3.4 Магнитные и электрические свойства пленок Co

С помощью метода динамической магнитно-силовой микроскопии (МСМ) (кантилевер колеблется с резонансной частотой) визуализировано пространственное распределение по поверхности металлических пленок производной магнитной силы, которая пропорциональна второй производной магнитного поля. Цветовой контраст, наблюдаемый на МСМ-изображениях, свидетельствует о наличии доменной структуры. Следует отметить, что из-за сравнительно большой высоты холмов топография поверхности пленок частично оказывает влияние на характер МСМ-изображений. Как видно из рисунка 19, пленки кобальта, полученные при температуре испарителя 120 ⁰С, характеризуются слабо выраженной доменной структурой.

а

б

в

г

д

е

Рисунок 19 - Морфология поверхности (а, в, д) и магнитная структура (б, г, е) пленок Co, нанесенных на подложку Si при температуре испарителя 120 ⁰С и температурах подложки 310 (а, б) и 350 (в, г) и 420 ⁰С (д, е); атомно-силовая микроскопия

Помимо отсутствия доменной структуры невысокие магнитные свойства у пленок Co подтверждают также петли гистерезиса, измеренные в направлении оси легкого намагничивания (рисунок 20).

а

б

в

г

Рисунок 20 - Петли гистерезиса пленок Co, нанесенных на подложку Si при температуре испарителя 120⁰С и температурах подложки 310 (а), 330 (б), 350 (в) и 420⁰С (г)

Как видно из рисунка 20, пленки Co, полученные при температуре подложки 310 ⁰С характеризуются сравнительно узкой петлей гистерезиса с низкими значениями остаточной намагниченности и намагниченности насыщения. Повышение температуры испарителя до 330 ⁰С способствует двукратному росту намагниченностей пленок, однако их величина остается по-прежнему невысокой. При этом слегка увеличивается коэрцитивная сила, и петля гистерезиса становится более широкой. Дальнейшее повышение температуры подложки до 350 ⁰С приводит к резкому уменьшению всех магнитных характеристик пленок Co и к сужению петли гистерезиса. Однако при температуре подложки, равной 420 ⁰С, исследуемые пленки характеризуются высокими значениями коэрцитивной силы, остаточной намагниченности и намагниченности насыщения, а также широкой петлей гистерезиса.

Повышение температуры испарителя до 130 ⁰С способствует существенному росту величин остаточной намагниченности и намагниченности насыщения пленок Co (Рисунок 21).

Рисунок 21 – Петли гистерезиса тонких пленок Co, нанесенных при температуре испарителя T_исп = 130 °С и температурах подложки 300 (а), 310 (б), 320 (в), 330 (г) и 340 ⁰С (д)

Как видно из рисунка 21, максимальные значения остаточной намагниченности и намагниченности насыщения наблюдаются в пленках Co, осажденных при температуре подложки Т_подл = 330 ⁰С. Коэрцитивная сила пленок Co, полученных при температуре испарителя 130 ⁰С, остается в целом постоянной и составляет около 6500 А/м. Однако коэрцитивная сила пленок Co, полученных при температуре подложки 320 ⁰С, характеризуется более высокой величиной. Стоит отметить, что повышение температуры испарителя со 120 до 130 ⁰С привело также к уширению петли гистерезиса исследуемых пленок.

Дальнейший рост температуры испарителя вновь приводит к уменьшению магнитных характеристик пленок Co (рисунок 22, в, г). Как видно из рисунка 22, пленки Co, полученные в интервале температур испарителя от 135 до 145 ⁰С характеризуются пониженными значениями остаточной намагниченности и намагниченности насыщения по сравнению с пленками, осажденными при температуре испарителя 130 ⁰С. При этом коэрцитивная сила данных пленок несущественно зависит от температуры испарителя и варьируется в пределах 6500-7500 А/м. Повышение температуры испарителя до 150 ⁰С способствует четырехкратному росту намагниченностей пленок Co (рисунок 22, д), однако коэрцитивная сила данных пленок остается неизменной. Последующее увеличение температуры испарителя до 155 ⁰С одновременно сохраняет рост намагниченностей и способствует резкому уменьшению величины коэрцитивной силы исследуемых пленок Co (рисунок 22, е).

Рисунок 22 – Петли гистерезиса тонких пленок Co, нанесенных при температуре подложки T_подл= 330 °С и температурах испарителя 120 (а), 130 (б), 135 (в), 145 (г), 150 (д) и 155 ⁰С (е)

Зависимость удельного электрического сопротивления пленок Co от температурных условий осаждения представлена в таблице 4. Из таблицы видно, что для пленок из первой партии увеличение температуры подложки от 310 до 420 ⁰С способствует значительному росту величины удельного электрического сопротивления. Отметим, что при температуре подложки, равной 420 ⁰С, удельное электросопротивление исследуемых пленок сравнимо с сопротивлением кремниевой подложки, что объясняется несплошностью данных пленок. Удельное электрическое сопротивление пленок из второй партии характеризуется экстремальной зависимостью от температуры подложки с минимальным значением при температуре Т_подл = 330 ⁰С. Для пленок из третьей партии величина удельного электросопротивления имеет тенденцию к уменьшению с ростом температуры испарителя.

Таблица 4 – Коэрцитивная сила H_c, остаточная намагниченность M_r, намагниченность насыщения M_s и удельное электрическое сопротивление  пленок Co, полученных при различных температурах испарителя Т_исп и подложки Т_подл.

Тисп, 0С	Тподл, 0С	Hc, А/м	Mr, emu/cм3	Ms, emu/cм3	, 10-6 Ω*м
Первая партия
120	310	6000	3	7	0,38
120	330	7500	10	15	0,46
120	350	-	-	-	3,69
120	370	-	-	-	-
120	420	10000	45	60	-
Вторая партия
130	300	6500	48	52	0,36
130	310	6500	90	115	0,34
130	320	8600	80	100	0,12
130	330	6500	150	175	0,07
130	340	6500	78	85	0,1
Третья партия
120	330	7500	10	15	0,46
130	330	6500	150	175	0,07
135	330	7000	45	64	0,05
140	330	7000	60	70	0,12
145	330	7500	50	65	0,11
150	330	6500	200	250	0,04
155	330	1700	330	450	0,04