Способ получения тонких магнитных наногранулированных пленок

Изобретение относится к технологиям получения тонкопленочных материалов, состоящих из наногранул ферромагнитного металла, внедренных в оксидную матрицу, и может применяться для разработки новых функциональных элементов в спинтронике, нанотехнологии, а также для создания элементов магнитной памяти и каталитически активных покрытий.

Известны различные способы получения магнитных наногранулированных (нанокомпозитных) тонких пленок, состоящих из магнитных наночастиц распределенных в немагнитной матрице.

Существует метод получения магнитных нанокомпозитных материалов путем осаждения на подложку изолированных кластеров магнитных наночастиц и покрытия кластеров изолирующим слоем [патент US 8273407 В2, МПК B05D 1/12, B05D 1/36, опубл. 25.09.2012].

Основным недостатком данного изобретения является сложность технологии, включающей в себя специальную трудоемкую подготовку подложек, а также использование методик химического и физического парофазного осаждения, приводящие к высокой себестоимости данного метода.

Известен способ получения наногранулированных магнитных пленок [патент US 7060374 В2, МПК H01F 10/00, H01F 10/32, опубл. 13.06.2006] методом одновременного магнетронного распыления металлической (например, Со, Fe, Ni) и оксидной керамической мишени (например, Al₂O₃, MgO). При этом формируется наногранулированная пленка с размерами магнитных гранул до 10 нм и оксидной прослойкой 0,5-1,5 нм между ними.

К недостаткам изобретения можно отнести малый диапазон размеров получаемых наногранул и низкую термическую стабильность материала, проявляющуюся в агломерации наногранул при нагреве.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является способ получения тонких ферромагнитных пленок Co-ZrO₂ с помощью термитной реакции между осажденными на термостойкую подложку слоями оксида кобальта и циркония [V.G. Myagkov, V.S. Zhigalov, L.E. Bykova and others. Thermite sinthesis and characterization Co-ZrO₂ ferromagnetic nanocomposite thin films. - Journal of Alloys and Compounds, 2016, 665, c.197-203.]. Недостатком этого способа является сложная технология получения пленки оксида ферромагнитного металла и его более низкая реакционная способность, связанная с большим размером зерна, образующимся при термическом окислении.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка способа получения тонких магнитных наногранулированных пленок с заданным размером магнитных наногранул, равномерно распределенных в оксидной матрице.

Техническим результатом данного изобретения является способ получения тонких магнитных наногранулированных пленок, в котором упрощается технология получения пленок, отсутствует агломерация магнитных наногранул, существует возможность синтеза пленок с магнитными наногранулами заданного размера от единиц до сотни нанометров с малой дисперсностью магнитных наногранул.

Технический результат достигается тем, что в способе получения тонких магнитных наногранулированных пленок, включающем последовательное осаждение на термостойкую подложку тонкой пленки оксида ферромагнитного металла и слоя металла-восстановителя при комнатной температуре и последующий вакуумный отжиг полученной двухслойной пленки, новым является то, что слой оксида ферромагнитного металла наносят высокочастотным магнетронным распылением металлической кобальтовой мишени в атмосфере смеси газов, состоящей из 70% аргона и 30% кислорода, при комнатной температуре, на полученный слой в качестве металла-восстановителя осаждают слой алюминия низкочастотным магнетронным распылением в атмосфере чистого, не менее 99,99%, аргона, после чего вакуумный отжиг полученной двухслойной пленки выполняют при температуре 700°С.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод о том, что заявляемое изобретение отличается от известного тем, что слой оксида ферромагнитного металла наносят при комнатной температуре методом высокочастотного магнетронного распыления металлической кобальтовой мишени в атмосфере смеси газов, состоящей из 70% аргона и 30% кислорода, и полученный двухслойный образец подвергается вакуумному отжигу при температуре 700°С.

Признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию «новизна».

Признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, не выявлены при изучении других известных технических решений в данной области техники и, следовательно, обеспечивают ему соответствие критерию «изобретательский уровень».

Изобретение поясняется фигурами. На фиг. 1 представлена микрофотография и гистограмма распределения размеров наногранул кобальта для пленки Со-Al₂O₃ с толщиной исходного слоя Co₃O₄ 15 нм. На фиг. 2 - микрофотография и гистограмма распределения размеров наногранул кобальта для пленки Со-Al₂O₃ с толщиной исходного слоя Co₃O₄ 80 нм.

Сущность изобретения заключается в проведении металлотермической реакции в тонких двухслойных пленках, состоящих из слоя оксида ферромагнитного металла (Fe₂O₃, Co₃O₄, NiO) и слоя металла-восстановителя (Al, Zr, In, Mg, Ti и др.), химически значительно более активного, чем восстанавливаемый металл, при повышенных температурах. Слой оксида ферромагнитного металла получают путем реактивного высокочастотного магнетронного распыления металлической мишени в смеси газов аргон (70%) + кислород (30%) при комнатной температуре. Слой металла-восстановителя также осаждают методом магнетронного распыления, но в атмосфере чистого, не менее 99,99%, аргона при комнатной (или ниже) температуре для предотвращения преждевременного инициирования реакции между слоями. Соотношения толщин реагентов определяется стехиометрией химической реакции. Синтез наногранулированных пленок осуществляется методом вакуумного отжига полученной двухслойной пленки при остаточном давлении в камере не ниже 10^-6 Торр и температуре, при которой восстанавливается максимально возможное количество ферромагнитного металла в виде наногранул. Для каждого типа магнитных наногранулированных пленок температура отжига Т_ОТЖ индивидуальна и подбирается экспериментально в процессе исследования реакции (например, для пленок Fe-In₂O₃ Т_ОТЖ=250°С, Fe-ZrO₂ Т_ОТЖ=500°С, Со-Al₂O₃ Т_ОТЖ=700°С). Время отжига составляет 60 минут. При этом размер магнитных наногранул, формирующихся при вакуумном отжиге, напрямую зависит от толщины исходного слоя оксида ферромагнитного металла. Варьируя толщину можно синтезировать наногранулированные пленки с размером магнитных гранул от единиц до сотни нанометров.

Пример осуществления

Получение наногранулированных тонких магнитных пленок Со-Al₂O₃

Тонкие пленки Со-Al₂O₃ изготавливались в следующей технологической последовательности:

1) получение тонкой пленки оксида кобальта Co₃O₄: тонкая пленка Co₃O₄ получается путем высокочастотного магнетронного распыления металлической кобальтовой мишени в смеси газов аргон (70%) + кислород (30%) при комнатной температуре, давлении газов в камере порядка 3×10^-3 Торр, мощности 100 Вт и скорости напыления порядка 1,3-1,4 нм/мин. В качестве подложки может использоваться любой термостойкий материал, не вступающий в реакцию с материалами пленки (поликристаллический оксид алюминия, кварц, термостойкие стекла, MgO);

2) осаждение слоя алюминия поверх пленки Co₃O₄ путем низкочастотного магнетронного распыления в атмосфере чистого (99,99%) аргона при комнатной температуре, давлении аргона в камере порядка 3×10^-3 Торр, токе 0,1 А и скорости напыления порядка 7 нм/мин;

3) вакуумный отжиг полученной двухслойной пленки Co₃O₄/Al при температуре 700°С в течение 60 минут при остаточном давлении в камере порядка 10^-6 Торр, необходимый для проведения термитной реакции: 3Co₃O₄+8Al → 9Со+4Al₂O₃.

Полученные тонкие магнитные пленки, содержащие наногранулы кобальта, внедренные в матрицу из оксида алюминия изучались на просвечивающем электронном микроскопе НТ-7700 Hitachi при ускоряющем напряжении 100 кэВ. На фиг. 1 видно, что полученный материал содержит наногранулы кобальта, средний размер которых 20 нм, на фиг. 2 - средний размер наногранул 150 нм. Частицы равномерно распределены в оксидной матрице.