Оптимизация технологий формирования тонких пленок сплава Гейслера Ni-Mn-In методом импульсного лазерного осаждения

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Физика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

18
УДК 539. 23
А. И. Грунин, И. И. Лятун, П. А. Ершов В. В. Родионова, А. Ю. Гойхман
ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЙ ФОРМИРОВАНИЯ
ТОНКИХ ПЛЕНОК СПЛАВА ГЕЙСЛЕРА Ni-Mn-In МЕТОДОМ ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ОСАЖДЕНИЯ
Разработано несколько подходов к формированию тонких пленок тройных интерметаллических соединений на основе сплава Гейслера Ni-Mn-In методом импульсного лазерного осаждения, а именно двухлазерное соосаждение из мишеней чистых металлов и осаждение при низком давлении аргона. Эффективность отработанных методик подтверждена проведенными исследованиями структурных и магнитных свойств сформированных образцов.
Two methods of formating Heusler alloy Ni-Mn-In thin filmsby pulsed laser deposition were developed — two-lasers co-deposition and deposition in low argon pressure. Structural and magnetic properties of grown samples were investigated.
Ключевые слова: тонкие пленки, сплавы Гейслера, импульсное лазерное осаждение.
Key words: thin films, Heusler alloys, pulsed laser deposition.
В связи распространением материалов и устройств на основе нано-размерных тонких пленок в последние годы крайне важным становится вопрос о способах формирования подобных структур, так как различные методы могут по-разному влиять на свойства образцов. В настоящее время известно довольно большое количество технологий синтеза тонких пленок, как физических, так и химических. При этом крайне важно иметь возможность подобрать необходимую методику для конкретного материала и конкретной задачи. Данная работа посвящена структурам на основе сплавов Гейслера [1], относящимся к тройным интерметаллическим соединениям, которые обладают уникальными свойствами, сильно зависящими, в свою очередь, от многих факторов и внешних условий [2]. Это определяет широкий круг возможностей применения этих материалов в различных приложениях — от спин-троники и наноактуаторов до магнитного охлаждения [3 — 6]. В то же время к процессам формированию тонких пленок таких материалов предъявляются следующие жесткие требования:
— нейтрализация возможности внесения загрязняющих примесей в процессе формирования наноструктур-
— возможность переноса стехиометрического состава материала с мишени в образец-
— стабильность и высокая повторяемость экспериментов-
— точный контроль толщины.
© Грунин А. И., Лятун И. И., Ершов П. А., Родионова В. В., Гойхман А. Ю., 2014.
Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. 2014. Вып. 4. С. 18−23.
Вышеназванные требования сильно сокращают диапазон методик, которые могут быть применены для синтеза таких наноструктур. Однако при работе с подобными сплавами возможно путем варьирования химического и стехиометрического составов образцов получить требуемые функциональные свойства. Это накладывает на используемую технологию дополнительные требования:
— возможность изменения стехиометрического состава-
— возможность добавления необходимых материалов в образец в процессе роста.
Особую роль среди методов формирования играет метод импульсного лазерного осаждения (ИЛО), основанный на быстром испарении (абляции) материала твердотельной мишени короткими (обычно 10 — 20 нс) мощными сфокусированными импульсами лазерного излучения большой мощности и конденсации разлетающихся частиц плазмы на подложке в условиях сверхвысокого вакуума.
Были отработаны две технологии формирования тонких пленок сплава Гейслера №-Мп-1п методом ИЛО. Первая заключается в применении двух лазеров для абляции материала в вакуумной камере одновременно двух мишеней чистых металлов N1, Мп и 1п либо сплавной мишени №-Мп-1п вместе с мишенями 1п и Мп (так называемого двухлазерного соосаждения). Преимуществом данного метода является прецизионный контроль стехиометрии и возможность получения требуемого состава без необходимости изготовления сплавной мишени для каждого образца. Недостатки технологии: из-за эффекта перераспыле-ния образца в сплавах Гейслера может не происходить перенос концентраций мишени в образец- сложность реализации, вызванная необходимостью одновременного использования двух лазеров, и сверхвысокого вакуума (осаждение пленок при давлении выше 5 • 10−7 Торр вызывало окисление Мп в процессе роста). Таким образом, данная технология идеально подходит для получения и отработки новых составов сплавов Гейслера, но она слишком сложна для серийного применения.
Вторая технология заключается в осаждении из сплавной мишени определенного стехиометрического состава при низком давлении аргона (~40 мТорр) с использованием одного лазера. При этом тонкопленочные образцы имеют те же концентрации, что и распыляемые сплавные мишени №-Мп-1п. Такая технология не подходит для отработки и получения новых составов, поскольку для каждого нового состава необходима новая сплавная мишень, но удобна для внедрения в производство.
Для проверки эффективности применения технологии лазерного осаждения с использованием двух лазеров была изготовлена и исследована серия образцов. Общие параметры экспериментов: расстояние подложка-мишень — 6 см, давление в камере — 4,3 • 10−9 Торр, температура подложки при осаждении -29°С. Температура отжига 325 °C, длина волны лазера 1−266 нм, лазера 2−532 нм (табл. 1).
Оценить качество полученных наноструктур можно прежде всего методом рентгеновской дифракции. На рисунке 1 изображены ди-фрактограммы образцов 1 и 3.
Таблица 1
20
Концентрации Мп и 1п образцов, варьируемые изменением соотношения количества импульсов по каждой мишени
Номер образца Количество импульсов
Лазер 1, 266 нм Лазер 2, 532 нм
Мп 1п №
1 11 700 8300 100 000
2 11 000 9300 100 000
3 12 900 7100 100 000
20 (с1ед)
Рис. 1. Дифрактограммы образцов 1 и 3
Анализ дифрактограммы образца 1 при помощи базы данных и моделирования методом Ритвельда позволили установить, что образец при комнатной температуре находится в высокотемпературной кубической аустенитной кристаллической фазе, причем с результатами моделирования совпадают все семь пиков, что говорит о высоком качестве сформированной структуры. На дифрактограмме образца 3 присутствует несколько неидентифицируемых пиков, что может свидетельствовать о присутствии в образце смеси структурных фаз (например, аустенит и мартенсит). В результате исследований свойств сформированных тонкопленочных образцов были получены результаты, приведенные в таблице 2.
Таблица2
Результаты исследования образцов, полученных методом двухлазерного осаждения
№ Состав Структурная фаза при комнатной температуре Толщина, нм Температура Кюри, К
1 НІ48МП37ІП15 Аустенит (кубич.) 51 325
2 НІ50МП32ІП18 Аустенит (кубич.) 56 319
3 НІ5С)МП39ІП11 Смесь фаз 52 330
Полученные результаты позволяют утверждать, что разработанная технология двухлазерного соосаждения является полностью эффективной для решения поставленных задач: при помощи данной технологии
удалось сформировать тонкопленочные образцы сплавов Гейслера, качество которых было подтверждено исследованиями методом рентгеновской дифракции. Более того, показано, что, изменяя параметры эксперимента, можно менять состав пленок, а также их структурные и магнитные свойства.
При помощи технологии роста в низком давлении аргона были получены несколько серий образцов. В ходе исследований было продемонстрировано, что наиболее успешными с точки зрения приложений магнитного охлаждения являются образцы №-Мп-1п и №-Мп-1п-Б1. Образцы осаждались на подложки кремния окисленного кремния и монокристаллические подложки MgO (100).
Образцы исследовались методом рентгеноспектрального микроанализа с применением энергодисперсионного микроанализатора (табл. 3), основанного на регистрации квантов характеристического рентгеновского излучения, испускаемого материалом при бомбардировке его пучком электронов.
Таблица 3
Результаты исследования образцов методом ЭДС
№ Подложка Состав
4 Si/SiO2 Ni52Mn34Inl4
5 Si/SiO2 Ni52Mn36Inl2
6 Si/SiO2 Ni53Mn3lInl6
7 Si/SiO2 Ni50Mn30Inl5Si5
8 Si/SiO2 Ni50Mn30Inl0Si5
9 MgO Ni52Mn34Inl4
Анализ дифрактограмм (рис. 2, 3) позволил установить, что образцы 4, 5 и 6, осажденные на подложки термически окисленного кремния, при комнатной температуре находятся в высокотемпературной кубической аустенитной кристаллической фазе. Дифрактограммы образцов 7 и 8 выявили наличие смеси неидентифицируемых фаз. На дифрактограммах присутствуют несколько неидентифицируемых пиков, что может свидетельствовать о присутствии в образце смеси структурных фаз.
#1977, room umpwauire
20 ЗО -JO SO 60 70 60 90 100
2Є!сІед)
гоооо
IOWJOO
80 000
«ООО
40 000
гоооо
-МлО/Мі^МПдІп,^ RT — Мар я
so во m so
Рис. 2. Дифрактограмма образца 6
Рис. 3. Дифрактограмма образца 9
Из всех исследованных образцов только 9 при комнатной температуре находится в чистой мартенситной фазе В2. Наиболее примечательным для него является тот факт, что с точки зрения структурных данных он полностью повторяет поведение объемных образцов.
Результаты исследований свойств сформированных тонкопленочных образцов представлены в таблице 4.
Таблица 4
Свойства сформированных тонкопленочных образцов
22
№ Состав Структурная фаза при комнатной температуре Толщина, нм Т Кюри, К Температура мартенситного переxода, К МКЭ, Дж|кг х К
1 Ni52Mn34lnl4 Аустенит (кубич.) 54 295 283 18
2 Ni52Mn36lnl2 Аустенит (кубич.) 52 290 305 16
3 Ni53Mn3llnl6 Аустенит (кубич.) 55 300 278 23
4 N i50Mn30lnl5Si5 Смесь фаз 75 290 — -
5 N i50Mn30lnl0Si5 Смесь фаз 78 270 — -
6 Ni52Mn34lnl4 B2 мартенсит 100 — - -
Полученные результаты позволяют утверждать, что разработанные теxнологии двyxлазерного соосаждения и осаждения в низком давлении аргона эффективны для формирования тонк^ пленок сплавов Гейслера. Качество ^лучен^^ образцов было подтверждено исследованиями методом рентгеновской дифракции, вибрационной и СКВИД магнитометрии, энергодисперсионного рентгеноспектрального микроанализа и обратного резерфордовского рассеяния. Более того, показано, что при помощи изменения параметров эксперимента можно менять состав пленок, то есть ^ структурные и магнитные свойства.
Список литературы
1. Graf T., Felser C., Parkin S. S. P. Simple rules for the understanding of Heusler compounds || Progress in Solid State Chemistry. 2011. № 39. Р. 1 — 50.
2. Васильев А. Н., Бучельников В. Д., Такаги Т. и др. Ферромагнетики с помощью формы || yG^xn физически наук. 2003. Т. 173, № 6. С. 577−608.
3. Yu B. F., Gao Q., Zhang B. et al. Review on research of room temperature magnetic refrigeration// lnternational Journal of Refrigeration. 2003. № 26. Р. 622−636.
4. GschneidnerJr K. A., Pecharsky V. K., Tsokol A. O. Recent developments in mag-netocaloric materials || Rep. Prog. Phys. 2005. № 68. Р. 1479.
5. Krenke T., Duman E., Acet M., Wassermann E. F. Magnetic superelasticity and inverse magnetocaloric effect in Ni-Mn-ln || Phys. Rev. 2007. B 75. Р. 104 414.
6. Krenke Thorsten, Acet Mehmet, Wassermann Eberhard F. et al. Ferromagnetism in the austenitic and martensitic states of Ni-Mn-ln alloys || Phys. Rev. 2006. B 73. P. 174 413.
7. Kazakov A. P., Prudnikov V. N., Granovsky A. B. et al. Direct measurements of field-induced adiabatic temperature changes near compound phase transitions in Ni-Mn-ln based Heusler alloys 11 Appl. Phys. Let. 2011. № 98. P. 131 911.
Об авторах
Алексей Игоревич Грунин — асп., мл. науч. сотр. научно-образовательного центра «Функциональные наноматериалы», Балтийский федеральный университет им. И. Канта, Калининград.
E-mail: agrunin@innopark. kantiana. ru
Иван Игоревич Лятун — асп., старший лаборант научно-образовательного центра «Функциональные наноматериалы», Балтийский федеральный университет им. И. Канта, Калининград.
E-mail: ILyatun@innopark. kantiana. ru
Петр Александрович Ершов — асп., инженер научно-образовательного центра «Функциональные наноматериалы», Балтийский Федеральный университет им. И. Канта, Калининград.
E-mail: PErshov@innopark. kantiana. ru
Валерия Викторовна Родионова — канд. физ. -мат. наук, зав. лабораторией новых магнитных материалов, Балтийский Федеральный Университет им. И. Канта, Калининград.
E-mail: vrodionova@innopark. kantiana. ru
Гойхман Александр Юрьевич — канд. физ. -мат. наук, директор научно-образовательного центра «Функциональные наноматериалы», Балтийский Федеральный Университет им. И. Канта, Калининград.
E-mail: AGoikhman@innopark. kantiana. ru
About the authors
Alexey Grunin — PhD student, engineer of Research and Education Centre «Functional Nanomaterials» I. Kant Baltic Federal University, Kaliningrad.
E-mail: agrunin@innopark. kantiana. ru
IvanLyatun — PhD student, senior laboratory of Researchand Education Centre «Functional Nanomaterials», I. Kant Baltic Federal University, Kaliningrad.
E-mail: ILyatun@innopark. kantiana. ru
Petr Ershov — PhD student, engineer of Researchand Education Centre «Func-tional Nanomaterials», I. Kant Baltic Federal University, Kaliningrad.
E-mail: PErshov@innopark. kantiana. ru
Valeria Rodionova — PhD, Head of New magnetic materials laboratory, I. Kant Baltic Federal University, Kaliningrad.
E-mail: vrodionova@innopark. kantiana. ru
Alexander Goikhman — PhD, director of Research and Education Centre «Func-tional Nanomaterials» I. Kant Baltic Federal University, Kaliningrad.
E-mail: AGoikhman@innopark. kantiana. ru

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой