В настоящее время бурно развивающаяся наука спинтроника требует новых материалов, обладающих необходимыми параметрами, технологичностью получения и низким показателем экономических затрат.
Поскольку сплав Fe86Mn13C обладает набором уникальных электрических и магнитных свойств и является дешёвым материалом, необходимость изучения этого сплава в массивном и пленочном состоянии как материала для спинтроники очевидна.
Сплав Fe86Mn13C, известный также как сталь Гадфильда (110Г13Л), представляет собой антиферромагнитный инвар. При ударной нагрузке в образцах появляется локальная намагниченность. Для выяснения причины такого поведения сплава исследовали структуру и магнитные свойства массивных образцов стали 110Г13Л, подвергнутых ударному нагружению, и тонкопленочных образцов, подвергнутых криомеханической обработке.
Пленки Fe86Mn13C были получены методом термического вакуумного осаждения на установке ВУП-4 при давлении 10-5 мм. рт. ст. на подложке из стекла и NaCl. Далее пленки отделяли от подложки и исследовали их структуру методом просвечивающей электронной микроскопии и микродифракции на приборах ПРЭМ – 200 и (JEM – 2100).
Мартенсит деформации возникал в пленках под воздействием криомеханической обработки. Обработка заключалась в циклическом охлаждении пленки до температуры жидкого азота и последующем ее нагревании до комнатной температуры. Так осуществлялась пластическая деформация пленки. На рис. 1 представлены электронно-микроскопические изображения высокого разрешения от массивного (1,а) и пленочного (1,б) образцов Fe86Mn13C.
а б
Рис. 1. Электронно-микроскопическое изображение высокого разрешения массивного (а) и пленочного (б) образцов Fe86Mn13C
При фокусировке пучка электронов на темную область в течение нескольких секунд в этой области формируется полосчатый контраст, как это показано на рисунке,б. Такой контраст сложно интерпретировать как муаровый узор [1], поскольку размер области невелик. Кроме того, темный цвет создается не перепадом амплитуды, а как фазовый контраст, поскольку электронный пучок отклоняется магнитным полем мартенситной фазы внутри кластера. В результате формируется темная область из-за недостатка электронов, а избыток электронов формирует светлые области. Полосатая структура представляет собой смесь мартенсита деформации и аустенита, который возникает при нагревании участка электронным пучком. Темные полосы соответствуют мартенситной фазе, светлые – аустенитной.
Изучение природы пластической деформации твердых тел показывает, что пластическое течение протекает неоднородно. Универсальность этого положения прослеживается на микроскопическом [2], мезоскопическом [3] и макроскопическом [4] масштабных уровнях. Согласно [4] деформация при пластическом течении локализована на всех этапах – от предела текучести до разрушения, а микро-, мезо- и макромасштабные явления локализации становятся существенными для процессов пластического течения практически одновременно. В работе [3] подчеркивается, что явление макролокализации характерно для любых материалов и любых условий нагружения и не зависит от типа кристаллической решетки, фазового состава и зеренной структуры объекта исследования. Макролокализация развивается в виде автоволн локализации пластической деформации [4].
Макроскопическая деформация приводит к изменению кристаллической структуры на микроуровне. Мартенсит деформации может иметь структуры Франка-Каспера [5]. Появление новой структуры приводит к появлению новых свойств – магнитных и оптических.
В пленках Fe86Mn13C, подвергнутых криомеханической обработке, были обнаружены аномальные эффекты в спектре оптического поглощения. На рисунке 2 представлены два спектра оптического поглощения. Нижний спектр соответствует исходному состоянию пленки. Верхний спектр получен от той же самой пленки после ее криомеханической обработки. Мы видим пять четких рефлексов на определенных длинах волн. Нижний спектр соответствует исходному состоянию пленки. Верхний спектр получен от той же самой пленки после ее криомеханической обработки.
Рис. 2. Спектры оптического поглощения в пленке Fe86Mn13C: 1 – до и 2 – после криомеханической обработки
Для объяснения природы оптических переходов, наблюдаемых в эксперименте, использовали расчет спин-поляризованной плотности электронных состояний методом рассеянных волн Слэтера для кластеров Fe86Mn13C 6-вершинника [6].
а б
Рис. 3: а – фрагмент структуры Fe15Mn; б – вид стержня состоящего из структур Fe15Mn
На рис. 3,а и 3,б приведен расчет спин-поляризованной плотности электронных состояний для кластеров Fe86Mn13C. В каждой энергетической щели возможен оптический переход.
Рис. 4. Расчет спин-поляризованной плотности электронных состояний методом РВ Слэтера для кластеров Fe86Mn13C: а – Плотность состояний для спинов «вверх» (↑) кластера Fe6; б – Плотность состояний для спинов «вниз» (↓) кластера Fe6
Основная особенность расчетных спектров – наличие запрещенных зон, которые могут обеспечивать оптические переходы. В табл. 1 представлены расчетные данные в сравнении с экспериментом.
Результаты сравнения энергии оптических переходов с энергией, полученной из расчета спин-поляризованной плотности электронных состояний для кластера Fe86Mn13C 6-вершинника
|
Экспериментальные оптические переходы Е, Р |
Расчетные данные для энергетических щелей электронных состояний со спином вниз Е, Р |
Расчетные данные для энергетических щелей электронных состояний со спином вверх Е, Р |
|
0,207 |
0,150-0,200 |
0,120 – 0,250 |
|
0,185 |
0,150-0,200 |
0,120 – 0,250 |
|
0,136 |
- |
0,120 – 0,250 |
|
0,051 |
0,050-0,100 |
- |
|
0,049 |
- |
- |
Появление таких сигналов на пластически деформированной пленке может служить доказательством того, что пластическая деформация сопровождается появлением квантовых эффектов. По нашему мнению, в пленках реализуется эффект Мандельштама-Бриллюэна. Рассеяние Мандельштама-Бриллюэна показывает, что световые волны взаимодействуют непосредственно с упругими волнами, обычно ненаблюдаемыми по отдельности [7].
Таким образом, экспериментальные исследования, проведенные в данной работе позволили обосновать технологические принципы получения квантовых точек в пленках Fe86Mn13C после их криомеханической обработки.
Выводы
1. В тонкопленочных образцах сплава Fe86Mn13C, подвергнутых криомеханической обработке, наблюдаются оптические переходы.
2. Сравнение спектра оптических переходов с расчетным спектром спин-поляризованной плотности электронных состояний для кластеров Fe86Mn13C показывает, что для электронов со спином вверх и вниз расчетные данные достаточно хорошо совпадают с экспериментом.
Авторы благодарят лабораторию IRGETAS ВКГТУ им. Д. Серикбаева, г. Усть-Каменогорск, Казахстан и Черкова А.Г. (НГУ, г. Новосибирск) за помощь в проведении экспериментов.
Работа выполнена при поддержке гранта № 278/2012 Министерства образования и науки Республики Казахстан.