Автор работы: Пользователь скрыл имя, 02 Июня 2015 в 19:48, контрольная работа
К нанопленкам (нанопокрытиям) относятся двумерные образцы наноматериалов, которые характеризуются наноразмерной толщиной. В свою очередь, к нанопроволокам (наностержням, нановолокнам, нанонитям) относятся одномерные образцы наноматериалов, которые характеризуются наноразмер-ным диаметром. И нанопленки, и нанопроволоки могут быть подобны по строению объемным образцам наноструктурных материалов, в частности, им может быть присуща нанокристаллическая или нанокомпозиционная структура. Вместе с тем и нанопленки в силу их наноразмерной толщины, и нано-проволоки в силу их наноразмерного диаметра могут значительно отличаться от объемных образцов по свойствам.
Взаимная ориентация магнитных моментов двух соседних магнитных слоев зависит от толщины промежуточного немагнитного слоя. Фактически ориентация магнитных моментов магнитных слоев колеблется между параллельной (для ферромагнетика) и антипараллельной (для антиферромагнетика), как функция толщины немагнитного слоя. Это явление называют осциллирующим обменным взаимодействием. В результате такой связи магнито-сопротивление колеблется при изменении толщины немагнитного слоя. Эффект ГМС имеет место только для тех значений толщины немагнитного слоя, для которых обменная связь с промежуточным слоем достаточна для выстраивания магнитных моментов магнитных слоев антипараллельно.
С увеличением напряженности магнитного поля магнитосопротивление постепенно уменьшается. Это связано с тем, что магнитное поле, которое имеет тенденцию выравнивать моменты магнитных параллельных слоев, должно преодолеть обменную связь, которая предпочитает антипараллельное расположение моментов (для данной толщины немагнитного слоя). Полное выстраивание магнитных моментов в одном направлении достигается только в области поля насыщения, равного по величине полю обменной связи.
Изменения магнетосопротивления в структурах с перпендикулярной геометрией дают больший эффект благодаря устранению шунтирующего тока, проходящего через промежуточные немагнитные слои, отделяющие ферромагнитные слои. В этом случае все носители испытывают спин-зависимое рассеивание при пересечении каждой границы раздела многослойной структуры. Однако низкое сопротивление полностью металлических структур требует применения методов нанолитографии для изготовления вертикальных элементов с очень малым поперечным сечением, чтобы получить изменение сопротивления, достаточное для практической регистрации.
На рисунке 3.2 схематически показаны основные черты вертикального транспорта. Когда намагниченности двух ферромагнетиков противоположны по направлению (антипараллельны), спин-поляризованные носители, выходящие из одного ферромагнетика, не могут разместиться в другом ферромагнетике. Они рассеиваются на границе раздела, вызывая рост сопротивления. Напротив, одинаковое направление намагниченности обоих ферромагнетиков гарантирует идентичность спин-поляризации инжектируемых электронов и электронных состояний в следующем ферромагнитном слое. Таким образом, рассеивание носителей на границах раздела минимизировано, что соответствует самому низкому вертикальному сопротивлению структуры.
Рисунок
4.2 - Спин-поляризованный транспорт электронов
через слоистые структуры ферромагнетик-немагнетик
- ферромагнетик [8]
а — антипараллельная намагниченность
ферромагнитных слоев — высокое сопротивление;
б — параллельная намагниченность ферромагнитных
слоев — низкое сопротивление
Толщину слоев, как правило, выбирают исходя из того, чтобы в каждом слое расстояние, на котором электрон сохраняет определенную ориентацию спина, было бы намного больше толщины этого слоя. Такое условие обычно хорошо выполняется при толщинах менее 10 нм. Электрон должен иметь возможность пройти через множество слоев, прежде чем ориентация его спина изменится. В пределах этой длины каждая магнитная граница раздела может действовать как фильтр для спина. Чем больше количество рассеивающих границ раздела, с которыми взаимодействует электрон, тем сильнее эффект фильтрования. Это и объясняет увеличение гигантского магнитосопротивле-ния с увеличением числа слоев.
Существует другой вариант структуры спинового затвора - так называемый псевдоспиновый затвор. Он состоит из двух магнитных слоев, которые имеют разные магнитные свойства, в результате чего изменение намагниченности в одном из них происходит при более низких магнитных полях, чем в другом. Никакой «связующий» слой в этом случае не используется, и два магнитных слоя могут иметь один и тот же состав, но различную толщину, если комбинированные пленочные слои вытравливают в виде маленьких областей. В этом случае малый боковой размер структуры дает поля перемаг-ничивания, которые заставляют более тонкий из двух слоев переключаться при более низких магнитных полях, чем более толстый слой. Чтобы создавать параллельную или антипараллельную намагниченность обоих слоев, можно управлять намагничиванием магнитомягкого слоя без переключения магнитотвердого слоя. Самое низкое сопротивление имеет место при таких значениях поля, при которых векторы намагниченности обоих слоев совпадают по направлению.
В гранулированных магнитных нанопленках механизм ГМС-эффекта связан со спин-зависимым рассеянием электронов на магнитных нанокла-стерах, расположенных в немагнитной матрице.
В гранулированных нанопленках структура имеет вид диамагнитной (например, Cu) или парамагнитной (например, Re) матрицы, содержащей на-новключения ферромагнитного материала (например, Co, Fe, Ni). Первоначально интерес к гранулированным сплавам появился вследствие возможности использования их в качестве магниторезистивных элементов вместо традиционно применяемых датчиков на основе пленок пермаллоя. По сравнению с последними, нанопленки на основе гранулированных сплавов более перспективны из-за того, что, во-первых, при определенных условиях они обладают эффектом (ГМС), и, во-вторых, по сравнению с ферромагнитными сплавами имеют более низкие шумы из-за отсутствия доменных стенок. Такие нанопленки эффективно использовать в качестве материала носителя информации в устройствах со сверхвысокоплотной записью. Мелкие одно-доменные частицы ферромагнитного металла, например Co, образуют суперпарамагнитный ансамбль магнитных моментов, имеющих в отсутствие внешнего магнитного поля произвольную ориентацию вследствие теплового движения. Во внешнем поле эти моменты приводятся в упорядочение, что обусловливает более низкое резистивное состояние.
Магнитные и магниторезистивные свойства гранулированных сплавов определяются, главным образом, распределением магнитных кластеров по размерам в немагнитной матрице, расстоянием между ними и степенью резкости перехода химического состава между наногранулами и матрицей.
Одной из наиболее перспективных систем, проявляющих ГМС, является система Cu/Co, которую можно использовать для формирования как многослойных, так и гранулированных нанопленочных покрытий.
В практическом отношении весьма перспективны структуры, обладающие эффектом туннельного магнитосопротивления. Наибольшее распространение получили многослойные структуры, которые формируются из ферромагнитных слоев Со, CoCr, CoFe или других ферромагнитных сплавов, разделенных слоем толщиной до нескольких нанометров из таких диэлектриков, как А12О3, MgO, Та2О3.
Для получения магнитных нанопленок применяются различные виды технологий вакуумного напыления (ионно-лучевое, электроннолучевое, лазерное напыление), а также молекулярно-лучевая эпитаксия. Однако все эти технологии являются дольно сложными и дорогостоящими. Кроме кого, для формирования гранулированного состояния напыленные пленки, как правило, необходимо подвергать отжигу. Более простой в практической реализации является технология электролитического осаждения.
В основе технологии электролитического осаждения лежит процесс электрохимического восстановления металлов, происходящий под влиянием протекающего через раствор электрического тока. Вследствие диссоциации в электролите солей металлов в нем имеются как положительные, так и отрицательные ионы, находящиеся в беспорядочном движении. При этом ионы металлов имеют положительный заряд, а кислотный остаток - отрицательный. Под влиянием приложенного напряжения положительные ионы металлов (катионы) начинают перемещаться к отрицательному электроду (катоду), отрицательные ионы (анионы) - к положительному электроду (аноду). При этом происходит восстановление ионов (катодный процесс).
Таким образом, на катоде будут осаждаться металлы и их сплавы. На аноде осуществляется переход электронов от аниона к электроду, т.е. окисление, или анодный процесс.
Процессы, протекающие в электролите и на электродах, могут быть разделены на несколько стадий:
1) миграция ионов по направлению к электроду под действием электрического поля;
2) потеря сольватной оболочки из молекул воды, окружающих ион, что приводит к образованию адсорбированного иона;
3) перенос электронов от электрода к ионам металла;
4) движение адсорбированного атома по поверхности электрода до энергетически наиболее выгодного положения;
5) рост металлической пленки на поверхности электрода.
Сильное влияние на характер процессов, протекающих на электродах, оказывают явления, возникающие на границе фаз металл - раствор. Пространственное распределение электрических зарядов на границе этих фаз приводит к возникновению разности потенциалов между фазами и называется двойным электрическим слоем. Его эффективная толщина имеет величину порядка молекулярных размеров (несколько ангстрем). Поэтому двойной электрический слой обладает значительной емкостью (10-100 мкФ/см ), а внутри его действует сильное электрическое поле напряженностью около 105-107 В/см.
Одним из наиболее эффективных технологических вариантов получения многослойных нанопленочных структур является импульсное электролитическое осаждение из одного и того же электролита [9]. Такие ферромагнитные металлы как Со, Fe и Ni или их сплавы, и металлы из группы благородных элементов - Cu, Ag, Au, Pd могут быть использованы соответственно в качестве магнитных и немагнитных слоев.
Получение многослойных структур путем электролитического осаждения из одного и того же электролита основывается на том факте, что равновесный потенциал восстановления ферромагнитных и немагнитных ионов отличается более чем на 400 мВ. Поэтому при малых потенциалах осаждения будут восстанавливаться только такие металлы как, например, медь, серебро или их сплавы. При более отрицательных потенциалах осаждаются, строго говоря, и медь, и ферромагнитные металлы или их сплавы. Но если выбрать концентрацию ионов меди в электролите намного меньше, чем переходных металлов (порядка 1% от концентрации ионов магнитного металла), то из-за диффузионных затруднений переноса ионов меди к катоду скорость осаждения меди будет ограничена независимо от величины прикладываемого потенциала. Поэтому меди в осадке будет намного меньше по сравнению с ферромагнитными металлами. Таким образом, используя единственный раствор, можно получать многослойную структуру, толщина слоев которой будет определяться только величиной и длительностью прикладываемых импульсов электрического напряжения.
Традиционная экспериментальная техника позволяет получать многослойные пленки довольно хорошего качества лишь с периодом в два слоя. Задача создания любой серии прилагаемых импульсов потенциала и, соответственно, получения любых многослойных структур с различающимися по характеристикам магнитными слоями может быть решена с помощью установки, показанной на рисунке 4.3. Процесс осаждения управляется компьютером, связь которого с электрохимической системой осуществляется посредством аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразователей. Плата че-тырехканального 12-разрядного цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), имеющая один дифференциальный аналоговый выход, используется для задания потенциала осаждения. При этом характерное время стабилизации потенциала составляет около 5 мкс. Для считывания значений тока с потенцио-стата и преобразования их в цифровую форму предназначена плата аналого-цифрового преобразователя (АЦП), имеющая 6 дифференциальных 12-разрядных входов.
Рисунок
4.3 - Схема установки для получения многослойных
нанопленочных структур с использованием
технологии электролитического осаждения
[9]
1, 2,..., 6 - номера входных каналов аналого-цифрового
преобразователя, 7, 17 - номера выходных
каналов цифро-аналогового преобразователя,
цифры 0, 1, 2, 3, обведенные в кружках, - номера
дифференциальных каналов аналого-цифрового
модуля.
Токовые данные считываются с двух дифференциальных каналов: канала 1 для магнитного сплава, и канала 2 для немагнитного. Поскольку для получения многослойных структур концентрация ионов немагнитного металла в электролите должна быть намного меньше, чем концентрация магнитного, то соответственно будут сильно различаться и токи их осаждения. По этой причине в токовую цепь канала 2 включается усилитель с десятикратным усилением и соединяется с отдельным входом платы АЦП.
Для получения гранулированных магнитных нанопленочных покрытий с использованием технологии электролитического осаждения следует учитывать, что режимы ее реализации (значения электрического напряжения и тока) в разных случаях могут быть различными - в зависимости от условий физико-химического взаимодействия компонентов осаждаемых систем (степени их взаимной смешиваемости или растворимости).