RU2532185C1

RU2532185C1 - METHOD FOR OBTAINING NANODIMENSIONAL FILMS OF Bi-CONTAINING FERRITES-GARNETS

Info

Publication number: RU2532185C1
Application number: RU2013143532/05A
Authority: RU
Inventors: Владимир Григорьевич Костишин; Денис Николаевич Читанов; Александр Сергеевич Комлев; Николай Анатольевич Юданов; Владимир Михайлович Трухан; Татьяна Владимировна Шелковая
Priority date: 2013-09-26
Filing date: 2013-09-26
Publication date: 2014-10-27

Abstract

FIELD: nanotechnologies.

SUBSTANCE: invention relates to a technology for obtaining films of ferrites-garnets and can be used in application magneto-optics to obtain magneto-optic disks, modulators and deflectors. The method involves manufacture of a target of the specified composition, treatment of a monocrystalline substrate of gallium garnet with argon ions, spraying of the target onto the substrate with further annealing of the obtained film; with that, a substrate of complex replaced gallium garnet is used; the spraying process is performed onto the substrate heated up to 800-850°C; controlled oxygen ion flow is supplied to the substrate areas during the spraying process, and the obtained films are annealed in oxygen environment during 0.5-1.0 hour at the temperature of 700-750°C and normal atmospheric pressure.

EFFECT: invention allows improving quality of obtained nanodimensional films of Bi-containing ferrites-garnets, as well as a value of specific faraday rotation.

1 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к технологии получения пленок ферритов-гранатов и может быть использовано в прикладной магнитооптике для получения магнитооптических дисков, модуляторов, дефлекторов и т.д.The invention relates to a technology for producing films of ferrite garnets and can be used in applied magneto-optics to obtain magneto-optical disks, modulators, deflectors, etc.

Известен способ получения поликристаллических пленок ферритов-гранатов, содержащих Bi, методом магнетронного напыления на подложку гадолиний-галлиевого граната (см. Старостин Ю.В., Николаев Е.Н., Песин В.С., Кочетков В.В. и др. Напыление и параметры пленок ферритов-гранатов для магнитооптических дисков. Неорганические материалы. - 1993. Т.32, №7. - С.988-991). Способ включает изготовление мишеней заданных составов, их магнетронное распыление на подложку с дальнейшим отжигом полученной пленки в атмосфере кислорода на протяжении одного часа. Недостаток способа - невозможность получения наноразмерных пленок.A known method for producing polycrystalline films of ferrite garnets containing Bi by magnetron sputtering on a gadolinium-gallium garnet substrate (see Starostin Yu.V., Nikolaev E.N., Pesin V.S., Kochetkov V.V. et al. Sputtering and parameters of films of garnet ferrite for magneto-optical disks. Inorganic materials. - 1993. T.32, No. 7. - S.988-991). The method includes the manufacture of targets of specified compositions, their magnetron sputtering on a substrate with further annealing of the obtained film in an oxygen atmosphere for one hour. The disadvantage of this method is the inability to obtain nanoscale films.

Наиболее близким к предлагаемому является «Способ получения наноразмерных пленок феррита-граната, содержащих Bi» (см.: патент Украины №66219. Прокопов А.Р., Шапошников А.Н., Каравайников А.В. «Способ получения наноразмерных пленок феррита-граната, содержащих Bi». Бюл. №24, 2011 г.). Способ включает изготовление мишени заданного состава, обработку монокристаллической подложки ионами аргона, распыление компонентов мишени на подложку и отжиг на воздухе при атмосферном давлении. Недостаток настоящего способа - существенное отличие состава полученной пленки от состава исходной мишени, нестехиометрия получаемых пленок.Closest to the proposed one is the "Method for producing nanoscale films of ferrite garnet containing Bi" (see: Ukrainian patent No. 66219. Prokopov A.R., Shaposhnikov A.N., Karavaynikov A.V. "The method for producing nanoscale films of ferrite - pomegranate containing Bi. "Bull. No. 24, 2011). The method includes manufacturing a target of a given composition, processing a single crystal substrate with argon ions, spraying the target components onto the substrate and annealing in air at atmospheric pressure. The disadvantage of this method is the significant difference between the composition of the obtained film from the composition of the original target, non-stoichiometry of the resulting films.

Цель настоящего изобретения - улучшение качества получаемых пленок Bi-содержащих ферритов-гранатов, повышение удельного фарадеевского вращения.The purpose of the present invention is to improve the quality of the obtained films of Bi-containing ferrite garnets, increasing the specific Faraday rotation.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом способе получения наноразмерных пленок Bi-содержащих ферритов-гранатов, включающем изготовление мишени заданного состава, обработку монокристаллической подложки галлиевого граната ионами аргона, распыление мишени на подложку с дальнейшим отжигом полученной пленки, в соответствии с предлагаемым техническим решением используется подложка сложнозамещенного галлиевого граната с высоким значением параметра решетки, ионное распыление и подогрев подложки в процессе напыления пленки до 800-850°C, подача в зону подложки контролируемого потока кислорода и отжиг полученных пленок кислорода на протяжении 0,5-1,0 час в атмосфере кислорода при температуре 700-750°C при нормальном атмосферном давлении.This goal is achieved by the fact that in the proposed method for producing nanoscale films of Bi-containing ferrite garnets, including the manufacture of a target of a given composition, processing a single crystal gallium garnet substrate with argon ions, spraying the target onto a substrate with further annealing of the obtained film, in accordance with the proposed technical solution, is used a complex-substituted gallium garnet substrate with a high lattice parameter, ion sputtering and substrate heating during film deposition about 800-850 ° C, feeding into the zone controlled by the oxygen flow substrate and annealing the obtained film oxygen for 0.5-1.0 hour in an oxygen atmosphere at a temperature of 700-750 ° C at normal atmospheric pressure.

Сущность предлагаемого способа состоит в том, что использование подогрева подложки, подача в область подложки контролируемого потока ионов кислорода и последующий отжиг полученных структур в атмосфере кислорода при нормальном атмосферном давлении позволяют существенно улучшить качество получаемых наноразмерных пленок Bi-содержащих ферритов-гранатов, в частности, уменьшить нестехиометрию, существенно уменьшить расхождение состава получаемой пленки по сравнению с составом мишени. Использование сложнозамещенного галлиевого граната в качестве подложки за счет высоких значений параметра решетки позволяет получить высокую концентрацию ионов Bi³⁺(2,5-2,8 форм, ед.) в кристаллической решетке и за счет этого достичь высоких значений удельного фарадеевского вращения.The essence of the proposed method consists in the fact that the use of substrate heating, supplying a controlled flow of oxygen ions to the substrate region and subsequent annealing of the obtained structures in an oxygen atmosphere at normal atmospheric pressure can significantly improve the quality of the obtained nanosized films of Bi-containing ferrite garnets, in particular, to reduce non-stoichiometry, significantly reduce the discrepancy in the composition of the resulting film compared with the composition of the target. The use of a complex substituted gallium garnet as a substrate due to the high values of the lattice parameter allows one to obtain a high concentration of Bi ³⁺ ions (2.5-2.8 forms, units) in the crystal lattice and thereby achieve high values of specific Faraday rotation.

Способ реализуется следующим образом. Изготавливается мишень требуемого состава Bi-содержащего феррита-граната (содержание ионов Bi³⁺ - 2,5-2,8 форм. ед.). Монокристаллическую подложку сложнозамещенного галлиевого граната (напр.: (GdCa)₃(GaMgZr)₅O₁₂, Ca₃(NbGaMg)₅O₁₂, Ca₃(GaNbZr)₅O₁₂ и др.; такой тип подложки выбирается с целью вхождения в решетку пленки как можно большей концентрации ионов Bi³⁺ для увеличения удельного фарадеевского вращения) обрабатывают ионами аргона энергии 10-20 эВ. В вакуумной камере достигают давления (6,5-6,8)·10^-4 Па и производят с помощью платинового нагревателя нагрев подложки до температуры 800-850°C. Далее производят осаждение материала мишени на подложку путем распыления мишени пучком аргона с помощью ионного источника (плотность тока пучка ионов j=8-12 мА/см², энергия ионов Е=1-3 кэВ). С целью облегчения кристаллизации пленки стехиометрического Bi-содержащего феррита-граната, в область подложки подается с помощью источника ионов контролируемый поток ионов кислорода. Требуемая толщина пленки регулируется временем распыления. Полученную структуру помещают в печь и отжигают в атмосфере кислорода при температуре 700-750°C при нормальном атмосферном давлении. The method is implemented as follows. A target of the required composition of a Bi-containing ferrite garnet is produced (the content of Bi ³⁺ ions is 2.5-2.8 form units). A single-crystal substrate of a complex-substituted gallium garnet (e.g.: (GdCa) ₃ (GaMgZr) ₅ O ₁₂ , Ca ₃ (NbGaMg) ₅ O ₁₂ , Ca ₃ (GaNbZr) ₅ O ₁₂ , etc.; this type of substrate is chosen to enter the lattice films of the highest possible concentration of Bi ³⁺ ions to increase the specific Faraday rotation) are treated with argon ions of energy 10–20 eV. In the vacuum chamber, a pressure of (6.5-6.8) · 10 ^-4 Pa is reached and the substrate is heated with a platinum heater to a temperature of 800-850 ° C. Next, the target material is deposited on the substrate by sputtering the target with an argon beam using an ion source (ion beam current density j = 8-12 mA / cm ² , ion energy E = 1-3 keV). In order to facilitate crystallization of the film of stoichiometric Bi-containing ferrite garnet, a controlled flow of oxygen ions is supplied to the substrate region using an ion source. The required film thickness is controlled by the spray time. The resulting structure is placed in an oven and annealed in an oxygen atmosphere at a temperature of 700-750 ° C at normal atmospheric pressure.

Пример реализации способа.An example implementation of the method.

1. Методом керамической технологии готовили мишени состава Bi_2,7Lu_0,3Fe_3,9Ga_1,1O₁₂. Диаметр мишеней составлял 100 мм. В качестве подложек использовались монокристаллические пластины-подложки состава Ca₃(GaNbZr)₅O₁₂. Процесс получения наноразмерных Bi-содержащих пленок указанного состава осуществлялся в вакуумной установке, изготовленной на базе установки УВН 3279026. В вакуумной камере достигали давления (6,5-6,8)·10 Па, после чего осуществляли обработку подложки ионами аргона энергии 10-20 эВ. Далее производили с помощью платинового нагревателя нагрев подложки до температуры 850°C, после чего производилось осаждение материала мишени на подложку путем распыления мишени пучком аргона с помощью ионного источника (плотность тока пучка ионов j=8-12 мА/см², энергия ионов Е=1-3 кэВ). С целью облегчения кристаллизации пленки стехиометрического Bi-содержащего феррита-граната, в область подложки подавали с помощью источника ионов контролируемый поток ионов кислорода. Полученные пленки отжигали в установке для обжига иттриевых гранатов ТИ-1 ПЯ 2.983.003 СП атмосфере кислорода при температуре 750°C и нормальном атмосферном давлении. После естественного охлаждения установки для обжига до комнатной температуры полученные пленки промывали в дистиллированной и деионизованной воде. Таким образом были приготовлены 5 пленок.1. By the method of ceramic technology, targets of composition Bi _2.7 Lu _0.3 Fe _3.9 Ga _1.1 O ₁₂ were prepared. The diameter of the targets was 100 mm. The substrates used were single-crystal wafer substrates of the composition Ca ₃ (GaNbZr) ₅ O ₁₂ . The process of obtaining nanosized Bi-containing films of the specified composition was carried out in a vacuum setup made on the basis of the UVN 3279026 setup. In the vacuum chamber, the pressure was reached (6.5-6.8) · 10 Pa, after which the substrate was treated with argon ions of energy 10-20 eV. Then, using a platinum heater, the substrate was heated to a temperature of 850 ° C, after which the target material was deposited on the substrate by sputtering the target with an argon beam using an ion source (ion beam current density j = 8-12 mA / cm ² , ion energy E = 1-3 keV). In order to facilitate crystallization of the film of stoichiometric Bi-containing ferrite garnet, a controlled flow of oxygen ions was supplied to the substrate region using an ion source. The obtained films were annealed in a TI-1 ПЯ 2.983.003 yttrium garnet roasting apparatus for atmospheric oxygen at a temperature of 750 ° C and normal atmospheric pressure. After naturally cooling the calcining unit to room temperature, the resulting films were washed in distilled and deionized water. Thus, 5 films were prepared.

Результаты рентгено-дифракционного исследования показали, что полученные наноразмерные пленки являются монокристаллическими. Толщина переходного слоя составляла 3-6 нм, толщина пленок 33-47 нм.The results of X-ray diffraction studies showed that the obtained nanoscale films are single-crystal. The thickness of the transition layer was 3–6 nm, and the film thickness was 33–47 nm.

По данным рентгеноспектрального анализа, концентрация ионов висмута в полученных пленках составляла от 2,6 форм. ед. до 2,72 форм. ед.According to x-ray spectral analysis, the concentration of bismuth ions in the resulting films ranged from 2.6 forms. units up to 2.72 forms. units

В таблице представлены основные характеристики полученных наноразмерных пленок Bi-содержащих гранатов.The table shows the main characteristics of the obtained nanoscale films of Bi-containing garnets.

ТаблицаTable Характеристики полученных методом ионно-лучевого распыления наноразмерных пленок Bi_2,7Lu_0,3Fe_3,9Ga_1,1O₁₂ (ВЛФГ)Characteristics of Bi _2,7 Lu _0,3 Fe _3,9 Ga _1,1 O ₁₂ (WLFG) Obtained by the Ion Sputtering Nanosized Films № п/пNo. p / p Номер структурыStructure Number Температура обжига Т, °CFiring temperature T, ° C Толщина пленки ВЛФГVLFG film thickness Удельное фарадеевское вращение θ_F, град/см (λ=0,633 мкм)Specific Faraday rotation θ _F , deg / cm (λ = 0.633 μm) Намагниченность насыщения, M_s, ГсSaturation magnetization, M _s , G Поле эффективной анизотропии Н_К, ЭField of effective anisotropy Н _К , Э 1one 1-11-1 700700 33,0033.00 54 10054 100 280280 4 3004,300 22 3-23-2 715715 37,0037.00 54 90054 900 270270 4 4504,450 33 4-54-5 730730 42,0042.00 55 25055,250 250250 4 2804,280 4four 6-36-3 750750 45,0045.00 55 60055,600 295295 4 2904,290

Таким образом, предлагаемый способ обладает следующими отличительными признаками:Thus, the proposed method has the following distinctive features:

1. Используется монокристаллическая подложка сложнозамещенного галлиевого граната.1. A single-crystal substrate of a complex substituted gallium garnet is used.

2. Используется подогрев подложки до температуры 800-850°С.2. The substrate is heated to a temperature of 800-850 ° C.

3. Используется в процессе распыления подача в область подложки контролируемого потока ионов кислорода.3. Used in the spraying process, the supply of a controlled flow of oxygen ions to the substrate region.

4. Полученные пленки отжигают в кислороде в течение 0,5-1,0 час при температуре 700-750°C и нормальном атмосферном давлении.4. The resulting films are annealed in oxygen for 0.5-1.0 hours at a temperature of 700-750 ° C and normal atmospheric pressure.

Использование настоящих отличительных признаков для достижения полученных результатов авторам неизвестно.The use of these distinctive features to achieve the results is unknown to the authors.

Claims

A method of producing nanosized films of Bi-containing ferrite garnets, including the manufacture of a target of a given composition, processing a single crystal gallium garnet substrate with argon ions, spraying the target onto a substrate with further annealing of the obtained film, characterized in that a complex gallium garnet substrate is used, the spraying process is carried out on a heated to a temperature of 800-850 ° C the substrate, during the spraying process, a controlled flow of oxygen ions is supplied to the substrate region, and the floor ennye film is annealed in an oxygen atmosphere for 0.5-1.0 hours at a temperature of 700-750 ° C and atmospheric pressure.