Роль углерода в формировании наноструктуры и магнитных свойств гибридных пленок Ni–C

Abstract

Наноструктурные гибридные Ni–C-пленки были выращены методом магнетронного распыления композитной графито-никелевой мишени. Атомная силовая микроскопия (АСМ) показала кластерный характер осаждения пленок на поверхность подложки. Мощность плазмы не превышала 20 W, давление буферного газа составляло 26 Pa. Относительно высокое давление в низкотемпературной магнетронной плазме позволило формировать нанокластеры типа ядро–оболочка Ni@C. При этом металлический никель является ядром, а углерод – оболочкой. Для определения роли углерода в формировании структуры и свойств нанокластеров Ni@C была выращена серия пленок, различающихся содержанием углерода, при постоянном времени роста без нагрева подложки. Было установлено, что намагниченность насыщения 4πMs нанокластеров Ni@C резко падает при содержании углерода выше 30 at.%. Причиной является образование все более насыщенного твердого раствора углерода в никеле. При концентрации углерода выше 38 at.% в магнетронной плазме образуются аморфные нанокластеры Ni–C, которые и осаждаются на подложку. Увеличение температуры подложки и времени осаждения приводит к кристаллизации атомов Ni, а атомы C вытесняются на поверхность никелевого ядра, формируя массив элементов Ni@C.

Наноструктурні гібридні Ni–C-плівки було вирощено методом магнетронного розпилення композитної графіто-нікелевої мішені. Атомна силова мікроскопія (АСМ) показала кластерний характер осадження плівок на поверхню підкладки. Потужність плазми не перевищувала 20 W, тиск буферного газу становив 26 Pa. Відносно високий тиск у низькотемпературній магнетронній плазмі дозволив формувати нанокластери типу ядро–оболонка Ni@C. При цьому металевий нікель є ядром, а вуглець – оболонкою. Для визначення ролі вуглецю у формуванні структури й властивостей нанокластерів Ni@C було вирощено серію плівок, що розрізняються вмістом вуглецю, при постійному часі зростання без нагріву підкладки. Було встановлено, що намагніченість насичення 4πMs нанокластерів Ni@C різко падає при вмісті вуглецю вище 30 at.%. Причиною є утворення все більш насиченого твердого розчину вуглецю в нікелі. При концентрації вуглецю вище 38 at.% в магнетронній плазмі утворюються аморфні нанокластери Ni–C, які і осідають на підкладку. Збільшення температури підкладки й часу осадження призводить до кристалізації атомів Ni, а атоми C витісняються на поверхню нікелевого ядра, формуючи масив елементів Ni@C.

The nanostructured hybrid Ni–C-films have been grown by magnetron sputtering of a composite graphite-nickel target. Atomic force microscopy (AFM) has shown the clustered nature of film deposition on the substrate surface. The plasma power did not exceed 20 W, the buffer gas pressure was 26 Pa. A relatively high pressure in the low-temperature plasma magnetron allowed formation of the Ni@C nanoclusters of the core–shell type. The metallic nickel was the core and the carbon was the shell. To determine the role of carbon in the formation of the structure and the properties of the Ni@C nanoclusters, a series of films differing in the carbon content was grown at the same growth time and without the substrate heating. It was found that the saturation magnetization 4πMs of the Ni@C nanoclusters dropped drastically when the carbon content exceeded 30 at.%. The reason was the formation of an increasingly saturated solid solution of carbon in nickel. When the carbon concentration became higher than 38 at.%, the Ni–C amorphous nanoclusters were formed in the magnetron plasma which were deposited on the substrate. The increase of the substrate temperature and the deposition time resulted in crystallization of the Ni atoms. The C atoms became displaced on the surface of the nickel core, forming an array of the Ni@C elements.