Магнитоструктурные эффекты в пленочных конденсатах на основе 3d-металлов и сплавов редкая земля-переходной металл: исследования и применения

Актуальность.

Вторая половина прошлого столетия ознаменовалась появлением новых областей техники, сыгравших существенную роль в модернизации образовательного, научного и индустриального уровней общества. Появление микроэлектроники, информатики и информационных технологий стало возможно благодаря выдающимся достижениям в разработке новых твердотельных материалов с необычными физическими свойствами.

Можно выделить два направления получения новых свойств у твердотельных материалов: понижение размерности образцов и переход к неупорядоченным структурам.

Двумерные образцы (тонкие пленки) обнаруживают специфические свойства, зависящие от их геометрических размеров. Эти размерные эффекты появляются в том случае, когда какая-либо характерная длина в данном физическом явлении (например, длина свободного пробега электрона, радиус обменного взаимодействия и т. д.) становится сравнимой с толщиной образца. Существование размерных эффектов в тонких пленках открывает широкие возможности экспериментального изучения вещества в пленочном состоянии, позволяет определить микроскопические константы твердого тела, которые трудно или невозможно находить в массивных образцах.

Особое место в физике пленок занимают пленки магнитоупорядоченных веществ [1,2]. Это связанно с тем, что, они позволяют поставить и решить ряд фундаментальных проблем для «двумерного» случая в физике магнетизма, а во-вторых, с тем, что они проявляют интересные физические свойства. Особую значимость приобретают исследования свойств магнитных пленок, направленные на их использование в микроэлектронике и СВЧ-технике. Изучением физических свойств магнитопленочных материалов с монои поликристаллической структурой исследователи занимались до начала 70-х годов.

За это время был обнаружен и интерпретирован целый ряд необычных эффектов в магнитных пленках, которые нашли широкое применение в технике [3]. На повестку дня стал вопрос о создании магнитопленочных материалов с новыми свойствами.

Аморфные ферромагнетики.

В современной физике конденсированного состояния имеется определенный класс объектов, которые называются неупорядоченной системой [4]. В твердом теле неупорядоченность есть следствие неравновесности его структуры, но при этом время существования этой структуры чрезвычайно велико. При определенных условиях в кристаллической области параметров твердого тела может возникнуть новое состояние системы — аморфное. Это долгоживущее слобонеравновесное состояние характеризуется смешанными свойствами. С одной стороны, плотность вещества и ее флуктуации близки к тем, что наблюдается в кристаллическом состоянии, а с другой стороны, корреляционные характеристики близки к жидкой фазе (наличие ближнего и отсутствие дальнего структурного порядка).

К настоящему времени предложен ряд структурных моделей аморфных материалов, которые можно разделить на две большие группы [5]: первая группа моделей основывается на квазижидкостном описании структуры с помощью непрерывной сети хаотически расположенных плотноупакованных атомоввторая группа — основывается на описании структуры кристаллов (кластеров), содержащих высокую плотность дефектов различного типа (в частности, межзеренных границ). Для описания структурно неупорядоченной системы в рамках квазижидкостной модели может служить случайная упаковка шаров в модели Бернала. На базе такой модели были рассчитаны функции радиального распределения, полученные с помощью новых приближенных уравнений Орнштейна-Цернике при плотности кристаллического состояния. Получено расщепление второго максимума в радиальной функции на два пика и предложено считать это расщепление структурным признаком аморфного состояния [6].

Основная идея «кластерной» модели состоит в том, что небольшое число атомов может иметь более низкую энергию в силу упорядоченности в расположении этих атомов. Кластеры рассматриваются как группировки или конфигурации атомов с повышенной упорядоченностью в их взаимном расположении и с более сильными внутренними связями по сравнению с внешними. При этом кластер не имеет поверхности раздела, а переход от одной локальной группировки к другой совершается непрерывно через более разу-порядоченные области. Отличие кластеров от нанокристаллитов заключается в отсутствии у первых трансляционных элементов симметрии. Критический размер кристалла, при котором он еще сохраняет все присущие данному типу кристалла элементы симметрии, и следует считать нижним пределом размера нанокристаллита. Например, для a-Fe этот критический размер ~ 0,5 нм, для Ni ~ 0,6 нм [7]. Очевидно, эти размеры определяют переход от нанокристал-лической к аморфной структуре в рамках кластерной модели.

Закономерности, присущие неупорядоченным системам (в т.ч. аморфным): пространственная однородность в среднем и отсутствие корреляций между локальными случайными параметрами. Эти параметры будучи случайными в конечной системе, стремятся в макроскопическом пределе к определенным неслучайным значениям. Поэтому, несмотря на отсутствие у аморфных сплавов 3<1-металлов дальнего порядка в расположении атомов, в них наблюдается магнитное упорядочение. Первоначально дальний магнитный порядок в атомно-неупорядоченной среде приписывается существованию в структуре неких нанокристаллических областей. Это было связанно с тем, что ферромагнетизм не мыслится без кристаллической решетки. Однако в 60-х годах А. И. Губанов теоретически обосновал возможность существования аморфных ферромагнетиков [8], что в дальнейшем было экспериментально подтверждено. Тем не менее многие особенности свойств аморфных магнитных материалов все еще не получили достаточно полного объяснения. В то же время расширение круга областей практического применения аморфных ферромагнетиков делает задачу изучения природы ферромагнетизма неупорядоченных систем очень актуальной.

Из большого класса аморфных магнитных материалов, находящихся в центре внимания исследователей, остановимся на аморфных пленках сплавов редкоземельных (тербиевая группа) и переходных металлов (РЗМ-ПМ). Эти сплавы сочетают в себе высокие магнитные характеристики 4£металлов (большой магнитный момент) и Зё-металлов (высокая температура Кюри). Однако в кристаллическом состоянии эти металлы образуют лишь небольшое количество стехиометрических составов, которые являются гомогенными фазами. В то же время в случае аморфных сплавов взаимная растворимость Зс1- и 4£металлов имеет широкие концентрационные пределы, что позволяет получать материалы с различными физическими свойствами. Также как и в кристаллических интерметаллических соединениях, в аморфных сплавах переходных и редкоземельных (тербиевая группа) элементов формируется ферримагнитное упорядочение.

Аморфное состояние сплавов РЗМ-ПМ имеет ряд преимуществ по сравнению с другими аморфными системами [9]: различие в радиусах атомов редкоземельных и переходных металлов способствует образованию аморфной фазы и не требует включения в состав стеклообразующей компонентывысокая термостабильность — кристаллизация происходит при Т > 500 Клегко реализуется в пленочных образцах без криогенных температур подложки.

Магнитная структура. В то время как магнитная структура аморфных ферромагнетиков относительно проста, в аморфных ферримагнетиках она может быть очень сложной вследствие преобладающей роли отрицательного обменного взаимодействия между РЗМ и ПМ атомами, а также вследствие высокой локальной магнитной анизотропии со случайным распределением осей. На основе экспериментальных результатов по исследованию магнитной структуры аморфных сплавов РЗМ-ПМ методом упругого рассеивания нейтронов были сделаны следующие выводы [10]: магнитные моменты атомов.

РЗМ ориентируются главным образом параллельно друг другумагнитные моменты подрешеток РЗМ и ПМ ориентируются антипараллельнов зависимости от величины средней локальной анизотропии со случайным распределением осей и средней обменной энергией могут возникнуть различные случайные неколлинеарные магнитные структуры.

Намагниченность. Разупорядочение атомной структуры определяет особенности поведения намагниченности в аморфных пленках РЗМ-ПМ. Величина магнитного момента на формульную единицу, которая определяется из измерений низкотемпературной намагниченности в экстраполяции Т —" О К, оказывается меньше для аморфного состояния по сравнению с соответствующим кристаллическим [И]. Полученный результат интерпретируется, с одной стороны, увеличением магнитного момента переходного металла в аморфном состоянии. Этот эффект связан с тем, что аморфное состояние характеризуется низкой плотностью и большими расстояниями между РЗМ атомами, вследствие чего уменьшен перенос заряда от РЗМ к ПМ атомам, по сравнению с кристаллическим аналогом. С другой стороны, нарушение параллельной ориентации магнитных моментов РЗМ атомов приводит к уменьшению эффективной намагниченности РЗМ подрешетки и понижению намагниченности сплава.

Ферримагнитное упорядочение в пленках РЗМ-ПМ предполагает существование точки магнитной компенсации на концентрационной зависимости намагниченности насыщения при Т = const. Наличие такой точки было экспериментально обнаружено. Компенсационный состав зависит от вида элементов, входящих в сплав: при Т = 300 К самое большое содержание РЗМ-элемента (28 ат. %) в пленках НоСо и самое низкое (22 ат. %) — в TbFe.

Точка Кюри. Температуры Кюри в аморфных и кристаллических ферри-магнетиках, как правило, сильно отличаются. Такое отличие обусловлено влиянием следующих факторов:

1. Переход s-элементов РЗМ атомов в Зё-зону переходного металла в аморфном состоянии менее существенный, что приводит к увеличению магнитного момента переходного металла и точки Кюри в аморфном сплаве.

2. Обменные интегралы и среднее число ближайших соседей в аморфном состоянии существенно отличаются от соответствующих значений для кристаллического состояния вследствие различий химического и позиционного ближних порядков.

3. Несопряжение спинов, локальная магнитная анизотропия и структурные флуктуации обменных интегралов приводят к снижению точки Кюри.

Если предположить, что основное различие точки Кюри сплавов РЗМ-Со и РЗМ-Ре связанно с разным влиянием перераспределения заряда (фактор 1), а другие факторы (2 и 3) играют приблизительно одинаковую роль в этих сплавах, то должны выполняться следующие соотношения: Тса> Тск, для сплавов РЗМ-Со и Тса< Тск, для сплавов РЗМ-Ре.

Этот вывод подтверждают экспериментальные результаты: в аморфных сплавах ТЬСо2 Тса> 600 К (Тск> 240 К), а в сплавах ТЬБе Тса> 390 К (Тск> 704 К) [11]. В аморфных сплавах РЗМ-Со перераспределение заряда не играет существенной роли и не может скомпенсировать влияние других факторов, поэтому в них наблюдается уменьшение температуры Кюри по сравнению с кристаллическим состоянием.

Магнитная анизотропия. В 1973 г. в аморфных пленках сплавов Сё-Со и Сё-Ре была обнаружена большая магнитная анизотропия [12]. Это открытие послужило дополнительным стимулом к изучению свойств аморфных сплавов РЗМ-ПМ, т.к. значительно расширило область практических приложений этих материалов [13, 14].

Для объяснения природы магнитной анизотропии аморфных ферримаг-нетиков был предложен ряд механизмов:

1. Магнитная анизотропия обусловлена анизотропией в расположении пар атомов переходных металлов.

2. Анизотропия, вызванная механическими напряжениями (магнито-упругая анизотропия).

3. «Столбчатая» структура, которая возникает за счет эффектов самоэкранирования во время осаждения пленки.

Направление легкого намагничивания может быть параллельным и перпендикулярным плоскости пленок. Для реализации второго варианта необходимо, выполнение условия К| > 27гМ5 (энергия перпендикулярной анизотропии должна быть больше энергии анизотропии формы образца). Как показали эксперименты, в широкой концентрационной области аморфных сплавов РЗМ-ПМ это условие выполняется. При этом нужно учитывать тот факт, что соотношение вкладов перечисленных выше механизмов формирования магнитной анизотропии определяется составом и технологическими условиями получения пленок.

Магнитооптические свойства. Интерес к магнитооптическим свойствам (эффекты Керра и Фарадея) в аморфных пленках РЗМ-ПМ в значительной степени определяется тем фактором, что они имеют большое значение для практического использования этих материалов [15]. Концентрационные зависимости для пленок с содержанием от 15 до 40 ат. % РЗМ показывают уменьшение угла вращения Керра (<Зк) и Фарадея (С)Р) с увеличением концентрации РЗМ-элемента. В связи с этим встает вопрос о вкладе той и другой подрешетки в формирование магнитооптических эффектов.

Сравнение спектров угла вращения С) к для аморфных пленок сплавов РЗМ-ПМ и пленок переходных металлов показывает, что они имеют одинаковый характер для видимой части спектра. Этот результат подтверждает предположение об основном вкладе ПМ-подрешетки в МО-эффекты для интервала X = 400 700 нм. Таким образом, величина С) к и С) Р вблизи точки магнитной компенсации в аморфных пленках РЗМ-ПМ остается большой, несмотря на то, что МЭф в окрестности точки компенсации близка к нулю.

Практическое использование аморфных пленок РЗМ-ПМ. В 1958 г. была высказана идея термомагнитной записи информации [16]. При использоваи нии для записи лазерного луча (минимальный размер сфокусированного пучка определяется дифракционным пределом и составляет пятно диаметром.

А Л 1 мкм) может быть получена плотность записи ~ 10 бит/см, что на несколько порядков превышало плотность записи устройств памяти, существующих на тот период. Но с реализацией этого метода записи возникли проблемы, которые определялись тем, что к магнитным материалам предъявлялись противоречивые требования. Такую высокую плотность записи могли обеспечить только пленочные материалы с намагниченностью, расположенной по нормали плоскости пленки [17], т. е. должно быть выполнено условие К| > 2пМ5. Для выполнения этого условия требовались материалы с малой величиной Мб. С другой стороны, для увеличения сигнала считывания требовалось большое М8, т.к. ис ~ М8.

Только в середине 70-х годов появились материалы, в которых это противоречие было устранено. Этими материалами стали аморфные пленки сплавов РЗМ-ПМ [17, 18]. Использование сплавов РЗМ-ПМ, близких к точке магнитной компенсации, обеспечивало малую величину эффективной намагниченности. В то же время использование магнитооптических эффектов для считывания информации гарантировало большой сигнал, т.к. намагниченность Зё-подрешетки определяет в основном величину этих эффектов. Задача создания магнитооптических запоминающих устройств на базе пленок РЗМ-ПМ потребовала, с одной стороны, более детального изучения особенностей физических свойств этих материалов (процессы перемагничивания в окрестности точки магнитной компенсации, природа перпендикулярной анизотропии, механизмы старения этих материалов и т. д.), а, с другой стороны, исследования эффектов взаимодействия лазерного излучения с пленками РЗМ-ПМ с целью оптимизации параметров записи. Эти вопросы стали предметом наших исследований в течение 1980 — 1995 гг.

Магнитные нанокристаллические материалы.

В 60-е годы прошлого столетия на стыке физики металлов и коллоидной химии возникло новое направление исследований — физика ультрадисперсных сред. Это направление связанно с изучением особого класса материалов, представляющих собой микроскопические ансамбли малых частиц, размеры которых лежат в области от 1 до 100 нм. Наибольший интерес получили исследования металлических ультрадисперсных сред [19], основные физические свойства которых, существенно отличаются от свойств объемных аналогов. Особенности свойств ансамбля малых частиц определяются как индивидуальными параметрами частиц, так и эффектами взаимодействия между ними. Особые структуры и свойства малых атомных агрегаций представляют значительный научный и прикладной интерес, т.к. являются промежуточными между строением и свойствами изолированных атомов и твердым телом. При этом, чем меньше размер частиц, тем больше специфических свойств они проявляют. Поэтому неудивительно, что в обзоре [20], опубликованном через 10 лет после работы [19], к малым частицам относятся уже структурные образования с размером <10 нм. Эти частицы принято называть нанок-ристаллитами, а ансамбли таких частиц — нанокристаллическими материалами [21].

Физические свойства нанокристаллитов определяются, с одной стороны, влиянием размерных эффектов, когда размеры частиц становятся соизмеримы или меньше, чем характерный корреляционный масштаб того или иного физического явления, а с другой стороны, увеличением доли поверхностных атомов в структуре частицы.

Если говорить о магнитных наночастицах, то новые свойства у них появляются в диапазоне размеров О = 20 40 нм. Частицы Зё-металлов и их сплавов при этих масштабах переходят в однодоменное состояние, что приводит к смене механизма перемагничивания и увеличению коэрцитивной силы. Однако более значительные изменения свойств у этих наночастиц наблюдается при Э < 10 нм, когда доля поверхностных атомов увеличивается до 10-^-50%. В этом случае для понижения свободной энергии частицы происходит перестройка ее структуры: образование фаз с меньшей поверхностной энергией, т. е. с более плотной упаковкой атомов (ОЦК —> ГЦК), или уменьшение среднего межатомного расстояния. Перестройка структуры частиц сопровождается изменением ее физических свойств [19, 20, 22].

В то же время высокая химическая активность поверхностных атомов приводит к тому, что на поверхности частицы образуется оболочка из оксидов, карбидов и других соединений Зс1-металлов, т. е. наночастица перестает быть гомогенным образованием. Взаимодействие «ядра» частицы с «оболочкой» также изменяет магнитные свойства этого наноблока: понижается эффективная намагниченность, увеличивается константа магнитной анизотропии и т. д. [23, 24].

Когда из таких наноблоков получают конденсированные среды, на свойства таких материалов дополнительно к индивидуальным особенностям наночастиц влияют также эффекты взаимодействия между ними, что приводит к значительной модификации и даже принципиальному изменению свойств известных материалов при переходе в нанокристаллическое состояние [25, 26]. Специалисты видят широкое практическое применение этих на-нокомпозитов для создания магнитомягких и магнитожестких, материалов, а также сред-носителей для устройств магнитной памяти нового поколения [27].

Практически все типы наноматериалов, за исключением супрамолеку-лярных [28], из-за структурных особенностей являются неравновесными. В самом общем виде удаление от равновесия и соответственно избыточная свободная энергия Гиббса могут быть связаны характерным для наноматериалов обилием поверхностей раздела, наличием неравновесных фаз, остаточных напряжений и повышенным содержанием дефектов кристаллического строения.

Вполне очевидно, что при термических воздействиях неизбежны рекри-сталлизационные, релаксационные процессы, а также явления распада и фазовых превращений. Все это должно сказываться на физико-химических свойствах, определяя важность изучения эффектов старения этих материалов. Эта задача, также как и исследование природы размерных эффектов, являются важнейшими и сравнительно малоизученными проблемами нанокристал-лических материалов.

Таким образом можно утверждать, что на сегодняшний день многие свойства нанокристаллических материалов еще не нашли должной интерпретации. В то же время большая практическая значимость этих композитов является существенной мотивацией для увеличения внимания со стороны специалистов к изучению свойств этих материалов. В качестве примера повышенного интереса к этой области физики твердого тела может служить тот факт, что в США в структуре Национального совета по науке и технике, который возглавляет лично президент страны, в середине 90-х годов создан подкомитет — Межотраслевая группа по науке, нанотехнике и нанотехноло-гии. С 1997 по 2002 год финансирование исследований в этой области выросло в 6 раз и в 2002 году составило ~ 600 млн. долларов [29].

Здесь уместно привести цитату из выступления в сенате США лауреата Нобелевской премии Ричарда Смоли: «Еще 10 20 лет тому назад большая нанотехнологическая программа была бы преждевременной. Еще не было требуемого инструментария, а также необходимого понимания и умонастроения. Сейчас же мы имеем поток новых результатов и приставка „нано“ слышится на всех научных и технических конференциях по всему миру. Слово „нано“ стало подобно зуммеру. Без национальной нанотехнологической инициативы США уже к 2010 году окажутся в положении, когда будет уже поздно предпринимать усилия по сохранению своего ведущего положения, и им придется уступить во всех сторонах экономики обширные рынки нанотехнологической продукции» [30].

Свойства нанокристаллических магнитопленочных материалов стали объектом наших исследований с 1992 года.

Цели и задачи исследования.

Цель работы: разработка физико-технологических основ создания магнитопленочных материалов с заданными свойствами. Установление и интерпретация связи между различными видами структурной неупорядоченности и магнитными свойствами пленочных конденсатов.

Объект исследования: аморфные ферримагнитные пленки сплавов РЗМ-ПМ и нанокристаллические пленки 3d — металлов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

• Разработать технологию получения аморфных пленок сплавов РЗМ-ПМ в условиях сверхвысокого вакуума (10″ 9 torr) с контролем ряда магнитных параметров «in situ» и нанокристаллических пленок 3d — металлов с размером структурных блоков < 5 нм.

• Провести комплексное исследование корреляции структура-свойства пленочных образцов в исходном состоянии и после термоотжига.

• Изучить эффекты взаимодействия лазерного излучения с аморфными пленками сплавов РЗМ-ПМ.

• Рассмотреть возможности практического использования обнаруженных новых эффектов для создания устройств современной микрои оптоэлек-троники и вычислительной техники.

Научная новизна полученных в диссертации результатов состоит в том, что:

• Разработана вакуумная технология нанесения магнитопленочных конденсатов, создающая основу для получения структурнои магнитонеравно-весных образцов с необходимой степенью топологической и химической неупорядоченностью.

Проведено качественное и количественное описание влияния неоднород-ностей химического и фазового состава на магнитные и электрические свойства неравновесных пленочных конденсатов.

Предложена модель формирования перпендикулярной магнитной анизотропии в аморфных ферримагнитных пленках, основным источником которой являются высокоанизотропные кристаллоподобные кластеры, формирующиеся в области подложки.

Теоретически и экспериментально исследованы особенности термомагнитной записи информации в аморфных ферримагнитных пленках при воздействии коротких импульсов лазерного излучения (т < 10 не). Разработаны физические принципы и созданы магнитопленочные материалы для записи аналоговой информации.

Проведено комплексное исследование магнитных и электрических свойств нанокристаллических пленок 3(1 — металлов с размером наноча-стиц (р < 10 не). Изучены особенности перестройки структуры и физических свойств этих материалов в результате термической релаксации. Проведено экспериментальное исследование влияния эффектов магнитного взаимодействия между суперпарамагнитными частицами на физические свойства пленочных нанокомпозитов.

Практическая ценность полученных в диссертации результатов определяется тем, что:

Предложен новый механизм термомагнитной записи информации в аморфных пленках РЗМ-ПМ, энергетическая чувствительность которого на порядок выше порога чувствительности обычного метода записи в точке Кюри.

На базе разработанного термомагнитного метода записи аналоговой информации создан прибор для визуального наблюдения и фотометрирова-ния структуры оптических излучений и визуализации магнитных полей рассеяния магнитных головок, лент, дисков.

• Показана возможность создания высокорезистивных магнитомягких материалов для устройств СВЧ-электроники на базе нанокристаллических пленок 3d — металлов.

• Предложено использовать наногранулированные материалы с упорядоченным расположением магнитных наночастиц для создания магнитопле.

I л л ночного носителя со сверхплотной записью информации 10 бит/см .

На основе проведенных исследований были выполнены научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по заданию ГКНТ при СМ СССР и ряда министерств. Были разработаны и переданы в производство магнитопленочные датчики слабых магнитных полей, технология получения макетов магнитооптических дисков, магнитооптический визуализатор полей рассеяния на магнитных носителях и магнитных головках.

Апробация полученных результатов. Результаты, изложенные в диссертации, докладывались на Международном коллоквиуме «Magnetic Films and Surfaces» (Регенсбург, 1975; Дюссельдорф, 1994) — на международных конференциях «International Symp. on Magnetism» (Warsaw, 1994; Москва, 1999) — на международной конференции «Magn.multilayers and low dimens. magn.» (Ekaterinburg, Russia, 1994) — на международной конференции NANO-2 (Herald of Russian Acad. Tech. Sei. 1994) — на Всесоюзных конференциях по физике магнитных явлений (Донецк, 1977; Харьков, 1979; Пермь, 1981) — на Всероссийских конференциях — школа-семинар «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (Москва — МГУ, 1994; 1996; 1998; 2000; 2002; 2004) — на Втором всероссийском семинаре «Моделирование неравновесных систем-99» (Красноярск, 1999) — на Первом междисциплинарном семинаре «Фракталы и прикладная синергетика» (Москва — РФФИ, 1999) — на XVI Российской конференции по электронной микроскопии (Черноголовка, 1996) — на Республиканских конференциях «Автоматизация и механизация процессов производства и управления» (Каунас — КПИ, 1979, 1980) — на Всесоюзной школесеминаре «Новые магнитные материалы для микроэлектроники» (Орджоникидзе, 1976) — на Региональных конференциях с международным участием «Ультрадисперсные порошки, материалы и наноструктуры» (Красноярск, 1996; Красноярск, 1999) — на Зональных семинарах по физике магнитных пленок (Иркутск, 1975, 1980, 1982) — на Краевых конференциях НТО им. A.C. Попова (Красноярск, 1975, 1978, 1981, 1982) — на 2-м Краевом совещании-семинаре «Аморфный магнетизм» (Красноярск, 1980) — на Международной научно-практической конференции САКС (Красноярск, 2001; 2003) — на международной конференции «International Baikal scientific conference (Magnetic materials)» (Иркутск, 2001; 2003) — на международном научном семинаре «Инновационные технологии — 2001» (Красноярск, 2001).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 44 опубликованных работахтехнические разработки оформлены в виде 6 авторских свидетельств на изобретения.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы, включающей 207 названий, и изложена на 252 страницах машинописного текста, в том числе 108 рисунков и 14 таблиц.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

В результате проведенной работы осуществлены экспериментальные и теоретические исследования ряда аспектов проблемы создания магнитопле-ночных материалов с новыми свойствами, востребованными современной практикой. Основные научные результаты, представленные в диссертации, сводятся к следующему:

1. Разработана технология получения аморфных пленочных сплавов РЗМ-ПМ в условиях сверхвысокого вакуума с контролем их магнитных параметров «in situ" — развит новый метод импульсно-плазменного напыления нанокристаллических пленок Зё-металлов с размером структурных блоков <5 нм.

2. На пленках сплавов РЗМ (Tb, Dy) — ПМ (Fe, Со) впервые проведены систематические исследования корреляции структуры и магнитных свойств: электронной дифракцией установлена аморфная структура данных конденсатов со структурной единицей (размером 1,0−1,5 нм), обладающей ближним порядком типа СаСи5, а также установлена текстури-рованность данной структуры, обусловленная преимущественным расположением пар атомов ПМ-ПМ вдоль нормали к плоскости пленкиобнаружены особенности температурной и полевой зависимостей намагниченности и ЭДС Холла, а также параметров СВЧ резонансного поглощения, которые обусловлены протеканием спонтанных и индуцированных магнитным полем ориентационных фазовых переходов в двухподрешеточном ферримагнетике, модифицированных неоднородностями атомной и химической структурыв рамках феноменологического подхода исследована магнитная фазовая диаграмма одноосного ферримагнетика вблизи точки магнитной компенсации (Тк) при произвольной ориентации внешнего магнитного поля относительно оси анизотропии. Определены области существования метастабильных состояний в координатах поле-температура, установлено гистерезисное поведение температурных границ этих состояний при малых внешних полях. Показано, что наилучшее описание экспериментальных магнитооптических петель вблизи Тк получается в предположении существования плоскостной анизотропии для одной подрешеткипредложена модель многослойной обменно-связанной системы для описания процессов перемагничивания аморфных пленок РЗМ-ПМ, более полно отражающая реальную ситуацию. Полученные на ее основе индукционные и магнитооптические петли гистерезиса позволяют объяснить особенности наблюдаемых экспериментальных результатовисследовано влияние эффектов старения в пленках РЗМ-ПМ на их магнитные и магнитооптические свойства. Установлено, что наиболее существенным механизмом «старения» являются окислительные процессы, а структурно-релаксационные эффекты работают лишь при Тап > 300 °C. Предложено использование защитных слоев для стабилизации магнитных свойств пленок.

3. Впервые изучены эффекты взаимодействия коротких импульсов лазерного излучения с аморфными пленками РЗМ-ПМ. Получены следующие результаты: проведено численное исследование магнитоструктурных состояний и процесса термомагнитной записи в магнитных пленках с учетом обменного и дипольного взаимодействий и поля анизотропии. Определены параметры оптического излучения и свойства магнитопленочных носителей для реализации устойчивой записи информацииобнаружен новый механизм термомагнитной записи информации, в основе которого лежат упруго-магнитные эффектыэнергетическая чувствительность данного механизма на два порядка выше порога записи в точке Кюриизучены особенности генерации акустических волн в пленках РЗМ-ПМ при воздействии импульсов лазерного излучения. Определены условия, при которых термоупругие напряжения снижают энергию термомагнитной записи.

4. Впервые продемонстрирована возможность термомагнитной записи аналоговой информации на пленках РЗМ-ПМ с перпендикулярной анизотропией и наклонной петлей гистерезиса. Определены оптимальные условия записи и предложена модель, качественно объясняющая основные особенности процесса записи.

5. Предложена модель «оболоченных» наночастиц как основной структурной особенности нанокристаллических пленок Зс1-металлов и экспериментально показано, что в рамках данной модели описываются многие особенности магнитных и электрических свойств исследуемых конденсатов.

6. Предложен способ получения магнитомягких свойств в высокорези-стивных нанокристаллических пленках 3<1-металлов, основанный на переводе системы суперпарамагнитных частиц в состояние кооперативного магнитного упорядочения за счет эффектов магнитного взаимодействия между нимиосуществлена его экспериментальная реализация на пленках системы Со-Бш-О.

7. Комплексные исследования магнитных свойств и эффектов взаимодействия лазерного излучения с аморфными пленками РЗМ—ПМ привели к использованию этих материалов в устройствах оптической обработки информации: создан макет магнитооптического диска с требуемыми рабочими параметрами. Успех в решении этой задачи связан как с разработкой самого рабочего слоя с оптимальными магнитными параметрами, так и с выбором конструкции дискана базе исследований процессов термомагнитной записи информации аналогового вида на пленках РЗМ — ПМ создан прибор для регистрации пространственного распределения интенсивности оптических излучений в большом динамическом и спектральном диапазонах в реальном масштабе времени. Прибор использован в экспериментах по изучению качества обращения волнового фронта ИК — излучения;

— показано, что метод термомагнитного копирования на пленках РЗМ — ПМ можно использовать для изучения магнитных неоднородностей в носителях информации и для магнитооптической визуализации полей рассеяния на магнитных головках.

На исследованные магнитопленочные материалы с новыми магнитными и электрическими свойствами, интересными для практических приложений, получено 6 авторских свидетельств на изобретения.

P.S.

Успешное решение такой многогранной задачи, как доведение результатов чисто физических исследований (к их числу относятся и задачи по установлению корреляции структурасвойства в конденсированных средах) до практических приложений, определялось участием большого коллектива исследователей ряда лабораторий Института физики им. Л. В. Киренского.

Прежде всего необходимо отметить активное участие в этой работе бывших и сегодняшних сотрудников лаборатории физики магнитных пленок (Жигалова B.C., Середкина В. А., Яковчука В. Ю., Бурковой JI.B., Квеглис Л. И., Жаркова С. М., Ерухимова М. Ш., Попова Г. В., Вершинина В. В., Мальцева В. К., Бондаренко Г. В.), а также сотрудников лаборатории сильных магнитных полей (Хрусталева Б.П., Фиш Г. И.), лаборатории когерентной оптики (Попова А.К., Слабко В.В.) и теоротдела (Бермана Г. П., Подмаркова А.Н.).

Благодарю Александрова К. С. за поддержку в выборе магнитопленоч-ных исследований, Игнатченко В. А. за постоянный интерес к нашим работам и Исхакова P.C. за помощь и полезные консультации, оказанные в процессе написания этой диссертации.