Особенности микроструктуры тонких пленок ортоферрита иттрия на сапфире

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Методами рентгеновской дифракции и электронной микроскопии были исследованы особенности кристаллической структуры ультратонких (3÷50 нм) пленок ортоферрита иттрия, полученных методом магнетронного распыления мишени стехиометрического состава на подложки α-Al2O3 с ориентацией. В зависимости от толщины морфология и кристаллическая структура пленок существенно отличаются. В самых тонких пленках происходит формирование нескольких фаз: ортоферрита иттрия с орторомбической кристаллической решеткой (о-YFeO3), гексаферрита иттрия с гексагональной кристаллической решеткой (h-YFeO3), железоиттриевого граната Y3Fe5O12 и оксидов железа – гематита и маггемита. Исследован локальный состав и определены ориентационные соотношения закристаллизовавшихся фаз и подложки. В пленках толщиной более 10 нм обнаружена преимущественно высокотекстурированная фаза о-YFeO3 с небольшой примесью железоиттриевого граната.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. Л. Васильев

Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”

Email: i.a.subbotin@gmail.com
Россия, пл. Академика Курчатова, 1, Москва, 123182

И. А. Субботин

Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”

Автор, ответственный за переписку.
Email: i.a.subbotin@gmail.com
Россия, пл. Академика Курчатова, 1, Москва, 123182

А. О. Беляева

Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”

Email: i.a.subbotin@gmail.com
Россия, пл. Академика Курчатова, 1, Москва, 123182

Ю. М. Чесноков

Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”

Email: i.a.subbotin@gmail.com
Россия, пл. Академика Курчатова, 1, Москва, 123182

В. В. Изюров

Институт физики металлов УрО РАН

Email: i.a.subbotin@gmail.com
Россия, ул. Софьи Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

К. А. Меренцова

Институт физики металлов УрО РАН

Email: i.a.subbotin@gmail.com
Россия, ул. Софьи Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

М. С. Артемьев

Институт физики металлов УрО РАН

Email: i.a.subbotin@gmail.com
Россия, ул. Софьи Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

С. С. Дубинин

Институт физики металлов УрО РАН

Email: i.a.subbotin@gmail.com
Россия, ул. Софьи Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

А. П. Носов

Институт физики металлов УрО РАН

Email: i.a.subbotin@gmail.com
Россия, ул. Софьи Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

Э. М. Пашаев

Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”

Email: i.a.subbotin@gmail.com
Россия, пл. Академика Курчатова, 1, Москва, 123182

Список литературы

  1. Ik Jae Leea, Jae-Yong Kim, Chungjong Yu, Chang-Hwan Chang, Man-Kil Joo, Young Pak Lee, Tae-Bong Hur and Hyung-Kook Kim. Morphological and structural characterization of epitaxial α-Fe2O3 (0001) deposited on Al2O3 (0001) by dc sputter deposition // J. Vac. Sci. & Tech. 2005. V. 23. P. 1450–1455.
  2. Andreeva M., Baulin R., Nosov A., Gribov I., Izyurov V., Kondratev O., Subbotin I., Pashaev E. Mössbauer Synchrotron and X-ray Studies of Ultrathin YFeO3 Film // Magnetism. 2022. V. 2. P. 328–339.
  3. Suhir E. Predicted Thermal- and Lattice-Mismatch Stresses / In: Handbook of Crystal Growth. Thin Films and Epitaxy: Basic Techniques. V. III, Part A. Second Edition. Editor-in-Chief Tatau Nishinga. Volume Editor Thomas F. Kuech. Elsevier, 2015. P. 983–1005.
  4. Chesnokov Yu.M., Vasiliev A.L., Prutskov G.V., Pashaev E.M., Subbotin I.A., Kravtsov E.A., Ustinov V.V. Microstructure of periodic metallic magnetic multilayer systems // Thin Solid Films. 2017. V. 632. P. 79–87.
  5. Subbotin I.A., Pashaev E.M., Vasilev A.L., Chesnokov Yu.M., Prutskov G.V., Kravtsov E.A., Makarova M.V., Proglyado V.V., and Ustinov V.V. The Influence of Microstructure on Perpendicular Magnetic Anisotropy in Co/Dy Periodic Multilayer Systems // Physica B: Condens. Matter. 2019. V. 573. P. 28–35.
  6. Sukhorukov Yu.P., Nosov A.P., Loshkareva N.N., Mostovshchikova E.V., Telegin A.V., Favre-Nicolin E., and Ranno L. The influence of magnetic and electronic inhomogeneities on magnetotransmission and magnetoresistance of La0.67Sr0.33MnO3 films // J. Appl. Phys. 2005. V.97. P. 103710–103714.
  7. Baltz V., Manchon A., Tsoi M., Moriyama T., Ono T., Tserkovnyak Y. Antiferromagnetic spintronics // Rev. Mod. Phys. 2018. V. 90. P. 15005–15061.
  8. Bar’yakhtar V.G., Ivanov B.A., and Chetkin M.V. Dynamics of domain walls in weak ferromagnets // Sov. Phys. Uspekhi. 1985. V. 28. P. 563–588.
  9. Eibschutz M., Shtrikman S., and Treves D. Mossbauer Studies of Fe57 in Orthoferrites // Phys. Rev. 1967. V. 156. P. 562–577.
  10. Gorodetsky G., Shtrinkman S., Tenenbaum Y., and Treves D. Temperature Dependence of the Susceptibility Tensor of a Weak Ferromagnet: YFeO3 // Phys. Rev. 1969. V. 181. P. 823–828.
  11. Zhang R., Xiong S., Gong M., Wang X., Yu C., Lan J. Influence of substrate orientation on structural, ferroelectric and piezoelectric properties of hexagonal YFeO3 films // J. Electroceramics. 2018. V. 40. P. 156–161.
  12. Kumar N., Prasad S., Misra D.S., Venkataramani N., Bohra M., Krishnan R. The influence of substrate temperature and annealing on the properties of pulsed laser-deposited YIG films on fused quartz substrate // J. Magn. Magn. Mat. 2008. V. 320. P. 2233–2236.
  13. Qiuping Fu, Naifeng Zhuang, Xiaolin Hu and Jianzhong Chen. Substrate influence on the structure and properties of YbFeO3 films. //Mater. Res. Express. 2019. V. 6. P. 126120.
  14. Coppens P., Eibschuetz M. Determination of the crystal structure of yttrium orthoferrite and refinement of gadolinium orthoferrite // Acta Crystallogr. 1965. V. 19. P. 524–531.
  15. Nakatsuka A., Yoshiasa A., Takeno S. Site preference of cations and structural variation in Y3Fe5– xGaxO12 (0 ≤ x ≤ 5) solid solutions with garnet structure // Acta Crystallogr. B. 1995. V. 51. P. 737–745.
  16. Finger L.W., Hazen R.M. Crystal structure and isothermal compression of Fe2O3, Cr2O3, and V2O3 to 50 kbars // J. Appl. Phys. 1980. V. 51. P. 5362–5367.
  17. Solano E., Frontera C., Puig T., Obradors X., Ricart S., Ros J. Neutron and X-ray diffraction study of ferrite nanocrystals obtained by microwave-assisted growth. A structural comparison with the thermal synthetic route // J. Appl. Crystallogr. 2014. V. 47. P. 414–420.
  18. Li J., Singh U.G., Schladt T.D., Stalick J.K., Scott S.L., and Seshadri R. Hexagonal YFe1–xPdxO3–δ: Nonperovskite Host Compounds for Pd2+and Their Catalytic Activity for CO Oxidation // Chem. Mater. 2008. V. 20. P. 6567–6576.
  19. Greaves C. A powder neutron diffraction investigation of vacancy ordering and covalence in gamma-Fe2O3 // Journal of Solid State Chem. 1983. V. 49. P. 325–333.
  20. Montoro V. Miscibilita fra gli ossidi salini di ferro e di manganese // Gazz. Chim. Ital. 1938. V. 68. P. 728–733.
  21. Дворянкина Г.Г., Пинскер З.Г. Электронографическое исследование Fe3O4 // ДАН. 1960. Т. 132. С. 110–113.
  22. Verwey E.J.W., Heilmann E.L. Physical Properties and Cation Arrangement of Oxides with Spinel Structures I. Cation Arrangement in Spinels // J. Chem. Phys. 1947. V. 15. P. 174–180.
  23. Michel A., Chaudron G., and Benard J. Properties of non-metallic ferromagnetic compounds // J. Phys. Radium. 1951. V. 12. P. 189–201.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Кривые дифракционного отражения в режиме θ–2θ-сканирования тонких пленок различной толщины. Знаком * отмечены дифракционные пики от YFeO₃, ○ – Y₃Fe₅O₁₂, + – α-Fe₂O₃.

Скачать (212KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Кривые дифракционного отражения типа  (а),  (б) и  (в) в in-plane геометрии для пленок YFeO₃ с толщинами 10 нм, 25 нм и 50 нм.

Скачать (170KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Кривые дифракционного отражения типа 1010 (а), 1120 (б) и 2110 (в) h-YFeO₃в геометрии in-plane для пленок толщиной 3 нм и 5 нм.

Скачать (209KB)
Метаданные
5. Рис. 4. РЭМ-изображения поверхности образцов с толщиной слоя YFeO₃ по данным оптической профилометрии: а – 3 нм; б – 5 нм (“1” – протяженные плоские частицы YFO, “2” – дендриты, “3” – ограненные частицы, “4” – относительно маленькие частицы с ярким контрастом); в – 7 нм (стрелками указана граница между разориентированными частицами), г – 10 нм, д – 25 нм, е – 50 нм.

Скачать (469KB)
Метаданные
6. Рис. 5. РЭМ-изображения поверхности образцов с толщиной слоя YFO 5 нм: а — без наклона столика; б — с большим увеличением и наклоном столика на 52°. “1” — протяженные плоские частицы YFO, “2” — дендриты, “3” — ограненные частицы.

Скачать (647KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Светлопольные ПЭМ / ПРЭМ изображения образцов с толщиной пленок YFeO, определенных оптической профилометрией: а — 3 нм, б — 5 нм, в — 7 нм, г — 50 нм. Стрелкой показан островок, характеризующийся светлым контрастом. Полоса с темным контрастом на поверхности пленки — слой Au, напыленный на поверхность образца для снятия заряда, выше слой платины с углеродом.

Скачать (367KB)
Метаданные
8. Рис. 7. ВР ПЭМ-изображение отдельных частиц в образце с толщиной пленки 3 нм (а, в, д): а — о-YFeO₃ c осью c, расположенной параллельно поверхности подложки; в — о-YFeO₃ c осью c, расположенной перпендикулярно поверхности подложки (стрелкой показана ступенька на границе раздела); д — частица с предполагаемой структурой маггемита γ-Fe₂O₃, стрелками показаны ступени на поверхности подложки. На вклейках ВР ПЭМ-изображений — уменьшенные изображения исследованных островков; б, г, е — двумерные спектры Фурье, полученные от соответствующих ВР ПЭМ-изображений.

Скачать (1MB)
Метаданные
9. Рис. 8. Результаты ЭРМ-элементного картирования и ВР ПЭМ-изображения островков в пленке толщиной 3 нм: а — высокоугловое ПРЭМ-изображение. Карты распределения: б — Fe; в — Y; г — Al; д — O; е — Au; ж — комплексная элементная карта, цвета элементов соответствуют цветам на индивидуальных картах, прямоугольниками “з”, “и” обозначены области образца, ВР ПЭМ-изображения которых представлены на “з” и “и”. На “и” квадратом показана область, от которой был получен двумерный спектр Фурье, представленный на (к).

Скачать (1MB)
Метаданные
10. Рис. 9. ВР ПЭМ-изображение поперечного сечения островка о-YFeO₃ образца с пленкой толщиной 5 нм. На вставке – двумерный спектр Фурье.

Скачать (212KB)
Метаданные
11. Рис. 10. (а) ВР ПЭМ-изображение поперечного сечения образца с пленкой толщиной 5 нм с островком h-YFeO₃, прямоугольником выделен участок, увеличенное изображение которого показано на (б) и соответствующий двумерный спектр Фурье на (в).

Скачать (202KB)
Метаданные
12. Рис. 11. ВР ПЭМ-изображения поперечного сечения образца с пленкой толщиной 5 нм с островками Y₃Fe₅O₁₂: а – ориентация (1); г – ориентация (2). Прямоугольниками выделены увеличенные области, показанные на (б) и (д), соответствующие двумерные спектры Фурье представлены на (в) и (е).

Скачать (639KB)
Метаданные
13. Рис. 12. ВР ПЭМ-изображение островка оксида железа на образце с пленкой толщиной 5 нм (а); прямоугольником выделена область, увеличенное изображение которой приведено на (б); на (в) представлен соответствующий двумерный спектр Фурье.

Скачать (279KB)
Метаданные
14. Рис. 13. (а) Типичное ВР ПЭМ-изображение островка Y₃Fe₅O₁₂ в пленке толщиной 7 нм, прямоугольником выделена область, увеличенное изображение которой приведено на (б). На вставке соответствующий двумерный спектр Фурье.

Скачать (330KB)
Метаданные
15. Рис. 14. (а) Темнопольное ПРЭМ-изображение островка в пленке толщиной 7 нм, (б) карта распределения элементов для соответствующей области, (в) карта распределения Fe, (г) карта распределения Y, (д) ВР ПЭМ-изображение островка, прямоугольником выделена область, увеличенное изображение которой показано на (е).

Скачать (402KB)
Метаданные
16. Рис. 15. (а) ВР ПЭМ-изображение поперечного сечения пленки толщиной 50 нм, прямоугольником показана область, увеличенное изображение которой представлено на (б), (в) двумерный спектр Фурье от пленки, соответствующий о-YFeO₃; (г) темнопольное ПРЭМ-изображение с регистрацией электронов, рассеянных на большие углы.

Скачать (352KB)
Метаданные