Impedance Spectroscopy of Fe Nanofilms Grown in a Magnetic Field on Gd2O3 and Glass

Abstract

Досліджено частотні характеристики імпедансу, різниці фаз між струмом і напругою, годографи та відповідні їм еквівалентні схеми наноплівок Fe, вирощених у постійному магнітному полі на підкладках Gd2O3 і силікатного скла. Показано, що зі зростанням напруженості магнітного поля від 40 Е до 1200 Е морфологія плівок Fe змінюється від лабіринтової до суцільної, що складаються з острівців заліза, які коалесціювали. Така складна морфологія плівок є джерелом виникнення індукційної та ємнісної складових уявної частини імпедансу. Встановлено, що за частоти 630 Гц у плівках Fe, спостерігається послідовний електричний резонанс, а також мінімальне значення повного імпедансу. За частот понад 104 Гц у плівках Fe спостерігається різка зміна складових імпедансу і різниці фаз, що, імовірно, пов'язано з особливостями морфології плівки. Побудовано годографи Найквіста і виконано програмне обчислення параметрів еквівалентних схем, що їм відповідають, з використанням комп'ютерної програми ZView. Показано, що як еквівалентні схеми годографів, так і особливості частотної залежності складових імпедансу і різниці фаз значною мірою залежать від морфології плівок, що визначається напруженістю магнітного поля, застосованого при їх вирощуванні, а також хімічним складом підкладок. Підкладки Gd2O3 впливають на плівки Fe за рахунок обмінної d-f взаємодії між незаповненими f- і d-електронними оболонками атомів, що входять до складу шарів Gd2O3 і Fe. Силікатне скло впливає за рахунок йонів технологічних домішок, що входять до його складу, які можуть бути пастками електронів, що проходять плівкою Fe.

The frequency characteristics of impedance, phase difference between current and voltage, hodographs, and corresponding equivalent circuits of Fe nanofilms grown in a constant magnetic field on Gd2O3 and silicate glass substrates are investigated. It is shown that with increasing magnetic field strength from 40 E to 1200 E, the morphology of Fe films changes from labyrinthine to continuous, consisting of coalesced iron islands. This complex morphology of the films is the source of the induction and capacitance components of the imaginary part of the impedance. It was found that at a frequency of 630 Hz, a consistent electrical resonance is observed in Fe films, as well as a minimum value of the total impedance. At frequencies above 104 Hz, a sharp change in the impedance components and phase difference is observed in Fe films, which is probably due to the peculiarities of the film morphology. The Nyquist hodographs were constructed and the parameters of the corresponding equivalent circuits were calculated using the ZView computer program. It is shown that both the equivalent schemes of the hodographs and the peculiarities of the frequency dependence of the impedance and phase difference components depend largely on the morphology of the films, which is determined by the elasticity of the magnetic field applied during their growth, as well as by the chemical composition of the substrates. Gd2O3 substrates affect Fe films due to the d-f exchange interaction between the unfilled f and d electron shells of the atoms that make up the Gd2O3 and Fe layers. Silicate glass has an effect due to the ions of technological impurities contained in its composition, which can act as traps for electrons passing through the Fe film.