Свойства металлических ультрадисперсных сред и гетероструктур, полученных лазерным напылением

В последние два десятилетия продолжает расти интерес к ультрадисперсным металлическим средам (УДС) — ансамблям частиц, имеющих хотя бы в одном измерении размеры порядка I — 100 нм /1−4/. В частности, к УДС относятся тонкие пленки. Такие объекты представляют особую переходную форму состояния вещества между ассоциациями отдельных атомов и макроскопическим твердым телом, и их исследования позволят выяснить ряд фундаментальных вопросов о границах применимости различных концепций, развитых для массивных тел. При уменьшении размеров кристалла до некоторых характерных для того или иного физического явления масштабов проявляются размерные эффекты. Увеличение относительного количества поверхностных атомов оказывает влияние на решеточную и электронную подсистемы, изменяя спектры элементарных возбуждений, структурные, электрические, магнитные и другие характеристики. Уникальные физические свойства материалов в диспергированных фазах открывают широкие перспективы разнообразных технических применений.

Одним из мощных методов изучения УДС является ядерная гамма-резонансная спектроскопия (ЯГРС), основанная на эффекте Мёссбауэра (ЭМ) /5/. Чрезвычайно высокое энергетическое разрешение ЯГРС позволяет наблюдать сверхтонкую структуру ядерных энергетических уровней, связанную с магнитным дипольным и электрическим квадру-польным взаимодействиями, по характеру расщепления мёссбауэров-ских спектров. Положение резонансных линий дает информацию о ну-лоновском взаимодействии ядра с окружающими его электронами. Измерение интенсивности резонансных пиков позволяет изучать фо-нонный спектр кристалла. Динамика спиновой системы, связанная с процессами магнитной релаксации, также существенно отражается на форме ЯГР — спектров.

Поскольку свойства УДС определяются их структурными и морфологическими характеристиками, которые зависят от механизма образования, актуальной является задача поиска и изучения новых методов приготовления таких сред. В настоящей работе исследовались особенности методики напыления ультратонких слоев и многослойных структур металлов путем испарения вещества мишеней в вакууме излучением лазера, свойства полученных конденсатов, а также связь между их структурой и режимами напыления. Использование этой методики позволило ставить новые и решать на более высоком экспериментальном уровне поставленные ранее задачи.

Актуальны задачи исследования особенностей физических свойств УДС, проявляющихся вследствие изменения состояния и увеличения доли граничных атомов.

Изучение влияния границ раздела фаз в УДС на их свойства представляет теоретический и практический интерес. В диссертации исследовались суперпарамагнитные, упругие и релаксационные свойства ультрадисперсной фазы металлического железа, приготовленного лазерным напылением.

Для прогнозирования магнитных свойств создаваемых сплавов требуются экспериментальные значения спиновой поляризации электронов проводимости в ферромагнитных металлах. В данной работе изучалось проникновение поляризации 5- подобных электронов проводимости через границу раздела из ферромагнитного металла в немагнитный методом «сэндвичей», в котором с помощью ЭМ исследовались образцы из чередующихся контактирующих пленок /6/. В качестве ферромагнетиков использовались металлы, ранее не исследованные этим способом.

Исследование границы раздела слоев разнородных металлов в гетероструктурах, приготовленных лазерным напылением, представляет самостоятельный интерес. Применение методов ЯГРС и электронографии позволило сделать выводы о кристаллической структуре и фазовом составе межфазной границы и оценить ее протяженность.

Вопросы динамики кристаллической решетки ультратонких металлических пленок на различных подложках изучены пока недостаточно. Эта задача актуальна, так как деформация фононного спектра пленок приводит к изменению их термодинамических, сверхпроводящих и упругих свойств /4/. В диссертации исследовалось влияние состояния граничных атомов на спектр решеточных колебаний ультратонких слоев металлического олова.

Целями представляемой работы являлись: разработка методики лазерного напыления УДС и многослойных структур металлов, а также исследование методом ЯГРС влияния поверхности и границы раздела фаз в таких объектах на их магнитные, структурные и динамические свойства. Были поставлены следующие конкретные задачи:

1. Изучение влияния межфазных границ в ультрадисперсном железе на его магнитные и упругие свойства.

2. Исследование влияния границы раздела фаз на проникновение спиновой поляризации электронов проводимости из магнитного металла в немагнитный.

3. Исследование структуры и состава межфазной границы в гетеро-структурах из разнородных металлов.

4. Исследование вероятности ЭМ ультратонких слоев уЗ — олова на различных подложках.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов и списка литературы. Она содержит 138 страниц машинописного текста, 33 рисунка, 14 таблиц и список литературы из 157 ссылок.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Разработана методика лазерного напыления гетероструктур о из чередующихся слоев разнородных металлов толщиной ~ 10 * 100 А о в условиях высокого статического (Р ^ 10 Тор) и сверхвысокого.

II эффективного" (Р <: 10 Тор) вакуума. Найдены оптимальные режимы для лазерного напыления пленок 10-ти металлов. Экспериментально установлены закономерности в формировании мелкодисперсной фазы конденсата, определяемые параметрами режима напыления (длительность и частота имцульсов излучения, давление и состав газа в камере, скорость напыления, температура и материал подложки). С помощью лазерного напыления впервые получено ультрадисперсное суперпарао магнитное железо с размерами частиц ^ 50 А.

2. В ультрадисперсном железе обнаружено аномально большое, обратимое увеличение вероятности эффекта Мёссбауэра (aJ? /^"18%) под давлением 9,5 кбар. Это явление объяснено ужесточением упругих связей и уменьшением средней амплитуды тепловых колебаний граничных атомов вследствие сближения дисперсных частиц образца.

3. Лазерным напылением в сверхвысоком вакууме получены структуры Fe-Sn, Ni-Sn, Co-Sn, Cr-Sn, Bd-Sn ,.

J)у — Qh. и исследовано проникновение спиновой поляризации электронов проводимости через границу раздела магнитного и немагнитного ttq металлов. Проведены измерения мёссбауэровских спектров ядер Sn л примесных ядер^Fe в интервале температур 4,2 4- 400°К и в циапазоне внешних магнитных полей 0 + 14 кэ. Из анализа экспериментальных данных сделаны следующие выводы: I) в структурах Gd— Sn и J) у — Sn поляризация релаксирует в переходном слое. Эценка глубины проникновения поляризации 8-подобных электродов проводимости из Qd в J3 -олово дает: Л^ 6 А- 2) в сэндвичах Fe-Sn «Co-Sn «Ni-Sn обнаруженное уширение имеет не магнитную, а квадрупольную природу вследствие образования интерметаллических соединений.

4. Методом ЯГР и электронографии установлены структура, фазовый состав и проведены оценки протяженности межфазной границы в гетероструктурах из разнородных металлов, полученных лазерным напылением. В образцах Gd-Sn и Dy-Sn толщина межфазной о границы не превышает 15 А. На примере контакта алюминия с оловом показано, что методика лазерного напыления в ряде случаев пригодо на для получения гетероструктур с предельно малой (3 ¦*¦ 5 А) толщиной межфазной границы.

5. Измерены зависимости вероятности эффекта Мёссбауэра? в о J ультратонких (20 — 500 А) пленках металлического олова от толщины слоев для 3-х подложек: алюминий, слюда, полиэтилен. Обнаружено, что в пленках олова ^ уменьшается по сравнению со значением в массивном уЗ — Sti — эффект уменьшения ^ минимален для металлических и максимален для органических подложек. Установлено, что это явление обусловлено «смягчением» фононного спектра пленок вследствие ослабления упругих связей граничных атомов.

Методические результаты настоящей работы могут найти применение и использование для приготовления сверхчистых слоев тугоплавких и химически активных веществ, суперпарамагнитных и мелкодисперсных пленок, для разработки методов получения дисперсных сред с заданным распределением частиц по размерам, а также для получения гетероструктур с малой толщиной межфазной границы. Некоторые методические результаты данной работы применяются во ВНИШТРИ и получили развитие в Институте прикладной физики АН СССР.

Выражаю искреннюю признательность к.ф.-м.н. И. Н. Николаеву за постановку задачи, руководство работой, постоянное внимание и дискуссии.

Благодарю д.ф.-м.н. профессора Ю. А. Быковского за предоставленную возможность проведения работ на кафедре, советы и обсуждениеА.С.Молчанова, В. П. Марьина и И. Ю. Безотосного за помощь в работе.