Носители информации на основе полиморфных сплавов

Вестник ДВО РАН. 2004. № 5

А.М.ГОРОВОЙ, А.Н.МАЛОВ

Носители информации на основе полиморфных сплавов

Методами рентгеноструктурного анализа, магнитометрии и измерением термоэлектрических свойств исследованы тонкие пленки железоникелевых сплавов. Показана возможность создания носителей информации, в основе работы которых лежит различие термоэлектрических и магнитных свойств пленок, имеющих разный тип кристаллической решетки. Отмечена возможность достижения относительно высокого уровня эксплуатационных характеристик предлагаемых в работе носителей по сравнению с существующими аналогами.

The data carriers on the basis of polymorphic alloys. A.M.GOROVOI (Irkutsk Air Force Military Institute), A.N.MALOV (Irkutsk State Technical University).

The properties of Fe-Ni alloy films have been studied by roentgen-structural, magnetometer and thermoelectric analyses methods. The possibility to realize the data carriers having the distinction between thermoelectric and magnetic properties of films of different crystal lattice type in their operating basis has been shown. The possibility of achieving a relatively high level of operational characteristics of carriers presented as compared with existing analogues has been noted.

Введение

В основе работы современных аналого-цифровых устройств записи информации лежит изменение физических свойств элементарных информационных ячеек, входящих в состав информационного слоя носителя [8, 10, 14, 18]. Физические свойства информационного слоя определяются его структурным состоянием -магнитной, кристаллической или электронной структурой материала. Запись информации на оптические и магнитооптические носители производится остросфокуси-рованным излучением полупроводникового лазера посредством теплового или светового воздействия. В процессе записи под действием лазерного излучения происходят локальные изменения физического или химического состояния рабочего слоя носителя и создаются области, отличающиеся коэффициентом отражения. Воспроизведение записи осуществляется также при помощи сфокусированного лазерного облучения информационной дорожки и основано на различных эффектах, связанных с отражением излучения рабочим слоем носителя.

В процессе разработки носителей информации различных типов до настоящего времени не уделялось должного внимания такому свойству некоторых металлов и сплавов, как явление полиморфизма, т. е. способности материалов изменять тип кри-

ГОРОВОЙ Александр Михайлович - кандидат физико-математических наук (Иркутский военный авиационный инженерный институт), МАЛОВ Александр Николаевич - доктор физико-математических наук (Иркутский государственный технический университет).

сталлической решетки при различного рода воздействиях на них, в частности при термообработке. Исследования полиморфных железоникелевых пленок показали, что различие термоэлектрических и магнитных свойств, обусловленное неодинаковым структурным состоянием образцов, может стать основой создания аналого-цифровых носителей информации, что и явилось целью выполнения данной работы.

Полиморфные превращения при лазерном отжиге железоникелевых пленок

Как показано в работе [7], перестройка объемоцентрированной кубической (ОЦК) решетки железоникелевого сплава в гранецентрированную кубическую (ГЦК) (кристаллографическое а^у превращение) сопровождается изменениями в электронной структуре атомов его компонентов. В частности, при переходе сплава из а - в у -кристаллографическую фазу в атомах железа отмечается уменьшение числа Бр-электронов, т. е. внутриатомное перераспределение типа Бр ^ d сопровождается уплотнением электронной периферии.

Эти результаты позволили создать элементарные источники электродвижущей силы (термоЭДС) неизменного химического состава, что явилось условием для разработки физико-технических основ создания термогальванических носителей информации. В большой степени этому содействовала способность железоникелевых сплавов находиться в термодинамически устойчивом метастабильном состоянии как с ОЦК-, так и с ГЦК-решеткой в широком интервале температур [12].

Рентгенографическое исследование кристаллической структуры полиморфных железоникелевых пленок показало, что интервал температур устойчивого состояния одновременно для а - и у -фаз может быть существенно расширен в основном в сторону низких температур для сплавов с ГЦК-решеткой [3, 16]. При этом с уменьшением толщины пленок наблюдалось расширение концентрационного интервала устойчивого состояния у -фазы (рис. 1) по сравнению с образцами металлургического производства.

Это, в свою очередь, позволит расширить диапазон температур надежного сохранения информации в носителях с информационным слоем, выполненным на основе тонких пленок полиморфных железоникелевых сплавов.

Возможность записи информации на носители, в состав информационного слоя которых будут входить участки полиморфного железоникелевого сплава, экспериментально была показана в работе [11]. Исследования проводились на тонкопленочных образцах, полученных методом термического осаждения в вакууме сплава 30 %№-70 %¥е. Подложками „ , ,, , , ч ..

’ Рис. 1. Диаграмма фазовых аОу превращении

явЛяЛИсь свежие ск°ЛЫ монокристаллов в Железоникелевых пленках толщиной 0,2 мкм

№С1, стекло, ситалл, кварц. Толщина пленок составляла 60-200 нм. Для получения пленок, имеющих в исходном состоянии объемоцентрированную кубическую решетку, подложки подогревались до сравнительно невысоких температур (<100 °С).

В основе записи на рассматриваемые в работе носители лежит лазерный отжиг отдельных участков тонкой пленки железоникелевого сплава, которая может служить основной или составной частью информационной дорожки. Отжиг проводился на воздухе при комнатной температуре. Для этого использовался рубиновый лазер, работающий в режиме модулированной добротности. Фазовый состав образцов определялся электронографическим и рентгенографическим методами.

Согласно данным рентгеноструктурного анализа, лазерное облучение исследуемых образцов с плотностью энергии 1000 Дж/м2 и длительностью импульсов 20 нс приводило к перестройке кристаллической решетки: в результате кратковременного нагрева в железоникелевых пленках формировалась кристаллографическая у-фаза. Уменьшение плотности энергии до 600 Дж/м2 приводило к частичному а^у превращению, что подтверждалось данными рентгеноструктурного анализа и электронографии.

Исключить окисление железоникелевой пленки, подвергаемой импульсному лазерному отжигу, позволяет ее защитное покрытие тонким (~ 0,5 мкм) слоем 8Ю2, осажденным в вакууме на пленку непосредственно после конденсации железоникелевого сплава. Полученный таким образом защитный аморфный слой надежно предохраняет железоникелевую пленку от окисления. Это было установлено рентгенографически: на дифрактограммах, снятых с пленок толщиной 200 нм после их конденсации, после лазерного отжига, а также после получасового отжига на воздухе

при температуре 550 °С, следов окиси не наблюдалось.

В исходном состоянии после конденсации, как это следует из результатов рентгеноструктурного анализа (рис. 2, А), образцы находились в кристаллографической а-фазе, соответствующей ОЦК-решетке. В процессе отжига лазером в них происходило а ^ у превращение с образованием ГЦК-решетки (рис. 2, Б).

Таким образом, благодаря лазерному отжигу железоникелевых пленок можно создавать области субмикронных размеров с различным типом кристаллической решетки, устойчивые в широком диапазоне температур, и, как следствие этого, получать локальные изменения 59 58 57 56 55 54 физических СВОЙСТВ В ЭТИХ об-

20, град ластях. Для реализации лазер-

„ „ „ , , .. ной записи на участки инфор-

Рис. 2. Профили рентгеновских дифракционных линии,

снятых с тонкой пленки сплава 30 %№-70 %Бе после кон- маци°нног° сл°я вып°лненн°-

денсации (А) и после облучения лазером (Б) г° из полиморфных железони-

келевых пленок, проводилось изучение зависимости магнитных и электрических свойств этих пленок от их структурного состояния. Это явилось основой для разработки физико-технологических принципов магнитных и термогальванических накопителей, в состав информационного слоя которых входят железоникелевые пленки, имеющие кристаллическую структуру, соответствующую объемоцентрированной и гранецентрированной кубической решетке.

Магнитные носители информации

Изучение магнитных свойств тонких пленок, содержащих от 18 до 40 % никеля в зависимости от типа их кристаллической решетки, свидетельствует о том, что исследуемые образцы, у которых кристаллическая решетка обьемоцентрирован-ная кубическая (а-фаза), обладают высокой намагниченностью насыщения. Тонкие пленки сплавов, кристаллическая решетка которых соответствует у-фазе, имеют ярко выраженную концентрационную зависимость намагниченности, которая монотонно уменьшается с увеличением содержания железа, и при концентрации никеля меньше 28 % образцы становятся парамагнитными (рис. 3).

Отмеченное различие в магнитном состоянии а- и у-фаз тонких пленок дает основание говорить о том, что наиболее приемлемыми для создания информационного слоя накопителей могут быть сплавы, содержащие не более 28 % никеля, где имеет место наибольшее различие в магнитном состоянии (ферромагнетик-парамагнетик) для сплавов с различным типом кристаллической решетки. Поэтому при дальнейшем рассмотрении возможности использовать явление полиморфизма для реализации аналого-цифровой записи информации на магнитные и магнитооптические носители будем исходить из того, что используемый в изготовлении информационного слоя железоникелевый сплав будет содержать не более 28 % никеля.

Характерной особенностью устройств записи-считывания информации, в основе работы которых лежит зависимость магнитного состояния информационного слоя от его кристаллической структуры, должно быть наличие подмагничивающего элемента. Он должен входить в состав устройства считывания и обеспечивать намагничивание ферромагнитных участков информационной дорожки постоянным магнитным полем величиной не более 0,5 кЭ. Из данных, полученных при снятии петель гистерезиса железоникелевых пленок, следует, что отношение 1г/18 у них находится в пределах 0,4-0,45, поэтому остаточная намагниченность ферромагнитных участков информационного слоя будет составлять 600-700 Гс. Эта величина будет определять динамический диапазон изменения намагниченности, обеспечивающий надежное и качественное считывание.

1500

1000

500

0

20 30 40 ат.%№

Рис. 3. Намагниченность насыщения тонких железоникелевых пленок в а- и у-кристаллических модификациях

Запись информации на носители, основой информационного слоя которых является тонкая пленка полиморфного железоникелевого сплава, может производиться путем отжига остросфокусированным излучением полупроводникового лазера отдельных участков информационной дорожки, имеющей в исходном состоянии кристаллическую структуру с объемоцентрированной кубической решеткой. Локальный отжиг ферромагнитной железоникелевой пленки, инициируя в ней кристаллографическое а^у превращение, будет формировать участки информационного слоя, отличающиеся от исходной матрицы не только типом кристаллической решетки, но и магнитным состоянием: отожженные участки будут парамагнитными. Поэтому при цифровой записи парамагнитное и ферромагнитное состояния элементарных информационных ячеек, сформированные на дорожке в соответствии с записанной информацией, можно идентифицировать с логическими «1» и «0».

Накопители информации, работающие по вышеизложенному принципу, могут быть выполнены в виде диска или ленты, подобно используемым в настоящее время накопителям, и адаптированы к существующим устройствам считывания.

Аналоговая форма записи на магнитный носитель, информационная дорожка которого может быть выполнена из полиморфного железоникелевого сплава, должна основываться на том, что намагниченность гетерофазного (а + у)-сплава пропорционально зависит от количественного соотношения в нем ферромагнитной а- и парамагнитной у -фаз. Необходимое количественное соотношение фаз в отжигаемых при аналоговой записи информационных участках определяется температурой отжига этих участков, величина которой находится в интервале температур а ^ у превращения.

В процессе записи величиной амплитуды записываемого аналогового сигнала будет определяться модулируемая им мощность излучения лазера, входящего в устройство записи. Это, в свою очередь, определит температуру лазерного отжига, а следовательно, фазовый состав и намагниченность последовательно расположенных участков информационной дорожки. В данном случае максимальному значению амплитуды считываемого аналогового сигнала должны соответствовать информационные участки дорожки, имеющие максимальную намагниченность, т. е. области, соответствующие кристаллографической а-фазе с ОЦК-решеткой. Тогда минимальному значению амплитуды аналогового сигнала будут соответствовать информационные участки дорожки с парамагнитной у-фазой. Промежуточным значениям амплитуды записываемого сигнала будет соответствовать широкий спектр (больше 0 и меньше 100 %) количественного соотношения а- и у-фаз, которому будет отвечать весь диапазон изменения магнитного состояния элементарных ячеек информационной дорожки носителя.

Термогальванические носители информации

В работе [5] рассматривались физико-технические основы создания носителей информации принципиально нового типа, информационная дорожка кото -рых может быть выполнена из полиморфного сплава, а их работа основана на термогальваническом эффекте Зеебека [13]. Элементарные информационные ячейки у такого типа носителей могут находиться в структурном состоянии, отвечающем а- или у-фазе железоникелевого сплава в соответствии с записанной информацией. Принцип работы таких носителей заключается в возникновении термоЭДС при ло-

Рис. 4. Температурная зависимость термоЭДС при нагреве границы раздела а- и у-фаз в пленке сплава 70 %Ре-30 %№

кальном нагреве остросфоку-сированным излучением считывающего лазера границы раздела а- и у-фаз тонкой пленки железоникелевого сплава. Наличие или отсутствие термоЭДС при этом идентифицируется с логическими «1» или «0» информации, записываемой в цифровом виде.

Экспериментально определенная величина термоЭДС для контактной пары, состоящей из ОЦК- и ГЦК-областей сплошного железоникелевого

проводника, выполненного в виде как проволоки, так и тонкой пленки, составляет около 1,9 мВ/100 °С (рис. 4).

В случае, когда часть контактной пары имеет гетерофазную (а + у) кристаллическую структуру, величина термоЭДС пропорционально зависит от количественного соотношения в ней а- и у-фаз. Если одна составляющая контактной пары будет находиться в структурном состоянии, соответствующем ОЦК-решетке, а фазовый состав второй составляющей будет переменным, то экспериментально определенная зависимость величины термоЭДС от изменения структурного состояния второй составляющей контактной пары при АТ = 100 °С имеет линейный вид (рис. 5).

Такая зависимость является основой для реализации аналоговой формы записи информации. Если на протяжении всей длины информационной дорожки путем соответствующих термообработок остросфокусированным излучением записывающего лазера последовательно создавать элементарные источники переменной термоЭДС, то плавно изменяющаяся их величина будет составлять динамический диапазон амплитуды аналогового сигнала.

Вместе с тем элементарные источники термоЭДС, являющиеся информационными ячейками, можно создавать путем контакта железоникелевого сплава с каким-либо другим металлом. Это было подтверждено при создании контактных пар Бе№-Си и Бе№-№ [9], причем в обоих случаях, как с медью, так и с никелем, полиморфный железоникелевый сплав, содержащий 70 % железа, был от-

^ 9 Рис. 5. Зависимость термоЭДС от фазового (а+у) со-

дельн° представлен в ОЦК- и ГЦК- става в пленке сплава 70 %Бе-30 %№ по отношению к кристаллических модификациях. а-фазе при АТ = 100 0С

Рис. 6. Температурная зависимость термоЭДС для а- и у-кристаллических модификаций сплава 30 %№-70 %Бе по отношению к меди

Рис. 7. Температурная зависимость термоЭДС для а- и у-кристаллических модификаций сплава 30 %№-70 %Бе

по отношению к никелю

пазон (2,6^3,0 мВ/100 °С) аналогового сигнала чественное и надежное его считывание.

Экспериментальные зависимости по определению термоЭДС железоникелевого сплава по отношению к меди и никелю приведены на рис. 6, 7.

Существенное различие в величине наводимой ЭДС у контактных пар меди и никеля с аРе№- и уБеМ-сплавами позволяет сделать вывод о реальной возможности использования полученных результатов для создания накопителей информации принципиально нового типа [2, 4, 6, 15, 17]. Из этих данных следует, что в случае их практической реализации при разработке термогальванических накопителей разницу в величине (рис. 6) или знаке (рис. 7) наводимой термо-ЭДС у контактных пар меди или никеля с а- и у-фазами железоникелевого сплава можно использовать для осуществления цифровой формы записи, идентифицируя эту разницу с логическими «1» и «0» информации.

Экспериментальные результаты, представленные на рис. 6, 7, позволяют говорить о возможности реализации аналоговой формы записи информации [2]. Основанием для этого является абсолютная величина разности наводимой термоЭДС для контактных пар, выполненных из никеля и меди с различными полиморфными модификациями железоникелевого сплава. Такой динамический диа-позволит осуществлять высокока-

Заключение

1. Изготовление рассмотренных накопителей информации возможно с использованием существующих в настоящее время технологий [1], которые применяются при изготовлении различных устройств современной электроники. Кон -структивно они могут быть выполнены в виде диска с концентрическими кольцевыми информационными дорожками или в виде термостойкой гибкой ленты, с

которой поперечно-строчное считывание можно осуществлять путем последовательного сканирующего нагрева информационных дорожек накопителей лазерным излучением. Это позволит адаптировать их к существующим устройствам считывания информации.

2. Плотность записи на носители как термогальванического, так и магнитного типа должна быть не хуже, чем у существующих в настоящее время аналогов, так как в основном она будет определяться диаметром остросфокусированного излучения записывающего полупроводникового лазера.

3. Обратимость аоу превращений полиморфных железоникелевых сплавов после соответствующих термообработок не сопровождается их разрушением и позволяет производить на таких носителях практически неограниченное количество циклов записи-стирания информации. При этом, в отличие от известных магнитных носителей, будет иметь место полное удаление ранее произведенной записи, что может являться очень важным обстоятельством в случаях работы с конфиденциальной информацией.

4. Интервал температур надежного сохранения информации, определяемый термодинамически устойчивым состоянием а- и у-фаз материала информационного слоя представленных в данной работе носителей, находится в области от - 100 до 350 °С. С уменьшением толщины информационной дорожки до 0,1-0,05 мкм он может быть существенно расширен в область низких температур.

5. Несомненным достоинством таких носителей является их невосприимчивость к электромагнитным полям, поскольку тип кристаллической решетки полиморфного железоникелевого сплава при таких воздействиях остается неизменным.

6. Принципиальное отличие термогальванических носителей от всех известных устройств записи заключается в том, что считывание с них будет осуществляться путем регистрации электрических сигналов непосредственно с участка информационной дорожки без промежуточных преобразований, как это имеет место у магнитных или оптических носителей. Это позволит существенно повысить отношение сигнал/шум, т. е. даст возможность улучшить качество считываемой информации и облегчить ее восстановление в случаях частичного разрушения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Броудай Н., Мерей Дж. Физические основы микротехнологий. М.: Мир, 1985. 496 с.

2. Горовой А. М., Шмидт М. В. Аналоговый термогальванический носитель информации // Тез. II Байкальской междунар. науч. конф. «Магнитные материалы». Иркутск, 2003. С. 140-142.

3. Горовой А.М., Ушаков А.И., Казаков В.Г. и др. Исследование приближения к равновесному состоянию в пленках сплавов Бе-№ // Физика металлов и металловедение. 1984. Т. 58. С. 113-118

4. Горовой А.М. Использование полиморфных сплавов для создания рабочего слоя аналого-цифровых устройств записи информации // Материалы XIII Всерос. науч. конф. «Проблемы повышения, боевого применения, технической эксплуатации и обеспечения безопасности полетов летательных аппаратов с учетом климатогеографических условий Сибири, Забайкалья и Дальнего Востока». Ч. 2. Иркутск: ИВАИИ, 2003. С. 31-33.

5. Горовой А.М., Портнов М.А. Термогальванический цифровой носитель информации // Сб. науч. тр. XII Байкальской междунар. конф. «Методы оптимизации и их приложения». Иркутск, 2001. С. 156-161.

6. Горовой А. М., Сафронов Д. А. Цифровой термогальванический носитель информации // Тез. II Байкальской междунар. конф. «Магнитные материалы». Иркутск, 2003. С. 138-140.

7. Добровольский В.Д., Каральник С.М., Коваль А.В. Рентгеноспектральное изучение полиморфизма в сплавах железа // Металлофизика. Киев: Наук. думка, 1972. № 41. С. 68-73.

8. Карпенков С.Х. Тонкопленочные накопители информации. М.: Радио и связь, 1993. 504 с.

9. Моржуев Ю.В., Горовой А.М. Электрические свойства информационного слоя термогальванических носителей информации // Материалы XIII Всерос. науч. конф. «Проблемы повышения боевого применения, технической эксплуатации и обеспечения безопасности полетов летательных аппаратов с учетом климатогеографических условий Сибири, Забайкалья и Дальнего Востока». Ч. 2. Иркутск: ИВАИИ, 2003. С. 106-108.

10. Рандошкин В.В., Червоненкис А.Я. Прикладная магнитооптика. М.: Энергоатомиздат, 1990. 320 с.

11. Ушаков А.И., Горовой А.М., Казаков В.Г. и др. Фазовый а ^ у переход в Fe-Ni пленках под действием лазерного облучения // Физика металлов и металловедение. 1980. Т. 50. С. 440-442.

12. Хансен М., Андерко К. Структуры двойных сплавов. М.: ГНТИ по черной и цветной металлургии, 1962. Т. 2. С. 722-729.

13. Шелковников И.В., Горовой А.М., Белебеев Н.А. Явление Зеебека в сплавах неизменного химического состава // Материалы XIII Всерос. науч. конф. «Проблемы повышения боевого применения, технической эксплуатации и обеспечения безопасности полетов летательных аппаратов с учетом климатогеографических условий Сибири, Забайкалья и Дальнего Востока». Ч. 1. Иркутск: ИВАИИ, 2003. С. 95-96

14. Bennet H. In DVD’s own. DVD-Recortable technology and promise // EMedia Professional. 1998. July P. 31^4.

15. Gorovoi A.M., Malov A.N. Laser data recording and reading on the base of thermogalvanic storage effect // Proc. SPIE. 2003. Vol. 5129. P 255-260.

16. Gorovoi A.M., Ushakov A.I, Kasakov V.G. Phase а ^ у transformation peculiarities in Fe-Ni films // Preg. 9 Intern. Col. Magn. Films Surfuces. Lodz, 1979. P. 203-207.

17. Gorovoi A.M., Malov A.N. Thermogalvanic laser recording and reading data storage device // Proc. SPIE. 2003. Vol. 5134. P. 155-161.

18. Kyung Sun Min,Youngiae Jae Hun, Sung Hoon Kim et al. New recordable optical discs with metal thin film and organic film on polycarbonate // Japan. J. Appl. Phus. 1998. Vol. 37. P 2089-2093.