Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Данный проект ориентирован на создание новых и совершение известных функциональных материалов на основе гетерогенных магнитных плёнок в рамках технологии ионного распыления. Это достаточно широкая область исследовательской деятельности, в которой для получения значимых научных и практических результатов необходима концентрация на решении конкретных исследовательских задач. В соответствии с планом работ по проекту к числу таких задач в отчётном периоде отнесены: получение плёночных объектов исследования широкого диапазона составов и разнообразного структурного дизайна, включая плёнки полимера PVDF; изучение бинарной сиcтемы Ni-Mn как перспективной антиферромагнитной среды с высокой температурой магнитного упорядочения; изучение магнетизма аморфных плёнок R-Co (R=La, Gd, Tb, Dy); изучение магнитных свойств ряда гранулированных плёночных структур на основе диэлектрической матрицы Al2O3; методическое обеспечение изучения магнитоупругих свойств плёночных образцов. Основные результаты выполненных исследований состоят в следующем. Осуществлена адаптация магнетронной и диодной методик ионного распыления для получения плёночных систем Ni-Mn, Tb(Dy)-Co, Gd-Co с широкой вариацией элементного состава. Эти методики реализованы на установке Orion 8 (США) и модернизированной отечественной установке УРМ3 279. В режимах распыления однокомпонентных, сплавных, мозаичных мишеней и сораспыления нескольких мишеней определены технологические детали формирования однородных и гетерогенных плёнок широкого спектра составов, включая магнитные и немагнитные, металлические и диэлектрические вещества. Тем самым создана технологическая основа для решения научных задач, поставленных в проекте. Исследовано влияния состава, отжига и буферных слоёв на структуру и фазовый состав плёнок Ni-Mn. Оно выполнено на плёнках различного дизайна: Ta(5)/NixMn100-x(50)/Ta(5); Ta(5)/NixMn100-x(20)/Fe20Ni80(40)/Ta(5); Ta(5)/Fe20Ni80(5)/NixMn100-x(20)/Fe20Ni80(40)/Ta(5); Ta(5)/Fe20Ni80(L)/NixMn100-x(20)/Fe20Ni80(40)/Ta(5). В рамках плёночных образцов каждого вида решались конкретны задачи, направленные на определение условий образования упорядоченной гранецентрированной тетрагональной структуры типа CuAu, которой свойственно антиферромагнитное упорядочение вплоть до температур 1000 К – фазы θ-NiMn. Определено, что в исходном состоянии атрибуты антиферромагнитного упорядочения присутствуют только в плёнках с содержанием Ni в диапазоне 20-35 ат.%, осаждённых на буферный слой пермаллоя. В таком состоянии антиферромагнетизм Ni-Mn связывается с присутствием неравновесной фазы γ-NiMn, которая при термомагнитном отжиге при температурах до 400 °С распадается на θ-NiMn и α-Mn фазы. Образование фазы θ-NiMn после отжига наблюдалось и в плёнках, не имевших буферного слоя пермаллоя. В результате были определены оптимальные составы и условия термообработки, обеспечивающие обменное смещение в структурах NiMn/FeNi до температур более 700 К. Исследовано влияние состава и температуры на спонтанную намагниченность и магнитную анизотропию аморфных систем R-Co (R= Gd, Tb, Dy), Магнитные свойства таких систем формируются во взаимовлиянии локализованного магнетизма R-ионов, зонного магнетизма 3d-подсистемы и сильной анизотропии электронной структуры, свойственной большинству редкоземельных элементам. Не смотря на отсутствие дальнего атомного порядка, последнее является важным фактором, определяющим специфику свойств плёнок с R = Gd, Tb, Dy. В указанном выше ряду редкоземельных элементов Gd примечателен отсутствием орбитального момента, что позволяет представлять магнетизм плёнок типа Gd-Co как коллинеарное ферримагнитное упорядочение, на которое накладывается определённая структурно-химическая неоднородность (столбчатая структура) приводящей к перпендикулярной анизотропии. выполненные исследования, показали, что конкуренция перпендикулярной магнитной анизотропии с анизотропией формы приводит к спонтанной спиновой переориентации. Однако она происходит не скачкообразно, как это свойственно фазовым переходам 1-го рода, а растягивается на значительный температурный интервал в форме так называемого «закритического состояния». Показано, что при этом реализуется мелкодисперсная система доменов с неколлинеарной взаимной ориентацией магнитных моментов.. На основе экспериментальных данных с привлечением модельных вычислений построена магнитная фазовая диаграмма, которая в координатах элементный состав – температура для плёнок, содержащих 16÷26 ат.% Gd устанавливает области существования перпендикулярной анизотропии, переходной магнитной («закритического состояния») и состояния с планарной намагниченностью. У атомов Tb и Dy орбитальные моменты велики. Это порождает сильную магнитную анизотропию, которая в аморфном состоянии приводит к сперимагнетизму в системах R-Co. В рамках такого представления проведён анализ магнитных свойств аморфных плёнок с Tb-Co и Dy-Co в широкой области составов. Определены параметры сперимагнитной структуры. Найдено при концентрации R более 50 ат.% магнитный момент на Со исчезает, но его влияние на эффективность обменного упорядочения в редкоземельной подсистеме сохраняется и при большем содержании R. В рамках технологии спин-коатинга отработана методика получения тонких полимерных покрытий различной толщины и шероховатости. Всего изготовлено более 30 образцов на стеклянных подложках или на подложках с металлическим покрытием. Получены зависимости толщины и параметров шероховатости покрытий от скорости вращения подложки, её ускорения, времени вращения, температуры рабочей камеры. В результате определены диапазоны контролируемого воспроизведения толщины полимерных пленок (160÷800 нм) и их шероховатости (3÷17 нм). Так же установлены оптимальные характеристики режима (количество шагов программы) нанесения пленок, а также величины объема подаваемой жидкости и концентрации полимера. Определенно влияние условий получения и термообработки на фазовый состав полимерных пленок, по лученных по методике спин-коатинга. Методом ИК-спектроскопии установлено, что величины максимальной скорости вращения, ускорения и температуры рабочей камеры при нанесении пленок существенно влияют на их фазовый состав в целом и содержание полярной β-фазы, в частности. Наряду с этим на концентрацию β-фазы влияют толщина плёнок и последующая термообработка. Определено оптимальное сочетание вышеуказанных факторов, при которых достигается содержание β-фазы близкое к 100%. Разработан и создан испытательный стенд (дефлексометр), позволяющий контролируемо деформировать плёночные образцы на стеклянных подложках и измерять на них магниторезистивные петли гистерезиса. Он включает блок контролируемой изгибной деформации плёночных объектов; блок автоматической развёртки магнитного поля; блок измерения электросопротивления плёночных объектов; компьютер с соответствующим программным пакетом, обеспечивающий управление измерительным процессом. Создана методика обработки результатов измерений, связывающая магнитоупругие и магниторезистивные свойства плёночных объектов и позволяющая определять магнитострикционные параметры материала. Испытания стенда и реализация соответствующей методики измерений проведены на образцах плёнках Fe11Ni89 и Fe20Ni80/TbCo в форме полосок размером 2x20 мм. При этом было установлено, что оптимальным способом подключения образцов к измерительной цепи является припаивание контактов низкотемпературным сплавом Розе. Проведённые испытания позволили определить константу магнитострикции плёнок Fe11Ni89, которая составила 2х10^-5. Эта величина хорошо коррелирует с имеющимися литературными данными. Результаты испытания двухслойных плёнок оказались неоднозначными, что, по-видимому, связано с высоким гистерезисом аморфных плёнок Tb-Co. Отработана методика получения композитных систем с двухкомпонентными магнитными гранулами. На системах GdyCo100-y и (GdyCo100-y)x(Al2O3)100-x проведено сравнение концентрационных зависимостей намагниченности насыщения Установлено, что для двух типов образцов они достаточно хорошо коррелируют между собой и имеют немонотонный характер, указывающий на наличие магнитной компенсации при y~20 ат.% Gd. Это косвенным образом свидетельствует об отсутствии негативного влияния со стороны диэлектрика Al2O3, в частности, окисления на процесс формирования металлической фазы системы Gd-Co. Установлено, что плёнки (GdyCo100-y)x(Al2O3)100-x с концентрацией металлической фазы х≤55 % являются изотропными и перемагничиваются безгистерезисным образом. Из этого можно сделать заключение о высокодисперсном состоянии металлической фазы и пребывании её в суперпарамагнитном состоянии. Подобные особенности присущи и плёнкам (TbyCo100-y)x(Al2O3)100-x с той лишь разницей, что при х~55 % в них отмечены некоторых признаки магнитной анизотропии.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
1. Исследовано влияние толщины закрепляющего слоя NiMn, параметров микроструктуры антиферромагнитного слоя, а также температуры на гистерезисные свойства и магнитную анизотропию в плёночных структурах типа (Ni-Mn)/FeNi. Проведено компьютерное моделирование эффекта обменного смещения в плёнках Ni-Mn/FeNi, получены значения констант анизотропии крупнокристаллической анитиферрромагнитной и мелкокристаллической антиферромагнитных фаз. 2. Исследованы магнитные свойства пленок Ta/(TbxDy1-x)20Co80/FeNi/Ta и Ta/FeNi/FeMn/Gd-Co/Ta. Проанализированы особенности эффекта обменного смещения в подобных структурах, содержащих различные типы закрепляющих слоёв. Сделаны выводы о сложной и в определённой мере варьируемой объёмной магнитной структуре антиферромагнитного слоя FeMn и её влиянии на эффективность обменного смещения в ферримагнитном слое Gd-Co. Показано, что использование закрепляющего слоя Dy-Tb-Co, приводит к локализации межслойного магнитного интерфейса, образующегося при послойном перемагничивании структуры, в объёме слоя FeNi. 3. Исследованы магнитострикционные свойства плёнок Fe-Ni и Сo-Ni в зависимости от толщины слоёв, а также наличия буферного слоя Ta. Установлено, что использование буферного слоя Та минимизирует дисперсию одноосной наведённой анизотропии.. Для плёнок Fe10Ni90 и Co20Ni80 определены константы магнитострикции Установлено, что уменьшение толщины плёнок приводит к снижению магнитострикции. Найдено, что плёнки Fe10Ni90 являются оптимальной магнитострикционной составляющей для композитов типа PVDF/Fe-Ni-Co с магнитоэлектрическим эффектом. 4. Отработана технология получения плёночных нанокомпозитов на примере трёхслойной структуры Fe10Ni90/PVDF/Fe10Ni90, характеризующейся полярной β-фазой полимера и магнитострикционным эффектом. Получена серия образцов Fe10Ni90/PVDF/Fe10Ni90 с варьируемой толщиной ферромагнитного слоя, пригодных для исследования магнитоэлектрического эффекта. 5. Изучено влияние типа подслоя (Та и Ru) на формирование микроструктуры однослойных плёнок Co различной толщины L. Исследовано влияние буферных слоёв кобальта и гадолиния на микроструктуру и магнитную анизотропию плёнок Co-Al2O3. Установлено, что они не оказывают значимого влияния на характер магнитной анизотропии в гранулированном слое Co-Al2O3. Обнаружено, что плёночная структура Gd/(Gd43,1Co56,9)69(Al2O3)31/Ta обладает перпендикулярной магнитной анизотропией. Показано, что с увеличением температуры величина спонтанного магнитного момента изменяется немонотонным образом. Такое поведение является следствием ферримагнитного упорядочения в системе Gd-Co, которая сформировалась в присутствии диэлектрика Al2O3. Исследованы магнитные свойств плёнок LaxCo100-x с различной концентрацией редкоземельного элемента. Установлен столбчатый характер микроструктуры плёнок, обуславливающий наличие перпендикулярной магнитной анизотропии. Проведено микромагнитное моделирование их магнитных свойств и доменной структуры. Получена реалистичная расчётная картина магнитной страйп-структуры и определена зависимость константы эффективной перпендикулярной анизотропии от параметров среды и размеров структурных элементов.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В отчётном году в соответствии с планом работ по проекту были продолжены исследования в области физических основ синтеза и оптимизации функциональных свойств магнитных накомпозитов трёх видов. Они ориентированы на различные сферы возможного технического применения и представляют собой многослойные плёнки с обменным смещением, слоистые плёночные структуры типа металл/полимер с магнитоэлектрическим эффектом и объёмно-гетерогенные плёночные композиты типа металл-Al2O3. Конкретными объектами исследования нанокомпозитов с обменным смещением выступали две разновидности плёнок. Одна из них базировалась на антиферромагнетике Ni-Mn, являющимся источником обменного закрепления и подлежащем изучению, вторая на ферримагнетике Gd-Co, интерес к которому обусловлен особенностями обменного смещения в условиях связи с типичным антиферромагнетиком FeMn. Наряду с этим проанализирована возможность варьирования обменного смещения композитов разного типа за счёт упругой деформации. В ходе проведённых исследований установлено, что усиление шероховатости межслойного интерфейса композитов (Ni-Mn)/(Fe-Ni) сопровождается увеличением поля обменного смещения и коэрцитивной силы. Такой вывод сделан на основе комплексного анализа магнитных свойств плёнок, сведений о состоянии интерфейса в композитах с разным содержанием Mn, полученных методом рентгеновской рефлектометрии, и данных Ожэ спектроскопии. Определены зависимости гистерезисных свойств плёнок (Ni-Mn)/(Fe-Ni) от толщины магнитных (Ni) и немагнитных при комнатной температуре (Mn, Gd) и немагнитных (Ta, Al2O3) прослоек. В частности, показано, использование Mn и Ni может быть перспективным для регулирования коэрцитивной силы без снижения поля обменного смещения. Разработана микромагнитная модель, позволяющая в программном пакете mumax3 рассчитывать поле обменного смещения и коэрцитивную силу в плёночных композитах типа феро-/антиферромагнетик в связи с параметрами поликристаллической структуры и магнитной анизотропией антиферромагнитного слоя. На примере плёнок NiMn/FeNi выполнено тестирование модели. Его результаты показали достаточно высокую адекватность модели. В частности, в предположении бикристаллической структуры удалось описать температурное поведение гистерезисных свойств для образцов с различной магнитной предысторией. Показано, что в плёнках с обменным смещением, содержащих магнитострикционные закрепляющие или закреплённые слои типа DyCo/Fe10Ni90, TbCo/Fe10Ni90, упругая деформация является активным внешним фактором влияющим на характер процессов перемагничивания композитов и их гистерезисные параметры. Установлено, что термомагнитная обработка плёнок типа FeNi/FeMn/Gd-Co по-разному влияет на обменное смещение аморфного слоя и слоя пермаллоя, увеличивая поле обменного смещения первого и уменьшая He второго. Кроме того, специальная процедура охлаждения показала независимость формирования обменного смещения слоя FeNi от присутствия слоя Gd-Co. Обменное смещение слоёв Gd-Co, имеющих магнитную компенсацию, характеризуется специфической зависимостью He(T). Поле обменного смещения резко возрастает вблизи температуры компенсации и изменяет знак при переходе через эту температуру. Это обусловлено уменьшением намагниченности слоя Gd-Co и тем, что при переходе через температуру компенсации происходит смена преобладающего магнитного момента в слое Gd-Co. На основе анализа температурных зависимостей полей обменного смещения показано, что в области магнитной компенсации плотность энергии межслойной связи на интерфейсе FeMn/GdCo изменяется скачкообразно. Причиной этого может быть двухстороннее фрустрирующее воздействие на FeMn со стороны FeNi и Gd-Co. Развитие исследований плёночных структур типа металл/полимер шло по пути совершенствования методики измерений и дизайна слоистых композитов. При этом преследовалась цель более эффективного совмещения принципиально различающихся методик синтеза металлических и полимерных слоёв, позволяющего формировать единый композит, пригодный для решения исследовательских задач. В частности, показано, что осаждение металлических слоёв на полимерную плёнку приводит к деградации свойств последней, и оптимальной является методика, в которой нанесение полимерного слоя завершает формирование композита. Путём сопоставительного анализа динамического электрического отклика на образцах SiO2/Fe20Ni80/PVDF, SiO2/Fe10Ni90/PVDF и SiO2/Fe48Co52/PVDF в отсутствии и при наложении постоянного магнитного поля установлены условия возникновения магнитоэлектрического эффекта. Показано, что он присутствует только в образцах, содержащих магнитострикционный и одновременно магнитомягкий слой Fe10Ni90. Определены типичные зависимости магнитоэлектрического эффекта от частоты, амплитуды переменного магнитного поля и напряжённости постоянного магнитного поля. На образцах типа SiO2/Fe10Ni90/PVDF показано, что магнитоэлектрический эффект в композитах чувствителен к толщине магнитострикционного слоя. Величина полезного сигнала монотонно возрастает примерно в 2,5 раза с увеличением указанной толщины от 50 до 200 нм. При этом отмечена тенденция к насыщению донной зависимости. Это, в частности, может быть следствием ослабления действия подложки, ограничивающей магнитострикционную деформацию, при удалении межслойного интерфейса от поверхности подложки. Опробовано два способа модификации интерфейса между металлическим и полимерным слоями композита типа Fe10Ni90(200)/PVDF(200): варьирование шероховатости слоя Fe10Ni90 и введение между слоями прослойки различной толщины. Определена зависимость величины магнитоэлектрического эффекта ΔU от параметра шероховатости Rq, варьируемого за счёт селективного отжига магнитострикционного слоя. Установлено, что модификация композита за счёт введения немагнитной прослойки Та приводит к монотонному увеличению магнитоэлектрического эффекта при увеличении толщины прослойки. На образце Fe10Ni90(200)/Та(100)/PVDF(200) при частоте и амплитуде переменного магнитного поля 40 кГц и 20 Э соответственно получена величина магнитоэлектрического коэффициента около 500 мВ/(см*Э). Использование подложек с регулярной наноразмерной дефектностью является одними из способов воздействия на магнитные свойства магнитных плёнок и, прежде всего, на коэрцитивную силу и макроскопическую магнитную анизотропию. На данном этапе исследовалось роль таких подложек в формировании свойств композитных плёнок на основе диэлектрика Al2O3 с различными металлическими магнитными наполнителями, содержащими Со. Подложки с регулярной пористой структурой были синтезированы путем однократного анодирования фольг высокочистого алюминия в водном растворе щавелевой кислоты при температуре 2 ℃ и постоянном напряжении 100 В. После анодирования была выполнена механическая полировка с использованием суспензии частиц SiO2 со средним диаметром 40 нм с последующей чисткой в ультразвуковой ванне для удаления остатков суспензии с поверхности. По данным сканирующей электронной микроскопии подложки, полученные по отработанной электрохимической методике и использованные в эксперименте имели средний диаметр отверстий 40 нм и среднее расстоянием между центрами соседних пор 120 нм. Сопоставление петель гистерезиса плёнок металлического Со, осаждённых на стеклянную и пористую подложки, показало что перфорация привела к существенному изменению гистерезисных свойств: исчезла магнитная анизотропия в плоскости; коэрцитивная сила возросла от 15 до 250 Э. Иная ситуация наблюдается для композитных плёнок Со. С использованием методики ZFC/FC показано, что дефектность подложки не изменяет суперпарамагнитного поведения плёнок и лишь немного уменьшает температуру блокировки (с 60 до 50 К). Подобные результаты дала и методика магнитного анализа суперпарамагнитной структуры, давшая практически одинаковый средний размер гранул для плёнок обоих видов (5.5 и 5.3 нм). Установлено, что плёнки типа Gd-Co и Tb-Co, в которых в диапазоне температур 5-300 К имеет место магнитная компенсация обладают перпендикулярной анизотропией. Образование на их основе композитов путём сораспыления с Al2O3 сохраняет признаки перпендикулярной анизотропии в структурах с Gd-Co, но подавляет её в структурах с Tb-Co. Применение наноперфорированных подложек также даёт несколько отличающийся результат для этих составов. В случае Gd-Co перпендикулярная анизотропия полностью разрушается и резко понижается уровень коэрцитивной силы. Для композита с Tb-Co перпендикулярная анизотропия также отсутствует, но коэрцитивная сила много больше и обнаруживает немонотонное изменение с температурой. В целом можно сделать вывод, что использование наноперфорированной подложки эффективно в случае металлических плёнок, но практически не оказывает влияния на свойства композитных плёнок. Отчасти это может быть связано с исходной существенной неоднородностью композитов, обусловленной наличием значительной доли оксидной фазы. Из-за этого создание дополнительных неоднородностей в виде пор нанометрового размера не может оказать сильного воздействия на параметры перемагничивания таких плёнок.