Связь морфологии поверхности и магнитной анизотропии магнетронных пленок Ni на подложке GaAs

Цель. Установить взаимосвязь между морфологическими параметрами никелевых нанопленок на подложках GaAs и их магнитными характеристиками, а также определить влияние механизма нанопленок роста на формирование доменных структур.

Методы. Изучаемые никелевые нанопленки синтезированы методом магнетронного распыления на подложки GaAs в аргоновой среде. Для изучения эволюции свойств нанопленок Ni была создана серия образцов с различными толщинами от 5 нм до 100 нм. Исследование морфологии поверхности проводилось с помощью магнитно-силовой микроскопии в полуконтактном режиме. На основе полученных трехмерных изображений выполнялся количественный анализ, включавший расчет средней арифметической (Ra) и среднеквадратичной (Rq) шероховатости, статистическую обработку распределений размеров структур, определение фрактальной размерности. Кристаллическая структура пленок изучалась методом рентгеновской дифрактометрии в геометрии Брэгга – Брентано. Анализ дифрактограмм для установления фазового состава, определение размера областей когерентности в приближении Шеррера, оценка степени текстурированности материала. Проведены магнитометрические измерения и определены коэрцитивная сила (Hc) и эффективная магнитная анизотропия (Keff).

Результаты. Установлено, что преимущественный рост пленки реализуется по механизму Вольмера – Вебера. При толщинах 40–50 нм поверхность никелевой магнетронной нанопленки сохраняет шероховатость, формируется лабиринтная доменная структура в форме отдельных островков. Для пленки с толщиной 75 нм возрастает однородность структуры и снижается разброс размеров доменов. При толщине 100 нм фиксируется укрупнение доменных областей и уменьшение шероховатости. Расчеты Keff и Hc показали их взаимосвязь и рост магнитной жесткости при увеличении толщины.

Заключение. Размер доменов линейно зависит от толщины нанопленок. С ростом толщины никелевой магнетронной нанопленки повышается магнитная жесткость доменной структуры.

1. Emerging spintronic materials and functionalities / L. Guo, S. Hu, X. Gu, R. Zhang, K. Wang, W. Yan [et al.] // Advanced Materials. 2024. Vol. 36, 22. P. 2301854. https://doi.org/10.1002/adma.202301854.

2. Azovtsev A. A., Pertsev N. A. Acoustically excited magnetic dynamics and spin flow in spin-valve structures // Physical Review Applied. 2022. Vol. 17, is. 3. P. 034070. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.17.034070.

3. Magnetic properties and I‑V characteristics of DC magnetron sputtered [Co (0.2 nm)/Ni (0.4 nm)]10 thin films /S. Sarkar, R. Hussain, D. Rajbanshi, S. K. Srivastava // MetalMat. 2024. Vol. 1, is. 2. P. e29. https://doi.org/10.1002/metm.29.

4. Structural and magnetic properties of micropolycrystalline Cobalt thin films fabricated by direct current magnetron sputtering / K. Song, Z. Li, M. Fang, Z. Xiao, Q. Lei // International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials. 2024. Vol. 31. P. 384–394. https://doi.org/10.1007/s12613-023-2715-5.

5. Abdollahi M., Shams M.H., Hosseini M.H. Enhanced magnetic properties of Ni–Zn ferrite thin films grown on Si using magnetron sputtering // Indian Journal of Physics. 2025. Vol. 100. P. 247–256. https://doi.org/10.1007/s12648-025-03774-y.

6. Zighem F., Faurie D. A review on nanostructured thin films on flexible substrates: links between strains and magnetic properties // Journal of physics: Condensed Matter. 2021. Vol. 33, is. 23. P. 233002. https://doi.org/10.1088/1361-648X/abe96c.

7. Яриков С.А. Взаимодействие между магнитными слоями через полуметаллическую прослойку в системе FeNi/Bi/FeNi // Девятнадцатая Всероссийская научная конференция студентовфизиков и молодых ученых (ВНКСФ-19): материалы конференции. Архангельск: Изд-во АСТ Россия, 2013. С. 153–154.

8. Effect of substrate roughness and film thickness on the magnetic properties of CoFeB films on polymer substrate / Y. Ha, J.H. Baeg, S. Park, Y.R. Cho // Vacuum. 2021. Vol. 191. P. 110399. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2021.110399.

9. Химическое травление GаАs, GaSb, InАs И InSb водными растворами системы Н2О2 ‒ HBr ‒ этиленгликоль / З. Ф. Томашик, И. А. Шелюк, В. Н. Томашик, Г. М. Окрепка, П. Моравец, И. Б. Стратийчук // Неорганические материалы. 2012. Т. 48, № 9. С. 985.

10. Wu Y. H., Chang L. Chemical polishing method of GaAs specimens for transmission electron microscopy // Micron. 2010. Vol. 41, 1. P. 20–24. https://doi.org/10.1016/j.micron.2009.07.011.

11. Самаркин А. И., Козырев В. А. Технология электроэрозионной проволочной резки. Псков: Изд-во ППИ, 2007. 30 с.

12. Micro/nano-particle decorated metal wire for cutting soft matter / W. Zhang, L. Feng, F. Wu, R. Zhang, C. Wu // Nanotechnology. 2016. Vol. 27. P. 355708. https://doi.org/10.1088/09574484/27/35/355708.

13. Процессы деградации при нагревании на воздухе в магнетронных нанопленках Ni и Cr / A. П. Кузьменко, А. Е. Кузько, Нау Динт, Мьо Мин Тан, Р. Т. Кануков // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2016. T. 19, № 2. С. 153-165.

14. Alfonso J. E., Gamez-Lopez M. E., Montero O. A. A. The thermal, electrical, and magnetic characterization of Nickel thin films deposited via dc sputtering // Results in surfaces and interfaces. 2025. Vol. 21. P. 100643. https://doi.org/10.1016/j.rsurfi.2025.100643.

15. The high-power impulse magnetron sputtering discharge / J. T. Gudmundsson, N. Brenning, D. Lundin, U. Helmersson // Journal of Vacuum Science & Technology A. 2012. Vol. 30, is. 3. P. 030801. https://doi.org/10.1116/1.3691832.

16. Aich P., Meneghini C., Tortora L. Advances in structural and morphological characterization of thin magnetic films: a review // Materials. 2023. Vol. 16, 23. P. 7331. https://doi.org/10.3390/ma16237331.

17. Effect of defects, magnitocrystalline anisotropy, and shape anisotropy on magnetric structure of iron thin films by magnetic force microscopy / K. Xu, D.K. Schreiber, Y. Li, B.R. Johnson, J. McCloy // AIP Advances. 2017. Vol. 7, is. 5. P. 056806. https://doi.org/10.1063/1.4976580.

18. Magnetic properties affected by structural properties of sputtered Ni/Cu multilayer films with different thicknesses of Ni layers /S. Çölmekçi, A. Karpuz, H. Köçkar // Korean journal of chemical engineering. 2022. Vol. 39. P. 1946–1951. https://doi.org/10.1007/s11814-021-0998-7.

19. Структурные и морфологические особенности магнетронных пленок теллурида висмута n-типа проводимости ВЧ МР / А. П. Кузьменко, А. И. Колпаков, К. А. Матарыкин, В. В. Родионов, О. Н. Иванов, М. Н. Япрынцев // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2025. Т. 15, № 2. С. 113-131. https://doi.org/10.21869/2223-1528-2025-15-2-113-131.

20. Структурные и морфологические особенности магнетронных нанопленок TaN с разной толщиной / А. П. Кузьменко, И. С. Кашкин, А. И. Колпаков, А. И. Жакин, В. М. Емельянов // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2024. Т. 14, № 3. С. 147-164. https://doi.org/10.21869/2223-1528-2024-14-3-147-164.

21. Frontiers of magnetic force microscopy / O. Kazakova, R. Puttock, C. Barton, H. Corte-Leon, M. Jaafar, V. Neu [et al.] // Journal of applied physics. 2019. Vol. 125, is. 6. P. 060901. https://doi.org/10.1063/1.5050712.

22. Структурные и морфологические особенности магнетронных наноплёнок HfN с разной толщиной / А. П. Кузьменко, Е. О. Гусев, В. В. Родионов, А. С. Сизов, Ю. А. Миргород, Мьо Мин Тан // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2022. Т. 12, № 4. С. 110-123. https://doi.org/10.21869/2223-1528-2022-12-4-110-123.

23. Dho J., Kim J. Magnetic domain structure of the ferromagnetic (001) NiCo2O4 film with perpendicular magnetic anisotropy // Thin solid films. 2022. Vol. 756. P. 139361. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2022.139361.