Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные магнитные свойства неоднородных магнитных материалов (литературный обзор) 12
1.1. Введение: Основные этапы исследования магнитных материалов 12
1.2. Малые магнитные частицы 14
1.2.1. Однодоменное состояние 14
1.2.2. Ансамбль малых магнитных частиц 17
1.2.3. Взаимодействия в ансамбле малых магнитных частиц 19
1.2.4. Методы исследования малых магнитных частиц 26
1.3. Гранулированные и композитные сплавы 30
1.4. Магнитные свойства тонких и многослойных пленок (низкоразмерные магнитные системы) 32
1.4.1. Тонкие пленки на основе Со 33
1.4.2. Магнитожесткие пленки "редкая земля - переходный металл" (РЗ-ПМ) 33
1.4.3. Многослойные пленки 34
1.5. Аморфные и нанокристаллические сплавы 35
1.5.1. Аморфные металлические сплавы 35
1.5.2. Структурные свойства аморфных металлических сплавов 35
1.5.3. Модельные представления структуры АМС 37
1.5.4. Дефекты структуры АМС 39
1.5.5. Структурная релаксация 41
1.5.6. Механизмы диффузионных процессов 45
1.5.7. Магнитные свойства аморфных металлических сплавов 47
1.5.8. Приготовление аморфных сплавов 50
1.5.9. Нанокристаллические сплавы 54
1.6. Разбавленные магнитные полупроводники 56
1.6.1. Собственный ферромагнетизм и спиновый магнитный момент в легированных оксидных полупроводниках 56
1.6.2. Ферромагнетизм в полупроводниковом кремнии с примесями переходных металлов 58
Глава 2. Аппаратура и методика эксперимента 59
2.1. Вибрационный анизометр-магнитометр 60
2.2. Автоматизированные ЯМР и ФМР спектрометры 67
2.3. Управляющий измерительно-вычислительный комплекс 71
2.4. Цифровое синхронное детектирование 73
2.5. Основные результаты 78
Глава 3. Исследование магнитостатических свойств систем малых магнитных частиц 79
3.1. Микрочастицы и их свойства 79
3.1.1. Направление оси легкого намагничивания в лентах на основе порошков СгОг.79
3.1.2. Измерения полей взаимодействия магнитных частиц в ансамбле методом ЯМР 84
3.1.2.1. Зависимость параметров линии ЯМР-поглощения в гетерогенном образце от концентрации магнитных частиц 84
3.1.2.2. Экспериментальные результаты 87
3.2. Гранулированные сплавы и нанокомпозиты 90
3.2.1. Влияние отжига на магнитные свойства 90
3.2.2. Концентрационная зависимость намагниченности 92
3.2.3. Метод магнитной гранулометрии 95
3.2.4. Определение характерных магнитных неоднородностей методом малоуглового рассеяния нейтронов 99
3.3. Наночастицы (влияние условий изготовления и окружающей среды) 106
3.3.1. Роль окружающей среды 107
3.3.1.1. Fe203 107
3.3.1.2. Гидрогенизированные наночастицы Fe 109
3.3.1.3. Наночастицы Со ПО
3.3.2. Зависимость от условий изготовления 112
3.3.2.1. Наночастицы Со 113
3.3.2.2. Наночастицы полученные ИК-пиролизом прекурсора 115
3.4. Магнитофотонные кристаллы на основе пористых материалов 119
3.4.1. Двумерные регулярные структуры "ферромагнитный металл — пористый кремний" 120
3.4.2. Трехмерные магнитофотонные кристаллы 121
3.5. Основные результаты и выводы 123
Глава 4. Магнитостатические свойства аморфных материалов 124
4.1. Аморфные магнитномягкие ленты 124
4.1.1. Намагниченность 124
4.1.2. Однородное перемагничивание 127
4.1.3. Измерения анизотропии лент при Н»НС 131
4.1.4. Релаксация магнитного момента в аморфных лентах 132
4.2. Влияние дестабизизирующих факторов на свойства аморфных материалов 133
4.2.1. Влияние гидрогенизации на магнитные свойства аморфных сплавов 133
4.2.2. Температурный гистерезис магнитных свойств аморфной ленты 137
4.2.3. Необратимое изменение структуры аморфных сплавов после низкотемпературных воздействий 143
4.2.4. Магнитные свойства аморфных магнитных металлическігх сплавов (АММС)148
4.2.4.1. Изменение коэрцитивной силы при криообработке 151
4.2.4.2. Нейтронографические исследования 153
4.2.4.3. Нейтронографические исследования структуры с помощью малоуглового рассеяния нейтронов 159
4.3. Магнитные свойства аморфных микропроводов 160
4.3.1. Аморфный микропровод 161
4.3.2. Аморфный микропровод в стеклянной оболочке 161
4.3.2.1. Экспериментальное исследование магнитных свойств аморфного микропровода Fe-P-B в стеклянной изоляции 162
4.3.2.2. Экспериментальные исследования магнитных свойств аморфного Сосодержащего микропровода 166
4.3.3. Влияние стеклянной оболочки на внутреннюю микромагнитную структуру микропровода 167
4.3.3.1. Расчет внутренней магнитной структуры аморфного микропровода,
индуцированной упругими напряжениями 167
4.3.3.2 Вещество с положительной константой магнитострикции 170
4.3.3.3. Вещество с отрицательной магнитострикцией 172
4.3.3.4. Результаты измерений 172
4.4. Основные результаты и выводы 173
5. Особенности магнитных свойств магнитно-мягких материалов для магнитных сенсоров на гигантском магнитоимпедансе (ТМИ) 175
5.1. Магнитостатические свойства пленок 176
5.1.1. Пермаллой 176
5.1.2. Сендаст 177
5.1.3. Аморфные сплавы 177
5.1.4. Нанокристаллические образцы 177
5.1.5. Влияние подложки на свойства образцов, размеров и формы (полосок-диск).178
5.1.6. Многослойные структуры 179
5.1.7. Проблемы формирования тонкопленочных чувствительных элементов на кремнии 188
5.2. Изменения эффекта ГМИ при термообработке 189
5.3. Основные результаты и выводы 191
6. Особенности магнитных свойств тонких пленок 193
6.1. Особенности магнитостатических свойств пленок РЗМ-Со 193
6.2. Пленки Fe-Tb 197
6.2.1. Магнитостатические свойства пленок Fe-Tb 197
6.2.2. Магнитная вязкость пленок Fe-Tb -. 200
6.3. Намагниченность в обменно-связанных многослойных пленках Ni-Fe-FeMn-Co 201
6.4. Магнитные свойства многослойной системы нанокомпозит - гидрогенизированный аморфный кремний 203
6.5. Основные результаты и выводы 204
Глава 7. Магнитные свойства разбавленных магнитных полупроводников (РМП) 205
7.1. Методы исследования разбавленных магнитных полупроводников 206
7.2. Магнитные свойства РМП на основе оксидов 207
7.3. Магнитные материалы на основе элементарных полупроводников 213
7.4. Основные результаты и выводы 217
Основные результаты и выводы 219
Литература 221
- Собственный ферромагнетизм и спиновый магнитный момент в легированных оксидных полупроводниках
- Зависимость параметров линии ЯМР-поглощения в гетерогенном образце от концентрации магнитных частиц
- Необратимое изменение структуры аморфных сплавов после низкотемпературных воздействий
- Магнитные свойства многослойной системы нанокомпозит - гидрогенизированный аморфный кремний
Введение к работе
Актуальность темы:
Развитие электротехники, магнитной записи информации, вычислительной
техники, микро- и наноэлектроники, спинтроники, фотоники тесно связано с получением
новых типов магнитных материалов. Большинство новых материалов являются
искусственно созданными, представляющими собой микро- или нанонеоднородные
системы, как например, ультратонкие пленки, мультислои, наночастицы и их ансамбли,
нанокристаллические материалы, ряд разбавленных магнитных полупроводников. Как
правило, они обладают малым магнитным моментом, что требует развития прецизионных
методов магнитостатических измерений и детального исследования магнитостатических
свойств таких систем.
Основы теории малых магнитных частиц (ММЧ) были заложены Френкелем и
Дорфманом[1]. Фундаментальное значение для физики ММЧ и магнитно-неоднородных
систем имеет переход к однодоменному состоянию при уменьшении размера частиц
(Кондорский[2, 3, 4], Стонер и Вольфарт[5]). Основное внимание в их теории было
обращено на понимание процессов, связанных с уменьшением объема частицы, без учета
влияния ее поверхности. Но при объеме порядка 10" см следует ожидать сильного
влияния поверхности на магнитные свойства ММЧ (Неель[6]) и зависимости этого
влияния от непосредственного окружения магнитных частиц, что важно как в технологии
приготовления магнитных носителей и феррожидкостей, так и в понимании особенностей
поведения гранулированных систем и тонких пленок. Существенными остаются вопросы
о влиянии изменения электронной структуры, неоднородностей магнитных структур в
ММЧ на их магнитные свойства, о влиянии на них внешнего окружения, магнитного поля,
температуры. Влияние асимметрии окружения магнитных атомов на поведение магнетика
является определяющим и в случае тонких и многослойных пленок.
Особенности магнитных свойств ансамбля магнитных частиц часто объясняют взаимодействиями в ансамбле. Однако, теоретические представления (Джекобе и Бин[7], Прейзах[8], Кондорский[4], Вольфарт[9]) не всегда соответствуют экспериментальным результатам.
Создание ферромагнитных полупроводниковых материалов с высокими температурами Кюри путем допирования или имплантирования слабомагнитных полупроводников магнитными ионами часто приводит к образованию магнитных кластеров, и поэтому задача разделения собственного и несобственного ферромагнетизма в таких структурах связана с прецизионным измерением их магнитостатических свойств.
Важность задач, связанных с разработкой новых функциональных магнитных материалов, разнообразных магнитных наноструктур, полупроводниковых магнитных материалов для спинтроники и фотоники привели к необходимости существенного развития методик магнитостатических измерений. Следует отметить, что традиционные методы не всегда обеспечивают весь спектр магнитостатических измерений, в частности, СКВИД-магнитометрия ограничивается низкими температурами, а вибрационная магнитометрия не всегда дает необходимую чувствительность.
Целью работы является исследование магнитостатических свойств широкого класса новых магнитных материалов с неоднородностями микро- и наномасштаба. Для реализации этой задачи в процессе работы были разработаны, апробированы и использованы для исследования новые методики и автоматизированные комплексы установок. Эти методики и установки обеспечили возможность измерения магнитных свойств образцов с малым магнитным моментом.
На защиту выносятся:
-
Результаты использования модифицированного метода Фонера, позволяющего определить как величину, так и ориентацию магнитного момента образца и обеспечить чувствительность по магнитному моменту -1.0*10" гс*см .
-
Способы определения намагниченности и константы анизотропии тонких пленок и микропроволок, а также функций распределения по полям необратимого перемагничивания в них.
-
Результаты измерения локальных магнитных полей в материалах для магнитной записи на основе у-БегОз и СгСЬ методами ЯМР и ФМР.
-
Результаты исследований доменной структуры, влияния размерных эффектов и термообработки на магнитные свойства и гигантский магнитный импеданс в кристаллических, аморфных, нанокристаллических и композитных тонкопленочных структурах и микропроводах.
-
Способ улучшения магнитных свойств аморфных сплавов путем криообработки.
-
Экспериментальное доказательство появления и существования в неоднородных аморфных сплавах в результате термообработки перетянутых, многоступенчатых и инвертированных петель гистерезиса.
-
Экспериментальные данные о зависимости магнитных свойств систем наночастиц и гранулированных сплавов от способа их получения.
-
Способ получения магнитофотонных кристаллов на основе искусственных опалов путем внедрения в них магнитных материалов.
-
Результаты измерения магнитного последействия в спин-вентильной магнитной структуре.
-
Результаты исследования магнитных свойств магнитножестких тонких пленок на основе FeTb.
-
Результаты исследования магнитных свойств разбавленных магнитных полупроводников Si:Mn, InAsMn, GaAsMn и Тіюо-х02-5:Сох.
Научная и практическая значимость работы
Совокупность полученных в диссертационной работе результатов об особенностях магнитостатических свойств разнообразных неоднородных на микро- и наномасштабах материалов является значительным вкладом в микромагнетизм. Полученные результаты существенно расширяют представления о взаимосвязи магнитных свойств искусственно создаваемых материалов с их составом, микроструктурой, технологией изготовления и термообработки. Разработанная автором методика исследования процессов перемагничивания на основе вибрационного магнитометра-анизометра может быть использована для исследования широкого класса магнитных материалов, являющихся перспективными в информационных технологиях, в качестве магнитных датчиков, для высокочастотных приложений. Исследованные в работе материалы - аморфные ленты и проволоки, гранулированные композиты и сплавы, сплавы редкоземельных элементов с переходными металлами (РЗ-ПМ), тонкие и многослойные пленки, разбавленные магнитные полупроводники - являются основой современных электроники, спинтроники и магнитофотоники. Результаты их исследований дают возможность получать вещества с заранее прогнозируемыми свойствами, что позволяет значительно ускорить технологический процесс. Предложенный и защищенный патентом способ криогенной обработки аморфных материалов может быть использован для улучшения их свойств, а способ изготовления магнитофотонных кристаллов может найти применение в магнитоф отонике.
Личный вклад автора. Все результаты, представленные в работе, получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии и руководстве студентами и аспирантами.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Экспериментальное доказательство отличия магнитостатических свойств материалов с наноразмерными магнитными элементами от свойств однородных материалов, а также зависимость этих свойств от технологических условий получения материала.
-
Механизм влияния магнитных неоднородностей или разных магнитных фаз на поверхности или в объеме магнитномягких пленок и лент, приводящих к появлению перетянутых, многоступенчатых, а также частично инвертированных петель гистерезиса.
-
Экспериментальное подтверждение влияния постоянного магнитного поля при химическом синтезе ферромагнитных наночастиц на размеры и распределение получаемых частиц.
-
Технологические параметры, определяющие магнитномягкие характеристики микропроводов, пленок и лент, регулирующие внутренние закалочные напряжения, возникающие при их изготовлении и термообработке. Условия оптимизации параметров магнитномягких материалов, позволяющие на порядки величины повысить чувствительность датчиков на гигантском магнитоимпедансе.
-
Экспериментальное подтверждение неоднородности распределения намагниченности на концах ультарамагнитномягких микропроволок на масштабе, превышающем на 2-3 порядка диаметр проволоки, что проявляется как в их квазистатических, так и высокочастотных магнитных свойствах.
-
Способ криогенной обработки аморфных и нанокристаллических сплавов при скоростях охлаждения, близких к скоростям закалки, приводящий к необратимому изменению их микроструктуры и улучшению их магнитных свойств.
-
Экспериментальное обнаружение обменного сдвига петли гистерезиса в спин-вентильных структурах, сопровождаемого значительной магнитной вязкостью в полях, близких к коэрцитивной силе, когда перемагничивание осуществляется за время порядка нескольких минут.
-
Доказательство существования в нанокомпозитах типа металл-диэлектрик при составах, близких к порогу перколяции, магнитно скоррелированных областей с размерами, существенно превышающими размер самих гранул, что определяет совокупность их магнитных, оптических, магнитооптических и магнитотранспортных свойств.
-
Экспериментальное доказательство существования ферромагнетизма при температурах выше комнатной в разбавленных магнитных оксидах ТЮ2-5С0, полученных методом магнетронного напыления, при концентрация Со от 1 до 4% определяемого ферромагнитным упорядочением магнитных моментов отдельных ионов Со, а не кластеров Со.
-
Экспериментальное подтверждение возникновения дальнего ферромагнитного упорядочения при комнатной температуре в слоях Si, имплантированных Мп, за
счет образования и упорядочения магнитных моментов на дефектах типа разорванных связей, так как образующиеся наночастицы силицидов марганца обладают низкой температурой Кюри, либо являются суперпарамагнитными.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на 64 российских и международных конференциях в виде 120 стендовых, устных и приглашенных докладов, в частности, на: XIII, XIV, XV, XVI, XVII, XVIII, XIX, XX Всероссийских школах-семинарах "Новые магнитные материалы микроэлектроники" (Москва, 1992, 1994, 1996, 1998, 2000, 2002, 2004, 2006), XXI Международной конференции "Новое в магнетизме и магнитных материалах" (2009, Москва), Intermag 98, 99, 2002 (San-Francisco, USA, 1998; Kyongiu, Korea, 1999; Amsterdam, Netherlands, 2002), Moscow International Symposium on magnetism (Moscow, 1999, 2002, 2005, 2008), International conference "Trends in Magnetism" EASTMAG (Ekaterinburg, 2001, 2004), European Conference on magnetic sensors and actuators EMS A (Cardiff, UK 1995, Athens, Greece, 2002, Cardiff, UK 2006), International Symposium on Magnetic materials and applications (Daijon, Korea, 2002, Taivan, Taipei 2006), International Conference on magnetism (Rome, Italy, 2003, Kioto, Japan, 2006, Karlsruhe 2009, Germany),
Публикации: Основные результаты диссертации опубликованы в 90 статьях в
периодических изданиях, 34 статьях в сборниках трудов конференций и 2 патентах на
изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав и
заключения. Общий объем работы 248 страниц, включая 109 рисунков и 11 таблиц.
Список цитированной литературы содержит 447 наименований.
Собственный ферромагнетизм и спиновый магнитный момент в легированных оксидных полупроводниках
Различное влияние на свойства магнитной частицы поверхностных и внутренних атомов обнаружено Коингом [23], который сопоставлял коэрцитивную силу и намагниченность насыщения порошков SmCos, полученных размолом в бензоле и воде. Им обнаружено, что размол в воде приводит к некоторому уменьшению намагниченности насыщения и увеличению коэрцитивной силы по сравнению с размолом в бензоле. Различие результатов автор связывает с различием степени окисления порошков в этих двух случаях.
Изучение изменения свойств материала при измельчении и связь их с магнитными характеристиками проведено Ямамото [24]. Автор исследовал зависимость параметров решетки у-їїегОз от размеров частиц и зависимость намагниченности от температуры для различных размерных фракций. В работе отмечается, что при уменьшении размеров понижается температура фазового перехода антиферромагнетик-ферромагнетик (температура Морина).
Свойства ансамбля частиц во многом определяются свойствами и концентрацией входящих в него частиц, но, кроме того, большое влияние оказывает и взаимодействие между частицами. К наиболее существенным характеристикам магнитных систем относятся коэрцитивная сила и остаточная намагниченность, а также вид петли гистерезиса. Поэтому при рассмотрении ансамблей МЧ, как правило, исследуют связь этих характеристик с параметрами ансамбля и с изменениями этих параметров.
Теоретически зависимость коэрцитивной силы Нс от концентрации с МЧ рассчитана, например, в работе Кноулза [25]. Автор рассматривает ансамбль цилиндрических ферромагнитных частиц, для которого ищет зависимость Нс(с) от плотности упаковки. Причем численные расчеты он проводит для случайного расположения частиц на примере у-БегОз. Другой подход предложен Медниковой [26], которая описала метод определения аналитической зависимости коэрцитивной силы ансамбля однодоменных игольчатых частиц от их концентрации, основанный на выражении поля перемагничивания отдельной частицы через магнитную проницаемость окружающей ее среды.
Теоретическое исследование магнитных свойств двухфазной системы проведено Вангом и др. [27]. Здесь выяснено влияние формы частиц различных фаз и их количества на магнитные свойства (остаточную намагниченность, коэрцитивную силу, форму петли). Полученные теоретические данные сравниваются с экспериментальными, полученными при изучении магнитных свойств двухфазных образцов, изготовленных методом порошковой металлургии из сплава Fe-Cr-Co, феррита Ва и Алнико. Совпадение результатов расчетов с экспериментом по данным авторов удовлетворительное.
Исследование зависимости коэрцитивной силы от концентрации с помощью вибрационного магнитометра проведено Богачеком [28] на порошках у-БегОз, СгОг, металлического железа и сплава железа с кобальтом. Им установлено, что коэрцитивная сила СгОг слабо зависит от объемной концентрации, в отличие от коэрцитивной силы образцов с у-БегОз, которая изменяется при изменении концентрации более чем в два раза. В свою очередь, Хьюсман [29] проверил справедливость феноменологического соотношения для коэрцитивной силы. где А и В - феноменологические константы, ар- фактор упаковки. Он показал, что соотношение справедливо, если вместо макроскопического фактора упаковки с рассматривать микроскопический, характеризующий объем магнитных кластеров.
Вроблевский [30] с соавторами исследовали магнитные свойства смеси 2-х и 3-х магнитных порошков с относительной концентрацией 0 - 100%. Они показали, что форма результирующей петли гистерезиса во всем диапазоне концентраций остается постоянной, представляющей интегрирующий эффект от составных компонент.
Кноулз [31] теоретически рассчитал коэрцитивную силу Нс конгломератов слипшихся иглообразных частиц. Им рассмотрены случаи пар частиц равной и неравной длины, различного отношения длины к поперечному размеру t/d. Также рассмотрены конгломераты из большого числа частиц. Он показал, что при слипании коэрцитивная сила уменьшается и этот эффект зависит от числа слипшихся частиц, их намагниченности, отношения t/d. В наиболее важных для практики случаях уменьшение Нс не превосходило 20%, что существенно меньше разброса значений Нс для индивидуальных частиц, достигающего 200 - 300%. В некоторых работах отмечается зависимость свойств ансамбля ММЧ от его предыстории. Так, Вроблевский и др. [32] обнаружили, что восприимчивость рабочего слоя магнитных лент и порошков зависит от условий размагничивания, в частности, от взаимного направления размагничивающего и последующего намагничивающего полей. Авторы приводят результаты экспериментальных исследований. Объяснение этого явления дается на основе диаграммы Прейзаха.
Для технических приложений Корольков с соавторами [33] предложили модели кривых размагничивания носителей магнитной записи. Эти модели пригодны для использования в расчетах процессов записи и воспроизведения, так как прошли сравнение с экспериментально измеренными характеристиками. Как и в работе [32] физическая реальность моделей оценивается с помощью диаграмм Прейзаха.
Обратный процесс, моделирование характеристик намагничивания носителя во внешних полях, напряженность которых может обеспечить насыщение носителя, рассматривается Крыжановским и Салтыглаковым. Ими показано, что наибольшее приближение к реальному распределению частиц дает аппроксимация этого распределения по полям перемагничивания логарифмически нормальным законом.
Кокорин с соавторами [34] обсуждают вопрос об изменении состояния ансамбля мелких магнитных частиц при изменении расстояний между этими частицами, а Иванов и др. [35] из экспериментальных функций распределения, найденных по угловым зависимостям остаточной намагниченности, рассчитали функции распределения по размерам.
Впервые проблема взаимодействия между частицами рассматривалась при расчете восприимчивости образцов, состоящих из мелких магнитных частиц, диспергированных в немагнитной среде. В таком ансамбле поле внутри каждой частицы может быть представлено в виде суммы следующих слагаемых:
Зависимость параметров линии ЯМР-поглощения в гетерогенном образце от концентрации магнитных частиц
Высокая информативность метода ЯМР при изучении как немагнитных, так и магнитных систем, открьшает широкие возможности при исследовании систем магнитных частиц. При этом существенна, как показывают Лиссон и др. [49], интерпретация спектров ЯМР, определяющая попытки построения моделей для расчета таких спектров. Лундин и Макаренко [50] численно рассчитали корреляционную функцию, описывающую распределение локальных полей, и далее, форму линии ЯМР, обусловленную этим распределением. Подобная же задача решена с учетом диполь-дипольного взаимодействия изолированных пар Тамметом [51].
Использование магнитного резонанса открывает широкие возможности для изучения магнитной структуры однодоменных частиц, поскольку на нее существенно влияют изменения магнитной анизотропии. Гопел и Вучман [52] с помощью ФМР определяли как обменную, так и поверхностную составляющую анизотропии тонких ферромагнитных пленок. Ими получены также данные по эффективной магнитной анизотропии ансамбля частиц Со.
Сидерер и Зеев [53] получили аналитические выражения для формы линии магнитного резонанса в порошках, в предположении, что форма линии в монокристалле имеет лоренцову форму. Подобный же расчет дисперсионных кривых для порошков провел Колачек [54] для двухподрешеточного ферромагнетика с размерами частиц порядка 8-20 постоянных решетки. Он показал, что спектр состоит из трех основных линий поглощения. Одна линия соответствует обменному резонансу, ее интенсивность растет пропорционально уменьшению отношения поверхности порошка S к объему V. Две другие линии слабо зависят от S/V и соответствуют резонансу поверхностных мод, локализованных примерно в трех периодах решетки.
С помощью ферромагнитного резонанса Такао и Тасаки [55] установили, что ширина линии в тонких пленках, изготовленных из частиц у-БегОз и СгОг, существенно больше, чем должна быть в чистых монокристаллах этих соединений. Микроволновые измерения локального поля на образце у-БегОз, имеющем форму сфероида, проведенные Торре и Чейзом [56] на частоте 8,7 ГГц, показали, что неоднородность локальных полей достигает 2 кЭ. Измерения были проведены в полях 5-6 кЭ, близких по величине полю анизотропии частиц. Учитывая хаотичность ориентации частиц, такое уширение может быть вызвано не только полями взаимодействии, но и просто различием внутренних полей, связанных с размагничивающими факторами частиц. Во всяком случае, эти величины сравнимы, и нет оснований считать, что они обусловлены взаимодействием между частицами. При безгистерезисном намагничивании одновременно с постоянным полем действует переменное магнитное поле, медленно уменьшающееся от значения, существенно превышавшего поле перемагничивания, до нуля. В этих условиях результирующая намагниченность должна ориентироваться параллельно полю, как бы ни мало оно было. При снятии постоянного поля остаточная намагниченность должна быть равна остаточной намагниченности, которая соответствует предварительному намагничиванию образца до насыщения. Так должно быть при условии, что мы имеем дело с ансамблем невзаимодействующих однодоменных частиц. В этом случае обратная восприимчивость 1/х должна быть равна 0. Если Их - конечная величина, по ней судят о полях взаимодействия. Такова модель этого метода, применяемого для оценки поля взаимодействия частиц.
Однако, полученные выводы будут неправильными, если ансамбль содержит многодоменные частицы, что практически неизбежно в реальных образцах.
Кроме того, как указывает Кнеллер [57], в реальных образцах невозможно добиться равенства нулю размагничивающего фактора, обусловленного внешней формой образца. В силу этого, если величина х мала, обнаружить структурные эффекты невозможно. Следует учесть и то, что "внутренний" размагничивающий фактор (разность между истинным размагничивающим фактором и размагничивающим фактором, обусловленным только внешней формой образца) не является константой материала, но зависит как от структуры, так и от формы, эффекты которых имеют одинаковую физическую природу, а именно, магнитостатическое взаимодействие.
Определенную информацию о свойствах мелкодисперсных систем дает метод вращательного гистерезиса, применение которого к исследованию носителей магнитной записи описывается Фландерсом [58]. Проверка справедливости теории однородного и неоднородного вращения намагниченности однодоменных частиц порошка проведена Кюри и Джексоном [59] также с помощью вращательного гистерезиса. На образцах, имеющих форму плоских дисков, они определяли вращательный момент в полях 8-105А/м.
Установлено, что как функция поля он имеет резкий максимум, быстро уменьшающийся выше поля магнитной анизотропии. Сравнивая экспериментальные кривые вращательного гистерезиса с рассчитанными, авторы пришли к выводу, что для согласия с опытом следует рассматривать неоднородное вращение намагниченности в частицах. Рассчитанная ими в модели закручивания намагниченности угловая зависимость коэрцитивной силы коррелирует с критическими значениями вращательного гистерезиса. Потребность в измерении распределения полей перемагничивания магнитных порошков привела Пикара с соавторами [60] к необходимости создания соответствующего прибора, перекрывающего диапазон измерений 0 Н 150кА/м. Плотность вероятности распределения полей изображается автоматически. В основе прибора лежит метод вибрационного магнитометра, принцип работы которого достаточно подробно разобран, например, в работах Патины [61, 62]. На основе вибрационного магнитометра (ВМ) разработано много методов оценки магнитных свойств дисперсных систем. Особенно широко эти методы используются для исследования образцов, приготовленных в виде лент и тонких дисков. Так Фишер с соавторами [63] провели измерение зависимости от внешнего поля коэрцитивной силы, остаточной намагниченности и намагниченности насыщения помещенных в капилляр образцов жидкого, а также замороженного в магнитном поле, дисперсионного раствора (суспензии) у-БеїОз.
Бибик с соавторами [64] проводили исследования ансамблей мелких магнитных частиц в технических целях. Они разработали методику измерения намагниченности дисперсных ферромагнетиков, основанную на интегрировании изменения магнитного потока в измеряемой среде при изменении магнитного поля. Эта методика обладает чувствительностью и быстродействием, достаточными, чтобы исключить изменения, протекающие в дисперсных ферромагнетиках за время измерения. А Медникова [65] предложила исследовать технические параметры магнитной ленты с применением физической модели. Автором получено выражение для шума магнитной ленты с помощью диаграммы Прейзаха. Там же приведена качественная оценка спектральной плотности отдельных составляющих шума.
Необратимое изменение структуры аморфных сплавов после низкотемпературных воздействий
Рассчитанная на основе сделанных допущений кривая зависимости магнитного момента от концентрации ферромагнитной компоненты представлена на Рис. 15. Для расчетов использованы параметры кобальта (/7=8.71 KT/MJ, m = 58.93 аем) и серебра (/7=10.5 кг/м3, m =107.87 аем). Следует отметить, что при расчетах также предполагалось, что поверхностный слой ферромагнитной частицы не обладает магнитным моментом (в силу поверхностной анизотропии). Несмотря на сделанные допущения, модель дала результаты, не только качественно, но и количественно совпадающие с экспериментальными данными.
Дальнейшие исследования нанокомпозитов [243 ] подтвердили сделанные ранее выводы: при малых концентрациях ферромагнитной фазы полевая зависимость намагниченности образцов является суперпарамагнитной, при дальнейшем увеличении концентрации наблюдается кривая с насыщением намагниченности и, наконец, гистерезисный характер перемагничивания. Следует отметить, что технология изготовления материалов существенно влияла на концентрационные зависимости магнитных свойств. Так, для нанокомпозитов на основе Со, приготовленных химическим осаждением на пористую подложку, даже при малых концентрациях ферромагнитной компоненты наблюдался гистерезисный характер перемагничивания [244 , 245 ]. Но при дальнейшем увеличении концентрации наблюдается скачкообразный рост коэрцитивности. Аналогичные результаты были получены и для композита Сох(1л№ Оз)юо-х. При концентрациях, не превышающих 60 ат.% коэрцитивная сила была порядка 30 Э, увеличение концентрации ферромагнитной компоненты приводит к резкому (до 250-300 Э) увеличению коэрцитивной силы [246 ]. Не менее существенной оказалась зависимость свойств от структуры межкластерных границ [247 ]. Полученные нами результаты были использованы для разработки метода магнитной гранулометрии -оценки распределения частиц в образце по размерам на основе его петли гистрезиса [248].
В основе метода магнитной гранулометрии лежит допущение, что ансамбль частиц состоит из кластеров различного размера, часть из которых ведут себя как суперпарамагнитные, а оставшаяся часть - как однодоменные и одноосные, перемагничивающиеся однородным вращением (такое допущение справедливо, например, для частиц кобальта). Взаимодействием между частицами мы в рассматриваемом подходе пренебрегаем. Частицы каждого типа имеют log-нормальное распределение по размерам (тем самым мы допускаем, что частицы одинакового размера могут быть частично однодоменными, а частично - суперпарамагнитными): здесь d - диаметр частицы, Ао — нормировочная константа, a dm и дисперсия а - два параметра распределения. Рассмотрим теперь случай, когда оси легкого намагничивания таких однодоменных частиц распределены равномерно по всем направлениям и к ним прикладывается внешнее магнитное поле. Петля гистерезиса определяется в этом случае простым усреднением петель для одноосных однодоменных частиц, магнитные моменты которых ориентированы под всевозможными углами к внешнему магнитному полю Н - от ті до 0. При этом частицы, ориентированные под отрицательными углами, при достижении определенной величины поля Но, зависящей от ориентации частицы, будут перемагничиваться. Интересно, что при H -Ku/Is (К -константа анизотропии, / -намагниченность насыщения материала частицы) намагничивание происходит всецело за счет обратимого вращения, то есть если после достижения поля, соответствующего коэрцитивному, вновь уменьшить величину Н до нуля, то намагниченность J обратимым образом вернется к своему значению, соответствующему остаточной намагниченности (7r = 0.5-Js). В модели предполагалось, что пороговое поле Но связано только с направлением, задаваемым углом Оо между осью легкого намагничивания и направлением внешнего поля, и при одном и том же значении Оо одинаково для всех частиц. В действительности же поле Но в какой-то мере меняется от частицы к частице, и для того, чтобы получить кривую намагничивания реальных веществ, надо произвести усреднение петель гистерезиса для всех размеров частиц.
Анализ экспериментальных петель гистерезиса различных образцов, содержащих наночастицы кобальта (наличие остаточной намагниченности, ненасыщенность петель в больших, около 8000 Э, полях), позволяет заключить, что во многих случаях сделанные нами предположения верны и наночастицы можно разделить на две группы. Первая группа — это "малые" суперпарамагнитные частицы, поведение которых в магнитном поле описывается усредненной по размерам частиц функцией Ланжевена. Вторая группа частиц ("большие" частицы) - это гранулы большего размера, имеющие анизотропию, перемагничивание которых сопровождается гистерезисом. Для расчета распределения частиц по размерам из экспериментальных петель мы предположили, что все частицы однодоменные и имеют сферическую форму.
Как уже отмечалось, мы предположили, что размеры каждого типа частиц описываются log-нормальным распределением. Полное распределение частиц есть сумма двух log-нормальных распределений: с весами а и Д где fx(d) описывает суперпарамагнитные частицы, a f2(d) описывает однодоменные частицы, имеющие анизотропию.
Для расчета петли гистерезиса второй группы частиц нужно усреднить петлю гистерезиса изотропного по ориентациям ансамбля, о котором речь шла выше, по размерам, при этом необходимо учесть зависимость коэрцитивной силы от размера гранул d. Если размер гранул меньше, чем характерная длина ферромагнитного взаимодействия (здесь А — константа обменной жесткости, К\ — константа одноосной анизотропии), то ферромагнитный обмен между отдельными гранулами стремится упорядочить моменты соседних частиц параллельно друг другу. Этот эффект описывается моделью случайной анизотропии [249], [187]. Намагниченность каждой гранулы в этом случае не следует просто направлению легкой оси. Как следствие, эффективная анизотропия есть среднее по нескольким гранулам в ближайшем окружении, и поэтому уменьшается по величине. Согласно теории эффективная константа анизотропии, ответственная за процесс намагниченности, определяется как:
Магнитные свойства многослойной системы нанокомпозит - гидрогенизированный аморфный кремний
Базовым материалом являлся пермаллой (NisiFe ), как наиболее технологичный и хорошо исследованный материал. Было проведено исследование магнитостатических свойств пермаллоевых пленок, полученных в различных технологических режимах, и показано, что соответствующим выбором режима напыления легко достигается следующие значения магнитных параметров: коэрцитивная сила Не 0.1 Э, коэффициент прямоугольности 0.5. Всего было исследовано около 100 образцов.
Следует отметить, что параметры, достигнутые для пермаллоя, соответствуют литературным данным. На образцах пермаллоя, легированных молибденом Мо и титаном Ті, заметного улучшения магнитных свойств не обнаружено. Неожиданным результатом явилось то, что для лучших магнитомягких образцов магнитный момент пленок оказался меньшим, чем для образцов соответствующей толщины с худшими параметрами. Эти результаты подтверждаются магнитооптическими исследованиями, и, по-видимому, связаны с формированием особого слоя у поверхности подложки. Это предположение подтверждается прямыми измерениями доменной структуры пермаллоевых полозков с помощью микромагнитометра на СКВИДе [392 ].
В качестве критерия оптимизации мы выбрали величину коэрцитивной силы Нс. Эта величина наиболее адекватно характеризует «магнитномягкость» изучаемых образцов. Проведены также исследования корреляции между параметрами топологии тонкопленочных образцов (линейными размерами полосков А1 и пермаллоя, толщиной слоев), свойствами материалов (электропроводность, магнитооптические параметры) и основными импедансными характеристиками.
Для создания тестовых структур использовались технологические режимы, отработанные (с применением магнитостатических измерений) на однослойных образцах. Требовалось получить материал со структурой на грани перехода от аморфного к нанокристаллическому состоянию с минимально возможными напряжениями. Из литературных данных и предыдущего опыта работы следовало, что для получения такого материала необходимо использование больших энергий конденсирующихся частиц в зоне конденсации. Это условие достигалось использованием высоких значений напряжений разряда (до 5 кВ), минимально возможных значений давления (до 5-Ю"5 мм рт. ст.), увеличением температуры (до 100 С, чтобы не попасть в зону образования поликристалла), использованием отрицательного смещения на держателе подложки. Были изготовлены 24 образца, на которых затем проводились магнитостатические и магнитооптические измерения. На основании этих измерений был выбран оптимальный режим нанесения пленок на подложки, то есть, определены допустимые диапазоны изменения параметров управления технологическим процессом: ускоряющего напряжения - 4.5 кВ, тока разряда - 100 мА, напряжения смещения — до150 В, температуры подложки - 90 С. В пермаллое, полученном по разработанной технологии, достигались значения коэрцитивной силы Д; 0.1 Э. Сендаст, (FeSic .6Al5.4) обладает более высоким сопротивлением, чем пермаллой, и сравнимыми с пермаллоем магнитными свойствами, в силу чего он может быть перспективен в высокочастотной области спектра. Все образцы обладали большей, чем для пермаллоя, коэрцитивной силой и прямоугольностью петли гистерезиса, а также существенной анизотропией в плоскости пленки, наведенной в процессе напыления и слабо изменяющейся при высокотемпературном отжиге. Исследовались пленки составов: CoFeSiB (CogeFeeSiaBe). Эти материалы традиционно рассматриваются как наилучшие представители аморфных магнитномягких материалов. Результаты измерений показывают, что по магнитным параметрам удается получить образцы со свойствами, превышающими значения для пермаллоя. Однако, наблюдается большой разброс значений магнитных параметров для разных образцов, приготовленных в одинаковых условиях, а также сильная зависимость магнитных параметров от условий напыления [393 ]. Возможное влияние на воспроизводимость результатов оказывают: неоднородность образца, частичная кристаллизация в процессе напыления, изменение состава пленки по сравнению с мишенью, трудность выдержки температурного режима подложки в процессе изготовления образцов. Исследовались нанокристаллические сплавы следующих составов: FeCuNbSiB -Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9 (Finemet), FeZrCuB - FesyZryCuiBs (допированный Ag, Cu, Ті). Для этих составов удается достичь значений магнитных параметров, лучших, чем у аморфных сплавов и пермаллоя. Нанокристаллическое состояние достигалось отжигом предварительно напыленных аморфных пленок при температурах в диапазоне 100-600 С. Следует отметить высокую чувствительность магнитных параметров к режиму отжига [394 ]. Как правило, хорошие магнитные свойства достигались при температурах отжига, меньших, чем приводятся в литературе. Даже небольшой перегрев приводил к повышению коэрцитивной силы до 12 Э. К настоящему времени не удалось добиться для этих составов хорошей воспроизводимости результатов. Однако по совокупности свойств данные составы представляются наиболее перспективными, так как они обладают наряду с магнитномягкостью высоким электросопротивлением и низкой магнитострикцией [395 ]. На основании проведенных структурных исследований можно сделать следующие выводы: 1. Для сплава типа файнмет существует прямая связь между уровнем магнитных свойств и размером зерна после оптимального отжига: чем выше свойства, тем меньше размер зерна. 2. Рентгеновские и микроструктурные исследования показали, что отжиг в магнитном поле не оказывает влияния на характер микроструктуры, в частности, на ориентацию зерен, на основании чего был сделан вывод о том, что постоянная анизотропии обусловлена упорядочением магнитных и немагнитных атомов. 3. Для получения оптимальных магнитных свойств в тонких пленках из файнмета, входящих в ГМИ-структуры, не рекомендуется превышать температуру 400С при термообработке таких структур.
Похожие диссертации на Исследование магнитных свойств микро- и нанонеоднородных систем
