Ученые кафедры магнетизма и магнитных материалов Уральского федерального университета совместно с исследователями Института материаловедения Мадрида (Испания) разрабатывают металлические пленки с упорядоченной наноразмерной структурой, обладающие уникальными свойствами. Результаты работы представлены в журнале Nanotechnology.
Создание упорядоченного массива наноразмерных отверстий с одинаковым диаметром на большой площади — задача сложная и затратная, во всяком случае, если решать ее напрямую, создавая отверстия в сплошной пленке. Ученые пошли по другому пути — использовали эффект самосборки или самоорганизации. Заключается он в применении технологии анодирования алюминия для получения пористых поверхностей с небольшой модификацией, позволяющей получать отверстия с хорошо контролируемым диаметром, упорядоченные в гексагональную решетку. Анодированный слой алюминия состоит из очень твердого материала с химической формулой Al2O3, который в кристаллическом состоянии известен как корунд или сапфир. В результате процесса самоорганизации пор получается поверхность, напоминающая пчелиные соты, уменьшенные приблизительно в миллион раз.
Этот способ позволяет с высокой точностью задать диаметр отверстий и расстояние между их центрами на большой площади в широких пределах — от 20 до 800 нанометров. Такая поверхность после специальной обработки и была использована исследователями для последующего напыления магнитных пленочных покрытий.
«Подложку из алюминия с упорядоченными порами разработали еще 25 лет назад. В последние годы ее используют как основу для нанесения пленок, в том числе магнитных, и как шаблон для выращивания металлических нанопроводов. Мы в этом плане не первые, — поясняет старший научный сотрудник отдела магнетизма твердых тел УрФУ Никита Кулеш. — Уникальность нашей работы заключается в использовании аморфной пленки TbCo с перпендикулярной магнитной анизотропией. Необычен этот материал тем, что в нем присутствуют две магнитные подрешетки, магнитные моменты которых направлены в противоположные стороны. Для определенных составов при нагреве или охлаждении будут существенно изменяться магнитные свойства, например, будет доминировать магнитный момент тербия, кобальта, либо они окажутся практически равными. Это свойство может оказаться особенно полезно при создании сред для магнитной записи информации».
Металлическая пленка толщиной около 30 нанометров достаточно точно повторяет рельеф поверхности. Поэтому при использовании пористых подложек анодированного алюминия удается получить пленку, покрытую наноразмерными отверстиями приблизительно одинакового диаметра. Нужно это для того, чтобы влиять на магнитные свойства материала пленки путем изменения размеров структурных элементов. Пояснить эту связь можно на классическом примере применения нанотехнологий — окрашивания стекла во всевозможные цвета с помощью добавления металлических частиц определенного размера. В этом примере характерный размер частицы оказывается сопоставим с длиной волны света, что приводит к интенсивному поглощению определенных длин волн и окрашиванию стекла. В случае наноперфорированных магнитных пленок диаметр и расстояние между центрами пор будут параметрами, размер которых оказывается сопоставим с толщиной покрытия и шириной доменной стенки. Таким образом, контроль параметров системы отверстий в магнитной пленке позволяет контролировать локальные магнитные поля рассеяния и эффективность закрепления доменной стенки при перемагничивании пленки.
В своей работе исследователи продемонстрировали возможность использования массива отверстий для существенного улучшения некоторых свойств магнитной пленки. Локальное изменение формы пленки привело к усилению магнитной анизотропии в направлении, перпендикулярном плоскости. А присутствие отверстий размером, сопоставимым с шириной доменной стенки, привело к повышению критического поля, в котором наблюдается перемагничивание, более чем в три раза, по сравнению со сплошной пленкой.
Использовать такие наноперфорированные пленки можно в системах для записи и обработки информации.
«Магнитная пленка с наноразмерными отверстиями интересна тем, что позволяет преодолеть так называемый суперпарамагнитный предел — когда размер бита становится настолько мал, что энергия тепловых колебаний начинает преобладать над энергией магнитной анизотропии. Это, конечно, приводит к потере записанной информации. Остается два варианта: искать материал с большей энергией магнитной анизотропии или увеличивать размер бита. Использование массива наноразмерных дефектов позволяет реализовать третий вариант — стабилизировать намагниченность бита за счет создания магнитного мостика между соседними битами», — говорит Никита Кулеш.
Еще одна область применения — это создание магнонных кристаллов, которые могут выступать в качестве логических элементов и фильтров для обработки сигнала в виде спиновых волн. Ученые отмечают, что потенциал применения наноперфорированных пленок не исчерпывается системами хранения и обработки информации. Например, похожие структуры могут быть использованы в качестве сенсоров магнитных наночастиц и быть полезными в биомедицинских приложениях, в частности, для контроля концентрации частиц в жидкостях.
На данный момент в УрФУ реализован полный цикл создания наноперфорированных пленочных образцов разных составов покрытия. В том числе осуществляется электрохимический синтез пористых подложек анодированного алюминия с различным диаметром отверстий или массивом наноразмерных выпуклостей, проводится осаждение пленочных покрытий с прецизионным контролем состава и толщины, а также имеется оборудование для исследования полученных образцов. Научная группа планирует продолжить исследование влияния наноразмерных дефектов в виде отверстий и выпуклостей на магнитные свойства пленочных покрытий, а также ведет работу по синтезу и исследованию свойств магнитных нанопроводов.
Фото: Анастасия Фарафонтова