7. Отримання багатошарових магнітних структур методом електролітичного осадження.

К настоящему времени большинство из исследованных многослойных структур получены различными методами напыления (высокочастотным, магнетронным и т.д.). Эти методы позволяют получать структуры практически любого состава, однако такой технологии присущ ряд недостатков, таких как необходимость сверхвысокого предварительного вакуума и аргона высокой степени очистки, высокая энергия встраивающихся частиц, из-за чего не всегда возможно получение резкой границы раздела слоев, необходимость периодической смены мишеней и ряд других. В этом смысле привлекательны методы электролитического осаждения. При использовании импульсного режима питания многослойные магнитные структуры могут быть получены из одного и того же электролита [152]. В качестве немагнитного слоя могут быть использованы Cu, Ag, Au, Pd, Ni-P, Co-Ni-P и прочие; в качестве магнитного - элементы группы железа, их сплавы друг с другом, а также с металлоидами. То есть спектр составов многослойных магнитных структур, которые могут быть получены методом электролитического осаждения, достаточно широк. При оптимальном выборе длительности, амплитуды и формы импульсов градиент состава многослойных структур, полученных таким методом, может быть достаточно высок - содержание магнитного элемента в немагнитном и наоборот может не превышать 0,1 - 0,5 %.

2.1. Методика получения многослойных магнитных структур импульсным электроосаждением

Методика получения многослойных структур методом электролитического осаждения основана на том принципе, что у многих металлов сильно различаются их равновесные потенциалы восстановления. Так, немагнитные элементы типа Cu, Ag, Au и др. могут осаждаться при очень малых, иногда и положительных потенциалах катода; магнитные - железо и элементы его группы - при относительно высоких отрицательных потенциалах. Разница между ними может достигать 600 мВ и более.41

Первой работой, в которой было сообщено о получении многослойных магнитных структур методом электролитического осаждения, можно считать работу К.Огдена [153] по исследованию структур Ni/Cu. Толщина слоев в покрытии общей толщиной 33 мкм составляла несколько десятков нанометров, то есть чередующие слои имели довольно большую толщину. Интересны же структуры с толщиной слоев порядка единиц нанометров и менее. Именно в них наиболее велики поверхностные и другие эффекты, приводящие к значительному повышению прочностных, магнитных, электрических и др. характеристик.

Первые многослойные структуры с толщиной слоев менее нескольких нанометров методом электрического осаждения были подучены Л.Беннетом с сотрудниками [154]. Использовался электролит следующего состава, в г/л: никель сернокислый NiSO4 7H2O - 330, никель хлористый NiCl2 6H2O - 45, борная кислота H3BO3 - 35, кумарин C9H9Br2O2 - 0,1, медь сернокислая CuSO4 5H2O - 0,05 г/л. Применялись два режима осаждения: гальваностатический (плотность тока Дк при осаждении меди составляла 1,5 мА/см2, при осаждении никеля Дк равнялась 100 мА/см2) и потенциостатический (потенциал осаждения меди равнялся Cu=-400 мВ и никеля Ni=-1000 мВ). Слой меди толщиной 10 нм осаждался за 5,5 сек, а никеля такой же толщины - за 0,2 сек. Осаждение велось на вращающийся катод из механически полированной меди, проактивированной в растворе 1:1 НСl. Как видно из рис.2.1, при потенциале катода в диапазоне –0,1 -0,5 B на нем будет осаждаться только медь; если потенциал превышает –0,6 B, то будут осаждаться как медь, так и никель. Но поскольку из-за диффузионных затруднений предельная плотность тока осаждения элемента зависит от его концентрации в электролите (рис.2.1), то в случае небольшого содержания в растворе ионов меди при работе в области свыше –0,6 B осадок будет состоять практически только из никеля. При таких условиях в магнитных слоях никеля будет содержаться небольшое количество меди, которое будет определяться как изменением величины потенциала осаждения никеля, так и варьированием состава электролита. Из данных рис.2.1 следует, что чистая медь будет осаждаться при потенциале катода в диапазоне - 100-500 мВ (точка А), так как этого потенциала еще недостаточно для выделения никеля. Если теперь резко поднять потенциал катода до величины порядка - 1000 мВ (точка В), то выделяться будет практически только никель, так как из-за диффузионных затруднений предельная плотность тока осаждения меди мала и мала соответственно скорость ее осаждения. Поскольку предельная плотность тока осаждения металла определяется диффузионными затруднениями доставки ионов к катоду, то естественно, что она очень чувствительна к условиям перемешивания вблизи поверхности катода. Следовательно, при получении многослойных структур методом электролитического осаждения следует избегать использования вращающегося катода, прокачки электролита, ультразвукового воздействия и т.д.

Как уже указывалось, для получения многослойных структур может быть использовано как потенциостатическое, так и гальвано-статическое импульсное осаждение. Гальваностатическое удобно для более точного расчета толщины слоев, потенциостатическое позволяет получать более резкую границу раздела между элементом, который выделяется с бóльшим перенапряжением и следующим слоем из элемента с меньшим (по абсолютной величине) потенциалом осаждения.