу концентраційних, розмірних та температурних ефектів на електро- і магніторезистивні властивості нанорозмірних плівкових матеріалів, сформованих на основі пермалоєвого сплаву Ni80Fe20 та Ag. У відповідності до поставлених задачами комплексних досліджень структурно-фазового стану та електро- і магніторезистивних властивостей нанорозмірних плівкових матеріалів на основі пермалоєвого сплаву Ni80Fe20 (Py) та Ag були застосовані наступні методи: одночасна та пошарова електронно-променева конденсація у вакуумі; метод кварцового резонатора для вимірювання товщини in-situ; методи просвічуючої електронної мікроскопії, атомно-силової мікроскопії та електронографії для дослідження кристалічної структури і фазового складу; енергодисперсійний спектральний аналіз для визначення концентраційного складу зразків; метод високоточної резистометрії при дослідженні електрофізичних та магніторезистивних властивостей. Додаткові дослідження магнітних властивостей зразків з використанням методів вібраційної і SQUID-магнітометрії дозволили провести вимірювання магнітних параметрів з високою точністю як за кімнатних (Твим = 300 К), так і низьких температур (Твим = 2 К). Показано, що застосування вибраної методики формування зразків дозволяє отримати в одному технологічному циклі серію нанорозмірних плівкових матеріалів, концентраційний склад яких змінювалася у широких межах (від 10 до 90 ат.%). При формуванні нарнорозмірних систем (Py+Ag)/П були використані результати досліджень фазового складу та кристалічної структури одношарових плівок пермалоєвого сплаву Ni80Fe20 та Ag. Показано, що одношарові плівки пермалоєвого сплаву Ni80Fe20, як і одношарові плівки Ag, до та після термообробки за Тв = 700 К мають однофазний склад, що відповідає ГЦК-Ni3Fe ( a = 0,353-0,355 нм) та ГЦК-Ag ( a = 0,407-0,408 нм). Таким чином, на їх основі можуть бути сформовані нанорозмірні матеріали зі стабільними властивостями у заданому температурному інтервалі. З’ясовано, що фазовий стан нанорозмірних плівкових матеріалів сформованих на основі пермалоєвого сплаву Ni80Fe20 та Ag після конденсації, незалежно від концентрації атомів срібла у системі, представляє собою комбінацію ГЦК-Ni3Fe + ГЦК-Ag з середніми значеннями параметрами граток a (ГЦК-Ni3Fe) = 0,353 нм та a (ГЦК-Ag) = 0,407 нм. Температурна обробка досліджуваних зразків за темпепературного інтервалу Тв = 300-700 К не змінює фазовий стан системи. Нанорозмірна система залишається двофазною: ГЦК-Ni3Fe + ГЦК-Ag з параметрами ґратки a = 0,356 та 0,408 нм, відповідно. Аналіз кристалічної структури свідчить про те, що при зростанні cAg відбувається перехід від кристалічної структури, що складається з зерен Ag впроваджених у феромагнітну матрицю пермалоєвого сплаву до структури де зерна феромагнітної компоненти впроваджені у матрицю немагнітної. Даний перехід супроводжується процесом зростання середнього розміру кристалітів в системі (Ру+Ag)/П, який за температури відпалювання 500 К є незначним. У той же час, процес термообробки за Тв = 700 К спричиняє більш суттєві зміни у кристалічній структурі зразків залежно від концентрації сAg. За сAg < 32 aт.% відбувається стогранція росту зерен немагнітної компоненти як результат їх ізоляції один від одного в матриці феромагнітного матералу. На мікрознімках кристалічної структури зразків за сAg =32-60 aт.%, можна виділити нанорозмірні зерна (L = 2-5 нм.) та кристаліти з середнім розміром до 50 нм, що відповідають відповідно феромагнітній та немагнітній компонентам системи. У випадку сAg > 70 aт.%, кристалічна структура плівкової системи (Ру+Ag)/П може бути описана так: нарозмірні зерна феромагнітної компоненти випадковим чином розподілені в об’ємі немагнітного матеріалу. Встановлені закономірності в концентраційних та розмірних залежностях питомого опору, термічного коефіцієнту опору та температури заліковування дефектів для нанорозмірних матеріалів в інтервалі концентрацій сAg = (5-95) ат.%. Показано, що додавання Ag до пермалоєвого сплаву Ni80Fe20 та збільшенні концентрації cAg з 26 до 48 ат.% спричиняє зростання величини ρ у системі (Ру+Ag)/П до 2,5·10 – 7 Ом·м у порівнянні з даними для одношарових плівок пермалоєвого сплаву Ni80Fe20 за d = 55 нм (ρ(Ру) = 2,0·10 – 7 Ом·м). Подальше збільшення концентрації атомів Ag призводить до різкого зменшення питомого опору до величини ρ, характерної для одношарової плівки Ag(55)/П, що складає 1,7·10 – 7 Ом·м, що пов’язано зі зміна у кристалічній структурі зразків. На концентраційних залежностях β(сAg) спостерігається мінімум при сAg = 48 ат.%, якому відповідає величина β = 1,8·10 3 К-1. Показано, що для нанорозмірних плівкових матеріалів (Ру+Ag)/П також є характерним прояв розмірного ефекту в терморезистивних властивостях. Зростання загальної товщини з 20 до 100 нм спричиняє різке зменшення величини питомого опору у 5-6 разів, в той час як величина ТКО збільшується у 2-3 рази. Порівняльний аналіз експериментальних залежностей ρ(T) та β(T) для зразків, сформованих методами одночасної та пошарової конденсації, свідчить про те, що зміна методу конденсації з одночасної на пошарову не впливає на характер температурних залежностей питомого опору і ТКО, за умови, що витримані однакові загальна товщина зразків та їх концентраційний склад. Встановлено, що амплітуда та характер польових залежностей магнітоопору нанорозмірних плівкових матеріалів, сформованих на основі пермалоєвого сплаву Ni80Fe20 та Ag, визначаються їх концентраційним складом. Максимальне значення ізотропного магніторезистивного ефекту при вимірюванні за кімнатної температури для свіжосконденсованих зразків становить 1,85 % (cAg = 60 aт.% та d = 100 нм), а для термовідпалених – 1,80 % (Тв = 500 К, cAg = 60 aт.% та d = 60 нм). Збільшення індукції прикладеного зовнішнього магнітного поля з 500 мТл до 1,5 Т не впливає на форму польової залежності магнітоопору MО(B): гістерезис і насичення відсутні та при цьому відбувається зростання величини МО до 2,5%. Зменшення ж температури вимірювання з 300 до 10 К супроводжується подальшим зростаня амплітуди магніторезистивного ефекту до 3,8 %. У той же час розмірні залежності магнітоопору для нанорозмірних плівкових систем (Рy+Ag)/П характеризуються наявністю максимуму МО = 1,80 % за товщини 60 нм та температури 500 К. Даний максимум зміщується в бік менших товщин (d = 50 нм) при зростанні температури відпалювання до 700 К і становить 0,85 %. Експериментально показано, що характер розмірної залежності МО залежить від температури обробки зразків. Для свіжесконденсованих зразків характерним є зростання МО при зростанні товщини з виходом на насичення за d = 100 нм. У той же час залежності МО(d) для зразків після термообробки характеризуються наявністю максиму за товщини 60 нм та температури Тв = 500 К, що зміщується в бік менших товщин при зростанні Тв до 700 К. Додаткові дослідження магнітних властивостей дозволили зробити висновок, що нанорозмірні частинки пермалаю, що формується на стадії конденсації знаходяться у феромагнітному, а не суперпарамагнітному стані, що є необхідною умовою для прояву ізотропного магніторезистивного ефекту. Незначне зростання намагніченості насичення зразків після відпалювання до 500 К підтверджує виснвок, зроблений на основі АФМ досліджень: у процесі термобробки за темпераутри 500 К відбувається поступове зростання середнього розміру зерен феромагнітної компоненти. У випадку формування нанорозмірних матеріалів з використанням методу пошарової конденсації максимальне значення ізотропного МО = 0,35% отримано у випадку багатошарової системи [Py/Ag]16/П, тобто системи з максимальною кількістю повторів бішару Py/Ag. Це свідчить про більшу ефективність методу одночасної конденсації для реалізації ізотропного магнітоопору, величиною понад 1%.

Ph. D. is devoted to the establishment of general trends of influence of concentration, size, and temperature effects on electro- and magnetoresistive properties of nanosized film materials formed based on permalloy alloy Ni80Fe20 and Ag. According to the purpose and the current research tasks of complex investigation of crystal structure and phase state, electro- and magnetoresistive properties of nanosized film materials based on permalloy (Py) and Ag, the methods were used: co-evaporation and layered electron-beam condensation in a vacuum; the method of quartz resonator for in-situ measurement of thickness; the methods of transmission electron microscopy, atomic force microscopy, and electronography for investigation of crystal structure and phase state; energy dispersion spectral analysis to determine the composition of the samples; the method of high-precision resistometry in the study of electrophysical and magnetoresistive properties. Additional investigations of magnetic properties of samples were done using methods of vibration and SQUID-magnetometry. These allowed to carry out measurements of magnetic parameters with a high precision at room (Тmeas = 300 К) and low temperatures (Тmeas = 2 К). It was demonstrated that the application of the chosen technique of forming nanosized materials allows obtaining in one technological cycle a series of nanosized film materials, the composition of which varied widely (from 5 to 95 аt.%). At the formation of (Py+Ag)/S nanosized systems, the previous investigation of phase state and crystal structure of pure permalloy Ni80Fe20 and Ag thin films were used. It was demonstrated that a singled-layer permalloy Ni80Fe20 and Ag thin films before and after annealing up to Тann = 700 К have a single-phase state. It correspond to fcc-Ni3Fe ( a = 0.353-0.355 nm) and fcc-Ag ( a = 0.407-0.408 nm). Thus, on their basis can be formed nanosized materials with stable properties in a given temperature range. It was found that the phase state of nanoscale film materials based on permalloy alloy Ni80Fe20 and Ag after condensation, regardless of the concentration of silver atoms in the system, is a combination of fcc-Ni3Fe + fcc-Ag with an average lattice parameter a (fcc-Ni3Fe) = 0.353 nm and a (fcc- Ag) = 0.407 nm. Temperature treatment of the studied samples at a temperature range Тann = 300-700 К does not change the phase state of the system. The nanoscale system remains two-phase (fcc-Ni3Fe + fcc-Ag with lattice parameters a = 0.356 and 0.408 nm, respectively). Analysis of the crystal structure shows that with the growth of cAg there is a transition from the crystal structure consisting of Ag grains embedded in the ferromagnetic matrix of the permalloy to the structure where the grains of the ferromagnetic component is embedded in the nonmagnetic matrix. Such transition This transition is accompanied by a process of growth of the average size of crystallites in the system (Py+Ag)/S, which at an annealing temperature of 500 K is insignificant. At the same time, the heat treatment process at Тann = 700 К causes more significant changes in the crystal structure of the samples depending on the concentration of сAg. At сAg < 32 at.% there is a stagnation of grain growth of the nonmagnetic component as a result of their isolation from each other in the matrix of ferromagnetic material. On the images of the crystal structure of the samples at сAg = 32-60 at.%, it is possible to distinguish nanosized (L = 2-5 nm) and crystallites with an average size up to 50 nm, which correspond to the ferromagnetic and nonmagnetic components of the system, respectively. In the case of сAg > 70 at.%, the crystalline structure of the film system (Py+Ag)/S can be described as follows: the nanosized grains of the ferromagnetic component is randomly distributed in the volume of the nonmagnetic material. Regularities in concentration and size dependences of resistivity, temperature coefficient of resistance, and temperature of healing of defects for nanosized materials in the range of concentrations сAg = (10-90) ат.% are established. It was demonstrated that the addition of Ag to the permalloy Ni80Fe20 and the increase in the concentration of cAg from 26 to 48 at.% causes an increase in the value of ρ in the system (Py+Ag)/S to 2.5·10 – 7 Оhm·m compared with data for single-layer Ni80Fe20 permalloy films at d = 55nm (ρ(Ру) = 2.0·10 – 7 Оhm·m). A further increase in the concentration of Ag atoms leads to a sharp decrease in the resistivity to the value of ρ, characteristic of a single-layer Ag(55)/S film, which is 1.7·10 – 7 Оhm·m, which is due to changes in the crystal structure of the samples. The concentration dependences of β(cAg) show a minimum at cAg = 48 at.%, which corresponds to the value of β = 1.8·10 3 К-1. It is shown that nanosized film materials (Py+Ag)/S is also characterized by a display of the size effect in thermoresistive properties. The increase in the total thickness from 20 to 100 nm causes a sharp decrease in the value of resistivity 5-6 times, while the value of TCR increases by 2-3 times. A comparative analysis of the experimental dependences p(T) and β(T) for samples formed by simultaneous and layer-by-layer condensation shows that changing the condensation method from simultaneous to layer-by-layer does not affect the nature of temperature dependences of resistivity and TCR. It is established that the amplitude and nature of the field dependences on the magnetoresistance of nanosized film materials formed based on the permalloy Ni80Fe20 and Ag are determined by their composite composition. The maximum value of the isotropic magnetoresistive effect for freshly condensed samples is 1.85% for samples at cAg = 60 at.% and d = 100 nm and for thermally annealed – 1.80% at Тann = 500 K samples cAg = 60 at.% and d = 60 nm (at the measurement at room temperature). Increasing the induction of the applied external magnetic field from 500 mT to 1.5 T does not affect the shape of the field dependence of the magnetic resistance MR(B). Hysteresis and saturation are absent. At the same time, there is an increase in the value of MR to 2.5%. The decrease in the measurement temperature from 300 to 4 K is accompanied by a further increase in the amplitude of the magnetoresistive effect to 3.8%. At the same time, the size dependences of the magnetoresistance for nanoscale film systems (Py+Ag)/S are characterized by the presence of a maximum MR = 1.80% at a thickness of 60 nm and a temperature of 500 K. This maximum is shifted toward smaller thicknesses (d = 50 nm) at the increase in annealing temperature to 700 K and is 0.85%. It is experimentally shown that the nature of the size dependence of the MR depends on the temperature of heat treatment of the samples. As-deposited samples are characterized by an increase in MR with increasing thickness with a yield to saturation at d = 100 nm. At the same time, the dependences of MR(d) are characterized by the presence of a maximum at a thickness of 60 nm and a temperature of 500 K, which shifts toward smaller thicknesses with increasing annealing temperature to 700 K. Additional studies of the magnetic properties allowed us to conclude that nanosized particles of the translucent formed at the condensation stage have a ferromagnetic nature, which is a necessary condition for the manifestation of the isotropic magnetoresistive effect. A slight increase in the saturation magnetization of the samples after annealing to 500 K confirms the conclusions made based on studies by the AFM method: a gradual increase in the average size of ferromagnetic nanoparticles observed in the process of heat treatment at a temperature of 500 K In the case of forming nanosized materials using the layer-by-layer condensation method, the maximum value of the isotropic MR = 0.35% was obtained in the case of the multilayer system [Py/Ag]16/S, i.e. the system with the maximum number of Py/Ag bilayer repeats. This indicates a greater efficiency of the method of simultaneous condensation for the implementation of isotropic magnetoresistance, greater than 1%.