Исследование магнитных композитных пленок co-zro 2 и Co-Al 2o 3, полученных методом твердофазного синтеза

Решетнеескцие чтения. 2015

Выращенный слой состоит из кристаллитов Fe3O4, окруженных аморфной матрицей (рис. 2, б). Толщина SiO2 составляет 2 нм. Межплоскостное расстояние, равное 4,85 А, соответствует плоскостям (111) фазы Fe3O4.

Также помимо самих изображений микроструктуры образцов данный микроскоп позволяет определять фазовый состав исследуемых объектов с помощью расшифровки картин микродифракции электронов (электронограмм). Также помимо определения фазового состава с помощью ЭД-спектрометра в скани-рующе-просвечивающем (СПЭМ) режиме возможно не только проведение микроанализа (элементный состав образца) в точке, но также линейное сканирование и картирование (карты распределения элементов) объектов исследования. На рис. 3 приведено комплексное исследование на примере композитной пленки Co-Al2O3, полученной методом твердофазного синтеза.

Кроме кристаллической структуры возможно также исследование магнитной структуры образцов (Ло-ренцева микроскопия), условием наблюдения которой является отсутствие внешнего магнитного поля в районе образца, что достигается отключением объектив-

ной линзы микроскопа. На рис. 4 показан совмещенный снимок пленки Fe-Mn, левая часть снята в стандартном режиме (с включенной объективной линзой), правая в режиме Лоренцевой микроскопии. Видно, что пленка состоит из мелких магнитных доменов.

Таким образом, показано, что ПЭМ является универсальным инструментом, позволяющим решать широкий круг задач в области материаловедения.

Библиографические ссылки

1. Томас Г., Гориндж М. Дж. Просвечивающая электронная микроскопия материалов. М. : Наука, 1983. 320 с.

2. Ricolleau C., Nelayah J., Oikawa T. et al. JEOL news. 2012. № 47. Р. 2-8.

References

1. Tomas G., Goringe M. J. Transmission electron microscopy of materials. Moscow, Nauka Publ., 1983, 320 p.

2. Ricolleau C., Nelayah J., Oikawa T. et al. JEOL news, 2012, 47, 2-8.

© Волочаев М. Н., 2015

УДК 54.057

ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНЫХ КОМПОЗИТНЫХ ПЛЕНОК Co-ZrO2 И Co-Al2O3, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ТВЕРДОФАЗНОГО СИНТЕЗА*

М. Н. Волочаев1,2*, В. С. Жигалов1,2, В. Г. Мягков2

1 Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 2Институт физики им. Л. В. Киренского СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/38 E-mail: volochaev91@mail.ru

Показана возможность синтеза магнитных гранулированных пленок, состоящих из частиц Co, размером порядка 20-100 нм, вложенных в диэлектрическую матрицу. В основе синтеза лежат низкотемпературные термитные реакции в двухслойных системах Co3O4/Zr и C03O4/AI.

Ключевые слова: магнитные гранулированные пленки, твердофазный синтез, термитные реакции.

SOLID STATE SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION OF Co-ZrO2 AND Co-Al2O3 MAGNETIC COMPOSITE THIN FILMS

M. N. Volochaev12*, V. S. Zhigalov12, V. G. Myagkov2

1Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation 2L. V. Kirensky Institute of Physics SB RAS 50/38, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation. E-mail: volochaev91@mail.ru

We have synthesized Co-based magnetic granular thin films (Co-particle size of 20-100 nm, surrounded by a dielectric matrix) by low-temperature thermite reactions in Co3O4/Zr and Co3O4/Al bilayer systems.

Keywords: magnetic granular thin films, solid state synthesis, thermite reactions.

Магнитные нанокомпозитные пленки вызы- масштабном уровне придает пленкам полупровод-вают все больший интерес исследователей в раз- никовые свойства, они могут стать аналогом совре-личных областях науки и техники. Поскольку соче- менных полупроводниковых приборов на основе тание структуры проводник-диэлектрик на нано- кремния.

*Работа выполнена в рамках договора № 0011872 по программе «У.М.Н.И.К. 15-5». Электронно-микроскопические исследования пленок выполнены на оборудовании ЦКП КНЦ СО РАН.

Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической отрасли

а б

Электронно-микроскопические изображения поверхности синтезированных пленок Со-7Ю2

Также такие пленки могут обладать большим маг-нитосопротивлением [1] и использоваться при изготовлении высокоскоростных тонкопленочных транзисторов и рассматриваются как перспективные материалы для зарядовой памяти и магнитной записи информации. Кроме того, данные материалы могут быть использованы в качестве катализаторов и газовых сенсоров [2].

В настоящее время наиболее распространенные методы синтеза магнитных нанокомпозитов и гибридных материалов - методы так называемой «мокрой химии», которые включают в себя жидкофазный золь-гель метод, гидротермальный синтез, метод Пе-чини, распылительную сушку, спрей-пиролиз, крио-химический синтез и др., неотъемлемой частью которых является использование растворов на одной из стадий процесса.

Полученные системы содержат ферромагнитные / ферримагнитные наноразмерные зерна, которые случайным образом распределены в матрице и обладают большим разбросом магнитных свойств. Такие методы вызывают негативные эффекты, такие как загрязнение наночастиц продуктами, спекание, агломерация, и широкий разброс размера зерна. Другим способом получения функциональных магнитных нано-композитов является формирование магнитных гранулированных пленок, созданных на основе совместного осаждения металла и диэлектрика.

Предлагаемый новый метод синтеза гранулированных пленок, состоящих из магнитных частиц, вложенных в диэлектрическую или полупроводниковую матрицу, основан на использовании термитных реакций между слоем оксида ферромагнитного металла и парамагнитного металла-восстановителя. Несмотря на то что некоторые термитные реакции, например Ре203 + 2Л1 ^ 2Бе + Л1203 (реакция Гольд-

шмидта), давно нашли широкое применение как в промышленных (сварка рельсового полотна), так и в военных (изготовление нанопорошковых термитных смесей) целях, в настоящее время термитные реакции исследуются только на свободных от подложки пленках и порошках. Термитные реакции в пленках, осажденных на подложки, исследованы недостаточно широко.

Твердофазный метод получения композитных пленок во многом свободен от недостатков «мокрой химии» и включает в себя следующие этапы:

- осаждение на подложку слоя ферромагнитного металла;

- окисление металлической пленки в атмосфере кислорода;

- осаждение поверх окисла слоя металла-восстановителя;

- вакуумный отжиг двухслойной системы.

Данная технология позволяет получать готовые

магнитные гранулированные пленки (магнитные гранулы в диэлектрической матрице) и имеет следующие преимущества по сравнению с методами «мокрой химии»:

- требует намного меньше финансовых и временных затрат;

- отсутствие загрязнения окружающей среды в процессе синтеза;

- после реакции восстановления получается готовая композитная пленка;

- отсутствие конгломерации (слипания) магнитных гранул;

- малая дисперсность размера магнитных гранул.

Поскольку реакция восстановления необратима,

полученный композит имеет высокую временную, термическую и химическую стабильность.

Решетнееские чтения. 2015

Первые результаты данной технологии получены на системах Ре-1п203 [3] и Бе-2г02 [4], в которых удалось получить магнитные зерна Бе размерами от 50 до 200 нм при низкой температуре инициирования реакции (180 °С для Бе-1п203 и 250°С для Бе- Хг02 соответственно).

В данной работе были получены магнитопленоч-ные композиты Со-Хг02 и Со-А1203 методом твердофазного синтеза между слоями Со304/ Хх и Со304/ А1.

Сперва методом вакуумного термического осаждения при остаточном давлении 10-6 Торр на подложке из №С1(001) и химически чистом стекле (температура подложек составляла 250 °С) получали слой чистого Со толщиной порядка 250 А. Сразу после напыления измеряли величину намагниченности полученных пленок.

Затем пленки Со окисляли в муфельной печи при температуре 450 °С в течение 3 часов. Затем на одну партию пленок осаждали слой Хг, на вторую слой А1 при комнатной температуре подложек, чтобы предотвратить реакцию между слоями оксида Со и металлом-восстановителем в процессе осаждения.

Толщина слоя металла-восстановителя также составляла порядка 250 А. Полученные двухслойные пленки Со304 /Хг и Со304 /А1 многократно отжигались в вакууме при остаточном давлении 10-6 Торр и температуре от 100 до 500 °С с шагом в 50 °С.

Время каждого этапа отжига составляло 1 час. После каждого этапа измерялась намагниченность пленок с целью определения процентного содержания восстановленного Со. В процессе отжига было установлено, что температура инициирования реакции Со304 + 2Хг ^ 3Со + 2Хг02 составила 250 °С и 500 °С

для реакции 3Co3O4 + 8Al ^ 9Co + 4Al2O3 соответственно.

Восстановление Co составило 80 % для системы Co-ZrO2 и 60 % для Co-AbO3.

Методами просвечивающей электронной микроскопии (см. рисунок) установлено, что размер гранул Co (темные области на снимках) составляет 20-100 нм.

Для подтверждения проведен энергодисперсионный анализ, который показывал, что частицы Со покрыты оксидной матрицей.

Таким образом, показано что термитные реакции могут быть успешно использованы для получения магнитных композитных пленок на основе Co с высоким процентным содержанием восстановленного Co (до 80 % для пленок Co-ZrO2 и 60 % для Co-Al2O3) и размером кобальтовых частиц порядка 20-100 нм. Меньший процент восстановления Co в пленках Co-Al2O3 связан с образованием CoO, который менее активен, чем Co3O4.

References

1. Batlle X., Labarta A., Phys J.. D: Appl. Phys. 35 (2002) 15-42.

2. Yueen S., Chen Y., Kubsh J. E., Phys J. Chem. 86 (1982) 3022-3032.

3. Myagkov V. G., Tambasov I. A., Bayukov O. A. et. al. J. Alloys Comp. 612 (2014) 189-194.

4. Myagkov V. G., Bykova L. E., Bayukov O. A. et. al. J. Alloys Comp. 636 (2015) 223-228.

© Волочаев М. Н., Жигалов В. С., Мягков В. Г., 2015

УДК 535.015

ВЛИЯНИЕ НАГРЕВА НАНОЧАСТИЦ ОПТИЧЕСКОГО ПЛАЗМОННОГО ВОЛНОВОДА НА ЕГО ТРАНСМИССИОННЫЕ СВОЙСТВА

В. С. Герасимов1, А. Е. Ершов1, 2 3*, А. П. Гаврилюк1, 3, И. Л. Рассказов1, С. П. Полютов1, С. В. Карпов1, 2

1 Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79

2Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

3Институт вычислительного моделирования СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/44 E-mail: *alexander.ershov@icm.krasn.ru

Рассматривается влияние нагрева частиц оптических плазмонных волноводов как перспективных элементов высокопроизводительных вычислительных комплексов на их функциональные свойства.

Ключевые слова: наноплазмоника, плазмонный резонанс, волновод, наночастица, нагрев.