Ю.В. Касюк Национальный центр физики частиц и высоких...

Ю.В. Касюк

Национальный центр физики частиц и высоких энергий

Белорусский государственный университет

Управление магнитными имагнитотранспортными свойствами

нанокомпозиционных пленок FeCoZr-CaF2

посредством синтеза в атмосфере сварьируемым содержанием кислорода

17-21 Июня, 2012 СИН НАНО - 2012

Мотивация

Особенности гранулированных композитов металл-диэлектрик:

Высокая намагниченность

Высокое магнитосопротивление

Низкая коэрцитивность

Высокое сопротивление.

Магнитные сенсоры длявысокочастотного применения

FeCoB-SiO2, CoNbTa-SiO2,FeCoZr-Al2O3, FeCoZr-SiO2

Ю.В. Касюк

металлическиенаночастицы

диэлектрическаяматрица

Определяющие факторы

состав частиц и матрицы

соотношение металл-диэлектрик

атмосфера синтеза …

СИН НАНО - 2012

2

Результаты предыдущих исследований:Мотивация

FeCoZr-Al2O3

Ю.В. Касюк

синтез в атмосфере с O2оксидная оболочка

металлическоеядро

5 nm

Стабилизация нано-структурированного состояния

Усиление туннельногомагнитрезистивного эффекта

J. Phys. D: Appl. Phys. 44 (2011) 495001

3

Объект и методика синтеза

нанокомпозиты

(Fe45Co45Zr10)x(CaF2)100-x

Атмосфера синетза: Ar и Ar+O2

Po = 4,3 и 9,8 мПа

Ионно-лучевое распылениесоставных мишеней

Образцы: пленки составов x = 25-75 aт.%h = 1-6 мкм CaF2 FeCoZr

Подложки: керамика и алюминиевая фольга

Цель исследованийвыявить взаимосвязь между

изменение x

влияние O2

Ю.В. Касюк

фазовый состави структура

магнитные свойства

магнитосопротивление


4

Методы исследования

Элементный состав: Резерфордовское обратное рассеяние2 MэВ, пучок He+

Энергодисперсионный рентгеновский анализ

Структурно-фазовый состав: РСА, Empyrean PANalitical

(дальний порядок) (графитовый монохроматор,скользящая геометрия, угол 5º)

Дифракция электронов

Локальное окружение: Ядерная гамма-резонанснаяспектроскопия (57Fe; источник 57Co/Rh)

EXAFS-спектроскопияDESY synchrotron, Hamburg

Магнитные свойства: Вибрационная магнитометрияPPMS Quantum Design (2-350 K, 9 T)

Магнитосопротивление: четырех-зондовый метод5-300 K, 8 T

Ю.В. Касюк СИН НАНО - 2012

5

111CaF2

110-FeCo220CaF2

200-FeCo400CaF2211-FeCo422CaF2220-FeCo311CaF2 331CaF2

Интенсивность,отн.ед.

200CaF2

F

9

3

0

Структурно-фазовый анализ

(FeCoZr)x(CaF2)100-x

атмосфера Ar

x=39 aт.%

21

18

α-FeCo(Zr)ОЦК, Im3m

CaF2

ГЦК, Fm3m

15 x = 29

12 x = 39

x = 44

x = 58

6 x = 65

Caкристаллическоесостояние CaF2

a = 5,48-5,51 Å

кристаллическоеx = 73

фольга Ald=6,5 нм Me

Me = Fe(Co)

состояние частицα-FeCo(Zr)

a = 2,86-2,93 Å20 40 60 80 100 120

2, град.


6


111CaF2 Fe(Co)xOy

110-FeCo

220CaF2


311CaF2Fe(Co)xOy


Fe(Co)xOy

200CoO

110-FeCo 311CoO331CoO

2

0


18

(FeCoZr)x(CaF2)100-x

PO = 4.3 мПа3,0 x = 74 aт.%

x=36 aт.%

15

12

2,5

2,0

1,5

фольга Al8

6оксид Fe(Co)хOy

B

x = 3320 40 60 80

2, град.100 120

x = 719

x = 43 4

6 x = 49

x = 74

3 d=1,5 нм0

20 40 60 80 100 120

фольга Al 2, град.

керамическая подложка20 40 60 80

2, град.100 120

CoO / FeO ― ГЦК решетка


7

111CaF2


Fe(Co)O

111CoOxy200CoO220CaF2

311CaF2220CoO311CoO 331CoO9


(FeCoZr)x(CaF2)100-xx=38 aт.%

PO = 9.8 мПа

12

оксид Fe(Co)хOy

x = 33

6 x = 38

x = 48

CoO (FeO)Fm3m

O Co/Fe

3 x = 71d=6,0 нм

0 фольга Al

20 40 60 80

2, град.100 120 a = 4,26-4,31 Å


8

Вероятность,%


10

6

4

2

02 5 6 7

Локальное окружение Fe

1,000

ЯГР-спектры PO = 0 x = 39

0,996

0,992

1,000

x = 29 ат.%

СПсостояние

80,999

0,998

0,997

0,999

0,998

x = 39 ат.% Магнитноевзаимодей-ствие

= 0,25

<D> = 3,3 нм

3 4D, нм

0,9971,000

x = 44 ат.% Магнитная анизотропия0,996

0,992 h1 : h2 : h3 = 3 : ~0.3 : 1θ ~ 20º0,988

1,00

0,99

0,98

0,97

x = 58 ат.%

x = 73 ат.%

ФМсостояние

-8 -6 -4 -2 0 2 4

Скорость, мм/с6 8


9

-4 -4

l(R)l(A)l(R)l(A)

Локальное окружение Fe и Co

Неокисленные пленки

18

16

14

12

10

8

6

PO = 0K-край Fe

x = 28x = 38x = 46x = 58x = 67-Feфольга FeCoZr

15

12

9

6

PO = 0K-край Co

х = 28х = 38x = 46x = 58x = 67-Coфольга FeCoZr

4

2

0

3

0

0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10

R (A) R (A)

Разупорядоченное состояние в образцах с х = 25-46 ат.%FeCoZr

Кристаллическое состояниев пленках с х = 58-67 ат.%

Ю.В. Касюк

ОЦКструкутра

α-FeCo

в соответствиис РСА


10

l(R)l(A)

-4

Интенсивность,отн.ед.l(R)l(A)

-4

4

6

5

4

3

2

1

0


Частично окисленные пленки, PO = 4,3 мПа

фольга Al O PO = 4.3 мПаFe/O

край

x = 30

0,999

0,996

0,993

1,000

0,998

Fe3+

Fe2+

x = 30 aт.%

α-Fe

S : IS~0 мм/с,B~34 Tл (80 K)

Fe-O

D1 : IS~0,3 мм/с, Fe3+QS~0,8 мм/с

3

2

1

00 1 2

Fe

3 4

R (A)5

x = 33x = 36x = 43x = 53x = 68x = 74

6 7

0,996

0,9941,000

0,996

0,992Fe3+

x = 43 aт.%

D2 : IS~0,9 мм/с, Fe2+QS~1,9 мм/с

S : IS~0,4 мм/с, Fe3+B~40 Tл (80 K)

O

Co

PO = 4.3 мПаK-край Co

x = 30x = 33x = 36x = 43x = 53x = 68x = 74

0,988 x = 74 aт.%

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 0 1 2 3 4 5 6 7

Скорость, мм/с

Ю.В. Касюк

R (A)


11

Нормализованнаяx,отн.ед.



1,2

0,9


Частично окисленные пленки, PO = 4,3 мПа

фольга Al частичноеокисление Fe

PO = 4.3 мПа K-край Fe

0,9

0,999

0,996

0,993

Fe3+

Fe2+

x = 30 aт.%

α-Fe

Fe-O

0,6

0,3

x = 30 aт.%x = 33 aт.%x = 36 aт.%x = 43 aт.%x = 53 aт.%x = 68 aт.%x = 74 aт.%

1,0000,0

7100 7120 7140 7160 7180 7200

0,9981,2

Eph, эВ

0,996

0,994x = 43 aт.%

слабоеокисление Co

PO2 = 4.3 мПа край

1,000 x = 30 aт.%

0,996

0,992

0,988

Fe3+

x = 74 aт.%

0,6

0,3

x = 33 aт.%x = 36 aт.%x = 43 aт.%x = 53 aт.%x = 68 aт.%x = 74 aт.%

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 80,0

7700 7720 7740 7760 7780 7800


Ю.В. Касюк

Eph, эВ


12

l(R)l(A)

-4

Инетнсивность,отн.ед. l(R)l(A)

-4

6

5

4

3

2

4 5 7

6

4


Окисленные пленки, PO = 9,8 мПа PO = 9.8 мПаK-край Fe

(FeCoZr)33(CaF2)67

(FeCoZr)70(CaF2)30

-Fe2O3

1,000Fe2+

Fe-O

CoFe2O4

FeO

0,998

0,996

0,994

0,992

Fe3+

х = 38 ат.%

D1 : IS~0,3 мм/с,QS~0,8 мм/с

D2 : IS~0,8 мм/с,QS~1,6 мм/с

1

0

0

8

1 2

PO = 9.8 мПа

3

R (A)6

K-край Co

0,999

0,996

Fe3+

Fe2+(FeCoZr)33(CaF2)67

(FeCoZr)70(CaF2)30

CoO

CoFe2O4

0,9932

0,990

х = 71 ат.% 00 1 2 3 4 5 6 7

0,987-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 R (A)


Ю.В. Касюк

полное окисление наночастиц


13

Нормализованная отн ед

Инетнсивность,отн.ед.


1,2

Fe3+

Fe3+


Окисленные пленки, PO = 9,8 мПа

0,9

PO = 9.8 мПаK-край Fe

1,000 Fe2+0,6

0,998Fe3+

0,3

x тx т

0,996

0,07100 7120 7140 7160 7180 7200

0,994

х = 38 ат.% EphэВ

0,992

0,999 Fe2+

1,5PO = 9.8 мПа

K-край Co

1,0

0,996

0,993

Fe3+

0,5 x = 33 aт.%x = 70 aт.%

0,990

0,987-4 -3 -2 -1 0 1

х = 71 ат.%

2 3 4

0,07700 7720 7740 7760

Eph, эВ

7780 7800


Ю.В. Касюк

полное окисление наночастиц


14

Намагниченность,эме/1000

M,эме/г

Магнитные свойства

1,5

1,0

0,5

0,00,8

0,6

Неокисленные пленки

x = 28 aт.%


TB = 34 K

x = 46 aт.%

150

100

50

0

-50

-100

150

100

50

0

300 K100 K2K

300 K100 K5K


x = 28 aт.%

0,4

0,2

0,03,0

2,5

2,0

1,5

1,0

0,5

TB = ~98 K

ZFCFC (50 Э)

x = 67 aт.%

H = 50 Э

-50

-100

-150

100

50

0

-50

-100

300 K100 K2K

x = 46 aт.%

x = 67 aт.%

0,00 50 100 150 200 250 300 350 -3 -2 -1 0 1 2 3

Ю.В. Касюк

T, K H, кЭ


15

HC,кЭ

Магнитные свойства

Неокисленные пленки 300

250

200

150

100

50

x = 28 aт.%x = 46 aт.%x = 67 aт.%x = 67 aт.%

перпендикулярно пленке

00 50 100 150 200 250 300 350

T, K

пленка Co-Zr-O(~1 мкм)

Ю.В. Касюк J. Appl. Phys. 97 (2005) 10N301

16

M,эме/г

M,эме/г

150

Магнитные свойства140

120

100

80

60

40

T =5K

разброс внаправлениях

20

00,0 0,5

(FeCoZr)46(CaF2)54

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5

H, кЭ180

(FeCoZr)47(Al2O3)53120

90

60

30T =5K

00,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5

H, кЭ


17

/0,%

/0,%

/0,%/0,%

-(M/MS),отн.ед.

2

3,0

0,5

/0

0

Магнитосопротивление пленокНеокисленные пленки

2,5

H = 80 кЭ0,0

-0,5

-1,0

(FeCoZr)24(CaF2)76 25 K 2,0

1,5

50 K-1,5 1,0

-2,0

-2,5

-3,00,00

-0,05

-0,10

(FeCoZr)33(CaF2)67

300 K

100 K250 K150 K

300 K150 K50 K25 K10 K

300 K

МС ~ 2 %0,0

-0,5

-1,0

(FeCoZr)24(CaF2)76

50 100 150 200 250 300

T, K

(FeCoZr)24(CaF2)76

T = 300 K 2-(M/MS)

0,0

-0,2

-0,4

-0,15

-0,20

4K

-1,5

-0,6

-0,8

-0,25-2,0

-1,0

0 20 40

H, кЭ60 80

-80 -60 -40

порог перколяции

-20 0

Н, кЭ

20 40 60 80


18

/0,%

/0,%

/0,%

-(M/MS) отн ед

2

8

3

2

1

-2

0

Магнитосопротивление пленокОкисленные пленки PO = 4,3 мПа

x т

0

-2

-4

300 K

250 K

150 K

7

6

5

4

x тx т

-6

0(FeCoZr)37(CaF2)63 25 K

50 K

H = 80 кЭ

-2300 K

150 K

0 50 100 150

T, К200 250 300

-4

-6

-80

(FeCoZr)49(CaF2)51

100 K

50 K10 K

0,0

-0,4

-0,8

(FeCoZr)49(CaF2)51

T = 300 K/0

2

-(M/MS)

0,0

-0,2

-0,4

-1300 K

250 K

-1,2

-0,6

-0,8

(FeCoZr)63(CaF2)37 50 K

20 40

H, кЭ

150 K10 K 100 K25 K

60 80

-1,6

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

Н, кЭУсиление магниторезистивного

эффекта в окисленных пленках

-1,0


19

ЗаключениеВ нанокомпозиционных пленках FeCoZr-CaF2 с высоким содержанием

FeCoZr (50-75 ат.%) наблюдается магнитная анизотропия,перпендикулярная плоскости пленок, т.е. происходит ростметаллических частиц в форме т.н. “столбчатых” структур

Синтез нанокомпозитов FeCoZr-CaF2 в кислородсодержащей среде(РО=4,3 мПа) приводит к усилению низкотемпературногоотрицательного магниторезистивного эффекта и отсутствиюнасыщения полевых зависимостей магнитосопротивления, чтоможет являться следствием частичного окисления наночастиц иформирования структур “металлическое ядро – оксидная оболочка”

Использование CaF2 в качестве матрицы для нанокомпозитов,напыляемых в кислородсодержащей среде, приводит к более слабомуокислению наночастиц, чем в случае композитов FeCoZr-Al2O3 притаком же давлении кислорода (РО=4,3 мПа) (иная динамикаокисления)

Спасибо за внимание!Ю.В. Касюк СИН НАНО - 2012

20

CollaboratorsSynthesis of samples

XRD

Magneticproperties study

Mossbauerspectroscopy

XANES & EXAFSspectroscopy

Electrical propertiesand MR

RBS, XRR

Prof. Yu. KalininDr.Ph. A. Sitnikov

Dr.Ph. J. Przewoznik

Prof. Cz. Kapusta

Dr. J. Zukrowski

Dr. M. Sikora

Prof. A.Fedotov

MSc. I.Svito

Dr.Ph. M. MarszalekDr. K. Mitura-Nowak

Voronezh State University,Russia

AGH University of Scienceand Technology, Krakow,Poland

Belarusian State University,Minsk, Belarus

H. Niewodniczanski Instituteof Nuclear Physics PAS,Krakow, Poland

Financial support

Ю.В. Касюк

Mianowski Fund, Warszawa, Poland


Ю.В. Касюк Национальный центр физики частиц и высоких...

Documents