Синтез и свойства пленок Mg(Fe0, 8Ga0, 2)2O4-δ на подложках Si с термостабильными межфазными границами, страница 14

Относительная интенсивностьрефлексов, а также отсутствие пика в области 53,64 [422] указывает нааналогичную текстуру пленки, и, как следствие, на аналогичный механизмроста пленки в выбранных условиях синтеза (рисунок 3.30).88Рисунок 3.30 – Рентгенограмма пленки Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ толщиной 0,8 мкмМорфология пленки и ее строение аналогичны морфологии пленкиMg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ толщиной 2 мкм, и характеризуется наличием двух слоев –промежуточного мелкозернистого слоя и крупнокристаллического,формирующего рельеф пленки.

Размеры кристаллитов лежащих наповерхности пленки также составляют от 300 до 500 нм (рисунок 3.31). Приэтом наблюдается уменьшение толщины как верхнего, так и промежуточногослоев (рисунок 3.32). Т.о. можно утверждать, что формирование крупныхкристаллитов обусловлено режимами синтеза пленок, и в выбранныхусловиях размеры кристаллитов 500 нм являются максимальными. Исходя изэтого, можно сказать, что минимальная толщина верхнего сплошногоподслоя, шероховатость которого будет равномерна по всей площади, равнаразмеру кристаллитов и составляет не более 500 нм.

Аналогично можнооценить минимальную толщину промежуточного слоя, которая примерносоставляет 100 нм.В то же время, с изменением толщины пленки толщины слоев,входящих в ее состав меняются пропорционально. Однако эта зависимость,очевидно, носит сложный характер, обусловленный множеством физико–химических факторов, влияющих в процессе синтеза.891 мкмРисунок 3.31 – Микрофотография поверхности пленки Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δтолщиной 0,8 мкмВерхний слойПромежуточныйслой700 нм150 нм30 нм500 нмБуферный слойРисунок 3.32 – Поперечный рез пленки Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ толщиной 0,8 мкмТемпературная зависимость намагниченности аналогична пленкеMg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ толщиной 2 мкм (рисунок 3.33). Наблюдается перегиб врайоне 300 К, свидетельствующий об изменении ориентации спиновмагнитно активных ионов.

Температура Кюри составила 435 К (162°С).9030, Гссм3г-125201510TK500100200300400500600700800T, KT, KРисунок 3.33 – Температурная зависимость намагниченности пленкиMg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ толщиной 0,8 мкмКак показано на рисунке 3.34, намагниченность насыщения пленкиMg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ толщиной 0,8 мкм составила 37 А·м2/кг, что превышаетнамагниченность насыщения объемного аналога на 24%.Рисунок 3.34 – Кривая намагничивания пленки Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δтолщиной 0,8 мкмНесмотря на то, что имеет место заметное изменение относительныхтолщин подслоев, входящих в состав пленки, можно утверждать, что разницав 10% обусловлена технологическими и аналитическими погрешностями иявляется несущественной.

При этом относительные толщины подслоев91пленок (относительно общей толщины пленки Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ) неизменились и составили 82% – доля верхнего подслоя, 18% – доля нижнегоподслоя.3.4.4 Структура и магнитные свойства пленок Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δтолщиной 0,4 мкмВ отличие от пленок Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ толщинами 2 и 0,8 мкм болееинтенсивными стали рефлексы в области 30,24 [200] и 62,8 [044] (рисунок3.35). Это указывает на формирование несколько отличной текстуры,вызванного, вероятно, выбором толщины пленки менее 600 нм.Рисунок 3.35 – Рентгенограмма пленки Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ толщиной 0,4 мкмПоверхностьпленкихарактеризуетсяразвитымрельефом,характеризующимся как кристаллитами с размерами 500 нм, так и мелкимикристаллитами, размеры которых не превышают 100–200 нм (рисунок 3.36).В этом случае утверждение, что основное тело мелких кристаллитов скрыто вобъеме пленки (как в предыдущих случаях) некорректно, особенно учитываясравнительно малую толщину пленки, на что также указывают данныеглубокого ионного профилирования.

Т.е. верхний подслой являетсянесплошным. При этом, как показано на рисунке 3.37, толщинапромежуточного подслоя не изменилась, и, как отмечалось выше, являетсяминимальной (~100 нм).921 мкмРисунок 3.36 – Микрофотография поверхности пленкиMg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ толщиной 0,4 мкм230 нм120 нм30 нмВерхний слойПромежуточныйслойБуферный слой500 нмРисунок 3.37 – Поперечный рез пленки Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ толщиной0,4 мкмТемпература Кюри, измеренная пондеромоторным методом, как и длярассмотренных выше пленок аналогичного состава, составила 435 К.Намагниченность насыщения пленки Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ толщиной 0,4мкм составила 29 А·м2/кг, что лишь на 3% превышает намагниченностьнасыщения объемного аналога (рисунок 3.38).93Рисунок 3.38 – Кривая намагничивания пленки Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ толщиной0,4 мкмКак видно из рисунка 3.38 имеет место значительное ухудшениемагнитных свойств пленки Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ связанное, прежде всего, сформированием несплошного верхнего подслоя, обусловленного малойтолщиной пленки.

Как видно из рисунка 3.36, поверхность пленкихарактеризуется существенно более различными по размеру кристаллитами,чем для пленок больших толщин, а в объеме пленки наблюдаются полости(размер которых сравним с размерами кристаллитов (300–500 нм)),вызванные не только различием формы соседних кристаллитов, но и ихлокальным отсутствием.Относительная толщина верхнего подслоя составила 66% от общейтолщины пленки (без учета указанных полостей), что заметно меньше дляпленок толщиной более 0,6 мкм (82%). Последнее обстоятельство явноуказывает на тот факт, что магнитные свойства в значительной степениопределяет верхний подслой.Полученные результаты позволяют сделать вывод, что основной вкладв магнитные характеристики определяются прежде всего строением верхнегослоя, т.е крупными кристаллитами.

В связи с этим возникает вопрос омагнитном вкладе промежуточного слоя, характеризующегося значительноменьшими кристаллитами, и, поэтому, наиболее перспективном дляприменения в микроэлектронной промышленности.943.5 Модель процесса кристаллизации пленки Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δна кремнииНа микрофотографиях поверхности пленок Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ видныотдельные кристаллиты, образовавшиеся в результате отжига, скристаллографической огранкой, характерной для шпинелей. Такженаблюдается значительное количество двойников – разноориентированныхкристаллитов, выросших на гранях других кристаллитов (рисунок 3.39).Формирование такого рода структур свидетельствует о том, что процесскристаллизации является в высокой степени равновесным вследствиевысокой плотности и однородности свеженапыленной пленки и оптимальноподобранных условий отжига.300 нмРисунок 3.39 – Микрофотография поверхности пленкиMg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δКристаллиты имеют специфическую огранку, связанную с ихкристаллографической структурой и условиями их роста.

В условияхтермодинамического равновесия поверхностная энергия кристаллита должнастремиться к минимуму, т.е. выполняться условие (3.1):∑(() ((3.1)))95где (hkl) – энергия поверхности грани (hkl),A(hkl) – площадь грани (hkl).Кристаллическаяформаописываетсяплоскостями,перпендикулярными кристаллографическим плоскостям, причем расстояниеr этой плоскости до центра ячейки пропорционально поверхностной энергии(hkl). Из этого обстоятельства вытекает теорема Вульфа [125] (3.2):(3.2)Однако в неравновесных условиях роста форма кристаллитов уже неподчиняется этому условию, т.к. еще одним важным фактором являетсяскорость роста грани, которая пропорциональна подвижности адатомов,которую обеспечивает кристаллографическая плоскость. Т.е. грань,препятствующая диффузии адатомов по ее поверхности растет быстрееостальных по нормали.

Напротив, грани обеспечивающие высокуюподвижность адатомов обладают более высокими латеральными скоростямироста. В свою очередь, подвижность адатомов определяется количествомсоседний граней, и, в случае, если грань имеет малое количество соседнихграней, диффузия адатомов на ней будет предпочтительной. Поэтому,скорость роста грани обратна пропорциональна числу соседних граней. Вконечном счете, грани, характеризующие наименьшей скоростью роста внормальных условиях будут расти, в то время как грани с высокой скоростьюроста просто перестанут существовать [126].Кристаллизация пленки Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ происходит по механизмуспонтанной (гомогенной) кристаллизации, обусловленной не толькоравновесными условиями, но и отсутствием центров кристаллизации наинтерфейсе SiO2/Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ (прежде всего потому, что слой SiO2изначально также являлся аморфным).

При этом интенсивность спонтаннойкристаллизации возрастает с увеличением температуры, что указывает наобразование устойчивых зародышей в первую очередь на поверхностипленки [127]Механизм спонтанной кристаллизации включает в себя три основныестадии:зародышеобразование, диффузиюматериалакцентрам96кристаллизации и рост кристаллитов. Условия ионно–лучевого напыленияподобраны таким образом, чтобы обеспечить высокую стехиометрию повсему объему напыленных пленок.

Таким образом, основную роль впроцессах кристаллизации в данном случае играют зародышеобразование ирост кристаллитов. В зависимости от физико–химических параметров техили иных веществ, один из этих процессов (или оба) может бытьсущественно затруднен [128].В фундаментальной работе [129] спонтанное образование центровкристаллизации объясняется с позиции молекулярно–кинетической теориивещества при температурах ниже температуры плавления.

Согласно [129],молекулы в расплаве обладают достаточно высокой кинетической энергией,которая препятствует образованию устойчивых зародышей кристаллизации.Однако при уменьшении кинетической энергии с температурой,образовывающиеся скопления молекул становятся более стабильными, чтосоздает условия для образования кристаллических центров. Если центр имеетмалые размеры, то значительная часть молекул, входящих в его состав,являются поверхностными, тогда центр неустойчив и может исчезнуть. Ростпроисходит в случае, если центр достигает некоторого критического размера,при котором число поверхностных молекул становится малым, по сравнениюс числом молекул в объеме.С другой стороны [130, 131], процесс кристаллизации рассматривают,как процесс обратный плавлению, в ходе которого происходит накоплениедефектов в веществе за счет теплового воздействия.