Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы. 14
1.1. Способы формирования дискретных магнитных элементов и неоднородностей поверхностного рельефа магнитных материалов микро- и наноразмеров. 14
1.2. Свойства магнитных сред с неоднородным рельефом поверхности и дискретных магнитных микро- и наноэлементов 23.
1.3. Методы определения поверхностной плотности энергии заряженных доменных границ. 49
1.4. Выводы по главе. 57
2. Методика проведения исследований и образцы 59
2.1. Методика измерения дельта Е - эффекта мапштострикционных аморфных металлических сплавов на основе железа в виде проволок и лент. 59
2.2. Методика исследования статических и динамическихсвойств доменных границ . 61
2.3. Методика наблюдения магнитной доменной структуры. 63
2.4. Ферромагнитные объекты с модифицированной поверхностью. 66
3. Влияние неоднородного рельефа поверхности на магнитоупругие свойства магнитомягких металлических сплавов на основе железа . 70
3.1. Влияние рельефа поверхности на магнитоупругие свойства аморфных металлических пленок, полученных методом ионно -плазменного напыления в магнитном поле. 70
3.2. Влияние рельефа поверхности на магнитоупругие свойства магнитомягких проволок на основе железа . 79
3.3. Выводы по главе. 83
4. Определение поверхностной плотности энергии заряженных доменных границ в дискретно-сплошной пленочной системе 85
4.1. Определеіше энергии доменной границы методом стрелы прогиба 86
4.2. Анализ результатов исследования конфигурации доменных границ во внешнем магнитном поле . 94
4.3. Выводы по главе. 102
5. Магнитные свойства и процесы перемагничивания дискретно-сплошной многослойной пленочной структуры . 104
5.1. Экспериментальные результаты исследования процессов 104
перемагничивания дискретно-сплошных пленочных систем CoW-FeNiCo.
5.1.1. Исследование влияния дискретного слоя на динамические свойства доменных границ в сплошном слое. 105
5.1.2. Кристаллическая и доменная структура сплава CoW.. 115
5.1.3. Способ управления коэрцитивной силой магнитного пленочного слоя. 123
5.2. Моделирование силового рельефа магнитных полей рассеяния от дискретных элементов. 124
5.2.1. Расчет магнитостатических полей рассеяния от планарных магнитных аппликаций. 124
5.2.2. Численные исследования зависимости магнитного поля рассеяния в плоскости дискретного слоя от его геометрических параметров. 130
5.2.3. Расчет трехмерной топологии магнитостатических полей рассеяния от планарных магнитных аппликаций. 138
5.3. Магнитостатический пининг в многослойной дискретно сплошной пленочной системе. - 147
5.4. Выводы по главе. 154
Заключение 156
Список Литературы 159
- Свойства магнитных сред с неоднородным рельефом поверхности и дискретных магнитных микро- и наноэлементов
- Методика исследования статических и динамическихсвойств доменных границ
- Влияние рельефа поверхности на магнитоупругие свойства магнитомягких проволок на основе железа
- Анализ результатов исследования конфигурации доменных границ во внешнем магнитном поле
Введение к работе
Актуальность темы. Одним из приоритетных направлений в широком спектре фундаментальных и прикладных исследований в области физики конденсированного состояния является получение материалов с определенными свойствами, в частности, с заранее заданным набором магнитных параметров. Это многостадийный процесс, начинающийся с разработки теоретического прототипа конечного продукта, которая включает выявление способов управления магнитными свойствами вещества, и заканчивающийся технологичными изысканиями при их эксклюзивном или массовом производстве. К свойствоформирующим факторам относятся химический и количественный состав ингредиентов, способы и режимы формирования из них твердотельных объектов. Магнитные характеристики полученных базовых материалов могут быть кардинально изменены либо скорректированы дополнительной обработкой в виде различного рода воздействий: температурных, электромагнитных, механических в отдельности либо в комбинированных сочетаниях, ионного и атомного допирования, формирования добавочных покрытий, морфологической модификации поверхности.
В настоящей работе сосредоточено внимание на двух последних способах целенаправленного получения материалов с требуемыми свойствами. Формирование на поверхностях материала дополнительных слоев с отличительными физическими свойствами приводит к синтезированию слоистых структур, которые пристально изучаются благодаря ряду присущим им перспективным признакам.
Нами предложена идея управления магнитным состоянием магнитомягкого слоя пространственно-неоднородным по величине и направлению магнитным полем. Стационарное магнитное поле такого характера может индуцироваться совокупностью периодически расположенных в некоторой плоскости дискретных ферромагнитных элементов микро- или нанометрового размерного уровня, намагниченных до состояния насыщения. В тандеме магнитомягкий слой с дискретным магнитожестким образуют мультислойную структуру, в которой дискретный слой выполняет функции канала управления процессом перемагничивания сплошного слоя.
Морфология поверхности ферромагнитного сплава в твердотельном состоянии является одним из факторов, определяющих его магнитные свойства. Направленное воздействие на морфологию поверхности материалов не только позволяет оптимизировать их магнитные характеристики, но и в отдельных случаях генерирует появление у них новых функциональных свойств. Неровности поверхностного рельефа могут иметь как естественное происхождение, обусловленное процессом получения материалов, так и стимулированы выбором специальных технологических режимов процесса изготовления образцов, формирующих степень гладкости их поверхности. Модифицирование поверхности металлических сплавов, приводящее к формированию искусственного рельефа необходимого топографического вида методами электронно-лучевой и атомной литографии [1,2], формирование неплоских слоев ячеистой или сотовой формы с применением химических технологий позволяет в широком диапазоне изменять физические свойства материалов. Определяющим механизмом воздействия естественных или искусственных «шероховатостей» поверхностного рельефа на магнитные свойства низкоразмерных объектов является магнитостатическое взаимодействие поверхностной области материала с его внутренней частью.
Таким образом, поиск новых подходов к решению задач управления магнитными свойствами традиционных ферромагнитных материалов, разработка концептуальных основ синтеза новых гибридных систем, исследование физических механизмов взаимодействия их элементов, математическое моделирование состояния магнитных подсистем и процессов его изменения являются своевременными и востребованными ходом развития научных исследований в области изучения магнитных свойств вещества в конденсированном состоянии.
Цель работы. Изучение влияния неоднородного рельефа поверхности и искусственно сформированной дискретной магнитной среды на процессы перемагничивания магнитных материалов.
Основные задачи.
-
Сформировать фотолитографическим способом ступенчатый периодический рельеф поверхности аморфных металлических пленок Fe45Co45Zr10 и Fe81Mn9P10 в виде системы параллельных и перпендикулярных их оси легкого намагничивания протяженных дискретных каналов. Произвести сравнительный анализ магнитоупругих свойств исходных пленочных образцов и поверхностно-модифицированных. Выявить механизм влияния морфологии поверхности аморфных пленок на их магнитоупругие характеристики.
-
Исследовать влияние периодических изменений диаметра аморфных микропроволок состава Fe75Si10B15, обусловленных технологией их получения, на магнитоупругие свойства. Интерпретировать полученные экспериментальные результаты в рамках предполагаемого магнитостатического взаимодействия ее поверхностной и внутриобъемной областей.
-
Экспериментально апробировать способ определения поверхностной плотности энергии заряженной доменной границы методом «стрелы прогиба» на искусственно созданной упорядоченной дефектной структуре.
-
Разработать подход к вычислению локальных значений напряженности магнитных полей рассеяния, создаваемых совокупностью дискретных магнитных элементов. Выполнить с помощью математического пакета MATHCAD расчетные исследования зависимости магнитного поля рассеяния, создаваемого дискретным магнитным слоем, от его геометрических параметров.
-
Исследовать процесс квазистатического перемагничивания магнитомягкого слоя в многослойной дискретно-сплошной пленочной системе CoW/Ti/FeNiCо. Теоретически интерпретировать полученные результаты.
Объект исследований:
аморфные металлические пленки состава Fe45Co45Zr10 и Fe81Mn9P10 толщиной 30.10-6м, полученные методом ионно – плазменного напыления;
проволоки состава Fe75Si10B15 диаметром ~140.10-6 м, полученные методом вытягивания из расплава и подвергнутые термомагнитной обработке;
набор многослойных пленок с магнитомягким (Нс 240 А/м) сплошным Fe15%Ni64%Co21% слоем и магнитожестким (Нс 40 кА/м) Co85%W15% слоем, полученные ионно-плазменным осаждением, отличающихся толщиной разделительного слоя Ti и геометрическими параметрами дискретного слоя, сформированного из СоW методом фотолитографии.
Научная новизна представленных в диссертации результатов.
-
Впервые экспериментально исследовано влияние модификации поверхностной области аморфных магнитных пленок составов Fe45Co45Zr10 и Fe81Mn9P10 на их магнитоупругие свойства. Установлено, что характер искусственно сформированного периодического рельефа поверхности пленок позволяет варьировать величину дельта Е - эффекта. Предложена модель механизма влияния искусственной микрошероховатости пленок на величину дельта Е - эффекта.
-
Впервые обнаружен возрастающий ход зависимости частоты магнитоупругого резонанса от напряженности постоянного внешнего магнитного поля при возбуждении механических колебаний в проволоках Fe75Si10B15 с периодически меняющимся диаметром. Дано объяснение наблюдаемому явлению в рамках модельного представления магнитостатического взаимодействия областей проволоки различного диаметра.
-
Проведена экспериментальная апробация способа определения поверхностной плотности энергии заряженной доменной границы методом «стрелы прогиба». Выявлен двухэтапный характер изменения величины стрелы прогиба доменной границы между точками ее закрепления с ростом напряженности перемагничивающего поля. В рамках представлений об изменении спиновой конфигурации доменной стенки дано объяснение полученных результатов.
-
Выявлена возможность управляемого пининга намагниченности магнитомягкого слоя пространственно-неоднородным высокоградиентным магнитным полем рассеяния, создаваемым магнитожестким дискретным слоем в многослойной дискретно-сплошной пленочной системе.
-
Предложен способ управления коэрцитивной силой магнитного пленочного слоя, основанный на использовании магнитостатических полей дискретного слоя для управления магнитным состоянием сплошного слоя (А.В. Гаврилюк, Н.П. Ковалева // Патент РФ на изобретение № 2060567, кл. 6 H 01 F 10/08, 41/14. - 1996).
Практическая значимость. Предлагаемый в работе подход к расчету магнитных полей рассеяния от дискретного ферромагнитного слоя позволяет оптимизировать его морфологические характеристики с целью получения необходимых проектных параметров устройств микро- и наноэлектроники на пленочных объектах со смещенной петлей гистерезиса и может быть использован в задачах получения стационарных магнитных полей требуемой пространственной конфигурации.
Апробированный способ экспериментального определения поверхностной плотности энергии заряженной доменной границы может быть использован в комплексных исследованиях их поведения в магнитнонеоднородных средах.
Обнаруженные особенности магнитоупругих свойств аморфных сплавов на основе железа, являющиеся следствием морфологической модификации их поверхности, могут найти приложение в разработке различного типа датчиков, чувствительными элементами которых являются магнитострикционные аморфные магнитные материалы, и магнитомеханических преобразователях.
Защищаемые положения.
-
Размагничивающие поля и магнитные поля рассеяния, обусловленные периодическими рельефными протяженными микроканалами на поверхности аморфной магнитомягкой пленки, создают в ней чередующиеся области с разной начальной магнитной проницаемостью, изменяя константу эффективной анизотропии и угловую дисперсию анизотропии. Характер влияния поверхностных протяженных микроканалов на величину дельта Е – эффекта определяется их ориентацией относительно оси легкого намагничивания и геометрическими параметрами поверхностно-структурированной области аморфной магнитомягкой пленки.
-
Впервые обнаруженный рост частоты магнитоупругого резонанса с увеличением напряженности внешнего магнитного поля в аморфной магнитомягкой проволоке состава Fe75Si10B15 с периодическим неоднородным поверхностным рельефом обусловлен магнитостатическим взаимодействием ее областей различного диаметра.
-
В магнитомягкой пленке с одноосной анизотропией в ее плоскости при взаимодействии доменной границы переходного блох-неелевского типа с дефектами, вызывающими ее искривление, в ней возможен структурный переход от периодического к однородному блоховскому типу.
-
Магнитостатическая межслоевая связь магнитомягкого сплошного слоя с системой высококоэрцитивных элементов дискретного слоя обусловлена совместным действием двух конкурирующих факторов: макроскопической слоевой дискретности и дискретности более низкого порядка, связанной с возможной структурной магнитной неоднофазностью высококоэрцитивного материала. Знак межслоевой связи определяется размерами магнитных неоднородностей и их периодом.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, симпозиумах и семинарах:
XV, XVI и XVII международных школах-семинарах ”Новые магнитные материалы микроэлектроники” (г. Москва, МГУ, 1996, 1998, 2000 год); 1-ом Московском международном симпозиуме по магнетизму (MISM, MSU, 1999); Седьмой всероссийской конференции с международным участием “Аморфные прецизионные сплавы. Технология – свойства – получение” (г. Москва, ЦНИИ Чермет им. Л.П.Бардина 2000 г.); Евроазиатском Симпозиуме “Trends in Magnetism”, (г. Красноярск, КГУ, 2004); 1-ой , 2-ой и 3-ей Байкальской международной конференции “Магнитные материалы” (г. Иркутск, ИГПУ, 2001, 2003, 2008 гг.); Выездной сессии РАН по проблемам магнетизма в магнитных пленках, малых частицах и наноструктурных объектах (г. Астрахань, АГУ, 2003 г.); XXI Международной конференции “Новое в магнетизме и магнитных материалах” (г. Москва, МГУ, 2009 г.); Международной конференции "Функциональные материалы" (Симферополь, Таврический национальный университет, 2009 г.).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 32 научных работах, из них 11 в статьях из перечня ВАК РФ, рекомендованных для защиты кандидатских диссертаций, остальные в сборниках трудов, материалах и тезисах докладов ведущих международных и всероссийских конференций по физике конденсированного состояния и физике магнитных явлений. По теме диссертации получен 1 патент на изобретение.
Личный вклад автора. Экспериментальные исследования процессов перемагничивания многослойных пленочных систем и расчетные исследования магнитостатических полей выполнены диссертантом самостоятельно. Исследования магнитоупругих свойств аморфных и нанокристаллических пленок и проволок выполнены в соавторстве с коллегами из Иркутского государственного университета. Обсуждение и интерпретация экспериментальных результатов проводились совместно с научным руководителем, а также с соавторами публикаций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав с выводами, заключения и списка использованной литературы, включающего 176 наименований. Объем работы: 179 страниц, 5 таблиц, 86 рисунков.
Свойства магнитных сред с неоднородным рельефом поверхности и дискретных магнитных микро- и наноэлементов
Анализ научной литературы по вопросу практического использования дискретных магнитных элементов и периодического поверхностного рельефа с неоднородностями микронных размеров позволяет выделить следующие направления: 1) как элементы, создающие магнитные поля, в многослойных пленочных структурах [17, 18-25] для управления магнитными свойствами рабочего слоя; 2) в качестве планарных периодических структур в акустоэлектронике [26-28]; в магниторезистивных элементах памяти и преобразователях [29, 30]; 3) как объект для проверки теоретических моделей распределения намагниченности в ансамбле малых ферромагнитных частиц и их взаимодействия и использования их в качестве сред для сверхплотной магнитной записи [31-45]; 4) использование их в качестве управляющих магнитных аппликаций в устройствах на цилиндрических доменах [46-51]; 5) для создания каналов продвижения плоских магнитных доменов [53-64]; 6) при уменьшении до субнаноразмеров как магнитные наноматериалы, имеющие широчайшие потенциальные возможности использования в различных устройствах [52, 65-69, 38, 70-72]. В работе [17] изучался вопрос локализации движения доменных границ в магнитомягких ( Нс 160 А/м) пленках, частично покрытых материалом с высокой коэрцитивной силой (Нс 1600 А/м). Для получения образцов на предварительно покрытые золотом стеклянные подложки электролитически наносился слой пермаллоя. После частичного покрытия диэлектриком на этот слой гальванически осаждался материал, обладающий коэрцитивной силой, превышающей значение коэрцитивной силы магнитного слоя не менее, чем на порядок. Наблюдение за движением доменных границ осуществлялось с помощью магнитооптического эффекта Керра и порошковой техники.
Найдено, что величина поля, необходимого для образования в слоях доменов, зависит от коэрцитивной силы магнитомягкой пленки и величины поля зародышеобразования. В работе [21] рассматривается мозаичная пермаллоевая матрица, состоящая из прямоугольных пятен со стороной 10- -30 мкм толщиной 40ч- 80 нм. Такие элементы предполагалось использовать для записи информации, однако поля рассеяния от краев пятен приводят к искажению либо стиранию записи. Для ослабления магнитных полей рассеяния на матрицу наносился фотолак и затем сплошной пермаллоевый слой. Поля рассеяния, замыкаясь через ферромагнитную среду, способствовали стабилизации распределения намагниченности в элементах, что повышало устойчивость к искажению записанной информации. Авторы работы [22] изучали влияние магнитных неоднородностей в ферромагнитных пленках на взаимодействие слоев. Изучаемые объекты представляли двухслойные магнитные пленки с анизотропией в плоскости образцов. Коэрцитивная сила магнитомягкого 64%Fe-21%Ni-15%Co слоя составляла 240 -800 А/м, магнитожесткого CoW слоя -8000 А/м. Петли гистерезиса для этих образцов имели ассиметричное смещение около 3200 А/м. Это смещение объясняется магнитостатической связью слоев через поля рассеяния. Их источниками являются участки с различным значением намагниченности в магнитожестком слое, которые возникают из-за наличия в нем немагнитных межкристаллических прослоек вольфрама. Модель, описывающая взаимодействие намагниченности М магнитомягкого слоя с полями рассеяния Нр от магнитожесткого слоя заключается в следующем. Выражение для энергии взаимодействия участка магнитомягкого слоя с полями рассеяния от магнитной неоднородности в виде магнитожесткого включения (рис. 1.2.1) имеет вид: где -" Px - J 7 x - среднее значение поля рассеяния над магнитной о " неоднородностью, Нх- компонента поля рассеяния в направлении оси X, Ъ размер магнитной неоднородности, К- константа одноосной анизотропии, Н— напряженность внешнего магнитного поля, ср- угол между ОЛН магнитомягкой пленки и внешним магнитным полем, Nj и V- соответственно размагничивающий фактор и объем перемагничиваемой области. Из условия dE/dx = 0 находится поле перемагничивания магнитомягкой пленки в направлении намагниченности магнитожесткого слоя Нх и противоположном Н2.
Полученные выражения для них имеют вид: неоднородностей, N2- размагничивающий фактор области между магнитными неоднородностями. При больших значениях периода а магнитных неоднородностей в магнитожестком слое поля рассеяния от них будут оказывать слабое влияние на значение коэрцитивной силы магнитомягкого слоя, так как перемагничивание будет происходить не вращением вектора намагниченности, а смещением доменных границ. При уменьшении а коэрцитивная сила будет все больше определяться полями рассеяния и АН будет возрастать. При а = 2Ь поля Hpi и НРг становятся равными и АН обращается в нуль.
Методика исследования статических и динамическихсвойств доменных границ
Исследования процессов движения доменных границ в магнитомягком Fe-Ni-Co слое были проведены методом прерываемого намагничивания [104-108]. В методе прерываемого намагничивания скорость движения доменных границ определяется как отношение пройденного ею расстояния S, визуально фиксируемого, ко времени воздействия на пленочную структуру внешнего магнитного поля v=S/nt, где t- длительность импульса магнитного поля, an — их количество. При использовании такого способа определения скорости движения доменных границ необходимо, чтобы среднее значение скорости определялось амплитудным значением перемагничивающего импульса. Для этого импульс поля должен удовлетворять следующим требованиям: форма импульса должна иметь плато, а время нарастания и убывания поля должны быть как можно меньше по сравнению с длительностью импульса. Этим условиям удовлетворяет прямоугольная форма импульса поля. В представленных результатах длительность импульса составляла 1 мкс, что на несколько порядков превышает время релаксации доменной границы, связанное с переориентацией атомных спиновых магнитных моментов. Осциллограмма перемагничивающего импульса представлена на рисунке 2.2.1 [109]. Импульсное магнитное поле создавалось парой двухвитковых катушек, по которым протекал ток, временная зависимость которого задавалась генератором импульсов. В центре этих катушек в области однородного магнитного поля располагался объект исследования. Для визуального наблюдения за смещением доменной границы токовые катушки с объектом исследования помещались в магнитооптическую установку с использованием меридионального эффекта Керра. Этот метод визуализации доменной картины в данном случае наиболее приемлем, так как не оказывает влияния на процесс движения доменной границы.
Для оптимизации работы данной установки была проведена ее модернизация включением в оптическую часть высокоразрешающей цифровой видеокамеры Nikon DXM 1200 и разработки программного обеспечения по регистрации и обработке данных эксперимента [119]. Петли магнитного гистерезиса получены на вибрационном магнитометре. При исследовании формы доменной границы применялся метод порошковых фигур (метод Акулова-Биттера) [110, 111]. 2- доменная граница шириной d, М- вектор намагниченности домена, J3- угол отклонения электронного пучка, 3- плоскость наблюдения, Z- расстояние от объекта до плоскости наблюдения. Магнитная структура наблюдалась на электронном микроскопе ПРЭМ-200. Визуализация магнитной структуры основана на отклонении движущихся сквозь объект электронов его магнитным полем [ПО]. Индукция магнитного поля изучаемого объекта определяется его намагниченностью и напряженностью размагничивающих полей. Если образец находится не в однодоменном состоянии, то намагниченность в доменах будет иметь различное направление, это приведет к отклонению электронных лучей на различные углы, что схематически показано на рисунке 2.3.1. Вследствие этого на фотопластине или экране возникают участки различной интенсивности, связанные с конвергенцией и дивергенцией электронных лучей, которые можно идентифицировать как элементы магнитной доменной структуры изучаемого объекта. Анализируемые в работе электронномикроскопические изображения доменной структуры получены способом дефокусированного (теневого) изображения, когда на экране формируют увеличенное изображение распределения интенсивности электронов ниже плоскости образца.
Этот способ позволяет выявить форму и размеры доменов, их тонкую структуру (рябь намагниченности), вид и структуру доменных границ и оценить их геометрические параметры. Электронный микроскоп ПРЭМ- 200 использовался и для оценки структурного состояния CoW пленочных образцов. При изучении кристаллических объектов дифракция электронов определяет контраст электронно-микроскопического изображения. В связи с этим возможно выявление различных по кристаллической структуре участков объекта. Электронномикроскопическая картина представляет собой области различного светового контраста.
Образцы CoW имеют поликристаллическую структуру, при которой кристаллиты достаточно хаотично ориентированы в пространстве. В зависимости от ориентации объекта по отношению к электронному пучку или в зависимости от апертуры пучка яркость изображения граней этих кристаллитов может сильно изменяться. Такие изменения контраста связаны с тем, что определенные участки объекта попадают в отражающее положение, при этом интенсивность луча нулевого максимума существенно уменьшается, а дифрагированный луч задерживается апертуриой диафрагмой. На рис. 2.3.2 это явление схематически изображено для кристаллического объекта, состоящего из блоков, несколько разориентированных по отношению друг к другу. Изображение можно получать в светлопольном и темнопольном режимах, которые можно менять, перемещая апертурную диафрагму в горизонтальной плоскости так, чтобы через нее либо не проходил, либо проходил дифрагированный на атомной плоскости кристалла электронный луч. В случае аморфного состояния объекта отсутствует периодическое распределение атомов в пространстве и дифракционное рассеяние электронов будет отсутствовать, а контраст изображения такого объекта будет определяться лишь диффузным рассеянием
Влияние рельефа поверхности на магнитоупругие свойства магнитомягких проволок на основе железа
Рассмотрим, какое влияние оказывает периодический рельеф поверхности в магнитомягких металлических проволоках на их магнитоупругие свойства. Изначально аморфные проволоки состава Fe75SiioBi5 подвергались термомагнитному отжигу (ТМО), в процессе которого формировалась микрокристаллическая структура и значительно возрастали их магнитоупругие свойства. На рисунке 3.2.1 приведена экспериментальная зависимость частоты магнитоупругого резонанса fr от Н для образцов, обработанных при различных температурах ТМО [139, 140]. При всех температурах ТМО fr увеличивается с ростом Н. Такой результат не согласуется с выводами модели, используемой для описания магнитоупругих свойств аморфных металлических сплавов [141], и с результатами эксперимента, полученными в работе [142, 159]. Согласно [141], выражение для/, можно представить в виде: где р - плотность образца. Из выражения (3.2.1) следует, что fr должна монотонно уменьшаться с ростом Н. У проволок состава Fe77.5Si10B12.55 изученных в работе [142], в малых магнитных полях также наблюдалось монотонное уменьшение/, с ростом Н. Наиболее вероятной причиной нехарактерного поведения зависимостей /,-(Н) в исследованных пленках состава Fe75SiioBi5. является влияние на их магнитоупругие свойства особенностей рельефа поверхности. На рисунке 3.2.2а приведена фотография участка одной из исследованных в данной работе проволок. Профиль образца имел периодическую структуру, состоящую из участков различного диаметра.
Период такой структуры составлял 3,75-10-4 м. С учетом особенностей формы образцов можно дать следующее объяснение увеличению/ с ростом Н. Аппроксимируем форму исследуемого образца системой дискретных полых толстостенных цилиндров, периодически охватывающих гладкий стержень круглого сечения (рис. 3.2.26). Существуют две модели распределения намагниченности в проволочном образце- аксиально-радиальная в случае нетермообработанного образца и аксиально-циркулярная в случае нагрева в магнитном поле, перпендикулярном длине проволоки. Известно, что магнитная доменная структура проволоки, прошедшей ТМО, состоит из ядра и приповерхностной области [143-145]. В ядре образца ось легкого намагничивания (ОЛН) ориентирована вдоль его длины, а в приповерхностной области - она ориентирована циркулярно. В работах [144, 145] рассмотрены процессы перемагничивания поверхностной области пленок, а в [146, 147] процесс перемагничивания ядра проволоки. Основной вклад в изменение магнитоупругих параметров проволоки вносит перестройка доменной структуры в приповерхностной области [143]. Под действием Н, приложенного вдоль длины образца, в его приповерхностной области происходит поворот намагниченности. Это ведет к образованию на границах областей различного диаметра проволоки магнитных полюсов, размагничивающие поля от которых увеличивают анизотропию в областях большего диаметра, а их поля рассеяния уменьшают ее в областях меньшего диаметра. При этом выражение для эффективной константы анизотропии K0f образца, в первом приближении, можно записать в виде выражения (3.1.3), где Vi=7tL(d-r) -объем области проволоки большего диаметра, V2=KL(d-2t-r)" - объем области проволоки меньшего диаметра, J-диаметр более толстой части образца, r-диаметр ядра образца, 2t - разность между диаметрами толстой и тонкой областей проволоки, 2L - период структуры, iV -размагничивающий фактор области между участками одинакового диаметра.
Приближенное выражение для N имеет вид [132]: Расчеты показывают, что периодическое изменение диаметра проволоки должно приводить к росту Kef в образце. Так как величина f связана с модулем упругости Ен проволоки соотношением [148] где / - длина образца, то рост/і обусловлен увеличением Ен при приложении к образцу Н. В свою очередь, условие роста Ен в магнитном поле имеет вид [123, 149]: где -модуль упругости в состоянии насыщения. Таким образом, рост Ке$ ведет к увеличению значений Н, при которых выполняется условие (3.2.4). На рисунке 3.2.3 приведена расчетная зависимость значения магнитного поля НС1, при котором перестает выполняться условие (3.2.4), от Ке/ для As=3T0"5, о=106 Па, 0=1,3 10п Па, Es= 1,61011 Па. Точки, лежащие выше кривой Hcr(Kej), соответствуют KefVL Н, при которых Ец уменьшается с ростом Н, а точки, лежащие ниже кривой Ha(KeJ -Ни Кф при которых Ен увеличивается с ростом Н. Так как значения Н и Kef для изученных образцов лежат ниже расчетной кривой, то Ен, а значит, и/г увеличиваются с ростом Н. Таким образом, рост частоты магнитоупругого резонанса f при увеличении магнитного поля Н в аморфных металлических проволоках связан с магнитостатическим взаимодействием между участками различного диаметра. 1. Неоднородный рельеф поверхности магнитомягких сплавов на основе железа является одним из факторов, определяющих их магнитоупругие
Анализ результатов исследования конфигурации доменных границ во внешнем магнитном поле
Используемое для вычисления поверхностной плотности энергии выражение (4.1.9) содержит четыре параметра {с, Ms, b, Но), характеризующих ферромагнитную пленку и доменную границу, из которых один {с -расстояние между CoW полосками) задается технологически, другой- Ms определяет намагниченность насыщения материала и не зависит от внешнего магнитного поля, третий b характеризует изгиб доменной границы и определяется экспериментально, а четвертый- Н0 должен соответствовать полю старта неискривленной 180-градусной доменной границы. Исходя из рассмотрения этих параметров, можно заключить, что наиболее вероятной причиной полученного расхождения найденных значений поверхностной плотности энергии по отношению к ее известным экспериментальным и теоретическим значениям является неучет возможного изменения поля старта Н0 доменной границы, входящего в выражение (4.1.9). Рассмотрим возможные факторы, влияющие на поле старта доменных границ. В работах по теории включений Керстена [155-157], и теории напряжений Кондорского [158 ] показано, что дефекты структуры в материалах, перемагничивающихся смещением доменных стенок, влияют на изменение плотности энергии стенки от точки к точке. Ими показано, что поле, необходимое для преодоления дефекта, являющегося потенциальным барьером на пути движения границы, а значит и поле старта доменной границы, прямо пропорционально поверхностной плотности энергии доменной границы. Используя эту пропорциональность, получим выражение для определения Но. Обозначим составляющую плотности энергии (4.2.4) где Ь; — стрела прогиба в магнитном поле Нь а Но, — поле старта доменной границы, соответствующего значению ее энергии при bt и Н{. Таким образом, для определения поля старта границы, изменившей свою энергию, достаточно знать лишь его начальное значение, значение внешнего магнитного поля и соответствующее ему значение величины стрелы прогиба границы.
Все эти данные определяются в ходе эксперимента. На рисунке 4.2.1 представлена зависимость расчетных значений Н0і в исследованном полевом диапазоне. Обращает внимание то, что рост Н0 происходит в том же полевом диапазоне, что и слабое изменение стрелы прогиба границы на зависимости Ь(Н) (ее первый участок на рис. 4.1.3). С учетом изменения значения Н0 зависимости b=f(H-H0) и (y+2o))=f(H) имеют иной вид (рис. 4.2.2 и 4.2.3). Величина стрелы прогиба, как и следует из выражения (4.1.11), прямо пропорциональна (H-HQ) И ее графическая зависимость имеет вид прямой без излома, наблюдавшегося на рисунке 4.1.3. А на зависимости (y+2ca)=f(H), во-первых, сами значения поверхностной плотности энергии стали меньше и сравнимы с публикуемыми, во-вторых, исчез максимум, однако участок возрастания плотности энергии остался. Необходимо отметить, что толщина высокоанизотропного FeNiCo слоя соответствует области, в которой возможна реализация периодических доменных границ. Особенностью доменных границ этих пленок является высокая чувствительность плотности поперечных линий и их длины к незначительным вариациям толщины и поля анизотропии, а так же к различного рода воздействиям (температуры, механических напряжений). На рисунке 4.2.4 приведен набор электронномикроскопических изображений доменных границ в FeNiCo пленках диапазона толщин и поля анизотропии, близких к параметрам исследуемой пленочной системы. С ростом толщины пленки от (а) к (в) наблюдается увеличение плотности поперечных линий и уменьшение их длины. Представленная на рисунке 4.2.4(B) доменная граница имеет структуру, не отвечающую классическому виду доменной границы с поперечными связями, как на рисунке 4.2.4(a). Возможно, это одно из распределений векторов магнитных моментов атомов в доменной стенке в постадийном переходе структуры
Похожие диссертации на Влияние морфологии поверхности на магнитные свойства ферромагнитных сплавов
