Фазовий і елементний склад та електрофізичні і магніторезистивні властивості плівкових сплавів на основі Co, Fe та Ni

Abstract

Дисертаційна робота присвячена вивченню закономірностей формування структури, фазового складу, електрофізичних і магніторезистивних властивостей плівкових сплавів CoNi (в інтервалі концентрацій 0 < сСо < 100 мас.%) і FeNi (cFe=50 мас.%) в інтервалі товщин 5-200 нм та температур 300-700 К, та магніторезистивних властивостей тришарових плівок на основі цих сплавів. Невідпалені плівки мають дрібнозернисту структуру (розмір кристалітів менше 5-10 нм). В результаті відпалу розмір кристалітів збільшується до 40-60 нм. Плівкові сплави CoNi при вмісті Со менше 70 мас.% мають однофазний склад (ГЦК-твердий розчин). Параметр решітки при збільшенні вмісту Со змінюється у відповідності з правилом Вегарда. При сСо>70 мас.% у відпалених до 700 К плівках спостерігається двофазний склад (ГЦК+ГЩП). Плівкам сплаву Fe50Ni50 притаманна ГЦК-решітка з параметром а=0,359-0,361 нм. Плівкам з ефективною товщиною до 10 нм властива експоненціальна залежність опору з від’ємними значеннями температурного коефіцієнта опору(ТКО), що вказує на термічно активовану провідність і обумовлене структурною і електричною несуцільністю плівок. Одержана розмірна залежність енергії активації провідності. Для плівок сплавів CoNi і FeNi з товщинами більше 20 нм характерні додатні значення ТКО і квадратична залежність питомого опору від температури. Визначено параметри електроперенесення на основі теоретичних моделей розмірних ефектів електропровідності. Досліджено концентраційні і розмірні залежності магнітоопору плівкових сплавів FeNi і CoNi. Максимальна величина магнітоопору (3,5 % для поздовжнього і 2,5 % для поперечного ефекту) спостерігається для плівок CoNi при вмісті Со 40 мас.%. Встановлено, що для невідпалених тришарових плівок CoNi/Cu(Ag)/ FeNi, CoNi/Cu(Ag)/Co, FeNi/Cu(Ag)/Со з товщиною немагнітного шару 3-15 нм спостерігається гігантський магнітоопір. Термічна обробка до температури 500-700 К приводить до переходу від ГМО до анізотропного магнітоопору. При цитуванні документа, використовуйте посилання http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/20821

Диссертационная работа посвящена изучению закономерностей формирования структуры, фазового состава, электрофизических (удельное сопротивление и температурный коэффициент сопротивления (ТКС)) и магниторезистивных свойств пленочных сплавов CoNi (в интервале концентраций 0<сСо<100 мас.%) и FeNi (cFe=50 мас.%) в интервале толщин 5-200 нм и температур 300-700 К, и магниторезистивных свойств трехслойных пленок на основе этих сплавов. Установлено, что в процессе осаждения пленочных сплавов CoNi испарением готового сплава состав полученной пленки практически совпадает с составом исходного материала, что определяется близостью физических свойств компонент. Для сплава Fe50Ni50 при таком способе осаждения наблюдается обогащение пленок железом. Неотожженные пленки имеют мелкозернистую структуру (размер кристаллитов менее 5-10 нм), в результате отжига размер кристаллитов увеличивается (40-60 нм в случае пленок сплава CoNi, до 30-50 нм для сплава Fe50Ni50). Пленочные сплавы CoNi при содержании Со менее 70 мас.% имеют однофазный состав (ГЦК-твердый раствор), параметр решетки при увеличении содержания Со изменяется в пределах а=(0,352-0,355 нм) в соответствии с правилом Вегарда. При сСо>70 % неотожженным пленкам свойственна ГПУ-решетка, в результате отжига в пленках наблюдается двуфазный состав (ГЦК+ГПУ). Стабильность ГЦК-фазы может быть объяснена снижением температуры фазового перехода для части кристаллитов малого размера за счет фазового размерного эффекта. Для пленок сплава Fe50Ni50 свойственна ГЦК-решетка с параметром а=0,359-0,361 нм. Исследование температурных зависимостей сопротивления пленок показало, что для первого цикла отжига характерно необратимое уменьшение сопротивления, связанное с процессами роста кристаллитов и отжигом дефектов кристаллической структуры. В дальнейших циклах термообработки наблюдается повторение хода температурных зависимостей. Для пленок с эффективной толщиной менее 10 нм характерна экспоненциальная зависимость сопротивления с отрицательными значениями ТКС, что указывает на термически активированную проводимость и связано с образованием структурно и электрически несплошных (островковых) пленок. Показано, что энергия активации проводимости определяется размером островков и промежутков между ними и не зависит от состава сплава. Получена размерная зависимость энергии активации проводимости. Для пленок сплавов CoNi и FeNi с толщинами более 20 нм характерны положительные значения ТКС и квадратичная зависимость удельного сопротивления от температуры, свойственная ферромагнитным металлам и связанная с электрон-магнонным взаимодействием. Изучены размерные зависимости удельного сопротивления и ТКС пленок, на основании которых определены параметры электропереноса в рамках ряда теоретических моделей размерных эффектов электропроводности. В работе проведены исследования зависимости сопротивления однослойных пленочных сплавов от величины напряженности внешнего магнитного поля. Установлено, что для всех исследованных образцов наблюдается анизотропное магнитосопротивление. Для полевых зависимостей магнитосопротивления характерно наличие гистерезиса и экстремумов, что связано с изменением доменной структуры образцов в процессе перемагничивания. Для пленочных сплавов FeNi и CoNi исследованы концентрационные и размерные зависимости. Максимальная величина магнитосопротивления (3,5 % для продольного и 2,5 % для поперечного эффекта) наблюдается для сплавов CoNi при содержании Со 40 мас.%. В работе также показана возможность создания на базе рассмотренных пленочных сплавов трехслойных спин-вентильных систем с гигантским магнитосопротивлением (ГМС). Установлено, что для неотожженых трехслойных пленок CoNi/Cu(Ag)/FeNi, CoNi/Cu(Ag)/Co, FeNi/Cu(Ag)/Со с толщиной немагнитного слоя 3-15 нм наблюдается изотропное магнитосопротивление, что является характерным признаком ГМС. Максимальная амплитуда ГМС (1,1 % при Т=300К и 2 % при Т=150К) получена для системы CoNi/Ag/FeNi с толщиной слоя Ag 4-7 нм. Термическая обработка до температуры 500-700 К приводит к переходу от изотропного к анизотропному магнитосопротивлению, что может быть объяснено нарушением сплошного немагнитного слоя в результате диффузионных процессов. При цитировании документа, используйте ссылку http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/20821

The thesis is devoted to the study of mechanisms of the formation of structure, phase composition, electrophysical and magnetoresistive properties of CoNi film alloys (within the concentration interval 0 < сСо< 100 wt.%) and FeNi (cFe=50 wt.%) within the thickness interval of 5-200 nm and temperature interval of 300-700 К, as well as magnetoresistive properties of three-layer films on the basis of these alloys. Unannealed films have fine-grain structure (crystals size is lower than 5-10 nm). Crystals size increase to 40-60 nm as the result of annealing. CoNi film alloys with the Со content lower than 70 wt.% have one-phase composition (FCCsolid solution). Provided Со content is increased, the lattice parameter will be changed according to the Vergard’s rule. Two-phase content (FCC + HCP lattice) will be observed, provided сСо is more than 70 wt.% within the films that are annealed to 700 К. The FCC lattice with the parameter of а=0,359-0,361 nm is the characteristic of Fe50Ni50 alloy films. The films with the effective thickness up to 10 nm are characterized by the exponential dependence of resistance with the negative values of temperature coefficient of resistance. The dependence indicates thermally activated conductivity and is conditioned by the structural and electrical discontinuous films. The size dependence of the conductivity activation energy is obtain. The films of the CoNi and FeNi alloys with the thicknesses more than 20 nm are characterized by the positive values of temperature coefficient of resistance and the quadratic dependence of resistivity on the temperature. The parameters of electric transfer are being determined on the basis of the theoretical models of the size effects of electric conduction. Concentration and size dependences of FeNi and CoNi film alloy magnetoresistance are studied. The maximum value of magnetoresistance (3,5 % for longitudinal and 2,5 % for transverse effect) is observed for the CoNi films with the Со content of 40 wt.%. It has been determined, that GMR is observed within CoNi/Cu(Ag)/FeNi, CoNi/Cu(Ag)/Co, FeNi/Cu(Ag)/Со unannealed three-layer films with the nonmagnetic layer thickness that equals 3-15 nm. The thermal treatment up to the temperature of 500-700 К leads to the change from GMR to anisotropic magnetoresistance. When you are citing the document, use the following link http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/20821