Физика металлов как основа создания металлических наноматериалов

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Сибирский федеральный университет

Л. И. Квеглис

Физика металлов как основа создания 

металлических наноматериалов

Учебное пособие

Красноярск

СФУ
2019

УДК 539.216.2(07)
ББК 22.371.26я73

К326

Р е ц е н з е н т ы:
Д. Л. Алонцева, доктор физико-математических наук, профессор ка
федры приборостроения и автоматизации технологических процессов Восточно-Казахстанского государственного технологического университета 
им. Д. Серикбаева;

Г. С. Бектясова, кандидат философских наук, заведующая кафедрой 

физики и технологии Восточно-Казахстанского государственного университета им. С. Аманжолова

Квеглис, Л. И.

К326
Физика металлов как основа создания металлических наномате
риалов : учеб. пособие / Л. И. Квеглис. – Красноярск : Сиб. федер. 
ун-т, 2019. – 116 с.

ISBN 978-5-7638-4104-6

Приведены общие сведения о магнитных наноматериалах, связях маг
нитных свойств с кристаллической структурой объекта. Рассмотрены классификации металлов по функциональному назначению, химическому и фазовому составу, структуре. Описаны наноматериалы и их магнитные свойства. Проанализированы наносистемы, магнитные наночастицы и важные для 
этих объектов поверхностные явления и пленки, их структура и свойства, 
атакже технологические условия проявления особых поверхностных 
свойств.

Предназначено для студентов магистратуры, обучающихся по на
правлениям подготовки 22.04.01 «Материаловедение», 04.04.01 «Химия»
и 03.04.02 «Физика».

Электронный вариант издания см.:

http://catalog.sfu-kras.ru

УДК 539.216.2(07)
ББК 22.371.26я73

ISBN 978-5-7638-4104-6
© Сибирский федеральный университет, 2019

Оглавление

Введение .............................................................................................................. 4

Глава 1. Ферромагнитные частицы и пленки ............................................ 7
1.1. Высокая перпендикулярная анизотропия в ферромагнитных 
пленках как необходимое условие для осуществления на них плотной 
термомагнитной записи информации. ..............................................................7
1.2. Ансамбль однодоменных частиц как высокоанизотропная
и высококоэрцитивная среда............................................................................12
1.3. Сплавы системы Co–Pd как материалы для создания пленок 
с сильной ПА .....................................................................................................33

Глава 2. Методики получения наноматериалов и исследования
кристаллической структуры и магнитных свойств ................................ 39
2.1. Методика получения пленок сплавов ......................................................39
2.2. Методы исследования атомно-упорядоченной структуры 
пленок сплавов...................................................................................................41
2.3. Измерение магнитных свойств плёнок....................................................43

Глава 3. Зависимость структуры от химического состава 
пленок сплавов Co–Pd.................................................................................... 53
3.1. Пленки сплавов, обогащенных Co
и обладающих ГПУ-кристаллической решеткой...........................................53
3.2. Атомное упорядочение в пленках сплавов Co–Pd
и возможности использования его для создания ПА ....................................60

Глава 4. Магнитные свойства пленок в зависимости 
от химического состава и структуры.......................................................... 72
4.1. Общие сведения..........................................................................................72
4.2. Поликристаллические пленки сплава эквиатомного состава................75
4.3. Плёнки сплавов, обогащённых Pd............................................................78
4.4. Кристаллическое строение плёнок...........................................................78
4.5. Магнитные свойства ..................................................................................87
4.6. Пленки сплавов как среды для термомагнитной записи 
информации .......................................................................................................98

Заключение..................................................................................................... 106

Библиографический список........................................................................ 107

Введение

Цель учебного пособия – дать в сжатой форме общее представ
ление о магнитных наноматериалах. Исследование связи магнитных 
свойств с кристаллической структурой объекта является одной из 
важных задач физики металлов. Без знания кристаллического строения ферромагнитного образца невозможно понять природу таких его 
магнитных свойств, как коэрцитивность, магнитная анизотропия, намагниченность насыщения и др. Рабочая программа «Физика металлов» построена на основе учебного пособия  «Физика твердого тела», 
подготовленного в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе 
РАН автором А. Г. Гуревием [16].

Данное пособие, предназначенное для студентов технических 

университетов, позволяет расширить и углубить знания по дисциплине «Физика металлов». Здесь рассмотрены вопросы классификации 
металлов по функциональному назначению, химическому и фазовому 
составу и структуре. Особая роль отводится наноматериалам и их 
магнитным свойствам, в которых наиболее отчетливо проявляются 
различия между массивным (объемным) материалом и наноматериалом. Кроме того, у магнитных наноматериалов обнаружены необычные свойста – высокие значения магнитной анизотропии. Проанализированы наносистемы, магнитные наночастицы и важные для этих 
объектов поверхностные явления и пленки, их структура и свойства, а 
также технологические условия проявления особых поверхностных 
свойств.

В настоящее время уникальные физические свойства наночастиц 

интенсивно изучаются.

Магнитные наноматериалы используются в системах записи и 

хранения информации, новых постоянных магнитах, системах магнитного охлаждения, качестве магнитных сенсоров и т. п. Все это 
объясняет большой интерес специалистов различного профиля к таким системам.

Наиболее детально кристаллическое строение ферромагнетика 

может быть изучено на пленочных образцах. Такие образцы могут 
быть сравнительно просто получены методом вакуумной конденса

ции и исследованы с помощью просвечивающей электронной микроскопии, которая в настоящее время позволяет вести прямое наблюдение фазовых переходов, поверхностных реакций, идентифицирование 
фаз в кристаллах микроскопических размеров и т. д.

Структурные исследования также позволяют целенаправленно 

варьировать технологию изготовления образцов для придания им требуемых магнитных свойств.

В настоящее время продолжается интенсивный поиск магнит
ных материалов для тонких покрытий, свойства которых позволяют 
использовать их в качестве сред для реверсивной термической записи 
информации с магнитооптическим считыванием ее. Среды должны 
удовлетворять таким требованиям: 1) высокая плотность записи (не 
менее 107 бит/см2), 2) высокая энергетическая чувствительность (порядка 10–2–10–3) [106].

В работах [5; 41; 74; 107] показано, что из сплавов переходных 

металлов с благородными металлами (платина, палладий) могут быть 
получены пленки как монокристаллические, так и поликристаллические, обладающие перпендикулярной анизотропией (ПА), достаточно 
большой для осуществления термомагнитной записи (ТМЗ) информации с высокой плотностью путем локальных 180°-ных поворотов намагниченности, ориентированной перпендикулярно плоскости пленки. Большая ПА в этих пленках создается высокоанизотропной упорядоченной тетрагональной фазой (L10) при ориентации ее кристаллитов осью C преимущественно вдоль нормали к плоскости пленки.

Сплавы системы Co–Pd по ряду свойств являются аналогами 

сплавов системы Co–Pt, но значительно дешевле последних. Кроме 
того, технология получения пленок сплавов Co–Pd проще технологии 
получения Co–Pt и Fe–Pt. В связи с этим, на наш взгляд, представляет 
значительный интерес решение проблемы получения и исследования 
структуры, магнитных свойств пленок сплава Co–Pd (составов, близких к эквивалентному) с кристаллитами тетрагональной фазы, ориентированными осями C нормально к плоскости пленок.

В этом же плане перспективными представлялись эпитаксиаль
ные пленки сплавов Co–Pd, обогащенных Co и имеющих гексагональную плотноупакованную решетку. В монокристаллических пленках этих сплавов при базисной ориентации решетки относительно 
подложки можно ожидать ПА одного порядка с анизотропией формы 
пленки или несколько большей.

Кроме того, известно, что сплавы Co–Pd, обогащенные Pd, в хо
лоднокатаном состоянии характеризуются как высококоэрцитивные 

материалы. Предполагаемая природа высококоэрцитивного состояния 
в работе [80] связывается с выпадением малых частиц, обогащенных 
Co. Учитывая это, а также особенности формирования вакуумных 
конденсатов (возникновение текстур столбчатого строения), можно 
ожидать получения при определенных технологических условиях 
пленок Co–Pd (обогащенных Pd), содержащих удлиненные наночастицы Co, ориентированные преимущественно вдоль нормали к плоскости пленки, а следовательно, и осуществить термическую запись 
информации без приложения к пленке внешнего магнитного поля.

В работе представлены измерения основных параметов пленок 

Co–Pd (обогащенных Pd), характеризующих их как среды для ТМЗ.

Глава 1 пособия посвящена ферромагнитным частицам и плен
кам, особенностям их перемагничивания в зависимости от формы и 
кристаллической структуры.

В главе 2 рассмотрены методы создания требуемой кристалли
ческой структуры и механизмы формирования эпитаксиальных пленок сплавов, осаждаемых в вакууме на подложках-монокристаллах, а 
также обсуждаются возможности получения эпитаксиальных пленок, 
содержащих кристаллиты с достаточно высокой перпендикулярной 
магнитной анизотропией.

Глава 3 посвящена особенностям атомного упорядочения спла
вов Co–Pd и влиянию его на магнитные свойства пленочных образцов. Выявлены возможности создания пленок с большой ПА за счет 
соответствующей ориентации в них кристаллитов упорядоченной 
тетрагональной гранецентрированной (ТГЦ)-фазы.

Установлена корреляция структуры и магнитных свойств пленок 

сплавов, содержащих наночастицы кобальта, окруженные Pd и полученные при различных температурных режимах. Выявлена природа 
магнитной твёрдости ансамбля ферромагнитных частиц, а также возможности создания большой HC и ПА в плёнках, содержащих такие 
ансамбли.

В главе 4 определены параметры, характеризующие пленки как 

среды для термомагнитной записи информации.

Пособие снабжено контрольными вопросами и заданиями.

Глава 1 

Ферромагнитные частицы и пленки

1.1. Высокая перпендикулярная анизотропия

в ферромагнитных пленках как необходимое условие 
для осуществления на них плотной термомагнитной 

записи информации

На основании анализа методов записи и считывания информа
ции в настоящее время сформулированы основные требования к магнитным материалам как к средам для термомагнитной записи информации. Обычно этим средам придаётся форма тонкой пленки, так как 
она обеспечивает наиболее простой способ записи и доступа к зафиксированной информации. Предпочтение при этом следует отдать 
пленкам с осью легкого намагничивания (ОЛН), перпендикулярной 
их плоскости. Запись на такой пленке может производиться без приложения к ней внешнего магнитного поля. Считывание осуществляется наиболее простым способом с помощью эффекта Фарадея (или 
Керра). Наконец, плотность записи и ее устойчивость на пленках с 
большой ПА могут быть гораздо выше, чем в случае, когда ОЛН лежит в плоскости пленки.

На рис. 1 показано распределение намагниченности в районе за
писи единицы информации (бита) для первого и второго случаев.

Видно, что во втором случае имеются энергетически невыгод
ные соседства доменов, из-за чего стабильность такого распределения 
намагниченности низка. Сближение единиц информации делает ситуацию еще более нестабильной.

Действительно, в работе [56] сообщается о термической записи 

информации на пленке FeY с плотностью 107 бит/см2. ОЛН пленки 
параллельна ее плоскости. Плотность записи на пленке MnBi с большой ПА на порядок выше [78; 106].

а
б

Рис. 1. Распределение намагниченности в районе записи единицы информации 

при ОЛН, перпендикулярной плоскости пленки (а) и параллельной ей (б)

Плотность записи определяется разрешающей способностью оп
тической системы и размером минимального домена регистрирующей 
среды. Если луч лазера фокусируется в пятно диаметром, сравнимым 
с длиной волны света, то это может обеспечить плотность записи 
107–108 бит/см2. Большую предельную разрешающую способность 
может иметь оптическая электронно-лучевая система (диаметр сечения электронного пучка может быть менее 50 Å); с другой стороны, 
плотность записи на пленке определяется минимальным размером 
домена. Минимальный размер цилиндрического домена в пленке с 
ПА, константа которой
2
2π
S
K
M
 
(MS – намагниченность насыщения 

пленки), оценивается в работе [5]. Для случая a>>d (a – диаметр домена, d – толщина пленки) получена формула

ξ
2π
,
W
S
C
a
M H

(1.1)

где ξW – плотность энергии доменной стенки.

Из формулы (1.1) видно, что размер домена обратно пропорциона
лен коэрцитивной силе HC пленки. Для пленки MnBi при HC = 1,5 кЭ, 
ξW = 10 эрг/см2 a ≈ 10–6см [78].

Величина отношения
2
2π
S
K
M

, или так называемого фактора ка
чества Q пленки, с точки зрения пригодности ее для ТМЗ особого значения, по-видимому, не имеет. В случае малой коэрцитивной силы даже 
при большом значении Q в отсутствие внешнего магнитного поля пленка 

разбивается на лабиринтные домены, например монокристаллические 
пленки ферритов-гранатов с низкой плотностью дефектов. Таким образом, как среда для высокоплотной ТМЗ ферромагнитная пленка должна 
обладать достаточно большими значениями ПА и HC.

Рассмотрим, каким образом в тонкой магнитной пленке может 

быть создана ПА, константа которой – порядка 2πMS и больше.

Такая ПА может быть получена в пленках сплавов MnBi, FePt, 

FePd, CoPt и некоторых других [5; 107] за счёт сильной магнитной кристаллографической анизотропии. Пленки для этого должны быть либо 
монокристаллическими с определенной ориентацией решетки относительно плоскости пленки, либо текстурированными (оси C большинства 
кристаллитов близки к направлению нормали к плоскости пленки). 
В табл. 1 приводятся значения

2
π
2
S
M
и констант магнитной кристалло
графической анизотропии упомянутых выше материалов.

Таблица 1

Значения констант кристаллографической анизотропии некоторых 
высококоэрцитивных материалов и констант анизотропии формы 

пленок этих материалов [5; 41; 74; 106; 107]

Материал
2
π
2
S
M ∙106 эрг/см3
K1∙107 эрг/см3
2

1 2π
S
Q
K
M


MnBi
2,3
2
9

FePt
7,5
2
3

CoPt
4,5
5
9

FePd
7,6
1,5
2

Сравнительно большая ПА в пленках с высокой магнитострик
цией может создаваться механическими упругими напряжениями.
Величина константы Kσ одноосной анизотропии, создаваемой напряжениями, определяется выражением [105]

σ

3 λσ,
2
K 
(1.2)

где λ – константа магнитострикции одноосного кристалла; σ – величина внешнего однородного напряжения.

Пользуясь этой формулой, можно вычислить возможные макси
мальные значения ПА, создаваемой напряжениями. Очевидно, максимальное значение Kσ получится при достижении предельно возможных упругих напряжений, т. е. приблизительно 200 кГ/мм2. 

В табл. 2 приведены максимально возможные значения Kσ анизотропии, создаваемой напряжениями, вычисленные по формуле (1.2).

Таблица 2

Максимально возможные значения Kσ анизотропии, 

создаваемой напряжением, в сравнении с анизотропией 

формы пленок

Материал
Kσ

2
π
2
S
M
эрг/см3
2

σ
π
2
S
M
K

Ni
1∙106
1,58∙106
0,6

Fe
5∙105
2,82∙107
0,04

α-Co
4,2∙105
1,23∙107
0,03

NiPd
1,6∙106
0,40∙106
4

Co-феррит
2∙107
1,00∙106
20

Согласно табл. 2 достаточно большая для ТМЗ информации ПА 

в принципе может быть создана напряжениями в пленках сплавов NiPd и кобальтового феррита [1; 111].

Иногда для целей ТМЗ информации можно использовать плен
ки, ПА в которых создаётся одновременно кристаллографической 
анизотропией и напряжениями. В частности, таким образом образуется большая ПА в кристаллических пленках кобальтового феррита [1]. 
ПА в пленках может создаваться и так называемым их столбчатым 
строением. Величина константы Kф этой анизотропии в принципе не 
может быть больше

2
π
2
S
M . Если же к анизотропии формы отдельной 

иглообразной частицы добавится анизотропия другой природы (так, 
что ОЛН этой анизотропии совпадет с продолговатой осью частицы), 
то для некоторых материалов такое выгодное сочетание может привести к значениям ПА, превышающим анизотропию формы пленки. В 
табл. 3 приведены максимальные значения констант эффективной одноосной анизотропии, перпендикулярной плоскости пленки, которая 
может создаваться по различным причинам. Константа рассчитывается по формуле

Kэфф = KI + K + Kформы столбиков.

Из табл. 3 видно, что в пленках Co и Ni можно создать ПА, пре
вышающую анизотропию формы. Если столбики в пленке достаточно 
полно изолировать друг от друга неферромагнитным материалом, то 
средняя намагниченность пленки может иметь устойчивую ориентацию вдоль нормали к ее плоскости даже при значениях Kэфф, меньших 

2
2π
S
M . При этом объемная концентрация ферромагнитного материала 

должна быть небольшой (значительно меньше 50 %). Тогда с уменьшением объема ферромагнитной фазы значения анизотропии формы в 
среднем для пленки могут уменьшаться гораздо быстрее, чем Kэфф, так 
как зависимость 

2
π
2
S
M
от MS квадратична.

Таблица 3

Значения кристаллографической и эффективной одноосной 

анизотропии для ансамбля однодоменных невзаимодействующих 
частиц некоторых материалов в сравнении с анизотропией формы 

однородных пленок [100]

Материал
K1, эрг/см3
Kэфф, эрг/см3
2

эфф
π
2
S
M
K
Q 

Fe
4–5 ∙ 105
1,01 ∙ 107
0,59

α-Co
4–6 ∙ 105
1,25 ∙ 107
1,01

Ni
3–4 ∙ 106
1,83 ∙ 106
1,16

Из перечисленных в табл. 3 трех материалов наиболее перспек
тивным с точки зрения ТМЗ и считывания информации является кобальт. Хотя у никеля значения Q больше, однако его магнитооптическая добротность примерно в 3 раза меньше, чем у Co, см. гл. 4. Магнитооптическая добротность рассчитывается по формуле

α
2
η
F

,

где F – удельное фарадеевское вращение; α – коэффициент оптического поглощения, имеющий для металлов значения одного порядка.

В последние годы большой интерес вызывают аморфные 

пленки как перспективный материал для создания носителей ТМЗ
информации. Одним из главных преимуществ аморфных магнитных пленок в этом плане является возможность изменять в широких пределах их магнитные параметры [76]. Их преимущество по 
сравнению с кристаллическими и в том, что величина зерна их 
(20–50 Å) меньше, чем длина волны оптического лазера, а это 
обеспечивает большое отношение «сигнал – шум» при считывании 
информации [76]. Несмотря на то, что расположение атомов в 
аморфных твердых телах предполагает макроскопически изотропные свойства, некоторые аморфные ферромагнитные и ферримагнитные пленки анизотропны. Остановимся более подробно на тех 
аморфных пленках, где обнаружена сильная ПА.