Ю.В. Касюк Национальный центр физики частиц и высоких энергий Белорусский государственный университет Управление магнитными и магнитотранспортными свойствами нанокомпозиционных пленок FeCoZr-CaF 2 посредством синтеза в атмосфере с варьируемым содержанием кислорода Июня, 2012СИН НАНО

Мотивация Особенности гранулированных композитов металл-диэлектрик: Высокая намагниченность Высокое магнитосопротивление Низкая коэрцитивность Высокое сопротивление. Магнитные сенсоры для высокочастотного применения FeCoB-SiO 2, CoNbTa-SiO 2, FeCoZr-Al 2 O 3, FeCoZr-SiO 2 Ю.В. Касюк металлические наночастицы диэлектрическая матрица Определяющие факторы состав частиц и матрицы соотношение металл- диэлектрик атмосфера синтеза … СИН НАНО

Результаты предыдущих исследований: Мотивация FeCoZr-Al 2 O 3 Ю.В. Касюк синтез в атмосфере с O 2 оксидная оболочка металлическое ядро 5 nm Стабилизация нано- структурированного состояния Усиление туннельного магнитрезистивного эффекта J. Phys. D: Appl. Phys. 44 (2011)

Объект и методика синтеза нанокомпозиты (Fe 45 Co 45 Zr 10 ) x (CaF 2 ) 100-x Атмосфера синетза: Ar и Ar+O 2 P o = 4,3 и 9,8 мПа Ионно-лучевое распыление составных мишеней Образцы: пленки составов x = aт.% h = 1-6 мкм CaF 2 FeCoZr Подложки: керамика и алюминиевая фольга Цель исследований выявить взаимосвязь между изменение x влияние O 2 Ю.В. Касюк фазовый состав и структура магнитные свойства магнитосопротивление СИН НАНО

Методы исследования Элементный состав: Резерфордовское обратное рассеяние 2 MэВ, пучок He + Энергодисперсионный рентгеновский анализ Структурно-фазовый состав: РСА, Empyrean PANalitical (дальний порядок) (графитовый монохроматор, скользящая геометрия, угол 5º) Дифракция электронов Локальное окружение: Ядерная гамма-резонансная спектроскопия ( 57 Fe; источник 57 Co/Rh) EXAFS-спектроскопия DESY synchrotron, Hamburg Магнитные свойства: Вибрационная магнитометрия PPMS Quantum Design (2-350 K, 9 T) Магнитосопротивление: четырех-зондовый метод K, 8 T Ю.В. Касюк СИН НАНО

111CaF FeCo 220CaF FeCo 400CaF FeCo 422CaF FeCo 311CaF 2 331CaF 2 Интенсивность,отн.ед. 200CaF 2 F Структурно-фазовый анализ (FeCoZr) x (CaF 2 ) 100-x атмосфера Ar x=39 aт.% α-FeCo(Zr) ОЦК, Im3m CaF 2 ГЦК, Fm3m 15 x = x = 39 x = 44 x = 58 6 x = 65 Ca кристаллическое состояние CaF 2 a = 5,48-5,51 Å кристаллическое x = 73 фольга Al d=6,5 нм Me Me = Fe(Co) состояние частиц α-FeCo(Zr) a = 2,86-2,93 Å , град. Ю.В. Касюк СИН НАНО

Интенсивность,отн.ед. 111CaF 2 Fe(Co) x O y 110 -FeCo 220CaF 2 Интенсивность,отн.ед. 311CaF 2 Fe(Co) x O y Интенсивность,отн.ед. Fe(Co) x O y 200CoO 110 -FeCo 311CoO 331CoO 2 0 Структурно-фазовый анализ 18 (FeCoZr) x (CaF 2 ) 100-x P O = 4.3 мПа 3,0 x = 74 aт.% x=36 aт.% ,5 2,0 1,5 фольга Al 8686 оксид Fe(Co) х O y B x = , град x = 71 9 x = x = 49 x = 74 3 d=1,5 нм фольга Al 2, град. керамическая подложка , град CoO / FeO ГЦК решетка Ю.В. Касюк СИН НАНО

111CaF 2 Интенсивность,отн.ед. Fe(Co)O 111CoO xy 200CoO 220CaF 2 311CaF 2 220CoO 311CoO 331CoO 9 Структурно-фазовый анализ (FeCoZr) x (CaF 2 ) 100-x x=38 aт.% P O = 9.8 мПа 12 оксид Fe(Co) х O y x = 33 6 x = 38 x = 48 CoO (FeO) Fm3m O Co/Fe 3 x = 71 d=6,0 нм 0 фольга Al , град a = 4,26-4,31 Å Ю.В. Касюк СИН НАНО

Вероятность,% Интенсивность,отн.ед Локальное окружение Fe 1,000 ЯГР-спектры P O = 0 x = 39 0,996 0,992 1,000 x = 29 ат.% СП состояние 8 0,999 0,998 0,997 0,999 0,998 x = 39 ат.% Магнитное взаимодей- ствие = 0,25 = 3,3 нм 3 4 D, нм 0,997 1,000 x = 44 ат.% Магнитная анизотропия 0,996 0,992 h 1 : h 2 : h 3 = 3 : ~0.3 : 1 θ ~ 20º 0,988 1,00 0,99 0,98 0,97 x = 58 ат.% x = 73 ат.% ФМ состояние Скорость, мм/с 68 Ю.В. Касюк СИН НАНО

-4 l (R)l(A) Локальное окружение Fe и Co Неокисленные пленки P O = 0 K-край Fe x = 28 x = 38 x = 46 x = 58 x = 67 -Fe фольга FeCoZr P O = 0 K-край Co х = 28 х = 38 x = 46 x = 58 x = 67 -Co фольга FeCoZr R (A) Разупорядоченное состояние в образцах с х = ат.% FeCoZr Кристаллическое состояние в пленках с х = ат.% Ю.В. Касюк ОЦК струкутра α-FeCo в соответствии с РСА СИН НАНО

l (R)l(A) -4 Интенсивность,отн.ед. l (R)l(A) Локальное окружение Fe и Co Частично окисленные пленки, P O = 4,3 мПа фольга Al O P O = 4.3 мПа Fe/O x = 30 0,999 0,996 0,993 1,000 0,998 Fe 3+ Fe 2+ x = 30 aт.% α-Fe S : IS~0 мм/с, B~34 Tл (80 K) Fe-O D 1 : IS~0,3 мм/с, Fe 3+ QS~0,8 мм/с Fe 3 4 R (A) 5 x = 33 x = 36 x = 43 x = 53 x = 68 x = ,996 0,994 1,000 0,996 0,992 Fe 3+ x = 43 aт.% D 2 : IS~0,9 мм/с, Fe 2+ QS~1,9 мм/с S : IS~0,4 мм/с, Fe 3+ B~40 Tл (80 K) O Co P O = 4.3 мПа K-край Co x = 30 x = 33 x = 36 x = 43 x = 53 x = 68 x = 74 0,988 x = 74 aт.% Скорость, мм/с Ю.В. Касюк R (A) СИН НАНО

Нормализованная x,отн.ед. Интенсивность,отн.ед. Нормализованная x,отн.ед. 1,2 0,9 Локальное окружение Fe и Co Частично окисленные пленки, P O = 4,3 мПа фольга Al частичное окисление Fe P O = 4.3 мПа K-край Fe 0,9 0,999 0,996 0,993 Fe 3+ Fe 2+ x = 30 aт.% α-Fe Fe-O 0,6 0,3 x = 30 aт.% x = 33 aт.% x = 36 aт.% x = 43 aт.% x = 53 aт.% x = 68 aт.% x = 74 aт.% 1,000 0, ,998 1,2 E ph, эВ 0,996 0,994 x = 43 aт.% слабое окисление Co P O2 = 4.3 мПа 1,000 x = 30 aт.% 0,996 0,992 0,988 Fe 3+ x = 74 aт.% 0,6 0,3 x = 33 aт.% x = 36 aт.% x = 43 aт.% x = 53 aт.% x = 68 aт.% x = 74 aт.% , Скорость, мм/с Ю.В. Касюк E ph, эВ СИН НАНО

l (R)l(A) -4 Инетнсивность,отн.ед. l (R)l(A) Локальное окружение Fe и Co Окисленные пленки, P O = 9,8 мПа P O = 9.8 мПа K-край Fe (FeCoZr) 33 (CaF 2 ) 67 (FeCoZr) 70 (CaF 2 ) 30 -Fe 2 O 3 1,000 Fe 2+ Fe-O CoFe 2 O 4 FeO 0,998 0,996 0,994 0,992 Fe 3+ х = 38 ат.% D 1 : IS~0,3 мм/с, QS~0,8 мм/с D 2 : IS~0,8 мм/с, QS~1,6 мм/с P O = 9.8 мПа 3 R (A) 6 K-край Co 0,999 0,996 Fe 3+ Fe 2+ (FeCoZr) 33 (CaF 2 ) 67 (FeCoZr) 70 (CaF 2 ) 30 CoO CoFe 2 O 4 0, ,990 х = 71 ат.% , R (A) Скорость, мм/с Ю.В. Касюк полное окисление наночастиц СИН НАНО

Н Инетнсивность,отн.ед. Нормализованная x,отн.ед. 1,2 Fe 3+ Локальное окружение Fe и Co Окисленные пленки, P O = 9,8 мПа 0,9 P O = 9.8 мПа K-край Fe 1,000 Fe 2+ 0,6 0,998 Fe 3+ 0,3 x 0,996 0, ,994 х = 38 ат.% E ph В 0,992 0,999 Fe 2+ 1,5 P O = 9.8 мПа K-край Co 1,0 0,996 0,993 Fe 3+ 0,5 x = 33 aт.% x = 70 aт.% 0,990 0, х = 71 ат.% , E ph, эВ Скорость, мм/с Ю.В. Касюк полное окисление наночастиц СИН НАНО

Намагниченность,эме/1000 M,эме/г Магнитные свойства 1,5 1,0 0,5 0,0 0,8 0,6 Неокисленные пленки x = 28 aт.% СП состояние T B = 34 K x = 46 aт.% K 100 K 2K 300 K 100 K 5K СП состояние x = 28 aт.% 0,4 0,2 0,0 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 T B = ~98 K ZFC FC (50 Э) x = 67 aт.% H = 50 Э K 100 K 2K x = 46 aт.% x = 67 aт.% 0, Ю.В. Касюк T, K H, кЭ СИН НАНО

H C,кЭ Магнитные свойства Неокисленные пленки x = 28 aт.% x = 46 aт.% x = 67 aт.% перпендикулярно пленке T, K пленка Co-Zr-O (~1 мкм) Ю.В. Касюк J. Appl. Phys. 97 (2005) 10N301 16

M,эме/г 150 Магнитные свойства T =5K разброс в направлениях ,0 0,5 (FeCoZr) 46 (CaF 2 ) 54 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 H, кЭ 180 (FeCoZr) 47 (Al 2 O 3 ) T =5K 0 0,0 0,51,01,52,02,53,03,5 H, кЭ Ю.В. Касюк СИН НАНО

/ 0,% -(M/M S ),отн.ед. 2 3,0 0,5 / 0 0 Магнитосопротивление пленок Неокисленные пленки 2,5 H = 80 кЭ 0,0 -0,5 -1,0 (FeCoZr) 24 (CaF 2 ) K 2,0 1,5 50 K -1,5 1,0 -2,0 -2,5 -3,0 0,00 -0,05 -0,10 (FeCoZr) 33 (CaF 2 ) K 100 K 250 K 150 K 300 K 150 K 50 K 25 K 10 K 300 K МС ~ 2 % 0,0 -0,5 -1,0 (FeCoZr) 24 (CaF 2 ) T, K (FeCoZr) 24 (CaF 2 ) 76 T = 300 K 2 -(M/M S ) 0,0 -0,2 -0,4 -0,15 -0,20 4K -1,5 -0,6 -0,8 -0,25 -2,0 -1, H, кЭ порог перколяции -200 Н, кЭ Ю.В. Касюк СИН НАНО

/ 0,% -(M/M S ) Магнитосопротивление пленок Окисленные пленки P O = 4,3 мПа x K 250 K 150 K x -6 0 (FeCoZr) 37 (CaF 2 ) K 50 K H = 80 кЭ K 150 K T, К (FeCoZr) 49 (CaF 2 ) K 50 K 10 K 0,0 -0,4 -0,8 (FeCoZr) 49 (CaF 2 ) 51 T = 300 K / 0 2 -(M/M S ) 0,0 -0,2 -0,4 300 K 250 K -1,2 -0,6 -0,8 (FeCoZr) 63 (CaF 2 ) K H, кЭ 150 K 10 K 100 K 25 K , Н, Усиление магниторезистивного эффекта в окисленных пленках -1,0 Ю.В. Касюк СИН НАНО

Заключение В нанокомпозиционных пленках FeCoZr-CaF 2 с высоким содержанием FeCoZr (50-75 ат.%) наблюдается магнитная анизотропия, перпендикулярная плоскости пленок, т.е. происходит рост металлических частиц в форме т.н. столбчатых структур Синтез нанокомпозитов FeCoZr-CaF 2 в кислородсодержащей среде (Р О =4,3 мПа) приводит к усилению низкотемпературного отрицательного магниторезистивного эффекта и отсутствию насыщения полевых зависимостей магнитосопротивления, что может являться следствием частичного окисления наночастиц и формирования структур металлическое ядро – оксидная оболочка Использование CaF 2 в качестве матрицы для нанокомпозитов, напыляемых в кислородсодержащей среде, приводит к более слабому окислению наночастиц, чем в случае композитов FeCoZr-Al 2 O 3 при таком же давлении кислорода (Р О =4,3 мПа) (иная динамика окисления) Спасибо за внимание! Ю.В. Касюк СИН НАНО

Collaborators Synthesis of samples XRD Magnetic properties study Mossbauer spectroscopy XANES & EXAFS spectroscopy Electrical properties and MR RBS, XRR Prof. Yu. Kalinin Dr.Ph. A. Sitnikov Dr.Ph. J. Przewoznik Prof. Cz. Kapusta Dr. J. Zukrowski Dr. M. Sikora Prof. A.Fedotov MSc. I.Svito Dr.Ph. M. Marszalek Dr. K. Mitura-Nowak Voronezh State University, Russia AGH University of Science and Technology, Krakow, Poland Belarusian State University, Minsk, Belarus H. Niewodniczanski Institute of Nuclear Physics PAS, Krakow, Poland Financial support Ю.В. Касюк Mianowski Fund, Warszawa, Poland СИН НАНО