Содержание к диссертации
Введение
1 . Особенности магнитных свойств и динамики движения доменной границы в аморфных ферромагнитных микропроводах в стеклянной оболочке (по данным литературы) 9
1.1 Изготовление микропроводов методом Улитовского-Тейлора 9
1.2 Распределение внутренних механических напряжений по радиусу микропровода 11
1.3 Коэффициент магнитострикции насыщения микропроводов 16
1.4 Микромагнитная структура и процессы перемагничивания микропроводов 19
1.5 Магнитные свойства микропроводов 24
1.6 Динамика движения доменной границы в магнито-бистабильных микропроводах 28
1.7 Перспективные направления приложений на основе быстрого перемагничивания посредством доменной границы 37
1.8 Выводы, сделанные на основе обзора литературы 42
2. Экспериментальные методики и образцы 44
2.1 Метод вибрационной магнитометрии 44
2.2 Индукционный метод 45
2.3 Метод Сикстуса-Тонкса 46
2.4 Метод малоуглового вращения намагниченности 48
2.5 Образцы 50
3. Влияние факторов, определяющих формирование магнитных свойств аморфных ферромагнитных микропроводов 52
3.1 Влияние внутренних механических напряжений, связанных с различием коэффициентов теплового расширения металла и стекла, на коэффициент магнитострикции насыщения микропроводов 52
3.2 Влияние геометрических параметров микропроводов на их магнитные свойства 57
3.3 Влияние отжига на коэффициент магнитострикции насыщения микропроводов и их магнитные свойства 60
3.4 Основные результаты и выводы 72
4. Влияние параметров микропроводов на динамику движения доменной границы 75
4.1 Влияние замещения железа кобальтом в составе ферромагнитной жилы микропроводов на динамику движения доменной границы 75
4.2 Влияние типа стекла оболочки микропроводов на динамику движения доменной границы 78
4.3 Влияние внутренних механических напряжений, связанных с различием коэффициентов теплового расширения металла и стекла, на динамику движения доменной границы 80
4.4 Основные результаты и выводы з
5. Способы управления динамикой движения доменной границы 88
5.1 Эффект термического отжига при различных температурах и временах 88
5.2 Эффект термического отжига при различных температурах и временах с приложенными механическими напряжениями 103
5.3 Влияние присутствия внешних механических напряжений при перемагничивании микропровода с приобретенной вследствие отжига магнитной бистабильностью на динамику движения доменной границы 112
5.4 Влияние длительного времени релаксации микропровода при комнатной температуре на стабильность динамики движения доменной границы 115
5.5 Основные результаты и выводы 117
Основные результаты и выводы 119
Список литературы 121
- Магнитные свойства микропроводов
- Метод малоуглового вращения намагниченности
- Влияние геометрических параметров микропроводов на их магнитные свойства
- Влияние типа стекла оболочки микропроводов на динамику движения доменной границы
Магнитные свойства микропроводов
Изготовление микропроводов в стеклянной оболочке методом Улитовского-Тэйлора приводит к возникновению в микропроводе упругих механических напряжений [30-32]. В случае аморфности металлической жилы внутренние механические напряжения, являясь компонентой магнитоупругой энергии, вносят значительный вклад в формирование микромагнитной структуры микропровода.
Существует два механизма возникновения внутренних механических напряжений в микропроводе. Первый механизм появления напряжений связан с процессом быстрого остывания материалов микропровода. Появление внутренних механических напряжений в микропроводе в результате данного механизма происходит в два этапа [30]. Первый этап включает в себя стеклование металла, которое обычно для простоты оценки считается протекающим одновременно с затвердеванием стеклянной оболочки при температуре 1000 К. На этом этапе внутренние напряжения возникают в процессе затвердевания металла, происходящего от поверхности к центру микропровода. Второй этап заключается в охлаждении системы металл-стекло от температуры стеклования до комнатной температуры. На втором этапе напряжения появляются из-за разности коэффициентов теплового расширения для металла и стекла, что приводит к различной величине их сжатия при остывании. Второй механизм появления напряжений связан с процессом вытягивания микропровода.
Распределение температуры по радиусу микропровода через различные промежутки времени с начала процесса затвердевания, представленное на рисунке 1.3, было рассчитано авторами статьи [30]. Как видно, наиболее резкое изменение температуры происходит на границе системы металл-стекло.
Рис.1.3 Распределение температуры по радиусу микропровода через различные промежутки времени после начала процесса затвердевания [30].
Существование напряжений, возникающих как в процессе остывания, так и из-за процесса вытягивания микропровода приводит к определенному распределению по радиусу металлической жилы трех компонент тензора механических напряжений: аксиальной (zz), радиальной (rr) и циркулярной (). Величина внутренних механических напряжений составляет доли и единицы гигапаскалей. Распределение всех трех типов напряжений по радиусу микропровода с учетом процесса затвердевания, изображенное на рисунке 1.4а, было рассчитано группой из Румынии и опубликовано в работах [30, 31]. График распределения напряжений по радиусу микропровода состоит из двух основных областей: область, где аксиальная компонента положительна, то есть оказывает растягивающее воздействие, и имеет наибольшее значение, и область, в которой циркулярная компонента напряжений отрицательна (сжимающее воздействие) и имеет наибольшее абсолютное значение. В тех же работах представлены результаты расчетов внутренних напряжений в микропроводе с учетом разности коэффициентов теплового расширения для металла и стекла (Рис.1.4б). Как видно, различие коэффициентов теплового расширения металла и стекла оказывает влияние на величину напряжений: аксиальная компонента увеличивается по амплитуде примерно в два раза, в то же время величина циркулярных сжимающих напряжений на периферии немного уменьшается.
Распределение компонент тензора внутренних механических напряжений– аксиальной, радиальной и циркулярной – по радиусу микропровода в стеклянной оболочке состава Fe77.5Si7.5B15 с диаметром металлической жилы 3,65 мкм и толщиной стекла 7,50 мкм а) с учетом процесса затвердевания, б) с учетом процесса затвердевания и разности коэффициентов теплового расширения металла и стекла [30, 31]. Наличие напряжений, связанных с процессом вытягивания микропровода, также вносят коррективу в величину и распределение механических напряжений по радиусу микропровода [31]. Распределение напряжений с учетом процесса вытягивания микропровода представлено на рисунке 1.5а. Максимальное значение аксиальных напряжений с учетом процесса вытяжки микропровода составляет примерно 3,8 ГПа, тогда как при учете только процесса остывания микропровода это значение равно примерно 1,5 ГПа. Авторы работ [31, 32] также смоделировали распределение напряжений по радиусу микропровода после снятия стеклянной оболочки, график которого представлен на рисунке 1.5б. Для микропровода в стеклянной оболочке (Рис 1.5а) распределение напряжений имеет только две области – внутреннюю, в которой преобладают аксиальные растягивающие напряжения, и внешнюю, в которой преобладают периферические сжимающие напряжения. В случае микропровода со снятой стеклянной оболочкой (Рис. 1.5б) график распределения напряжений делится на три области - внутреннюю с аксиальными напряжениями, внешнюю с периферическими циркулярными и аксиальными, и область, в которой преобладают растягивающие радиальные напряжения.
Распределение компонент тензора внутренних механических напряжений – аксиальных, радиальных и циркулярных – по радиусу микропровода в стеклянной оболочке состава Fe77.5Si7.5B15 с диаметром металлической жилы 3,65 мкм и толщиной стекла 7,50 мкм а) с учетом процесса затвердевания, разности коэффициентов теплового расширения металла и стекла и процесса вытягивания, б) после снятия стеклянной оболочки [31, 32]. Параллельно расчет внутренних механических напряжений также проводился исследователями из Молдавии [33 - 35]. Используя теорию термопластичных релаксаций, были описаны процессы пластической релаксации внутри металлической жилы аморфного микропровода, а также процессы намагничивания и явление остаточной намагниченности. По результатам расчетов было определено, что остаточные напряжения увеличиваются от центра микропровода к его поверхности. В статье коллектива во главе с А.С. Антоновым [36] на основе теории вязкоупругого состояния были проведены расчеты компонент остаточных напряжений в аморфных микропроводах в стеклянной оболочке. Теоретические расчеты компонент напряжений для микропровода с отрицательным коэффициентом магнитострикции были подтверждены экспериментально исследованием магнитных свойств.
Метод малоуглового вращения намагниченности
Как было подробно описано в пункте 1.4, определяющим фактором в формировании микромагнитной структуры и магнитных свойства аморфных ферромагнитных микропроводов наряду с магнитостатической энергией является магнитоупругая энергия. Магнитоупругая энергия зависит от технологических параметров при изготовлении микропроводов (скорость вытяжки, скорость охлаждения, температура расплава) [40], материала металлической жилы микропровода (магнитострикция материала жилы) [44] и геометрических параметров [37, 38]. Влияние геометрических параметров, а именно отношения диаметра металлической жилы, d, к полному диаметру микропровода в стеклянной оболочке, D, стало активно исследоваться в начале 2000ых годов, так как варьируя величину d/D можно контролировать величину напряжений, возникающих из-за разности коэффициентов теплового расширения металла и стекла. В работах [73-75] исследуется влияние отношения диаметров d/D на магнитные свойства микропроводов из сплава на основе FeCoNi (Рис.1.15). Авторы данных статей обнаружили, что для микропроводов из сплава на основе FeCoNi наблюдается уменьшение поля магнитной анизотропии при увеличении соотношения диаметров d/D. а) б) Рис.1.15 а) Петли гистерезиса микропроводов из сплава Co67.iFe3.8Nii.4Sii4.5Bn.5Moi.7 с различными отношениями диаметров d/D [74], б) Зависимость поля магнитной анизотропии от соотношения диаметров d/D [74, 75]. Такая явная зависимость величины поля магнитной анизотропии от соотношения d/D, которое соответствует величине напряжений, возникающих из-за разности коэффициентов теплового расширения металла и стекла, хорошо коррелирует с выражением для магнитоупругой энергии: Ете -Л5а.
В магнитно-бистабильных микропроводах на основе Fe увеличение соотношения диаметров d/D, а соответственно и уменьшение механических напряжений, возникающих из-за наличия стеклянной оболочки, способствует уменьшению поля переключения микропровода, то есть поля, которое необходимо приложить, чтобы доменная границы сорвалась с конца микропровода [76]. В данном случае диаметр металлической жилы оставался постоянным, а увеличивалась лишь толщина стеклянной оболочки. Величина поля переключения должна быть пропорциональна энергии, требуемой для формирования доменной стенки , ответственной за процесс бистабильности. Энергия доменной стенки связана с магнитоупругой анизотропией и, следовательно, с приложенными растягивающими напряжениями, как описано в статье [77]: s L 2 J где a - угол между намагниченностью и направлением оси микропровода, А - константа обменной энергии, Xs - константа магнитострикции, аа - прикладываемое растягивающее напряжение и егг - внутренние напряжения. Из этого следует, что поле переключения пропорционально (аа + ot)1/2 при cosa = 1, и увеличение как внутренних, так и внешних прикладываемых напряжений будет приводить к росту поля переключения. Увеличение диаметра металлической жилы с 1,4 до 15 микрон при постоянной толщине стекла приводит к уменьшению поля переключения с 700 до 80 A/m [76]. При этом даже на микропроводе с минимальным диаметром (1,4 микрона) сохраняется прямоугольная форма петли гистерезиса.
Наиболее чувствительной к изменению магнитостатической энергии микромагнитная структура становится при маленьких длинах микропровода – когда длина по порядку величины сравнима с диаметром микропровода. В статье J. Ye [78] были исследованы локальные магнитные свойства по длине аморфных микропроводов состава Fe75Si15B10 методом магнитооптического эффекта Керра и магнитостатические свойства методом вибрационной магнитометрии. Исследования были проведены на микропроводах различной длины (от 1 до 9 мм) и с различными соотношениями d/D. Диаметр металлической жилы варьировался от 1 до 12 мкм, а толщина стекла изменялась в пределах от 4 до 14 мкм. Исследования магнитостатических свойств показали, что микропровод (d = 12 мкм) проявляет магнитную бистабильность в интервале от 9 до 3 мм (Рис1.16а). При этом критическая длина растет по мере увеличения диаметра микропровода (вставка на рис. 1.16а). По измеренным петлям гистерезиса так же было определено, что коэрцитивная сила больше для микропровода с тонкой жилой и толстой стеклянной оболочкой (d = 1,5 мкм, D = 30 мкм), а остаточная намагниченность больше для микропровода с толстой жилой (d = 12 мкм, D = 29 мкм) (рис. 1.16б).
Результаты исследования магнитооптическим методом показывают, что в области от конца микропровода вплоть до 500 мкм магнитные моменты распределены сложным образом и образуют локальные размагничивающие поля, что выражается в высокой коэрцитивности и инвертированных петлей гистерезиса. В данном случае для наблюдения бистабильности критической длиной от края микропровода является 1 мм, что подтверждает результаты, полученные на вибрационном магнитометре.
Для определения влияния наличия стеклянной оболочки на магнитные свойства, группой исследователей под руководством А. Жукова было проведен эксперимент [79], в процессе которого стеклянная оболочка постепенно химически стравливалась с микропровода из сплава (Co1-xMnx)75Si10B15 (x = 0,08). Магнитные свойства измерялись до начала травления и через 20 и 50 минут после начала травления. Полевая зависимость магнитного момента до травления носила безгистерезисный характер, уменьшение толщины стеклянной оболочки в результате травления в течение 20 минут способствовало уменьшению поля магнитной анизотропии и появлению гистерезиса. 50 минут травления привели к магнитной бистабильности микропровода.
Одним из типов имеющихся в микропроводе напряжений являются закалочные напряжения, связанные с резким затвердеванием материала и наличия вследствие этого в нем некомпенсированных дислокаций и дефектов. После остывания в микропроводе постоянно присутствуют процессы релаксации данных напряжений при перераспределении дислокаций и дефектов. Однако скорость протекания данных процессов при комнатной температуре очень мала. Повышение температуры ускоряет происходящие в микропроводе процессы релаксации, которые изменяют магнитоупругую энергию, именно поэтому отжиг считается одним из самых эффективных способов модификации магнитных свойств микропроводов. Исследованию влияния отжига на магнитные свойства посвящено достаточно много работ [45, 79-83]. При этом в ряде публикаций рассматривается отжиг посредством протекающего через микропровод постоянного тока (Джоулев нагрев) [45, 80, 81], а другая часть результатов получена при рассмотрении влияния термического отжига на магнитные свойства [79, 82, 83].
Простейшая теоретическая модель изменения температуры по радиусу микропровода под воздействием постоянного электрического тока и ее экспериментальное подтверждение на микропроводах состава Fe77.5Si7.5B15 были опубликованы в статье [80] в 1999 году. Позднее, В. Жуковой было исследовано влияние отжига постоянным электрическим током (продолжительностью до 50 минут и плотностью тока до 470 А/мм2) на магнитные свойства микропроводов их сплавов Co56.5Fe6.5Ni10B16Si11, Fe70B15Si10C5 и Co68Mn7Si10B15 [81]. При отжиге с плотностью тока 470 А/мм2 в течение 30 минут наблюдалось увеличение коэрцитивной силы для всех типов микропроводов. В случае микропровода состава Fe70B15Si10C5 петля гистерезиса приобрела двухфазный характер, что свидетельствовало о частичной кристаллизации сплава. Уменьшение плотности тока до 227 А/мм2 (30 мА), наоборот, приводило к снижению величины коэрцитивной силы для всех сплавов с увеличением времени отжига. Полученные результаты свидетельствуют о том, что, подбирая определенные параметры отжига током, возможно изменять коэрцитивную силу микропровода как в меньшую, так и в большую стороны.
Исследование влияние термического отжига на магнитные свойства было проведено А. Жуковым [79, 82] на микропроводах состава (Coi-xMnx)75SiioBi5 (x = 0,08) с отрицательным коэффициентом магнитострикции. Вследствие отжига наблюдались изменения магнитоупругой анизотропии и петель гистерезиса. Наблюдаемое увеличение коэрцитивной силы связано с формированием аксиально намагниченного керна. Этот факт подтверждался так же и одновременным увеличением остаточной намагниченности. После отжига в магнитном поле 14 кА/м в течение 30 минут наблюдалось более значительное изменение формы петли гистерезиса, сопровождающееся уменьшением поля анизотропии Hk, увеличением коэрцитивной силы, остаточной намагниченности и намагниченности насыщения.
Влияние термического отжига на магнитные и магнитотранспортные свойства микропроводов из сплава C069.2Fe4.1B11.8Si13.8C11 (D = 30,2 мкм, d = 25,6 мкм) относительно недавно было проведено группой А. Жукова [83]. Увеличение коэрцитивной силы и остаточной намагниченности с увеличением температуры отжига подтверждают тенденцию, установленную в более ранних исследованиях.
Влияние геометрических параметров микропроводов на их магнитные свойства
Одним из методов захвата и управления магнитными нано- и микро- объектами является метод использования полей рассеяния доменной границы [1, 3, 106-111]. Являясь определенной конфигурацией спинов, доменная границы создает локальный градиент магнитного поля, который может быть использован для захвата магнитного объекта. В данном случае наиболее подходящими системами в целях захвата и управления являются одномерные (1D) магнитные структуры, которые могут быть как планарными [109- 113], так и цилиндрическими [1, 3], и иметь различные конфигурации. В одномерных системах наиважнейшую роль в формировании микромагнитной структуры играет анизотропия формы, которая стремится выстроить магнитный момент вдоль оси [14-16, 113]. Более того, использование магнитомягких материалов, таких как пермаллой [14-16] или аморфные материалы [1, 3] дает возможность пренебречь вкладом магнитокристаллической анизотропии. Процесс перемагничивания в таком случае зачастую происходит c помощью распространения доменной границы.
Геометрические параметры – толщина и ширина планарной структуры и диаметр цилиндрической структуры – определяют микромагнитную структуру одномерной системы, таким образом определяя тип и размер доменной границы, что в свою очередь устанавливает рабочую область для манипулирования объектом. Использование одномерных структур так же имеет преимущество с точки зрения скорости управления объектом, которая в общем случае так же зависит от параметров одномерной структуры. Отдельной задачей эффективного управления магнитными объектами является механизм контроля положения объекта. Пиннинговые центры могут фиксировать положение доменной границы, что дает возможность осуществить пошаговый контроль положения доменной границы и манипулируемого объекта.
В начале 2000ых годов была продемонстрирована возможность наблюдать перенос парамагнитных и ферромагнитных бусин на двигающейся доменной границе [106, 107]. Для создания остроконечной доменной границы авторы работы создавали небольшие локальные дефекты. Приложение магнитного поля и последующее небольшое смещение доменной границы приводило к переносу манипулируемых частиц на расстояния нескольких микрон.
Использование одномерных структур различных конфигураций делает манипулирование объектами более точным и контролируемым. В 2008 группа Вавассори и др. [108] использовала движение доменной границы в квадратных замкнутых структурах для детектирования магнитных бусин. Движение доменной границы отслеживалось через измерение анизотропного магнитосопротивления. А наличие магнитной бусины изменяло величину поля смещения доменной границы. Результаты моделирования показали, что притягивающая магнитная сила, действующая на расстоянии 200 нм от детектора, составляет до 10 пН. Затем в 2010 году было заявлено о контролируемом пошаговом смещении доменной границы и переносе магнитных частиц, которые были продемонстрированы с помощью оптической и магнитной силовой микроскопии в квадратных и зигзагообразных структурах [109]. В зигзагообразных структурах положение доменной границы изменялось приложением магнитного поля вдоль направления отдельного сегмента. Для контроля объектов в непрерывном режиме использовались пермаллоевые кольца, где две доменные границы (типа heado-head и tailoail) двигались под воздействием вращающегося магнитного поля. Последние три структуры, описанные выше, позже использовались для перемещения клеток дрожжей, маркированных магнитными частицами [110]. Модифицированная зигзагообразная структура, содержащая в себе две ветви, может функционировать как демультиплексор, когда доменная границы совместно с захваченной частицей может направляться по одной из двух ветвей бифуркационным магнитным полем [111]. Диапазон размеров манипулируемых магнитных частиц может варьироваться от 1 до 2,8 мкм. Описанные выше структуры могут быть основой для разработки и создания новых устройств типа lab-on-a-chip и использоваться как пинцеты в основе которых лежит управление объектами доменной границей для очень точного управления положением клеток, включая локальную деформацию мембраны [115].
В качестве системы для захвата и перемещения магнитных объектов может рассматриваться магнитная структура в форме синусовидной волны, где центрами пиннинга для доменных границ типа heado-head и tailoail служат перегибы структуры [112]. Приблизительная магнитная сила составляет 0,2-1,3 пН, что позволяет управлять магнитно маркированными клетками размерами от 8 до 30 мкм со скоростью от 15 о 120 мкм/сек. Различные конфигурации структурированных магнитных пленок рассмотрены в работе [113]. Сначала авторы изучают магнитное состояние использую микромагнитное моделирование, а затем изучаются микромагнитную структуру с помощью магнитной силовой микроскопии и локализацию притянутых частиц.
Другими перспективными кандидатами для создания пинцета, основанного на захвате объекта полями рассеяния доменной границы, являются аморфные ферромагнитные микропровода в стеклянной оболочке [1, 3], диаметр металлической жилы которых может варьироваться от 1 до 50 мкм, а толщина стекла – от 1 до 10 мкм, в то время как их длина может составлять от 1 мм до нескольких десятков сантиметров. Из-за их аморфного состояния и четко выраженной анизотропии формы, как было описано в пункте 1.4, микромагнитная структура определяется магнитоупругой энергией и геометрическими параметрами микропровода [1, 2], а перемагничивание вдоль оси происходит в магнитном поле порядка нескольких эрстед. Группа из Словакии под руководством Р.Варга показали, что тип доменной границы (поперечная или вортексная) может контролироваться способом и режимом приложения внешнего магнитного поля [89]. Этот факт позволяет говорить о возможности адаптации конфигурации доменной границы к типу манипулируемого объекта. Наличие стеклянной оболочки, создающей внутренние механические напряжения, является одним из способов контроля микромагнитной структуры микропровода, а также являясь нетоксичным материалом, дает возможность работать с живыми объектами.
В обзоре литературы отражены основные результаты исследования магнитострикционных и магнитных свойств, и динамики движения доменной границы в аморфных ферромагнитных микропроводах. Несмотря на то, что исследования магнитных свойств и динамики движения доменной границы проводятся уже второе десятилетие, данная тема остается очень актуальной с точки зрения изучения фундаментальных вопросов. Это связано со сложностью установления механизмов влияния различных факторов, к которым относятся внутренние и внешние механические напряжения, знак и величина коэффициента магнитострикции, температура и отжиг на динамику движения доменных границ. Сложность установления заключается в том, что часто факторы, влияние которых изучается, непосредственно зависят также друг от друга. Кроме того, отсутствует систематический анализ зависимости магнитных свойств микропровода и параметров динамики движения доменной границы в нем от изучаемых факторов. Зачастую выводы делаются на основании измерения всего двух образцов.
Основные выводы, которые можно сделать из обзора литературы: - было изучено влияние внешних механических напряжений на величину коэффициента магнитострикции в микропроводах из сплава на основе Co и CoFe, однако отсутствуют данные по влиянию внутренних напряжений, существующих в микропроводе из-за разницы коэффициентов теплового расширения металла с стекла и ассоциируемых с соотношением диаметров d/D; - значения полей магнитной анизотропии, HK, микропроводов из сплава на основе Co и полей переключения, HSW, микропроводов из сплава на основе Fe изучались только как функция от соотношения диаметров d/D, однако не было проведено исследований по определению влияния диаметра металлической жилы на величины HK и HSW при фиксированном соотношении d/D; - при изучении влияния внутренних напряжений, существующих из-за разности коэффициентов теплового расширения в металле и стекле, на динамку движения доменной границы помимо различного соотношения d/D исследуемые микропровода также имеют и различные диаметры металлической жилы микропровода; - отсутствуют исследования, посвященные комплексному изучению влияния параметров термического отжига и приложения внешних механических напряжений на магнитные свойства и динамику движения доменной границы микропровода.
Влияние типа стекла оболочки микропроводов на динамику движения доменной границы
Чтобы определить влияние времени отжига на магнитные свойства – форму петли гистерезиса и величину поля переключения – было проведено сравнение петель гистерезиса при различных временах отжига и построены графики зависимости поля переключения от времени отжига микропроводов, которые представлены на рисунках 3.12 и 3.13.
Наличие напряжений при отжиге, как и в вышеописанных результатах, имеет существенное влияние на вид получаемых зависимостей поля переключения от времени отжига. При температуре отжига 300 и отсутствии внешних напряжений (Рисунок 3.12а) увеличение времени отжига приводит к увеличению поля переключения, что может являться результатом возрастания аксиальной компоненты анизотропии, и, как следствие, увеличения объема аксиально намагниченного керна.
Магнитные свойства микропровода состава Co68.7Fe4Ni1B13Si11Mo2.3, отожженного при температуре 300, в зависимости от длительности отжига: а) и б) петли гистерезиса для микропроводов без приложения внешних напряжений и при приложении напряжений 250 МПа во время отжига, соответственно, в) график зависимости поля переключения от времени отжига.
Приложение напряжений величиной 250 МПа при температуре 300 оказывает значительный эффект, и приводит к обратному результату – поле переключения уменьшается с 3 до 1,5 А/м с увеличением времени отжига. Увеличение же температуры до 350 приводит к возрастанию поля переключения при более длительном отжиге даже при приложенных внешних механических напряжениях (Рисунок 3.13).
Магнитные свойства микропровода состава Co68.7Fe4Ni1B13Si11Mo2.3, отожженного при температуре 350, в зависимости от длительности отжига: а) и б) петли гистерезиса для микропроводов при приложении напряжений 125 и 250 МПа во время отжига, соответственно, в) график зависимости поля переключения от времени отжига. Скорость протекающих в микропроводе процессов релаксации внутренних механических напряжений, а, следовательно, и изменение магнитной анизотропии прямо пропорционально зависит от температуры отжига. Для того, чтобы наиболее наглядно установить тенденции происходящих в ходе отжига изменений магнитных свойств, дополнительно был проведен отжиг микропровода того же состава при температуре 200. При этом время отжига менялось в диапазоне от 1 до 60 минут. Сравнение петель гистерезиса от времени отжига и зависимость поля переключения от времени отжига представлены на
Магнитные свойства микропровода состава Co68.7Fe4Ni1B13Si11Mo2.3, отожженного при температуре 200, в зависимости от длительности отжига: а) петли гистерезиса при разных временах отжига, в) график зависимости поля переключения от времени отжига.
Из рисунка 3.14а хорошо видно, что перемагничивание микропровода, отожженного в течение 1 минуты происходит, сочетая два процесса – скачок, который соответствует быстрому распространению доменной границы вдоль оси микропровода, и плавное изменение магнитного момента, связанное с поворотом магнитного момента. Из этого следует, в металлической жиле микропровода можно выделить две области, соответствующие двум типам перемагничивания -аксиально намагниченный керн, и циркулярная структура на периферии. Скорость движения доменной границы в таком микропроводе измерить не удалось (подробнее – Глава 5, пункт 2), что так же свидетельствует о сосуществовании двух областей намагниченности с разными направлениями – аксиальной и циркулярной, - занимающими сравнимые объемы металлической жилы микропровода. Увеличение времени отжига до 2 минут уже приводит к устойчивой магнитной бистабильности и свидетельствует о преобладании аксиально намагниченной области в микропроводе. Последующее увеличение времени отжига с 2 до 60минут ведет к увеличению поля переключения с 1,4 о 7,2 А/м, соответственно. График зависимости поля переключения от времени отжига изображен на рисунке 3.14б. Красным символом отмечено значение коэрцитивной силы микропровода, отожженного в течение 1 минуты. Зависимость поля переключения от времени отжига для микропроводов, отожженных при температуре 200, хорошо согласуется с тенденцией, полученной для температуры отжига 300, при которой поле переключения также увеличивается при более длительном отжиге.
Оценка влияния приложенных внешних механических напряжений во время отжига дает однозначный результат и тенденцию в независимости от времени отжига в диапазоне 5-60 минут и температуры отжига, изменяющейся от 300 до 400. На рисунках 3.15 и 3.16 приведено сравнение петель гистерезиса для микропроводов, отожженных при температуре 300 и 350 с различной величиной внешних напряжений и зависимости поля переключения от величины прикладываемых напряжений. Из графиков отчетливо видно, что приложение растягивающих механических напряжений, направленных вдоль оси микропровода, способствует уменьшению величины поля переключения.
Магнитные свойства микропровода состава Co68.7Fe4Ni1B13Si11Mo2.3, отожженного при температуре 300, в зависимости от величины прикладываемых напряжений: а) и б) петли гистерезиса для микропроводов, отожженных в течение 5 и 60 минут, соответственно, в) график зависимости поля переключения от величины прикладываемых во время отжига механических напряжений.
Магнитные свойства микропровода состава Co68.7Fe4Ni1B13Si11Mo2.3, отожженного при температуре 350, в зависимости от величины прикладываемых напряжений: а) и б) петли гистерезиса для микропроводов, отожженных в течение 5 и 60 минут, соответственно, в) график зависимости поля переключения от величины прикладываемых во время отжига механических напряжений. Таким образом, в данном пункте было рассмотрено влияние термического отжига на коэффициент магнитострикции и магнитные свойства аморфных ферромагнитных микропроводов в стеклянной оболочке трех составов: Co68.6B14.8Si10Mn6.6, Fe3.85Co67.05Ni1.44B11.53Si14.47Mo1.66 и Co68.7Fe4Ni1B13Si11Mo2.3, каждый из которых имел отрицательный коэффициент магнитострикции с околонулевым абсолютным значением и S-образную петлю гистерезиса. Исследования магнитных свойств проводились в зависимости от таких параметров отжига, как температура (200-400) и длительность отжига (1-60 минут), а также с приложением различных механических напряжений (от 0 до 300 МПа), оказывающих растягивающее действие вдоль оси микропровода.
Было установлено, что отжиг приводит к изменению коэффициента магнитострикции в сторону положительных значений, что существо влияет на магнитные свойства. В случае микропровода из сплава на основе кобальта, отжиг приводит к увеличению поля магнитной анизотропии при приложении внешних растягивающих напряжений и к уменьшению поля магнитной анизотропии при повышении температуры и отжиге без дополнительных напряжений. Эффект отжига микропровода состава Fe3.85Co67.05Ni1.44B11.53Si14.47Mo1.66 сильно зависит от наличия внешних механических напряжений: микропровод приобретает магнитную бистабильность в случае обычного отжига, приложение внешних напряжений во время отжига приводит к увеличению поля магнитной анизотропии, как и в случае микропровода на основе Co. Отжиг микропровода состава Co68.7Fe4Ni1B13Si11Mo2.3 длительностью более минуты при температуре от 200 до 400 приводит к магнитной бистабильности. Поля переключения можно варьировать в пределах от 1 до 25 А/м, изменяя параметры отжига микропровода.