14.A18.21.1277

АННОТИРОВАННЫЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ОТЧЕТ О РЕЗУЛЬТАТАХ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ,

ВЫПОЛНЕННЫХ НА ЭТАПЕ № 1

«Создание и исследование магнитных наноструктур, полученных методом электрохимического осаждения»

Соглашение № 14.A18.21.1277 от 24 сентября 2012 года

Тема: «Исследование взаимосвязи геометрических параметров, структурных, магнитных, магнитотранспортных и механических свойств электроосажденных ферромагнитных наноструктур»

Исполнитель: Самардак А.С.

Ключевые слова: нанопроволока, электроосаждение, наногранулы, микромагнитная конфигурация, магнитная анизотропия, магнитосопротивление.

1. Цель проекта

1.1. В ходе выполнения проекта решена фундаментальная научная проблема в области физики конденсированного состояния - влияние структуры, магнитной анизотропии и деформации на процессы перемагничивания и микромагнитную конфигурацию в нанообъектах типа «гранулированная пленка» и «индивидуальная наногранула», «массив связанных нанопроволок» и «индивидуальная нанопроволока» диаметром от 5 до 50 нм.

1.2. Проект направлен на изучение влияния кристаллической структуры наноразмерных магнитных систем разной геометрии (наночастицы, наногранулы, нанопроволоки, ультратонкие пленки), полученных электрохимическим осаждением, на их магнитные, магнитотраспортные и механические свойства в широком диапазоне температур измерения.

2. Основные результаты проекта

2.1. Были исследованы режимы намагничивания наногранулированных пленок никеля, электрохимически осажденных на n – Si (111). Электроосаждение никеля начинается с образования отдельных наногранул, которые при увеличении времени осаждения сливаются, с образованием сплошной пленки. Вариация параметров осаждения позволила получить гранулы разной формы и размера для изучения микромагнитной конфигурации и микротвердости. Рассматривая отдельную гранулу никеля как сплюснутый полусфероид, был рассчитан критический размер, ниже которого частица должна находиться в однодоменном состоянии. Мы обнаружили, что отдельные гранулы никеля находятся в вихревом магнитном состоянии. Это было подтверждено микромагнитным моделированием и магнитно-силовой микроскопией (МСМ). При слиянии гранул с образованием пленки в образцах реализуется многодоменная магнитная структура. Для данных образцов была рассчитана зависимость концентрации гранул от эффективной толщины пленки. Для пленок с концентрацией гранул никеля C_Ni ≤ 53% процессы перемагничивания связаны с образованием, движением и аннигилированием ядра вихря, а при концентрации C_Ni > 53% процессы перемагничивания происходят за счет движения доменных стенок. При этом при увеличении концентрации гранул никеля и коэрцитивная сила, и приведенная остаточная намагниченность увеличиваются, достигая максимума при C_Ni = 53%, а затем идут на убыль. Сплошные пленки никеля, электроосажденные на кремниевые подложки, обладают анизотропным магнитосопротивлением, величина которого увеличивается, по мере увеличения толщины пленки.

Изучено коллективное магнитное поведение электроосажденных в нанопоры оксида алюминия массивов Ni нанопроволок с разной кристаллической структурой в широком диапазоне температур измерения с целью определения фазового состава и фазовых переходов. Исследована взаимосвязь микромагнитной структуры с наведенной магнитной анизотропией, кристаллической решеткой индивидуальных магнитных нанопроволок Ni. Изучено влияние магнитоупругой анизотропии, индуцируемой деформациями, на микромагнитную структуру и процессы перемагничивания индивидуальных нанопроволок Ni.

Исследование отдельных нанопроволок Ni, деформированных зондом атомно-силового микроскопа, выявило следующее:

1. При механической деформации происходит вращения и укрупнение зерна мелкозернистых поликристаллических нанопроволок. Это приводит к образованию двойников и, как следствие, к значительным изменениям магнитных свойств.

2. Магнитоупругая анизотропия, наведенная в напряженных частях нанопроволоки, сопровождается вращением намагниченности перпендикулярно оси проволоки и формированием периодической доменной структурой.

2.2. Описание новизны научных результатов.

Представлены параметры процесса электрохимического осаждения, позволяющие получать наногранулированные магнитные пленки с гранулами заданного размера. Впервые показан переход от однодоменного состояния к вихревому и многодоменному состояниям в магнитных наногранулах разного размера. Измерено магнитосопротивление гранулированных пленок толщиной от 100 до 1000 нм. Впервые показано изменение кристаллической структуры, и, как следствие, микромагнитной спиновой конфигурации в деформированных нанопроволоках, полученных электрохимическим осаждением.

2.3. Сопоставление с результатами аналогичных работ мирового  уровня.

Полученные результаты были представлены на таких престижных международных конференциях, как Intermag-2012 в Ванкувере, NanoSea-2012 на Сардинии и JEMS-2012 в Парме, в форме устных и постерных докладов. Представленные результаты соответствуют мировому уровню исследований.

3. Назначение и область применения результатов проекта

3.1. В рамках проекта расширены теоретические и экспериментальные знания о взаимосвязи кристаллической структуры, магнитных свойств и механических параметров для электроосажденных пленок и наноструктур. Используя экспериментальные методы и компьютерное моделирование, решена задача по объединению фундаментальных основ процессов перемагничивания, по-разному проявляющихся в зависимости от геометрии и размеров объектов, в одну единую физическую картину.

В рамках проекта сделан вклад в продвижение внедрения магнитных наноструктур в микроэлектронику, что в ближайшие годы позволит создать функциональные устройства с такими свойствами, как: энергонезависимость, что особенно важно для мобильных устройств и микросхем с низким энергопотреблением; высокая чувствительность к магнитным полям, которая позволит создать датчики магнитного поля; возможность контроля спиновой конфигурации электрическим током для создания устройств магнитной логики; хорошая масштабируемость в области наноразмеров для миниатюризации микросхем.

3.2. Важным научно-практическим результатом является разработанный метод по управлению (уменьшению) шероховатостей магнитных материалов, электроосажденных на полупроводниковые подложки. Этот метод позволит получать качественные ровные поверхности, обладающие высокой твердостью и стойкостью к коррозии.

Полученные результаты будут способствовать  укреплению позиций России в области физики конденсированных сред, наноэлектроники и нанотехнологий. Студенты и аспиранты из ДВФУ получат уникальный опыт проведения исследований в перспективной и востребованной области науки. Этот проект будет способствовать развитию научной карьеры молодых ученых.

4. Перспективы развития исследований

Современное нанотехнологическое оборудование НОЦ «Физика конденсированных сред» ДВФУ позволяет молодым исследователям пройти полный курс обучения на современном оборудовании. Данный проект послужил началом для развития новых научных идей, контактов и обменов. Также планируется написание монографии по электроосажденным наноструктурам и защита докторской диссертации руководителем проекта.

Коллектив проекта также принимает участие в 7-ой рамочной Программе Евросоюза совместно с University of Bath (Bath, UK) и CNRS, High Magnetic Field Laboratory (Grenoble, France). Название проекта "Spectroscopy of Spin Excitations in sub-100nm Magnetic Structures using High Electron Mobility Transistor Photodetection".

5. Опыт закрепления молодых исследователей – участников проекта (этапа проекта) в области науки, образования и высоких технологий

Стеблий Максим Евгеньевич, 18.10.1987 года рождения, принят на работу в ДВФУ на должность ассистента кафедры общей физики.

Суковатицина Екатерина Васильевна, 05.12.1986 года рождения, принята на работу в ДВФУ на должность инженера по кафедре физики низкоразмерных структур.

Руководитель проекта: Самардак А.С.