Тип публикации: отчёт о НИР
Год издания: 2016
Ключевые слова: магнитная наноструктура, тонкая пленка, вакуумное напыление, микромагнитное моделирование, магнитная микроструктура, петля гистерезиса, коэрцитивная сила, спектр спин-волнового поглощения, ферромагнитный резонанс, магнитная проницаемость, электроника сверхвысоких частот
Аннотация: 1. На основе микромагнитного моделирования был выполнен анализ численной модели тонкой нанокристаллической пленки со случайным распределением осей легкого намагничивания. В широком диапазоне размеров наночастиц D от 3 до 1000 нм были проведены численные исследования процессов перемагничивания тонких нанокристаллических пленок. ОпреПоказать полностьюделены зависимости основных параметров, характеризующих свойства магнитомягких материалов, коэрцитивной силы Hc, остаточной намагниченности Mr, статической (начальной) магнитной проницаемости μs от размера наночастиц D, а также исследовано влияние на них межчастичного обменного и магнитодипольного взаимодействия. Установлено, что магнитодипольное взаимодействие наночастиц приводит к существенному отклонению расчетной зависимости Hc(D) от теоретической зависимости Hc~D2 модели случайной магнитной анизотропии Альбена для размеров наночастиц меньше 24 нм, что связано с эффектом блокировки формируемой в пленке магнитной структуры «ряби намагниченности». В то же время, как показал расчет, магнитодипольное взаимодействие не влияет на характер зависимости статической магнитной проницаемости от размера зерна μs~D-2. На основе проведенных расчетов разработаны рекомендации для технологических условий вакуумного напыления нанокристаллических тонких пленок, обладающих высокой статической магнитной проницаемостью и низким значением коэрцитивной силы.Методом микромагнитного моделирования проведены исследования магнитной структуры тонких нанокристаллических пленок со случайным распределением осей легкого намагничивания. В широком диапазоне размеров частиц 3 – 1000 нм рассчитаны корреляционные функции неоднородной намагниченности и определены основные параметры этих функций: дисперсия dm и корреляционные радиусы Rmx, Rmy поперечных компонент неоднородной намагниченности. Определены зависимости параметров dm, Rmx и Rmy, а также продольной длины волны λm тонкой магнитной структуры «ряби намагниченности» от внешнего поля и размера наночастиц, изучено влияние на них межчастичного обменного и магнитодипольного взаимодействия. Установлена область внешних полей и размеров наночастиц, для которой степенная зависимость dm и λm от внешнего поля хорошо согласуется с выводами теории Гофмана: dm~H-3/4; λm~H-1/2. Анализ полученных зависимостей показал существенное различие корреляционных радиусов стохастической магнитной структуры вдоль и поперек направления приложенного поля. Результаты расчета могут быть востребованы для развития прикладных методов корреляционной магнитометрии.2. С целью изучение связи между структурными и магнитными характеристиками наклонноосажденных тонких нанокристаллических пленок были проведены комплексные теоретические и экспериментальные исследования зависимости их свойств от угла падения α атомного пучка на подложку. Методом вакуумного напыления были изготовлены серии тонких нанокристаллических пермаллоевых пленок для различных углов осаждения α. С помощью методов высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии было установлено, что образцы обладали столбчатой микроструктурой, с диаметром отдельных столбцов около 2.5–6 нм. Результаты измерений магнитных параметров пленок, полученные с помощью сканирующего спектрометра ферромагнитного резонанса, показали сложную зависимость величины поля одноосной магнитной анизотропии от угла осаждения α.С помощью разработанной на основе метода Монте-Карло модели роста пленок было выполнено имитационное моделирование процессов осаждения тонких пленок при различных углах осаждения α. На основе статистических методов анализа детально изучена микроструктура моделируемых образцов. Полученные зависимости параметров морфологии и текстуры моделируемых пленок от угла осаждения α показали хорошее согласие с экспериментальными результатами структурных исследований.На основе метода расчета компонент магнитометрического (усредненного по объему) тензора размагничивающих факторов (Fourier space approach), предложенного Белиджиа и Де Граф, был реализован новый способ оценки параметров магнитной анизотропии полученных моделирование тонкопленочных структур. Расчетная зависимость величины поля одноосной магнитной анизотропии от угла осаждения α для моделируемых образцов показала хорошее согласие с экспериментом.Предложена модифицированная модель Нетзельмана, учитывающая неоднородное распределение плотности по толщине осажденных образцов. На основе численного эксперимента с помощью этой модели продемонстрирована возможность определения среднего наклона и соотношения поперечных размеров столбцов тонких наклонно-осажденных магнитных пленок из анализа компонент усредненного по объему образцов поля размагничивания.Методом численного микромагнитного моделирования были исследованы процессы перемагничивания наклонно-осажденных структур, сформированных методом Монте-Карло. Для двух направлений внешнего поля (вдоль и поперек плоскости осаждения) были рассчитаны петли гистерезиса и определены зависимости величины коэрцитивной силы и остаточной намагниченности от угла осаждения α.Численным моделированием было доказано, что основным механизмом, отвечающим за зависимость одноосной магнитной анизотропии пленок пермаллоя от угла их осаждения и за перестройку равновесной конфигурации намагниченности, является изменение магнитостатической энергии, связанное с эволюцией столбчатой микроструктуры пленок.3. Были проведены комплексные исследования механизмов формирования магнитной анизотропии тонкопленочных образцов, от которой зависит ширина рабочего диапазона СВЧ устройств на основе магнитных пленок, и способов ее целенаправленного изменения варьированием величиной упругих напряжений. В частности, были выполнены теоретические расчеты компонент тензоров упругих деформаций и напряжений в плоскости пленки, индуцированных посредством изгиба подложки. Показано, что напряжения носят двуосный характер и неоднородно распределены по площади пленки. Для изучения влияния упругих напряжений на магнитные характеристики тонких пленок была разработана специальная экспериментальная методика. В соответствии с этой методикой вакуумным осаждением сплавов на основе 3d-металлов Fe, Co, Ni были изготовлены серии экспериментальных нанокристаллических образцов различного состава. С помощью сканирующего спектрометра ферромагнитного резонанса определены зависимости основных магнитных параметров по поверхности синтезированных образцов. На основе разработанной методики была определена константа магнитострикции для каждого из изготовленных тонких нанокристаллических пленок и определена зависимость λs от состава напыляемого материала. Благодаря высокой чувствительности локального спектрометра ферромагнитного резонанса впервые в тонких нанокристаллических пленках экспериментально был обнаружен и подтвержден эффект однонаправленной анизотропии, вызванный неоднородными упругими напряжениями. В рамках второго этапа проекта планируется детальное изучение природы этого эффекта.