Исследование особенностей твердофазных реакций в двухслойных Al/Ni,Al/Fe,Al/Co,Al/Mn,Al/Fe2O3,Pt/Co,Dy/Co,Ni3N/SiO тонких пленках, проходящих в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза

• Автор: Мягков, Виктор Григорьевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Красноярск
• Количество страниц: 102 с. : ил.

Глава I. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез на

порошках и его особенности. Основные свойства взрывной кристаллизации аморфных веществ. Общие сведения о твёрдофазных реакциях в тонких плёнках (литературный обзор). Постановка задач

1.1. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез

1.1.1 Введение

1.1.2. Адиабатическая температура

1.1.3. Автоколебательный и спиновый режимы СВС

1.2. Взрывная кристаллизация аморфных веществ

1.2.1 Введение

1.2.2. Обзор тепловой теории бистабильности кристаллизации

аморфных веществ и автоколебательного распространения фронта ВК

1.3. Твёрдофазные реакции в тонких плёнках

1.3.1 Кинетика твёрдофазных реакций в тонких плёнках
1.3.2. Система Co/Si
1.3.3. Система Al/Ni
1.4. Постановка задач исследований
Глава II Методика эксперимента. Образцы для исследования
2.1. Методы получения плёнок
2.2. Определение степени превращения
2.3. Методики нахождения магнитных характеристик плёночных
образцов
2.4. Способ инициирования твёрдофазного синтеза в тонких плёнках
2.5. Рентгенофазный анализ и электронно-микроскопические исследования
Глава III Автоволновое окисление металлических тонких плёнкок

3.1 Автоволновое окисление плёнок железа
3.2. Тепловое излучение при автоволновом окислении плёнок
железа
3.3 Автоволновое окисление Dy - Со плёнок
3.4. Морфологические нестабильности и фрактальный рост при
окислении Dy - Со плёнок
3.5. Фрактальное окисление плёнок железа
3.6. Выводы III главы
Глава1У. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез в
поликристаллических тонких пленках
4.1 Основные характеристики самораспространяющегося
высокотемпературного синтеза в поликристаллических топких плёнках
4.2 Особенности СВС в NijN/SiO плёночной системе
4.3. СВС и формирование квазикристаллов в двухслойных Al/Mn тонких
плёнках
4.4. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез и
магнитные особенности гранулированных Fe—AI2O3 плёнок
4.5. Выводы IV главы
Глава V. Самораспространяющийся высокотемпературные синтез в
монокристаллическнх тонких пленках
5.1. СВС в монокристаллическнх Al/Ni/, Al/Fe тонких
плёнках
5.2. СВС в эпитаксиальных Pt/Co/MgO(001) тонких плёнках
5.3. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез в AI/ß5-4. Co/MgO(001)n Al/a-Co/MgO(001) тонких плёнках
Выводы V главы
Заключение
Список литературы

Самораспространягощийся высокотемпературный синтез (СВС) на порошках достаточно хорошо изучен. СВС представляет собой волну горения, которая распространяется самоподдерживающим способом. Автоволновой характер распространения волны СВС обусловлен высокоэзотермичностью реакции при химическом взаимодействии реагентов. Волна горения может иметь температуру фронта до 5000 К и обладать скоростью до 0,25 м/с. К числу интересных физических явлений наблюдаемых при движении фронта СВС является автоколебательное и спиновое горение. Характеристики волны СВС зависят от дисперсности порошков. Методом СВС получены многие простые и сложные соединения, твёрдые растворы и метастабильныс фазы. СВС имеет преимущества перед обычными способами получения соединений (высокая чистота продуктов реакции, простота аппаратуры синтеза, малые энергозатраты и т.д.) В меньшей степени СВС исследовался в слоевых системах и совсем не исследовался в двухслойных и мультислойных тонких плёнках. Двухслойные и мультислойные тонкие плёнки представляют собой слои различных реагентов, толщиной от одного атомного слоя до 500 нм, осаждённых последовательно друг на друга. Исследование СВС в тонких плёнках сейчас особенно актуально, так как тонкие слои и мультислои составляют основу современной микроэлектроники. Большая удельная (к объёму) поверхность плёночных реагентов создаёт условия значительного теплоотвода в подложку из зоны реакции и понижает температуру фронта по сравнению с порошковыми реагентами. Это предполагает, что СВС на плёнках проходит в твёрдой фазе, и может сильно отличатся от СВС на порошках. Поэтому СВС в тонких плёнках является разновидностью твёрдофазных реакций. Твёрдофазные реакции в тонких плёнках исследуются последние 30 лет. Изучаются они интенсивно и в последние годы. Достаточно сказать, что практически в каждом номере Journal of Applied Physics имеются работы, связанные с твёрдофазнымн реакциями в тонких плёнках. Как правило считается, что кинетика этих реакций связана с процессами образования зародышей новой фазы и их ростом и описывается уравнением Колмогорова-Аврами- Джонсона. Однако кинетика СВС в тонких плёнках сильно отличается от кинетики твёрдофазных реакций массивных образцов. СВС в тонких плёнках представляет собой волну поверхностного горения и аналогичен взрывной кристаллизации (ВК). Таким образом, для исследования СВС в тонких плёнках необходимы знания об СВС на порошках, взрывной кристаллизации и твёрдофазных реакциях в тонких плёнках. Исследование СВС в тонких плёнках связанных с подложкой в основном ограничено работами автора диссертации. Однако имеются несколько работ по взрывным реакциям,

находился в жидкой фазе, но и частично испарялся. Эксперименты по лазерному облучению аморфных пленок железа и анализ внутреннего строения фракталов позволяют объяснить появление окисных кластеров следующим образом. Лазерное излучение инициирует центр ВК в областях аморфной пленки, обладающих ближним порядком [11]. Области с ближним порядком могут образовываться также в результате естественного старения и вызывать спонтанную ВК. Эти области являются центрами, из которых растут окисные кластеры. На фронте ВК в результате значительного тепловыделения создается жидкая зона между кристаллической и аморфными фазами с температурой фронта Тг превышающей температуру стеклования Тг > Та что вызывает самоподдерживающсе распространение фронта ВК. Вследствие аррениусовской зависимости коэффициента диффузии от температуры значительная часть кислорода диффундирует в жидкую зону, результатом чего является воспламенение жидкой зоны. Температура фронта возрастает, и жидкая зона резко расширяется. Процесс воспламенения металлических поверхностей при адиабатическом нагреве рассматривался в разделах 3.1, 3.3 и назван авторами автоволновым окислением металлов. Автоволновое окисление является волной поверхностного горения. В разделе 3.2 показано, что температура фронта для пленок железа может достигать Тг = 3800°С. Эта температура в зоне реакции создает не только жидкую зону, но и вызывает частичное испарение образовавшегося окисла. Скорость фронта Уг увеличивается с увеличением температуры подложки и может достигать порядка 10 • 10'2 м/с.
На рис.21 схематично показан температурный профиль в системе координат, связанной с фронтом, и объясняется существование жидкой зоны на нем. Так как температура фронта Тг больше температуры плавления окисла Тт° и температуры плавления металла Ттт, то жидкая зона содержит как жидкий окисел, так и жидкий металл. Быстрый теплоотвод от жидкого окисла, оставшегося позади движущегося фронта окисления, препятствует кристаллизации окисла и аморфизирует его. Нестационарное температурное поле в жидкой фазе создаст конвективные течения, а движение способствует внутреннему перемешиванию. Эти два фактора определяют поверхностную морфологию застывшего окисла.
Считая, что вязкость в жидкой зоне удовлетворяет закону Андраде р(Т) = А(Т)ехр(-В/Т),
где А(Т) - слабо зависящая функция температуры, предполагая экспоненциальный спад температуры [II], построили зависимость коэффициента вязкости в жидкой зоне в интервале температур 0 < Т < Ттт. Эта зависимость в относительных единицах штриховой линией