Структурно-фазові перетворення в нанорозмірних композиціях на основі Co/Pt і зміни магнітних властивостей за умов термічного та іонного впливу
Вантажиться...
Дата
2026
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Педань Р.В. Структурно-фазові перетворення в нанорозмірних композиціях на основі Co/Pt і зміни магнітних властивостей за умов термічного та іонного впливу. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 132 – Матеріалознавство (13 – Механічна інженерія). – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026. У дисертаційній роботі представлено результати комплексного експериментального дослідження впливу фізико-технологічних параметрів термічної обробки та іонного опромінення на розвиток дифузійних процесів, структурно-фазові перетворення та магнітні властивості нанорозмірних плівкових композицій на основі Co/Pt. Актуальність обраної тематики зумовлена необхідністю створення новітніх нанорозмірних феромагнітних матеріалів у зв’язку із стрімким розвитком сучасних технологій наноелектроніки та спінтроніки – зменшенням розмірів функціональних елементів інтегральних схем, збільшенням щільності запису та збереження інформації, потребою у оптимізації виробництва та зменшенні його енергоємності. Дані тенденції обумовлюють висунення принципово нових вимог до функціональних властивостей нанорозмірних матеріалів, а, отже, – і до методів їх формування. За таких умов розробка наукових основ формування нанорозмірних феромагнітних матеріалів з наперед заданим структурно-фазовим станом та високими функціональними характеристиками є актуальною фізико-матеріалознавчою задачею. Нанорозмірні плівкові матеріали на основі CoPt розглядаються як перспективні феромагнетики для функціональних пристроїв наноелектроніки та спінтроніки. Відомо, що досягнення магнітно-твердого стану матеріалу основі CoPt можливе шляхом термічної обробки за відносно низьких температур (0,3 – 0,5 Тпл). При цьому застосування термічної обробки шаруватих плівкових композицій на основі окремих шарів Co та Pt та додатковими шарами легуючих елементів, а також використання іонного опромінення є менш дослідженим. Хоча ці підходи потенційно можуть дозволити знизити економічні та енергетичні витрати на формування функціональних матеріалів, а також забезпечити можливість точного керування властивостями отриманого матеріалу шляхом підбору фізико-технологічних параметрів обробки. Подальший розвиток таких підходів потребує більш глибокого розуміння механізмів на атомному рівні низькотемпературного дифузійно-індукованого фазоутворення, впливу легуючих елементів та ролі іонного опромінення у формуванні структурно-фазового стану плівкових композицій на основі Co/Pt. Тому особливої актуальності набувають дослідження, спрямовані на встановлення закономірностей впливу фізико-технологічних параметрів комплексної іонно-термічної обробки на магнітні характеристиками, що відкриває можливість цілеспрямованого керування функціональними властивостями нанорозмірного матеріалу. У цьому контексті отримані в дисертаційній роботі результати формують наукову основу керованого формування технічно-актуальних нанорозмірних матеріалів на основі CoPt із комплексом високих магнітних властивостей, затребуваних у сучасних технологіях наноелектроніки та спінтроніки – новітніх засобах зберігання та обробки інформації, сенсорних системах, емітерах та детекторах електромагнітного випромінювання тощо. У вступній частині дисертаційного дослідження детально обґрунтовано актуальність обраної тематики, що визначається потребою розробки альтернативних підходів до формування магнітно-твердих плівкових матеріалів. Сформульовано мету роботи, яка полягає у встановленні закономірностей впливу фізико-технологічних параметрів термічної та іонної обробки на дифузійно-індуковане фазоутворення та магнітні властивості нанорозмірних композицій Co/Pt, а також визначено основні задачі, спрямовані на її досягнення. Чітко окреслено об’єкт дослідження – нанорозмірні дво- та багатошарові плівкові композиції Co/Pt, і предмет дослідження – дифузійні процеси, структурно-фазові перетворення та магнітні характеристики за умов варіювання режимів обробки. Висвітлено наукову новизну одержаних результатів, що полягає у встановленні ролі послідовності нанесення шарів, введення проміжного шару Au та застосування комплексної іонно-термічної обробки у формуванні магнітно-твердого стану плівкового матеріалу на основі CoPt. Наведено відомості про апробацію результатів на міжнародних наукових конференціях та їх публікацію у фахових виданнях. У першому розділі представлено результати ґрунтовного аналізу сучасного стану досліджень у галузі формування та модифікації структури плівкових матеріалів на основі CoPt. Розглянуто основні підходи до отримання нанорозмірних матеріалів на основі CoPt, зокрема – осадження сплаву на нагріті монокристалічні підкладинки або осадження за кімнатної температури з подальшим високотемпературним відпалом. Показано, що такі методи, попри ефективність у досягненні високої анізотропії та коерцитивної сили, характеризуються обмеженнями, пов’язаними з необхідністю використання дороговартісних монокристалічних підкладинок та високих температур обробки, що негативно впливає на можливість впровадження матеріалів на основі CoPt у сучасні технології. Водночас альтернативний підхід, який передбачає формування сплаву шляхом активації дифузійної взаємодії між окремо осадженими шарами Co та Pt, досліджений недостатньо, хоча він потенційно забезпечує контроль формування зеренної структури, фазового складу плівкових композицій та магнітних характеристик. Окрему увагу приділено аналізу робіт, присвячених іонній модифікації плівкових композицій на основі Co/Pt, однак встановлено, що вплив комплексної іонно-термічної обробки на процеси дифузії, модифікації структури та формування магнітних характеристик залишається недостатньо дослідженим. У другому розділі наведено детальний опис експериментальних методів отримання, обробки та дослідження матеріалів. Формування плівкових композицій здійснювалося методом магнетронного розпорошення з контролем товщини шарів та швидкості їх осадження. Термічна обробка сформованих плівкових композицій відбувалася у вакуумі в широкому температурному інтервалі з різною тривалістю. Іонне опромінення здійснювали з використанням іонів N+ та Ar+ за постійних значень дози і енергії опромінення, що дало змогу оцінити його вплив на перебіг структурно-фазових перетворень та формування магнітних характеристик матеріалу. Для дослідження структурно-фазового стану застосовано методи рентгеноструктурного аналізу, скануючої трансмісійної електронної мікроскопії та мас-спектрометрії вторинних іонів, що забезпечило отримання інформації щодо фазового складу, кристалічної та зеренної структури, розподілу елементів за товщиною плівкових композицій та дозволило кількісно оцінити параметри дифузії. Магнітні властивості плівкових композицій визначали з використанням методів вібраційної магнітометрії та феромагнітного резонансу. У третьому розділі дисертаційної роботи представлено результати дослідження впливу фізико-технологічних параметрів термічної обробки та послідовності нанесення шарів Co та Pt на розвиток дифузійних процесів, структурно-фазових перетворень та магнітні властивості нанорозмірних двошарових композицій Pt(Co)/Co(Pt). Показана можливість формування магнітно-твердого плівкового сплаву CoPt з коерцитивною силою до 450 Е за рахунок ближнього впорядкування його кристалічної структури в результаті відпалу плівкових композицій в температурному інтервалі 200 °С – 550 °С. На основі результатів пошарового хімічного аналізу методом мас-спектрометрії вторинних іонів дано кількісну оцінку параметрів дифузійних процесів за різними механізмами. Визначено, що послідовність нанесення шарів Co і Pt відносно підкладинки має суттєвий вплив на швидкість перебігу дифузійних процесів і контрольоване ними фазоутворення в процесі відпалу в температурному інтервалі 150 °С – 250 °С, за якого дифузія границями зерен має домінуючий внесок. У четвертому розділі дисертаційної роботи наведено результати дослідження впливу введення проміжного шару Au на структурно-фазові перетворення та магнітні властивості багатошарових нанорозмірних плівкових композицій на основі Co/Pt, підданих термічній обробці у вакуумі. Показано, що наявність у композиціях проміжного шару Au обумовлює прискорення термічно-індукованих дифузійних процесів та збільшення коерцитивної сили плівкового матеріалу, обробленого в температурному інтервалі 250 °С – 550 °С, до 2 разів порівняно зкоерцитивністю двошарових композицій, що обумовлено ізоляцією феромагнітних зерен сплаву CoPt немагнітним компонентом. Наявність немагнітного прошарку забезпечує ізоляцію феромагнітних зерен, що впливає на обмінну взаємодію між феромагнітними зернами та сприяє зростанню коерцитивної сили до значень, які у 2 рази перевищують відповідні параметри двошарових композицій після аналогічної термічної обробки. Отримані результати свідчать про ефективність використання проміжних шарів для структурної інженерії та модифікації магнітних характеристик нанорозмірних плівкових композицій на основі Co/Pt. У п’ятому розділі дисертаційної роботи наведено результати дослідження впливу комплексної попередньої іонної та наступної термічної обробки на дифузійно-контрольоване фазоутворення та магнітні властивості нанорозмірних плівкових композицій на основі Co/Pt. Виявлено, що попередня іонна обробка уповільнює розвиток дифузійних процесів за наступного відпалу, що ймовірно пов’язано з імплантацією іонів до кристалічної структури плівкового матеріалу. Водночас, така комплексна обробка дозволяє досягти вищих значень коерцитивної сили (до 268 Е) порівняно з тими, що одержано в результаті одностадійного відпалу (197 Е). Значення намагніченості насичення у випадку застосування комплексної обробки зменшується до 670 е.м.о./см3 для опромінених іонами N+ зразків і 600 е.м.о./см3 для Ar+ , відповідно. Узагальнюючи результати дисертаційної роботи, встановлено взаємозв’язок між параметрами термічної та іонної обробки, введенням додаткового шару Au, механізмами дифузії, закономірностями структурно-фазових перетворень та магнітними характеристиками нанорозмірних плівкових композицій Co/Pt, що дозволяє цілеспрямовано керувати формуванням структури та магнітних властивостей й відкриває перспективи створення функціональних матеріалів на основі Co/Pt із заданими експлуатаційними параметрами для сучасних приладів наноелектроніки та спінтроніки.
Опис
Ключові слова
CoPt, дифузія, іонне опромінення, коерцитивна сила, магнітні властивості, нанорозмірні плівкові композиції, структурно-фазові перетворення, термічна обробка, diffusion, ion irradiation, coercivity, magnetic properties, nanoscale thin-film stacks, structural and phase transformations, thermal treatment
Бібліографічний опис
Педань, Р. В. Структурно-фазові перетворення в нанорозмірних композиціях на основі Co/Pt і зміни магнітних властивостей за умов термічного та іонного впливу : дис. … д-ра філософії : 132 Матеріалознавство / Педань Роман Васильович. - Київ, 2026. - 152 с.