Синтез и свойства пленок Mg(Fe0, 8Ga0, 2)2O4-δ на подложках Si с термостабильными межфазными границами (1091893), страница 13
Текст из файла (страница 13)
Именно наличие проколов как каналовпротекания реакций зернограничной диффузии в твердой фазе являетсяфактом, который свидетельствует об интенсивном взаимодействии материалапленки с подложкой [122].В условиях обеспечения стабильности процессов распыления–осаждения и состава были получены плѐнки шпинели толщиной 0,16 мкм,0,82 мкм и 2 мкм на подложках кремния с предварительно выращеннымслоем диоксида кремния толщинами 20 нм и 40 нм.
На рисунке 3.20приведены результаты отжига образцов толщиной 0,16 мкм с естественнымслоем SiO2. Согласно изменениям внешнего вида поверхности,микроскопическим измерениям, данным рентгеноструктурного анализа иРСМА можно сделать вывод, что при кристаллизации плѐнки шпинели набарьерном слое в виде естественной плѐнки SiO2 на начальной стадиипроисходит разрушение барьерного слоя и прорастание кремния в плѐнку. Назавершающей стадии это приводит к разрушению всей плѐночнойгетероструктуры в результате интенсивного взаимодействия материалаподложки с осажденным и кристаллизующимся слоем.
Причинойинтенсивного взаимодействия могут быть упругие напряжения, которыевозникают на интерфейсе плѐнка/барьерный слой в процессе кристаллизацииплѐнки, деформации и растрескивания в барьерном слое под действиемупругих напряжений и зернограничной миграции кремния подиффузионному механизму. Интенсивность этих процессов увеличиваетсяиз-за встречных потоков диффундирующих химически активныхкомпонентов плѐнки в направлении подложки, что приводит к полнойдеградации плѐночной структуры.
Таким образом, несмотря на химическуюинертность SiO2 к материалу свеженапыленной плѐнки шпинели,механические факторы играют определяющую роль в активномвзаимодействии плѐнки с подложкой.81аbсРисунок 3.20 – Внешний вид поверхности пленок Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δтолщиной 0,16 мкм на подложке кремния а – до отжига, b – отжиг в течение 1часа, с – двух часов, 950С, воздух.Устранение упругих факторов деградации пленок возможно путѐмиспользования аморфных вместо кристаллических барьерных слоѐв.Было установлено, что наиболее активно барьерные функциивыполняет аморфный буферный слой SiO2 толщиной 40 нм, полученныйпутем окисления поверхности кремния ионным пучком кислорода.
Нарисунке 3.21 показан внешний вид поверхности плѐнок шпинели составаMg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ и толщиной 0,16 мкм находящейся в исходном состоянии(рисунок 3.21, а) и после отжигов (рисунок 3.22, b,с). На рисунке 3.22приведен внешний вид свеженапыленных пленок Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δтолщиной 2 мкм отожженных в течение 1, 1.5, 2, 3 часов.
Было установлено,что заметные деградации в составе плѐнки шпинели происходят, посравнению с составом свеженапыленной только при длительности отжигаболее 3 часов. Образец на рисунке 3.22, e резко отличается не только повнешнему виду и цвету от остальных кристаллизующихся плѐнок, но и необладает магнитными свойствами, сохраняя диэлектрическое состояние.abсdРисунок 3.21 – Внешний вид поверхности пленок Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δтолщиной 0,16 мкм на подложке кремния с барьерным слоем SiO2 (30 нм): а –исходное состояние, b – отжиг 1 час, с – отжиг 1,5 часа, d – отжиг 2 часа.950С, воздух.82abсdeРисунок 3.22 – Внешний вид поверхности пленки Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δтолщиной 2 мкм на подложке кремния с барьерным слоем SiO2 (40 нм): а –исходное состояние, b – отжиг 1 час, с – отжиг 1,5 часа, d – отжиг 2 часа, е –отжиг 3 часа.
950С, воздух.Врезультатевысокотемпературногоотжигапроисходиткристаллизацияпленки,сопровождающаясяформированиемразноориентированных кристаллитов, размеры которых лежат в диапазоне300–500 нм (рисунок 3.23). Характерная форма кристаллитов, а такжебольшое количество «двойников» (взаимноразориентированных сросшихсягранями кристаллитов) указывает на равновесные условия кристаллизации. Внекоторых местах наблюдаются полости, обусловленные взаимнымрасположением разупорядоченных друг относительно друга кристаллитов,что характерно для поликристаллических пленок [123].1 мкмРисунок 3.23 – Микрофотография отожженной пленкиMg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δИсследование структуры пленки на естественном сколе показало, чтопленка не является однородной по толщине и состоит из трех областей с83нечеткими границами, размеры которых существенно увеличивается понаправлению к поверхности.
Верхняя область характеризуется крупнымикристаллитами, которые формируют рельеф пленки. Средняя областьсформирована на порядок меньшими по сравнению с верхней областьюкристаллитами. Третья область – в десятки нанометров по высоте –собственно интерфейсная область на границе с подложкой (рисунок 3.24).Такая неоднородная кристаллическая структура обусловлена механизмамикристаллизации шпинели на подложке кремния в условиях постростовогоотжига. Рассогласование кристаллических параметров и параметровтеплопроводности, упругих свойств и химических связей кремния и шпинелиприводят к тому, что при переходе от аморфного состояния ккристаллическому формируются, по крайней мере, три области – переходнойслой пленка-подложка, слой пленки, связанный с подложкой и слой пленки,не связанный с подложкой, формирующий рельеф поверхности.500 нмРисунок 3.24 – Микрофотография естественного скола пленкиMg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δТакже в объеме и вблизи поверхности пленки наблюдаются полости,как следствие смыкания крупных кристаллитов поверхностной области другс другом и с более мелкими кристаллитами нижележащего слоя.843.4.2 Структура и магнитные свойства пленок Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δтолщиной 2 мкмСравнительный анализ рентгенограмм пленок Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δтолщиной 2 мкм на кремнии с использованием буферного слоя SiO2 срентгенограммами объемных керамических образцов, полученными в [2],показал, что пленка по основным рефлексами в области 30.24[220],35.6[311], 43.24 [400], 57.2 [511] соответствует своему объемному аналогу.Интенсивный рефлекс в области 34 соответствует буферному слою SiO2[111] (рисунок 3.25).Рисунок 3.25 – Рентгенограмма пленки Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ толщиной 2 мкмОтсутствие рефлекса шпинели в области 53,64 [422], а также отличиеотносительной интенсивности пиков пленки от керамического аналога,свидетельствуют о текстурированности пленки, и, возможно, о наличиивыделенного направления роста.
Это дает основания полагать, чтовыбранные режимы синтеза являются наиболее оптимальными, и приводят кформированию поликристаллической пленки, кристаллиты которой особымобразом ориентированы друг относительно друга.Поверхностьобладаетразвитымрельефом,обусловленнымформированием относительно крупных разноориентированных кристаллитовв поверхностно–приповерхностном слое. Кристаллиты имеют характернуюогранку, и их размеры лежат в диапазоне от 300 до 500 нм (рисунок 3.26).85Четкие грани кристаллитовкристаллизации.указываютнаравновесныеусловия1 мкмРисунок 3.26 – Микрофотография поверхности пленки Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δтолщиной 2 мкмНа рисунке 4.3 видно, что пленка не является однородной по толщине исостоит из верхнего подслоя, характеризующимся кристаллитами сразмерами 300–500 нм, и нижнего мелкодисперсного подслоя (размеркристаллитов 50–80 нм).
В областях смыкания кристаллитов наблюдаютсяполости, по своим размерам пропорциональные размерам кристаллитов ихобразующих.Толщина барьерного слоя SiO2 составила 80 нм, что превышаетзаданные значения. Вероятно, такое уширение связано с интенсивнойдиффузией атомов кислорода из пленки Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ через барьерныйслой SiO2 и окислением кремниевой подложки. Толщина пленки – 1,7 мкм,при этом толщина среднего слоя составила 18% от толщины всей пленки(рисунок 3.27).ТемператураКюрисоставила435 К(162°С).Значениенамагниченности 25 Гс·см3/г носит лишь оценочный характер, т.к. на этувеличину в значительной степени влияет масса диамагнитной кремниевойподложки (рисунок 3.28).
Несовпадение кривых нагрева в разных циклахобусловлено, вероятно, формированием примесных магнитных фаз в пленкепри высоких температурах. На это косвенно указывает видимый перегиб при300К, который может быть связан с переориентацией спинов магнитноактивных ионов от одной кристаллической оси к другой, сопровождаемыйпереходом кристалла из ферримагнитного в антиферромагнитное состояние86(т.н. точка Морина). Такое поведение характерно, прежде всего, для гематита(α–Fe2O3) [124].Верхний слой1400 нмПромежуточныйслой300 нм80 нмБуферный слой500 нмРисунок 3.27 – Поперечный рез пленки Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ толщиной2 мкм, Гссм3г-1201510TK500100200300400500600700800T, KРисунок 3.28 – Температурная зависимость намагниченности пленкиMg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ толщиной 2 мкмКак показано на рисунке 3.29, кривая намагниченности выходит внасыщения уже при полях 0,05 Тл, при этом намагниченность насыщениясоставляет более 40 А·м2/кг, что превышает величину, полученную длякерамического аналога – 28 А·м2/кг, на 30%.87Достаточно плавный переход в насыщение (в диапазоне полей 0,05–0,15 Тл) свидетельствует о неоднородности пленки по толщине, анестабильность значения намагниченности насыщения является следствиемдиамагнитного вклада подложки.Рисунок 3.29 – Кривая намагничивания пленки Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δтолщиной 2 мкмВероятно, такое значительное увеличение намагниченности насыщениясвязано с образованием кристаллитов, обладающими достаточнымиразмерами для установления дальнего порядка, и, в тоже время,формированием структуры, превосходящей по своей плотностикерамический объемный аналог.3.4.3 Структура и магнитные свойства пленок Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δтолщиной 0,8 мкмКак и в случае пленок толщиной 2 мкм, пленки Mg(Fe0.8Ga0.2)2O4–δ0,8 мкм характеризуются пятью рефлексами на дифрактограмме: 30.24[220], 35.6 [311], 43.24 [400], 57.2 [511].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
