4. Структурно-фазовий стан плівкових систем з гмо

4.1 Структурні дослідження

Одним із принципових питань, пов’язаних з явищем ГМО, є вивчення структурно-фазового стану плівкових систем, в яких воно спостерігається. Широко вивчаються питання фазового складу, кристалічної будови плівок, дифузійних процесів у них, процеси фазоутворення, вплив термообробки на цей процес та ін. Такі дослідження можуть дати нові дані, що підтверджують існуючі теоретичні моделі, або, навпаки, змусять переглянути попередні уявлення про явище ГМО взагалі. Багато авторів [28-45] повідомляють про результати подібних досліджень, але й на сьогодні більшість з цих питань залишається відкритими. Так, у роботі [28] проаналізовані можливі варіанти взаємної дифузії атомів і фазоутворення у багатошаровому спіновому клапані. Результати [28] разом з [26] приводять до висновку, що сукупність експериментальних результатів потребують критичного перегляду, оскільки більшість із них інтерпретуються з точки зору збереження індивідуальності шарів Co і Cu.

У роботі [29] були проведені експериментальні дослідження фазового складу двошарових плівок Со/Сu/П и Co/Cr/П (П - NaCl, плівка С) і термодинамічний аналіз особливостей фазово-структурного складу тонкої плівки Со (3-10 нм), яка складається із ще недотичних острівців на поверхні плівки Сu і Cr.

Одношарові плівки Cu, Cr i Co мають відповідно ГЦК-, ОЦК- і ГЩП-решітки. Оскільки частинки й острівці плівки дуже малі (порядка 1-10 нм), то в них відсутні дефекти пакування (ДП), що можуть бути центрами зародження кристалітів ГЦК-фази. При збільшенні товщини плівки Со до 10 нм або при відпалюванні до Т_відп. =600-700 К у системі Со/Сu відбувається укрупнення острівців, починається утворення ДП і, як наслідок цього, з’являються на електронограмах слабкі лінії (220) і (311) ГЦК-Со. Необхідно особливо підкреслити, що поява цих відбиттів у зразках, що пройшли процес відпалювання до 600 К, не можна пов'язувати з поліморфним ГЩП→ГЦК-переходом, оскільки в масивних зразках він відбувається при Т=690 К, а в малих частинках у результаті прояву фазового розмірного ефекту може відбутися при Т≥600 К. У зразках Со/Cu лінія (111) ГЦК-Со не фіксується, але на місці лінії (111) ГЦК-Сu з d₁₁₁=0,208 нм з'являється лінія з d_hkl=0,205 нм, що є середнім між d₁₁₁ (Cu) і d₁₁₁ (ГЦК-Со)=0,203 нм. Подальше збільшення температури відпалювання до 600-700 К обумовлює збільшення d₁₁₁ до значення 0,213 нм, що можна пояснити утворенням метастабільного твердого розчину (т.р.) на основі ГЦК-решетки міді (β-фаза (Cu-Co)) [29]. Плівки Co/Cu з ефективною товщиною конденсату Со d@3-10 нм, що пройшли відпалювання до 900 К, скоріше за все, є двохфазними (ГЦК - т.р. (Cu-Co) і сліди ГЩП-Со). Оскільки параметр ГЦК-решітки а=0,362 нм трохи (у межах точності вимірювання Δа=±0,001 нм) більше порівняно з параметром а₀= 0,3608 нм для масивної міді, то можна зробити висновок, що твердий розчин при охолодженні до температури 300 К розпадається не цілком. Підтвердженням цього є дуже слабка інтенсивність ліній (101) і (110) ГЩП-Со (на рис.11а вони не виявляються), а також спостереження на електронограмах близьких ліній (220) і (311) від твердого розчину та ГЦК-Cu (створюється враження, що ці лінії утворилися попарно в результаті розщеплення однієї лінії). Необхідно відзначити, що таке «розщеплення» спостерігається якоюсь мірою вже у зразках, що пройшли відпалювання до температури 600 - 700 К, причому, якщо воно не спостерігається у випадку ліній (111) і (200), то лише через недостатню розрізнювальну здатність мікроскопа. Таким чином, спостереження двох ГЦК-решіток, одна з яких відповідає Сu, є підтвердженням утворення твердого розчину (Сu-Со). Аналізуючи експериментальні дані, можна зробити висновок, що після розпаду метастабільного твердого розчину мікрокристаліти ГЩП-Со локалізуються в об’ємі плівки Сu.

На рисунку 11б [29] проілюстрований випадок, коли плівка ГЩП-Со має порівняно велику ефективну товщину (d@40 нм). Після відпалювання до 900 К вона складається з острівців ГЦК-Со, що стабілізуються при охолодженні, і ГЩП-Со. Середній розмір утворень із острівців має величину від 16 - 18 до 190 - 200 нм.

Рисунок 11 - Електронограма від ГЦК т.р. Со-Cu (а) і мікроструктура двошарової плівки Со(40)/ Cu(30), відпаленої до 900 К та охолодженої до 300 К (б). У дужках зазначена товщина в нанометрах [29]

У той самий час, судячи з характеру електронограм, частина атомів Со бере участь в утворенні ГЦК т.р. на основі ГЦК-решітки Сu, а частина – утворює об’ємні кластери або поверхневий сплав.

Подібні результати щодо структурно-фазового стану знаходимо в роботах [30–42]. Автори [30] дослідили ультратонкі багатошарові Co/Cu- та CoNi/Cu-плівки на підкладках арсеніду галію. У роботах [31, 32] досліджені багатошарові плівки Co/Cu/Co. Велика кількість робіт присвячена дослідженню фазового складу та кристалічної структури гранульованих сплавів Со_хCu_1-х [33, 34] елементного складу та дифузійних процесів у них. Також, судячи з результатів [35, 39], можна зробити висновок, що у випадку плівкової системи Co/Cu, можливо, не відбувається утворення ГЦК Со. Метастабільний ГЦК-т.р. Cu-Co, швидше за все, утвориться на основі ГЦК-Cu.

Ці висновки якоюсь мірою підтверджуються даними робіт [40] і [41], згідно з якими у двошарових плівках Со/Cr/П и Со/Pd/П ГЦК-Со не утворюється.

У роботах [40-42] були отримані мультишари [Со(1)/Cu(2)]₂₀/Pb/П (товщина буферних шарів Pb d = 5, 10, 20, 30 та 40 нм, П - скло) у вакуумі 10^-6 Па при Т_п = 300К. У процесі конденсації здійснювався контроль елементного складу методом ОЕС, а після конденсації – контроль флуктуації товщини методом малокутової рентгенографії. Структурний стан поверхні (шорсткість, розмір кристалів) здійснювався методом АСМ. Було установлено, що використання буферних шарів призводить до згладжування поверхні верхнього шару, причому при збільшенні товщини буферного шару збільшуються і розміри кристалів (рис. 12).

Рисунок 12 - Морфологія поверхні мультишару [Со/Cu]₂₀/Pb з різною товщиною d_Pb: 5 (а), 10 (б), 20 (в) та 30 нм (г)