Структурно-фазові перетворення в нанорозмірних композиціях на основі Co/Pt і зміни магнітних властивостей за умов термічного та іонного впливу
| dc.contributor.advisor | Владимирський, Ігор Анатолійович | |
| dc.contributor.author | Педань, Роман Васильович | |
| dc.date.accessioned | 2026-06-29T07:14:36Z | |
| dc.date.available | 2026-06-29T07:14:36Z | |
| dc.date.issued | 2026 | |
| dc.description.abstract | 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. | |
| dc.description.abstractother | Pedan R.V. Structural and phase transformations in nanoscale compositions based on Co/Pt and changes in magnetic properties under thermal and ionic influence. – Qualifying scientific work on the rights of the manuscript. Dissertation in support of a Doctor of Philosophy scientific degree in specialty 132 – Materials Science (13 – Mechanical engineering). – National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2026. The dissertation presents the results of a comprehensive experimental study of the influence of physical and technological parameters of heat treatment and ion irradiation on the development of diffusion processes, structural phase transformations and magnetic properties of nanoscale film compositions based on Co/Pt. The relevance of the chosen topic is due to the need to create new nanoscale ferromagnetic materials in connection with the rapid development of modern technologies of nanoelectronics and spintronics - reducing the size of functional elements of integrated circuits, increasing the density of recording and storing information, the need to optimize production and reduce its energy consumption. These trends lead to the emergence of fundamentally new requirements for the functional properties of nanoscale materials, and, consequently, for the methods of their formation. Under such conditions, the development of scientific foundations for the formation of nanoscale ferromagnetic materials with a predetermined structural and phase state and high functional characteristics is an urgent physical and materials science problem. Nanosized film materials based on CoPt are considered as promising ferromagnets for functional devices of nanoelectronics and spintronics. It is known that achieving a magnetically hard state of a material based on CoPt is possible by thermal treatment at relatively low temperatures (0.3 – 0.5 Тm). At the same time, the application of thermal treatment of layered film compositions based on separate Co and Pt layers and additional layers of alloying elements, as well as the use of ion irradiation, is less studied. Although these approaches can potentially reduce the economic and energy costs of forming functional materials, as well as provide the possibility of precise control of the properties of the resulting material by selecting physical and technological processing parameters. Further development of such approaches requires a deeper understanding of the mechanisms at the atomic level of low-temperature diffusion-induced phase formation, the influence of alloying elements and the role of ion irradiation in the formation of the structural and phase state of film compositions based on Co/Pt. Therefore, studies aimed at establishing the regularities of the influence of physical and technological parameters of complex ion-thermal treatment on magnetic characteristics are of particular relevance, which opens up the possibility of targeted control of the functional properties of a nanoscale material. In this context, the results obtained in the dissertation form the scientific basis for the controlled formation of technically relevant nanoscale materials based on CoPt with a complex of high magnetic properties, in demand in modern technologies of nanoelectronics and spintronics - the latest means of storing and processing information, sensor systems, emitters and detectors of electromagnetic radiation, etc. In the introductory part of the dissertation research, the relevance of the chosen topic, which is determined by the need to develop alternative approaches to the formation of hard magnetic film materials, is substantiated in detail. The aim of the work is formulated, which consists in establishing the regularities of the influence of physical and technological parameters of thermal and ion treatment on diffusion-induced phase formation and magnetic properties of nanosized Co/Pt compositions, and the main tasks aimed at achieving it are also defined. The object of the study is clearly outlined - nanosized two- and multilayer film compositions of Co/Pt, and the subject of the study is diffusion processes, structural-phase transformations and magnetic characteristics under conditions of varying treatment modes. The scientific novelty of the obtained results is highlighted, which consists in establishing the role of the sequence of layer deposition, the introduction of an intermediate Au layer and the use of complex ion-thermal treatment in the formation of a magnetically solid state of a film material based on CoPt. Information on the testing of the results at international scientific conferences and their publication in professional publications is provided. The first section presents the results of a thorough analysis of the current state of research in the field of formation and modification of the structure of CoPt-based film materials. The main approaches to obtaining nanosized CoPt-based materials are considered, in particular, alloy deposition on heated single-crystal substrates or deposition at room temperature with subsequent high-temperature annealing. It is shown that such methods, despite their effectiveness in achieving high anisotropy and coercive force, are characterized by limitations associated with the need to use expensive single-crystal substrates and high processing temperatures, which negatively affects the possibility of introducing CoPt-based materials into modern technologies. At the same time, an alternative approach, which involves the formation of an alloy by activating the diffusion interaction between separately deposited Co and Pt layers, has not been studied sufficiently, although it potentially provides control over the formation of the grain structure, phase composition of film compositions and magnetic characteristics. Special attention is paid to the analysis of works devoted to the ion modification of film compositions based on Co/Pt, however, it was found that the influence of complex ionthermal treatment on the processes of diffusion, modification of the structure and formation of magnetic characteristics remains insufficiently studied. The second section provides a detailed description of the experimental methods of obtaining, processing and studying materials. The formation of film compositions was carried out by the method of magnetron sputtering with control of the thickness of the layers and the rate of their deposition. The thermal treatment of the formed film compositions took place in vacuum in a wide temperature range with different durations. Ion irradiation was carried out using N+ and Ar+ ions at constant values of the dose and irradiation energy, which made it possible to assess its influence on the course of structural phase transformations and the formation of magnetic characteristics of the material. To study the structural phase state, the methods of X-ray structural analysis, scanning transmission electron microscopy and secondary ion mass spectrometry were used, which provided information on the phase composition, crystal and grain structure, distribution of elements over the thickness of the film compositions and allowed quantitatively assessing the diffusion parameters. The magnetic properties of the film compositions were determined using vibrational magnetometry and ferromagnetic resonance methods. The third section of the dissertation presents the results of the study of the influence of physical and technological parameters of heat treatment and the sequence of deposition of Co and Pt layers on the development of diffusion processes, structural and phase transformations and magnetic properties of nanosized two-layer compositions Pt(Co)/Co(Pt). The possibility of forming a magnetically hard film alloy CoPt with a coercive force of up to 450 E due to the short-range ordering of its crystal structure as a result of annealing of film compositions in the temperature range of 200 °C – 550 °C is shown. Based on the results of layer-by-layer chemical analysis by secondary ion mass spectrometry, a quantitative assessment of the parameters of diffusion processes by different mechanisms is given. It is determined that the sequence of deposition of Co and Pt layers relative to the substrate has a significant effect on the rate of diffusion processes and the phase formation controlled by them during annealing in the temperature range of 150 °C – 250 °C, at which diffusion along grain boundaries has a dominant contribution. The fourth section of the dissertation presents the results of the study of the influence of the introduction of an Au intermediate layer on the structural-phase transformations and magnetic properties of multilayer nanoscale film compositions based on Co/Pt, subjected to heat treatment in vacuum. It is shown that the presence of an Au intermediate layer in the compositions causes an acceleration of thermally induced diffusion processes and an increase in the coercive force of the film material, processed in the temperature range of 250 °C – 550 °C, up to 2 times compared to the coercivity of two-layer compositions, which is due to the isolation of ferromagnetic grains of the CoPt alloy by a non-magnetic component. The presence of a non-magnetic interlayer provides insulation of ferromagnetic grains, which affects the exchange interaction between ferromagnetic grains and contributes to the increase in the coercive force to values that are 2 times higher than the corresponding parameters of two-layer compositions after similar heat treatment. The results obtained indicate the effectiveness of using intermediate layers for structural engineering and modification of the magnetic characteristics of nanoscale film compositions based on Co/Pt. The fifth section of the dissertation presents the results of studying the influence of complex preliminary ion and subsequent heat treatment on the diffusion-controlled phase formation and magnetic properties of nanoscale film compositions based on Co/Pt. It was found that preliminary ion treatment slows down the development of diffusion processes during subsequent annealing, which is probably associated with the implantation of ions into the crystalline structure of the film material. At the same time, such complex processing allows to achieve higher values of coercive force (up to 268 Oe) compared to those obtained as a result of single-stage annealing (197 Oe). The value of saturation magnetization in the case of complex processing decreases to 670 emu /cm3 for samples irradiated with N+ ions and 600 emu/cm3 for Ar+, respectively. Summarizing the results of the dissertation work, the relationship between the parameters of thermal and ion treatment, the introduction of an additional Au layer, diffusion mechanisms, patterns of structural phase transformations and magnetic characteristics of nanosized Co/Pt film compositions is established, which allows to purposefully control the formation of the structure and magnetic properties and opens up prospects for the creation of functional materials based on Co/Pt with specified operational parameters for modern nanoelectronics and spintronics devices. | |
| dc.format.extent | 152 с. | |
| dc.identifier.citation | 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. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/81968 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | CoPt | |
| dc.subject | дифузія | |
| dc.subject | іонне опромінення | |
| dc.subject | коерцитивна сила | |
| dc.subject | магнітні властивості | |
| dc.subject | нанорозмірні плівкові композиції | |
| dc.subject | структурно-фазові перетворення | |
| dc.subject | термічна обробка | |
| dc.subject | diffusion | |
| dc.subject | ion irradiation | |
| dc.subject | coercivity | |
| dc.subject | magnetic properties | |
| dc.subject | nanoscale thin-film stacks | |
| dc.subject | structural and phase transformations | |
| dc.subject | thermal treatment | |
| dc.subject.udc | [620.22:620.3:539.23](043.3) | |
| dc.title | Структурно-фазові перетворення в нанорозмірних композиціях на основі Co/Pt і зміни магнітних властивостей за умов термічного та іонного впливу | |
| dc.title.alternative | Structural and phase transformations in nanoscale compositions based on Co/Pt and changes in magnetic properties under thermal and ionic influence | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: