3.5 Обсуждение результатов

С ростом Т_подл в пленках образуется более мелкозернистая структура [4] и интенсифицируются диффузионные процессы. В результате, дефекты выходят из объема зерна на границы зерен. Как следствие, внутри зерна уменьшается доля дефектов, что способствует снижению величины микронапряжений. Уменьшение величины ОКР в пленках Co с ростом Т_подл связано с фрагментацией зерен за счет образования дислокационных стенок: беспорядочно расположенные дислокации с ростом температуры собираются, образуя стенку и создавая ячеистую структуру [18]. Уменьшение величины микронапряжений с ростом температуры испарителя объясняется степенью законченности фазовых превращений. При Т_исп =120 ⁰С в исследуемых пленках ещё не полностью произошли фазовые превращения: границы между кристаллическими решетками различных фаз – когерентные. Как следствие, наблюдаются высокие микронапряжения. С ростом температуры испарителя фазовые превращения протекают интенсивнее (они начинаются в газовой фазе), и в результате кристаллы α-Co и β-Co обособляются. Происходит срыв когерентности границ кристаллических решеток, что способствует релаксации микронапряжений. Стоит отметить, что потеря дифракционного отражения при Т_подл = 310 ⁰С сопровождается его появлением на дальних углах от плоскостей другой ориентации (но данный пик не изучается, в связи с тем, что его интенсивность гораздо ниже). Отсутствие пика при Т_подл = 420 ⁰С связано с уменьшением количества кобальта и образованием сетчатой структуры – возможно аморфной (слабо кристаллической). Повышенное содержание углерода в пленках Co при Т_подл = 420 ⁰С связано с тем, что при высоких температурах подложки в процессе CVD-осаждения образуются рыхлые покрытия, загрязненные продуктами объемного разложения металлсодержащих соединений – микроскопическими частицами металла с повышенным содержанием углерода [4].

Сужение интервала существования кристаллической структуры в пленках Co при увеличении Т_исп со 120 до 130 ⁰С, а также значительное уменьшение размера зерна при высокой Т_исп (155 ⁰С) объясняется тем, что рост Т_исп способствует увеличению скорости подачи паров в камеру осаждения [4]. Как следствие, возрастает скорость роста пленки, что приводит к уменьшению зерна [19] и увеличению количества дефектов [4]. Первоначальный рост зерна при увеличении Т_исп от 120 до 150 ⁰С связан с тем, что поменялся механизм роста пленок, и как следствие, вид внутренней структуры. При Т_исп = 120 ⁰С пленки Co характеризовались вертикальными столбчатыми образованиями, а при более высоких температурах испарителя – горизонтально-слоистыми (о чем свидетельствуют ступеньки на поверхности зерен). Стоит отметить, что средний размер зерен, отображенных на АСМ и РЭМ-изображениях, больше размера ОКР, так как размер ОКР приблизительно соответствует размеру субзерен.

Увеличение температуры подложки не только приводит к более интенсивному формированию ячеистой структуры в пленках Co, но и обусловливает снижение скорости их роста. По-видимому, с повышением T_подл процесс разложения предшественника начинается раньше, чем он достигает подложки. Как следствие, меньшее количество атомов Со осаждается на подложке, обусловливая существенное снижение толщины пленки и постепенной потере их сплошности (таблица 3). Рост температуры испарителя от 120 до 140⁰С способствует непрерывному увеличению толщины пленок Co вследствие повышения скорости осаждения. Однако при дальнейшем увеличении температуры испарителя возникают процессы десорбции атомов Co с подложки Si вследствие повышения их энергии. В результате толщина пленок начинает снижаться.

Сравнительно сниженные значения величин намагниченностей у пленок Co из первой партии объясняются их относительно малыми толщиной и размером зерна. Повышенное значение коэрцитивной силы у данных пленок Co, полученных при температуре подложки, равной 420 ⁰С, может быть связано с наличием несплошной структуры и с меньшим содержанием кобальта в данных пленках. Содержание кобальта также оказывает существенное влияние на величину удельного электрического сопротивления данных пленок: с ростом температуры подложки от 310 до 420 ⁰С уменьшается количество кобальта в пленках и, как следствие, возрастает удельное электрическое сопротивление.

Для пленок Co из второй партии величины магнитного момента и удельного электрического сопротивления хорошо взаимосвязаны с данными по элементному составу. Как известно, кобальт в отличие от неметаллических примесей (углерода, азота, кислорода) обладает магнитными свойствами и хорошей электропроводностью. Увеличение содержания Co от 84,8 до 93,5%, наблюдаемое в пленках Со, нанесенных при температуре испарителя T_исп = 130 ⁰C и температурах подложки T_подл от 300 до 330 ⁰C (таблица 2), обусловливает рост их остаточной намагниченности и намагниченности насыщения, а также уменьшение удельного электрического сопротивления (таблица 4). Однако в пленках, нанесенных при T_подл=340 ⁰C, имеет место обратное уменьшение содержания Со (до 90,9%), что сопровождается снижением их магнитных свойств и увеличением удельного электрического сопротивления. При этом коэрцитивная сила данных пленок зависит от степени их упорядоченности (текстурированности). Как следует из таблицы 4, максимальной величиной H_c =8600 А/м характеризуются образцы, осажденные при T_исп = 130 °C и T_подл = 320 °C – именно эти образцы по данным рентгеноструктурного анализа имеют наиболее выраженную текстуру (максимальную высоту дифракционного пика).

Коэрцитивная сила пленок Co из третьей партии несущественно зависит от температуры испарителя и варьируется в пределах 6500-7500 А/м. Исключение составляет пленки Co, осажденные при температуре испарителя Т_исп = 155°С, у которых наблюдаются пониженные значение коэрцитивной силы (H_c = 1700 А/м). Причина существенного снижения H_c у данных пленок связана с уменьшением величины микронапряжений и снижением степени текстурированности.

Изменение магнитных и электрических характеристик пленок Co, главным образом, определяется изменением размеров их зерен. Известно, что границы зерен, как и любые другие дефекты структуры (вакансии, атомы в междоузлии, дислокации, и др.) оказывают существенное влияние на величину удельного электрического сопротивления [20]. Чем меньше размер зерна, а, следовательно, больше протяженность границ зерен, тем больше величина ρ, что и наблюдается в наших экспериментах (Рисунок 23). Изменение структуры пленок также порождает изменение их магнитных свойств. Так, с ростом размера зерна уменьшается площадь межзёренных границ. В результате пленки Co легче перемагничиваются: магнитные домены вращаются и ориентируются по направлению внешнего магнитного поля, встречая на своем пути меньше препятствий. Как следствие, снижается коэрцитивная сила исследуемых металлических пленок. В свою очередь, с ростом размера зерна имеет место уменьшение доли дефектной структуры границ зерен, а, следовательно, увеличение магнитного момента пленок Co [21].