Kiirelt magneetuvaid ja nii magneetiliselt kui elektriliselt kiiresti ümberlülituvaid tahkeid materjalikihte on tarvis arendada uuelaadsete suhteliselt väikese energiatarbega ja samas suure tihedusega mälumaterjalide jaoks. Sellistes materjalides võiks salvestada infobitte elektriliselt, rakendades materjalile magnetvälja, või siis ka vastupidi, lugedes elektriliselt polariseeritud magnetmaterjali magneetumust. Peamine on esialgu siiski magnetiline salvestus ja elektriline lugemine… niivõrd kuivõrd võib neid teineteisest üldse eraldada.
Aatomkihtsadestatud (ALD) ferri- ja ferromagnetiliste õhukeste tahkiskilede sadestamine ja nende füüsikaliste (magnet- ja elektriliste) omaduste analüüsi näol on tegemist Eestis täiesti uue valdkonnaga, mis on ka fikseeritud ühe uurimissuunana Eesti Magnetlaboris Eesti Infrastruktuuri (https://www.etis.ee/Portaal/infrastruktuur.aspx) Teekaardil. ALD kiled (sünteesitakse Tartu Ülikooli Füüsika Instituudi ja Helsingi Ülikooli poolt) ja nende kasutamine spinnelektroonika (spintroonika) rakendustes on kogu maailmas kiiresti kasvav teadustemaatika. Näiteks õhukeste raudoksiidkilede magneetuvus pole muidugi võrreldav metalsete magnetmaterjalide magneetuvusega, kuid ALD abil tehtud kilede eelis on, et me suudame magnetmaterjali kasvatada suvalise kujuga alustele ja väga ühtlaselt, nanomeetri (nm) täpsusega. Vähese magneetuvusega materjale mis on valdavalt kasutusel pooljuhtidena (HfO2, TiO2 jne) nimetatakse ‘lahjadeks magnetmaterjalideks’ (diluted magnetic materials ).
Ajakirjas ‘Journal of Crystal Growth’ ilmus Tartu Ülikooli Füüsika Instituudi töötajate Aile Tamme, Jekaterina Kozlova, Aleks Aidla, Tanel Tätte, Tõnis Arrovali, Uno Mäeoru, Hugo Mändari, Kaupo Kukli ja Keemilise Bioloogilise ja Füüsika Instituudi (KBFI) töötajate Mukesh Dimri ja Raivo Stern koostöös artikkel „Atomic layer deposition of ferromagnetic iron oxide films on three-dimensional substrates with tin oxide nanoparticles”[allikas]. Artikli teemaks on õhukesed tahkiskihid, mis juba paarikümne nanomeetri paksuse kihina annavad arvestatavat magneetumist. Uurimise all oli raudoksiid (Fe2O3 ehk hematiit), mis on iseenesest ka magneetuv materjal, kuid kui õnnestub protsessi käigus saada ka osaliselt Fe3O4, mis on tuntud ka magnetiidi nime all, siis on tekkinud kile magneetuvus palju suurem. Artiklis näitasime, et kasutades SnO2 nanopalle aluskihina raudoksiidi all, hakkas eelistatult kasvama hoopis magnetiit. Muidugi ei saanud me kasvatada puhast magnetiiti, kuid protsessitingimused nähtavasti võimaldasid selle teket lisaks peamisele raudoksiidi faasile.
Joonis 1. Aatomjõumikroskoobi (AFM) pilt SnO2 nanopallidest, kus väikesed ja küllaltki ühesuurused pallid katavad aluse üsna ühtlaselt, (vasakul). Skaneeriva elektronmikroskoobi (SEM) pilt raudoksiidist lahutusega 300 nm näitab, et kile pind pole enam üldse väga tasane vaid pigem on tekkinud pinnast eemalduvad osakese (paremal).
Joonis 2. Magneetumist iseloomustavad kõverad SnO2 osakestega planaarse tahkiskihi jaoks (must) ja 3-dimensionaalsetele alustele kasvatatud tahkiskihtide kohta (sinine ja roheline). Pilt allikast.
Põhjuseid selleks, miks meil tekkis parem magnetmaterjal kui tavaline Fe2O3 oli ilmselt mitu. Esiteks muidugi see, et väikesed kristalliidid aluspinnal suurendasid oluliselt aluspinna suurust (karedust) tekitades nukleatsioonitsentreid (joonis 1.), mis on olulised kile kasvamise alustamiseks. Samuti aitas magnetiidi kasvu tekitada tinaoksiid, tänu oma +3 oksüdatsiooniastmele (elektronide vakantsile) kerge ebastabiilsuse pinnal, mistõttu muutus Fe3O4 tekkimine eelistatumaks.
Materjali magneetumist mõõdeti vibreeriva prooviga magnetomeetriga (vibrating sample magnetometer, VSM). Mõõdetud kõver iseloomustab aine magneetuvuse sõltuvust vastu välist magnetvälja (joonis 2). Graafikult saab teada planaarsele paarikümne nm paksusele tahkiskihile iseloomuliku küllastusmagneetuvuse, jääkmagneetuvuse, ja ka koertsitiivsuse.
Autor: Aile Tamm
Allikas: Aile Tamm, Mukesh Dimri, Jekaterina Kozlova, Aleks Aidla, Tanel Tätte, Tõnis Arroval, Uno Mäeorg, Hugo Mändar, Raivo Stern, Kaupo Kukli. “Atomic layer deposition of ferromagnetic iron oxide films on three-dimensional substrates with tin oxide nanoparticles” Journal of Crystal Growth 343 (2012) 21–27.
Leave a Reply