Лазерный мир

А.И. Грунин, И.И. Лятун, П. А. Ершов, В.В. Родионова, А.Ю. Гойхман // Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. 2014. Вып. 4. С. 18—23, УДК 539.23

Аннотация:

Разработано несколько подходов к формированию тонких пленок тройных интерметаллических соединений на основе сплава Гейслера NiMn-In методом импульсного лазерного осаждения, а именно двухлазерное соосаждение из мишеней чистых металлов и осаждение при низком давлении аргона. Эффективность отработанных методик подтверждена проведенными исследованиями структурных и магнитных свойств сформированных образцов.

Описание на английском языке: Two methods of formating Heusler alloy Ni-Mn-In thin filmsby pulsed laser deposition were developed — two-lasers co-deposition and deposition in low argon pressure. Structural and magnetic properties of grown samples were investigated.

В связи распространением материалов и устройств на основе наноразмерных тонких пленок в последние годы крайне важным становится вопрос о способах формирования подобных структур, так как различные методы могут по-разному влиять на свойства образцов. В настоящее время известно довольно большое количество технологий синтеза тонких пленок, как физических, так и химических.

При этом крайне важно иметь возможность подобрать необходимую методику для конкретного материала и конкретной задачи. Данная работа посвящена структурам на основе сплавов Гейслера [1], относящимся к тройным интерметаллическим соединениям, которые обладают уникальными свойствами, сильно зависящими, в свою очередь, от многих факторов и внешних условий [2].

Это определяет широкий круг возможностей применения этих материалов в различных приложениях — от спинтроники и наноактуаторов до магнитного охлаждения [3—6]. В то же время к процессам формированию тонких пленок таких материалов предъявляются следующие жесткие требования:

— нейтрализация возможности внесения загрязняющих примесей в процессе формирования наноструктур;
— возможность переноса стехиометрического состава материала с мишени в образец;
— стабильность и высокая повторяемость экспериментов;
— точный контроль толщины.

Вышеназванные требования сильно сокращают диапазон методик, которые могут быть применены для синтеза таких наноструктур.

Однако при работе с подобными сплавами возможно путем варьирования химического и стехиометрического составов образцов получить требуемые функциональные свойства. Это накладывает на используемую технологию дополнительные требования:
— возможность изменения стехиометрического состава;
— возможность добавления необходимых материалов в образец в процессе роста.

Особую роль среди методов формирования играет метод импульсного лазерного осаждения (ИЛО), основанный на быстром испарении (абляции) материала твердотельной мишени короткими (обычно 10—20 нс) мощными сфокусированными импульсами лазерного излучения
большой мощности и конденсации разлетающихся частиц плазмы на подложке в условиях сверхвысокого вакуума.

Были отработаны две технологии формирования тонких пленок сплава Гейслера Ni–Mn–In методом ИЛО. Первая заключается в применении двух лазеров для абляции материала в вакуумной камере одновременно двух мишеней чистых металлов Ni, Mn и In либо сплавной мишени Ni–Mn–In вместе с мишенями In и Mn (так называемого двухлазерного соосаждения).

Преимуществом данного метода является прецизионный контроль стехиометрии и возможность получения требуемого состава без необходимости изготовления сплавной мишени для каждого образца. Недостатки технологии: из-за эффекта перераспыления образца в сплавах Гейслера может не происходить перенос концентраций мишени в образец; сложность реализации, вызванная необходимостью одновременного использования двух лазеров, и сверхвысокого вакуума (осаждение пленок при давлении выше 5 · 10–7 Торр вызывало окисление Mn в процессе роста).

Таким образом, данная технология идеально подходит для получения и отработки новых составов сплавов Гейслера, но она слишком сложна для серийного применения.
Вторая технология заключается в осаждении из сплавной мишени определенного стехиометрического состава при низком давлении аргона (~40 мТорр) с использованием одного лазера. При этом тонкопленочные образцы имеют те же концентрации, что и распыляемые сплавные мишени Ni-Mn-In. Такая технология не подходит для отработки и получения новых составов, поскольку для каждого нового состава необходима новая сплавная мишень, но удобна для внедрения в производство.

Для проверки эффективности применения технологии лазерного осаждения с использованием двух лазеров была изготовлена и исследована серия образцов. Общие параметры экспериментов: расстояние подложка-мишень — 6 см, давление в камере — 4,3 · 10–9 Торр, температура подложки при осаждении —29°C. Температура отжига 325°C, длина волны лазера 1—266 нм, лазера 2—532 нм (табл. 1).
Оценить качество полученных наноструктур можно прежде всего методом рентгеновской дифракции. На рисунке 1 изображены дифрактограммы образцов 1 и 3.

…
Полученные результаты позволяют утверждать, что разработанные технологии двухлазерного соосаждения и осаждения в низком давлении аргона эффективны для формирования тонких пленок сплавов Гейслера. Качество полученных образцов было подтверждено исследованиями методом рентгеновской дифракции, вибрационной и СКВИД магнитометрии, энергодисперсионного рентгеноспектрального микроанализа и обратного резерфордовского рассеяния. Более того, показано, что при помощи изменения параметров эксперимента можно менять состав пленок, то есть их структурные и магнитные свойства.

Полное содержание статьи: https://journals.kantiana.ru/upload/iblock/49e/Grunin%20A.,%20Lyatun%20I.,%20Ershov%20P.,%20Rodionova%20V.,%20Goikhman%20A._18-23.pdf