Исследование элементного состава и диффузии компонент тонких пленок железоиттриевого граната
На основе полученных экспериментальных данных по элементному составу тонких пленок железоиттриевых гранатов (ЖИГ) рассчитаны значения коэффициентов диффузии элементов. Проведено сравнение полученных значений коэффициентов диффузии кислорода с известными данными. Анализ и сравнение
 полученны...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Дата: | 2014 |
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2014
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79923 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Исследование элементного состава и диффузии компонент тонких пленок железоиттриевого граната / В.Г. Кириченко, О.В. Коваленко // Вопросы атомной науки и техники. — 2014. — № 1. — С. 133-140. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860238149459902464 |
|---|---|
| author | Кириченко, В.Г. Коваленко, О.В. |
| author_facet | Кириченко, В.Г. Коваленко, О.В. |
| citation_txt | Исследование элементного состава и диффузии компонент тонких пленок железоиттриевого граната / В.Г. Кириченко, О.В. Коваленко // Вопросы атомной науки и техники. — 2014. — № 1. — С. 133-140. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | На основе полученных экспериментальных данных по элементному составу тонких пленок железоиттриевых гранатов (ЖИГ) рассчитаны значения коэффициентов диффузии элементов. Проведено сравнение полученных значений коэффициентов диффузии кислорода с известными данными. Анализ и сравнение
полученных значений коэффициентов диффузии позволяют сделать вывод о незначительной роли диффузии
по ускоренным путям в случае ионно-лучевого осаждения монокристаллических тонких пленок ЖИГ.
На основі отриманих експериментальних даних з елементного складу тонких плівок залізоітрієвих гранатів (ЗІГ) розраховані значення коефіцієнтів дифузії елементів. Проведено порівняння отриманих значень
коефіцієнтів дифузії кисню з відомими даними. Аналіз і порівняння отриманих значень коефіцієнтів дифузії
дозволяє зробити висновок про незначну роль дифузії за прискореними шляхами в разі іонно-променевого
осадження монокристалічних тонких плівок ЗІГ.
On the basis of experimental data on the elemental composition of thin films of YIG the diffusion coefficients of
elements were calculated. A comparison of the values of the coefficients of diffusion of oxygen from the known
data was conducted. Analysis and comparison of the diffusion coefficients suggests a minor role on the diffusion on
accelarative paths in the case of ion-beam deposition of thin films of single-crystal YIG.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:26:41Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №1(89) 133
УДК 548.1:533.9
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА И ДИФФУЗИИ
КОМПОНЕНТ ТОНКИХ ПЛЕНОК ЖЕЛЕЗОИТТРИЕВОГО ГРАНАТА
В.Г. Кириченко, О.В. Коваленко
Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина,
Харьков, Украина
E-mail: val_kir48@mail.ru; тел. +38(057)335-37-55
На основе полученных экспериментальных данных по элементному составу тонких пленок железо-
иттриевых гранатов (ЖИГ) рассчитаны значения коэффициентов диффузии элементов. Проведено сравне-
ние полученных значений коэффициентов диффузии кислорода с известными данными. Анализ и сравнение
полученных значений коэффициентов диффузии позволяют сделать вывод о незначительной роли диффузии
по ускоренным путям в случае ионно-лучевого осаждения монокристаллических тонких пленок ЖИГ.
ВВЕДЕНИЕ
Магнитные пленки феррит-гранатов, в частности
железоиттриевых гранатов (ЖИГ), являются мате-
риалами магнитной микроэлектроники и широко
используются в производстве устройств магнитооп-
тики и сверхвысокочастотной техники. Интерес к
феррит-гранатам стимулируется возможным приме-
нением нанопленок в спинтронике и медицине [1].
Механизм движения доменных стенок (ДС) в
феррит-гранатах с излучением спиновых волн (СВ)
имеет место в магнитных полях Н, сравнимых с по-
лем одноосной магнитной анизотропии, монокри-
сталлических пленках с ориентацией (111), а также с
ориентациями (110) и (210), обладающих ромбиче-
ской магнитной анизотропией [2]. Особенность это-
го механизма в пленках с малым затуханием заклю-
чается в зарождении доменов с обратной намагни-
ченностью (ДОН). Зародыши ДОН возникают в пе-
реходном поверхностном слое пленка/подложка
(ПП). При анализе динамики ДС не всегда учитыва-
ется нестационарность начальной и заключительной
стадий эпитаксиального роста, приводящая к фор-
мированию переходных поверхностных слоев [2].
Зачастую слой ПП неустраним. Поэтому необходи-
мы исследования неоднородности пленок по толщи-
не и элементному составу. Важной особенностью
тонких пленок феррит-гранатов является также не-
однородность магнитных свойств по толщине, обу-
словленных неоднородным распределением грана-
тообразующих элементов вдоль оси роста пленок
[3].
Методом рентгеноспектрального анализа была
исследована слоистая структура пленок ЖИГ тол-
щиной до 4 мкм, эпитаксиально выращенных на
монокристаллических подложках галлий-
гадолиниевого граната (ГГГ). Установлено, что хи-
мический состав пленок изменялся по толщине из-за
неравномерного внедрения ионов подложки, причем
наиболее существенно отличаются по составу и
магнитным свойствам переходной слой пленка-
подложка и поверхностный слой пленки. Возможно,
это определяется результирующей намагниченно-
стью подрешеток отдельных слоев пленок при тем-
пературе измерения [4].
Традиционно толщина пленки h – параметр, оп-
ределяющий размер цилиндричеcких магнитных
доменов (ЦМД) и диапазон его стабильности по
полю смещения, нормальному плоскости образца в
пленках одинакового состава. С помощью интерфе-
ренционного метода толщина пленки вычисляется
как
1
1 2
1 22
n nNh
λ λ
−
⎛ ⎞
= −⎜ ⎟
⎝ ⎠
, где N – число полос, прошед-
ших через данную точку в интервале длин волн от λ1
до λ2; ni – показатель преломления пленки на длине
волны λi [5].
Целью данной работы было определение эле-
ментного состава по толщине пленок ЖИГ с помо-
щью спектрометрии резерфордовского обратного
рассеяния, мессбауэровской спектроскопии конвер-
сионных электронов и измерения оптической про-
зрачности и исследование диффузионных характе-
ристик пленок.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ
Пленки ЖИГ наносились методом ионно-
лучевого распыления (ИЛР) массивной мишени
ЖИГ, обогащенной до 25% изотопом 57Fe на под-
ложки ГГГ ориентации (111) и диаметром 76 мм,
после химической обработки. Скорость нанесения
пленок менялась в диапазоне 0,05…0,2 нм/с. Во из-
бежание образования в пленках дефицита кислорода
в область подложки подавался контролируемый по-
ток ионов кислорода. Метод ИЛР осуществлялся
следующим образом. В вакуумной камере на ми-
шень распыляемого материала из ионного источни-
ка направлялся пучок ионов аргона с плотностью
тока до 10 мА/см2 и энергией 1…3 кэВ. Перед нане-
сением пленки ЖИГ на пластины ГГГ проводилась
ионно-термическая обработка (ИТО) подложек, за-
ключающаяся в облучении подложки ионами ки-
слорода с энергией не более 0,3 кэВ при 570 К в те-
чение 30 мин. Использовались несколько режимов
нанесения пленки. Первый заключался в нанесении
пленки на подложку сразу после ИТО. При втором
режиме после ИТО распыление проводилось в тече-
ние 30 мин на пластину и лишь после этого на под-
ложку ГГГ. Третий режим отличался использовани-
ем ионного источника с холодным катодом. В чет-
вертом режиме распыление мишени проводилось в
безмасляном вакууме. Исходная толщина нанесен-
ных пленок ЖИГ составляла 1…2 мкм. Для прове-
134 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №1(89)
дения послойного анализа производилось стравли-
вание пленок ортофосфорной кислотой. Толщина
пленки при стравливании контролировалась изме-
рением оптической прозрачности подложек с плен-
кой. Изохронный и изотермический отжиги пленок
проводились в печи сопротивления на воздухе в
диапазоне температур 470…1170 К и времени
0,1…10 ч. Элементный анализ приповерхностных
слоев пленок ЖИГ производился с использованием
спектрометрии резерфордовского обратного рассея-
ния (СРОР). Использовались пучки протонов
(Е = 1 МэВ) или α-частиц (Е = 2,2 МэВ), ускоренных
с помощью электростатического генератора Ван де
Граафа. Угол регистрации рассеянных протонов был
равен 160°, α-частиц – 163°, энергетическое разре-
шение спектрометра заряженных частиц не хуже
20 кэВ. Глубина анализируемого слоя составляла до
3 мкм.
Фазовый состав поверхностных слоев тонких
пленок ЖИГ определялся с помощью мессбауэров-
ской спектроскопии на ядрах 57Fе в геометрии об-
ратного рассеяния при регистрации электронов
внутренней конверсии (МСКЭ). Исследуемый обра-
зец, являющийся рассеивателем γ-квантов, поме-
щался внутрь пропорционального проточного де-
тектора конверсионных электронов, работающего на
смеси Не-5%CH4. Образец и источник γ-квантов
57Со в Сг находились при комнатной температуре.
Регистрация спектров рассеяния проводилась с по-
мощью ЯГР-спектрометра.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1-3 приведены типичные спектры РОР
поверхности подложки ГГГ и пленок ЖИГ на под-
ложке ГГГ. Как известно, метод РОР базируется на
облучении образца пучком моноэнергетичных час-
тиц с высокой энергией и регистрации упруго рас-
сеянных налетающих частиц под большими углами.
При этом энергия рассеянной частицы зависит от
массы рассеивающего атома и глубины, на которой
произошло рассеяние [6]. Количество Ni зарегистри-
рованных частиц, рассеянных атомами i-го элемен-
та, определяется выражением:
iii INN σΩ= 0 , (1)
где I – количество упавших на мишень частиц;
N0i – содержание атомов i-го элемента; Ω – телесный
угол детектора; σi – сечение рассеяния. При опреде-
ленных условиях эксперимента величина выхода Ni
пропорциональна сечению. Для столкновений, когда
частица подходит к ядру на расстояние, меньшее
радиуса внутренних оболочек атома, для сечения
рассеяния справедлива формула Резерфорда
( )21 2222 1
1
1 24 2
1 2
1 (( )sin ) cos4
4 sin 1 (( )sin )
i
i
i
M MZ Z e
E M M
θ θ
σ
θ θ
⎡ ⎤− +⎣ ⎦⎛ ⎞
= ⎜ ⎟
⎡ ⎤⎝ ⎠ −⎣ ⎦
(2)
Влияние экранировки электронами ядра атома
мишени может быть учтено в первом порядке вве-
дением поправочного коэффициента к сечению рас-
сеяния в формуле
( )экс Fσ σ θ= Δ , (3)
где 4 3
1 2(1 0,049 / )F Z Z E= − . Потери энергии прямо
пропорциональны толщине вещества, пройденного
ионом. Исходя из этого, энергетическому спектру
рассеянных частиц можно однозначно сопоставить
шкалу глубин. Тогда ширина ΔЕ энергетического
спектра частиц, рассеянных веществом с толщиной
t, равна
,][
cos
1 tSt
dX
dE
dX
dEKE
вых
вх Δ=Δ
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+=Δ
θ
(4)
где [S] – фактор энергетических потерь; |вхdE dX ,
|выхdE dX – скорости потерь энергии частицей на
начальном участке пути и после рассеяния. Предпо-
ложение о постоянстве значений скорости потерь
энергии вдоль всей траектории движения приводит
к линейному соотношению между шириной ΔЕ и
глубиной, где происходит рассеяние.
По спектрам РОР можно определить элементный
состав подложки ГГГ (рис. 1) и пленок ЖИГ на них
(рис. 2, 3). В табл. 1 приведен элементный состав
пленок ЖИГ, нанесенных на подложки ГГГ.
Рис. 1. Спектр РОР поверхности подложки ГГГ
Рис. 2. Спектр РОР пленки ЖИГ на подложке ГГГ
(режим 1)
Рис. 3. Спектр РОР пленки ЖИГ на подложке ГГГ
(режим 1 + отжиг при 970 К)
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №1(89) 135
Таблица 1
Элементный состав приповерхностного слоя
пленок ЖИГ, нанесенных на подложки ГГГ
с использованием различных технологий
Состав, % Образец Y Fe O Gd
1. Стехиометриче-
ский состав 15 25 60 –
2. Режим 1 16 23 61 –
3. Режим 2 8,3 8,3 83 –
4. Режим 1 + отжиг 4 15 62 9
5. Режим 2 + отжиг 27 27 46 –
6. Режим 3 + отжиг 40 20 36 4
7. Режим 4 46 42 12 –
Из табл. 1 следует, что в ряде случаев уже в про-
цессе напыления на поверхность пленки ЖИГ выхо-
дит гадолиний. Гадолиний диффундирует на по-
верхность ЖИГ и после отжига пленок, изготовлен-
ных по режимам 1 и 3. Следует отметить, что при-
сутствие гадолиния в приповерхностном слое не
помешало переходу аморфной в исходном состоя-
нии пленки в магнитоупорядоченное состояние в
процессе отжига (см. рис. 1).
Так, обращает на себя внимание различие в со-
держании Fе и других компонентов ЖИГ уже в ис-
ходном состоянии после приготовления пленок
феррит-гранатов. Возможно, это связано с проник-
новением элементов подложки ГГГ в слой ЖИГ.
Другой причиной этого может быть сегрегация же-
леза по глубине слоя ЖИГ. Это предположение под-
тверждают данные СРОР, приведенные на рис. 2.
В диапазоне глубины 400…600 Å слоя пленки
ЖИГ действительно наблюдается сегрегация атомов
железа. Кроме того, наблюдается и сегрегация Y в
этом же диапазоне толщин слоя ЖИГ.
В [7] при анализе процесса физического роста,
лимитируемого диффузией, показано, что линейный
во времени процесс роста наблюдается в случае,
когда диффузионные процессы вблизи границы (на-
пример, поверхности) наиболее медленные, т. е.
процесс роста лимитируется граничной диффузией.
В случае превалирования объемной диффузии рост
будет происходить по параболическому закону, и
скорость роста будет изменяться как ( )
1
2/D t , где
D – коэффициент диффузии, t – время. Эффективная
диффузионная длина пропорциональна ( )
1
2Dt . Ли-
нейный закон роста характерен в случае, когда один
из линейных размеров r остается постоянным. В
нашем случае геометрия роста в полуограниченном
пространстве представляется следующей схемой
(рис. 4). При любом фазовом превращении с пере-
носом массы на сравнительно большие расстояния
справедливо уравнение диффузии
2(x, t) (x, t),C D c
t
∂
= ∇
∂
r
r где (x, t)c r
– концентрация как
функция пространственных координат xr и t.
Рис. 4. Схема роста пленки ЖИГ на поверхности
ГГГ с переходными слоями вакуум-пленка (В-П),
пленка-подложка (П-П)
В одномерном случае:
2
2
C CD
t t
⎛ ⎞∂ ∂
= ⎜ ⎟∂ ∂⎝ ⎠
. В случае ста-
ционарного потока атомов I, пропорционального
градиенту концентрации (концентрация определяет-
ся как число атомов в единице объема),
CI D
x
∂
= −
∂ .
Коэффициент диффузии 2D dπ= , где π – частота
перескоков атомов; d – расстояние между плоско-
стями решетки, параллельными границе раздела.
Считаем, что коэффициент диффузии D не зависит
от концентрации. Если в начальный момент (t = 0)
нет новой фазы, то начальное условие
( ,0) 0mC x C= ≡
r
(в нашем случае). В случае одно-
мерного роста поверхностного слоя или утолщения
пластины толщина слоя х связана с коэффициентом
диффузии соотношением: x2 = 2Dt. В [8] показано,
что, принимая данную толщину d лазерно-
легированного слоя за диффузионную глубину про-
никновения атомов, можно оценить коэффициент
диффузии по d = (D·t)1/2. Полученное значение
D = 0,8·10–14 см2/с. По порядку величины оно согла-
суется со значениями коэффициента при обычной
термической диффузии (10–14 см2/с). В нашем случае
при определении параметров диффузии кислорода в
ЖИГ обычно предполагается следующее: образцы
изотропны; кислородные вакансии равномерно рас-
пределены по объему; коэффициент диффузии не
зависит от концентрации кислорода; отсутствуют
перекрытия концентрационных кривых при диффу-
зионном отжиге; концентрация кислорода постоян-
на во времени.
На рис. 5-16 представлены распределения ком-
понент по толщине слоя подложек и пленок, полу-
ченных в различных режимах (см. рис. 5, 7, 9, 11, 13,
15), и производные функций концентраций компо-
нент по глубине слоя (см. рис. 6, 8, 10, 12, 14, 16).
Графики зависимостей производных концентрации
компонент по глубине слоя использовались для оп-
ределения диапазонов глубины слоев, при которых
распределение компонент, а значит, и диффузион-
ные характеристики соответствуют стационарному
режиму роста пленок при их осаждении. Для расче-
та коэффициентов диффузии использовалось из-
вестное выражение x2 = 2Dt. Значения коэффициен-
тов диффузии приведены в табл. 2.
136 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №1(89)
Таблица 2
Значения коэффициентов диффузии компонент
пленок ЖИГ
Номер
режима Элемент
Коэффициент
диффузии D, см2/с
Y 0,93·10-12
Fe 0,6·10-12
Gd 0,01·10-12
1
O 0,75·10-12
Y 0,08·10-12
Fe 0,06·10-12
2
Gd 0,01·10-12
Y 0,08·10-12
Fe 0,06·10-12
3
Gd 0,23·10-12
Y 0,15·10-12
Fe 0,13·10-12
4
Gd 0,15·10-12
Рис. 5. Распределение по толщине слоя
компонент подложки и пленки,
полученных по режиму 1
Рис. 6. Производные функции концентрации
компонент по глубине слоя пленки,
полученной по режиму 1
Рис. 7. Распределение по толщине слоя
компонент подложки и пленки,
полученных по режиму 1 после отжига при 70 К
Рис. 8. Производные функции концентрации
компонент по глубине слоя пленки,
полученной по режиму 1 после отжига при 970 К
Рис. 9. Распределение по толщине слоя
компонент подложки и пленки,
полученных по режиму 2
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №1(89) 137
Рис. 10. Производные функции концентрации
компонент по глубине слоя пленки,
полученной по режиму 2
Рис. 11. Распределение по толщине слоя
компонент подложки и пленки, полученных
по режиму 2 на другом участке пленки
Рис. 12. Производные функции концентрации
компонент по глубине слоя пленки, полученной
по режиму 2 на другом участке пленки
Рис. 13. Распределение по толщине слоя
компонент подложки и пленки, полученных
по режиму 3
Рис. 14. Производные функции концентрации
компонент по глубине слоя пленки, полученной
по режиму 3
Рис. 15. Распределение по толщине слоя
компонент подложки и пленки,
полученных по режиму 4
138 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №1(89)
Рис. 16. Производные функции концентрации
компонент по глубине слоя пленки,
полученной по режиму 4
Оценим и сравним полученные значения коэф-
фициентов диффузии (см. табл. 2) с известными
данными. Диффузионные характеристики ЖИГ и в
особенности тонких пленок ЖИГ изучены недоста-
точно. Особенно мало данных по диффузии метал-
лических элементов Y и Fe и элементов подложек
Gd и Ga. Ранее основные результаты были получены
для диффузии кислорода в ЖИГ. Относительно
большое число данных по диффузии кислорода объ-
ясняется существенной ролью давления кислорода и
температурой при получении ЖИГ. Так, для диффу-
зионного отжига при Т = 900…1200 °С и давлении
кислорода 5,06·105 Па в течение 127 ч в случае мас-
сивных образцов ЖИГ (диаметром 56,7 мм и тол-
щиной 6,9 мм) были получены значения коэффици-
ентов диффузии 10-8…2·10-7 см2/с [9]. В [10] для ко-
эффициента диффузии кислорода, измеренного при
внешнем давлении 100 Торр, было получено выра-
жение D = 0,4 exp(−65,4/RT) см2/с (при
Т = 1100…1400 °С). Скорости диффузии кислорода
одинаковы для монокристалла и поликристалла
Y3Fe5O12 с зерном 8 мкм.
Тем не менее, в [11] неожиданно быстрая диффу-
зия кислорода в диапазоне 25…250 °С наблюдалась
в ЖИГ-пленках с добавками кальция. В этом же
диапазоне температур толщина пленки составляла
~ 3 мкм, а диффузионная длина ~0,5 мкм. Предло-
жена модель, основанная на зависимости коэффици-
ента диффузии от концентрации кислородных ва-
кансий.
В [12] исследовано влияние диффузии, локали-
зованной в промежуточном слое пленка ЖИГ-
подложка ГГГ, на возбуждение спиновых волн. Рас-
считаны подходящие температуры, при которых
локализованные или поверхностные моды спиновых
волн могут возбуждаться в осажденных методом
жидкофазной эпитаксии пленках ЖИГ. Такие лока-
лизованные состояния могут быть возбуждены в
случае приложенного магнитного поля параллельно
плоскости пленки.
Полученные в работе значения коэффициентов
диффузии значительно меньше приведенных лите-
ратурных данных для массивных поликристалличе-
ских образцов. Возможно это объясняется незначи-
тельной ролью диффузии по ускоренным путям в
случае монокристаллических тонких пленок ЖИГ.
Исследование диффузионных процессов в переход-
ных слоях В-П, П-П (см. рис. 4) затруднено вследст-
вие немонотонного распределения компонент в этих
слоях. Влияние размерных эффектов следует учиты-
вать и при использовании новых методов получения
ЖИГ, например, методов твердофазных реакций
химического пиролиза [13]. По этим данным метод
пиролиза предполагается более перспективным для
получения ЖИГ с однородной мелкозернистой на-
ноструктурой (до 500 нм), что дает возможность
достичь более низкой удельной намагниченности
насыщения. В [14] приведены результаты компью-
терного моделирования диффузии в неупорядочен-
ных системах, полученные для двух механизмов –
кооперативного и активационного. В первом случае
можно рассчитать коэффициенты самодиффузии в
системе на основе потенциалов межатомного взаи-
модействия. Кооперативный механизм можно про-
анализировать в области коэффициентов диффузии
свыше 10-6 см2·с-1. Исследование этого механизма
при больших переохлаждениях требует иных теоре-
тических подходов и алгоритмов расчета.
По мессбауэровским данным пленки феррит-
гранатов, полученные различными способами напы-
ления, сразу после приготовления находятся в пара-
магнитном состоянии. Спектры МСКЭ представле-
ны уширенными дублетами (рис. 17).
Рис. 17. МСКЭ-спектр феррит-граната,
полученного методом ИЛР
Магнитное сверхтонкое расщепление спектров
МСКЭ тонких пленок ЖИГ сразу после приготовле-
ния отсутствует, поэтому можно сделать вывод, что
спектр относится к парамагнитной аморфной фазе, в
слое которой формируются после напыления слои
феррит-гранатов. Дефектность пленок можно свя-
зать с величиной квадрупольного расщепления
спектров, что подтверждается сравнением парамет-
ров спектров МСКЭ пленок ЖИГ и массивных об-
разцов феррит-гранатов. Спектры рассеяния пара-
магнитных феррит-гранатов можно представить в
виде суперпозиции двух дублетов, относящихся к
положениям ионов Fе3+ в октаэдрических и в тетра-
эдрических узлах. Квадрупольное расщепление Δэксп
для атомов железа в октаузлах составляет около
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №1(89) 139
1 мм/с, для тетраузлов – около (0,3+0,5) мм/с. Так
как величина Δэксп близка к величине для тетраэдри-
ческих положений, то можно сделать вывод, что в
случае аморфного состояния октаэдры искажены
значительно сильнее, чем тетраэдры, поскольку ли-
нии спектра октаэдрических положений имеют сла-
бую интенсивность.
Значения концентрации железа в тонком поверх-
ностном слое ЖИГ, полученные из сравнения вели-
чин эффекта рассеяния, максимальны для режима 1
и минимальны в случае использования режима 3.
Так как величины эффекта рассеяния пропорцио-
нальны содержанию железа в приповерхностном
слое толщиной 0,1 мкм, то отсюда следует, что
пленки ЖИГ различаются по содержанию железа.
Это подтверждается результатами простого экспе-
римента по травлению пленок ЖИГ, полученных в
различных режимах осаждения, и измерению их
оптической прозрачности (рис. 18). Эти зависимости
удовлетворительно согласуются с данными по со-
держанию железа в стравливаемых пленках.
Рис. 18. Зависимость относительного пропускания
света пленок ЖИГ от времени травления
Рис. 19. Разность концентраций компонент пленки,
полученной по режиму 1 после отжига при 900 0С
и до отжига
Для анализа влияния отжига, приводящего к
формированию магнитоупорядоченной структуры,
была получена зависимость разности содержания
компонент пленки (полученной в режиме 1) после
отжига при 900 °С и до отжига (рис. 19).
Видно, что наиболее резкие изменения концен-
трации компонент пленки после отжига наблюдают-
ся в случае кислорода и гадолиния. Причем распре-
деление гадолиния остается однородным после от-
жига, а концентрация кислорода сначала снижается
по глубине пленки, а затем резко возрастает. Для
выявления толщин пленок, при которых происходит
стационарная диффузия компонент, были также по-
лучены значения производных концентрации ком-
понент по глубине пленки (рис. 20).
Рис. 20. Производные функции разности
концентрации компонент по глубине слоя пленки,
полученной по режиму 1 после отжига при 900 0С
и до отжига
Видно, что области стационарности гораздо уже,
чем в случае получения пленок при ионно-лучевом
осаждении. Это затрудняет анализ диффузионных
процессов. С другой стороны, значения узких об-
ластей стационарности, расположенные в районе
глубины пленки примерно 1 мкм, близки к получен-
ным ранее (см. табл. 2).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе на основе полученных эксперименталь-
ных данных по элементному составу тонких пленок
ЖИГ, осажденных на подложках ГГГ, рассчитаны
значения коэффициентов диффузии элементов для
участков стационарного роста пленок. Проведено
сравнение полученных значений коэффициентов
диффузии кислорода с известными данными. Коэф-
фициенты диффузии металлических компонент по-
лучены, по всей вероятности, впервые. Анализ и
сравнение полученных значений коэффициентов
диффузии, которые значительно меньше приведен-
ных литературных данных для массивных поликри-
сталлических образцов, позволяют сделать вывод о
незначительной роли диффузии по ускоренным пу-
тям в случае ионно-лучевого осаждения монокри-
сталлических тонких пленок ЖИГ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Л.М. Летюк, В.Г. Костишин, А.В. Гончар.
Технология ферритовых материалов магнитоэлек-
троники. М.: МИСиС, 2005, с. 352.
140 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №1(89)
2. В.В. Рандошкин. Метод, пригодный для ис-
следования движения доменных стенок в пленках
феррит-гранатов с излучением спиновых волн.
http: //nmmm. phys.msu. ru/ nmmm 22/ download
/01_newmaterials2.pdf.
3. A.N. Shaposhnikov, A.R. Prokopov, V.N. Ber-
zhansky, A.V. Karavaynicov, V.S. Yagupov. Heteroge-
neity of magnetic characteristics on different depth of
high-coercivity monocrystal films of ferrite garnets //
Uchenye zapiski Tavricheskogo Natsionalnogo Univer-
siteta im. V.I. Vernadskogo. Series «Fizika». 2008,
v. 21(60), №1, р. 153-165 (in Russian).
4. С.И. Ющук. Слоистая структура эпитакси-
альных пленок железоиттриевого граната // Журнал
технической физики. 1999, т. 69, в. 12, с. 62-64.
5. В.Н. Дудоров, В.В. Рандошкин, Р.В. Терешин.
Синтез и физические свойства монокристалличе-
ских пленок редкоземельных ферритов-гранатов //
УФН. 1977, т. 122, в. 2, с. 253-293.
6. Н.А. Азаренков, В.Г. Кириченко, В.В. Леве-
нец, И.М Неклюдов. Ядерно-физические методы в
материаловедении. Харьков: ХНУ им. В.Н. Кара-
зина, 2013, с. 300.
7. Дж. Кристиан. Теория превращений в метал-
лах и сплавах. Т. 1. Термодинамическая и общая
кинетическая теория. М.: «Мир», 1978, с. 806.
8. В.Е. Борисенко. Твердофазные процессы в по-
лупроводниках при импульсном нагреве. Минск:
«Наука и техника», 1992, с. 248.
9. Н.Д. Урсуляк, А.В. Меньшиков, А.В. Белиц-
кий. Установка для спекания ферритов в регулируе-
мой кислородной атмосфере // Электронная техни-
ка. Серия «Электроника СВЧ». 1982, с. 49-51.
10. A.E. Palandino, E.A. Maguire, L.G. Rubin. Oxy-
gen ion diffusion in single-crystal and polycrystalline
yttrium iron garnet // J. American Ceramic Society.
1964, v. 47, issue 6, p. 280-282.
11. R.C. LeCraw, E.M. Gyorgy, R.D. Pierce,
J.W. Nielsen, S.L. Blank, D.C. Miller, R.Wolfe. Rapid
oxygen diffusion in Ca‐doped yttrium iron garnet films
at 25 to 250 °C // Appl. Phys. Lett. 1977, v. 31, p. 243-
245.
12. C. Vittoria, J.H. Schelleng. Effects of diffusion
on magnetic excitations in films of yttrium iron garnet //
Phys. Rev. B. 1977, v. 16, p. 4020-4031.
13. А.Н. Булатова, В.В. Смирнов. Влияние соста-
ва и условий синтеза на магнитные свойства и
структуру замещенных феррит-гранатов // Физика и
химия обработки материалов. 2008, №5, с. 61-64.
14. Д.К. Белащенко. Механизмы диффузии в не-
упорядоченных системах // Успехи физических наук.
1999, т. 169, №4, с. 361-384.
Статья поступила в редакцию 12.11.2013 г.
ДОСЛІДЖЕННЯ ЕЛЕМЕНТОГО СКЛАДУ І ДИФУЗІЇ КОМПОНЕНТ ТОНКИХ ПЛІВОК
ЗАЛІЗОІТРІЄВОГО ГРАНАТУ
В.Г. Кіріченко, О.В. Коваленко
На основі отриманих експериментальних даних з елементного складу тонких плівок залізоітрієвих гра-
натів (ЗІГ) розраховані значення коефіцієнтів дифузії елементів. Проведено порівняння отриманих значень
коефіцієнтів дифузії кисню з відомими даними. Аналіз і порівняння отриманих значень коефіцієнтів дифузії
дозволяє зробити висновок про незначну роль дифузії за прискореними шляхами в разі іонно-променевого
осадження монокристалічних тонких плівок ЗІГ.
STUDY OF ELEMENT COMPOSITION AND COMPONENT DIFFUSION
OF YTTRIUM IRON GARNET THIN FILMS
V.G. Kirichenko, O.V. Kovalenko
On the basis of experimental data on the elemental composition of thin films of YIG the diffusion coefficients of
elements were calculated. A comparison of the values of the coefficients of diffusion of oxygen from the known
data was conducted. Analysis and comparison of the diffusion coefficients suggests a minor role on the diffusion on
accelarative paths in the case of ion-beam deposition of thin films of single-crystal YIG.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-79923 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:26:41Z |
| publishDate | 2014 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Кириченко, В.Г. Коваленко, О.В. 2015-04-09T06:56:53Z 2015-04-09T06:56:53Z 2014 Исследование элементного состава и диффузии компонент тонких пленок железоиттриевого граната / В.Г. Кириченко, О.В. Коваленко // Вопросы атомной науки и техники. — 2014. — № 1. — С. 133-140. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79923 548.1:533.9 На основе полученных экспериментальных данных по элементному составу тонких пленок железоиттриевых гранатов (ЖИГ) рассчитаны значения коэффициентов диффузии элементов. Проведено сравнение полученных значений коэффициентов диффузии кислорода с известными данными. Анализ и сравнение
 полученных значений коэффициентов диффузии позволяют сделать вывод о незначительной роли диффузии
 по ускоренным путям в случае ионно-лучевого осаждения монокристаллических тонких пленок ЖИГ. На основі отриманих експериментальних даних з елементного складу тонких плівок залізоітрієвих гранатів (ЗІГ) розраховані значення коефіцієнтів дифузії елементів. Проведено порівняння отриманих значень
 коефіцієнтів дифузії кисню з відомими даними. Аналіз і порівняння отриманих значень коефіцієнтів дифузії
 дозволяє зробити висновок про незначну роль дифузії за прискореними шляхами в разі іонно-променевого
 осадження монокристалічних тонких плівок ЗІГ. On the basis of experimental data on the elemental composition of thin films of YIG the diffusion coefficients of
 elements were calculated. A comparison of the values of the coefficients of diffusion of oxygen from the known
 data was conducted. Analysis and comparison of the diffusion coefficients suggests a minor role on the diffusion on
 accelarative paths in the case of ion-beam deposition of thin films of single-crystal YIG. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Физика и технология конструкционных материалов Исследование элементного состава и диффузии компонент тонких пленок железоиттриевого граната Дослідження елементого складу і дифузії компонент тонких плівок залізоітрієвого гранату Study of element composition and component diffusion of yttrium iron garnet thin films Article published earlier |
| spellingShingle | Исследование элементного состава и диффузии компонент тонких пленок железоиттриевого граната Кириченко, В.Г. Коваленко, О.В. Физика и технология конструкционных материалов |
| title | Исследование элементного состава и диффузии компонент тонких пленок железоиттриевого граната |
| title_alt | Дослідження елементого складу і дифузії компонент тонких плівок залізоітрієвого гранату Study of element composition and component diffusion of yttrium iron garnet thin films |
| title_full | Исследование элементного состава и диффузии компонент тонких пленок железоиттриевого граната |
| title_fullStr | Исследование элементного состава и диффузии компонент тонких пленок железоиттриевого граната |
| title_full_unstemmed | Исследование элементного состава и диффузии компонент тонких пленок железоиттриевого граната |
| title_short | Исследование элементного состава и диффузии компонент тонких пленок железоиттриевого граната |
| title_sort | исследование элементного состава и диффузии компонент тонких пленок железоиттриевого граната |
| topic | Физика и технология конструкционных материалов |
| topic_facet | Физика и технология конструкционных материалов |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79923 |
| work_keys_str_mv | AT kiričenkovg issledovanieélementnogosostavaidiffuziikomponenttonkihplenokželezoittrievogogranata AT kovalenkoov issledovanieélementnogosostavaidiffuziikomponenttonkihplenokželezoittrievogogranata AT kiričenkovg doslídžennâelementogoskladuídifuzííkomponenttonkihplívokzalízoítríêvogogranatu AT kovalenkoov doslídžennâelementogoskladuídifuzííkomponenttonkihplívokzalízoítríêvogogranatu AT kiričenkovg studyofelementcompositionandcomponentdiffusionofyttriumirongarnetthinfilms AT kovalenkoov studyofelementcompositionandcomponentdiffusionofyttriumirongarnetthinfilms |