Трансформация доменной структуры в области спин-переориентационных фазовых переходов и в процессе перемагничивания редкоземельных тетрагональных магнетиков на основе железа Пастушенков, Юрий Григорьевич

Введение к работе

Актуальность темы.

Интерметаллические соединения редкоземельных металлов (R, РЗМ) с ЗсІ-переходньши металлами являются практически неиссякаемым источником разнообразных магнитных материалов с уникальными магнитными характеристиками [1-4]. Магнитное поведение редкоземельных интерметаллидов определяется свойствами, присущими как редкоземельным металлам (большая намагниченность насыщения, гигантские величины магнитокристаллической анизотропии и анизотропной магнитострикции), так и Зс1-металлам (высокие значения температуры магнитного упорядочения и намагниченности насыщения). Сочетание экстремальных свойств R и 3d металлов в одном соединении позволяет получать принципиально новые магнитные материалы, перспективные для применения в различных областях современной техники.

В последние годы пристальное внимание исследователей в области магнетизма редкоземельных соединений, занимающігхся синтезом новых магнитотвердых материалов и разработкой теоретических представлений о высококоэрцитивном состоянии вещества, связано с R - 3d интерметаллидами с повышенной концентрацией 3d-MeTaruia, среди которых выделяются тетрагональные интерметаллиды R₂Fe_MB и RFenTi. Соединения R₂Fei₄B являются основой для получения постоянных магнитов с максимальным энергетическим произведением (ВН)_тах, а интерметаллиды RFenTi считаются наиболее перспективными для применения в качестве постоянных магнитов [4-7].

Несмотря на то, что соединения R₂Fei₄B, RFenTi и постоянные магниты на их основе активно исследуются, существует ряд проблем, не нашедших удовлетворительного понимания и адекватного модельного описания [4]. Это не позволило до настоящего времени реализовать на практике теоретически предсказываемые значения энергетического произведения (B-H)_maI для всех типов постоянных магнитов на основе R - 3d интерметаллидов [5].

Поиск путей совершенствования магнитных материалов с экстремальными свойствами связан с глубоким пониманием природы их фундаментальных магнитных констант и выявлением взаимосвязи реальной структуры материалов и ігх микромагнитного состояния.

Магаитокристаллическая анизотропия (МКА) железной подрешет-ки в соединениях R₂Fei₄B и RFenTi сравнима по величине с анизотропией редкоземельной подрешетки. По этой причине в данных соединениях наблюдается большое разнообразие магнитных структур и спин-

переориентационных фазовых переходов. В интерметаллидах R₂Fei₄B и RFe_uTi реализуются все основные типы МКА тетрагонального магнетика. Однако экспериментальные данные о спин-переориентационных фазовых переходах (СПП) в этих соединениях, полученные на основе магнитных измерений и исследования кривых вращающих моментов, весьма противоречивы [6,8], что не позволяет их использовать не только для проверки адекватности теоретических моделей, но и при рассмотрении прикладных вопросов температурной стабильности магнитных свойств магнитотвердых материалов.

Новым методом, дающим возможность понять причины расхождений в оценках критических температур и характера СПП в данных соединениях, выяснить физически обоснованные пути дальнейшего улучшения свойств магнитотвердых материалов на их основе, является метод прямых наблюдений ДС в процессе спиновой переориентации или перемагничивания. Эта задача актуальна, так как ДС в области спин-переориентационных фазовых переходов в редкоземельных интерметаллидах практически не исследована [9], хотя перспективность данного подхода в изучении СПП показана на прозрачных магнетиках [10-14]. Появление в последние годы новых методов выявления ДС и значительное усовершенствование классических методик, использующих магнитооптический эффект Керра, позволяет перейти к количественным оценкам микромагнитного состояния редкоземельных интерме-таллидов в широком диапазоне температур [15]. Применение систем компьютерной обработки изображений дает возможность существенно расширить круг исследований ДС на основе эффекта Керра, в частности, решить проблему выявления ДС в области типов МКА «конус осей легкого намагничивания» (ЛК), «легкая плоскость» (ЛП), критических точек спин-переориентационных фазовых переходов и получить новые экспериментальные данные, необходимые для развития фундаментальных представлений физики магнитных явлений. Цель работы.

Новым научным направлением, которое реализовано в диссертационной работе, является развитие физических представлений о закономерностях формироваїшя и перестройки магнитной доменной структуры в области спонтанных и индуцированных магнитным полем ориен-тацлонных фазовых переходов в монокристаллах редкоземельных ин-териеталлических соединений, а также в процессах перемагничивания современных магнитотвердых материалов на основе редкоземельных металлов. В работе исследуется многодоменное состояние тетрагонального магнетика в области спиновой переориентации, изучается влияние магнитного поля и микроструктуры образцов на критические темпера-

туры и характер ориентационных фазовых переходов, анализируется картина процессов перемагннчивания в магннтотвердых материалах на основе соединений Nd-Fe-B в области температур, соответствующих МКА «ось легкого намагничивания» (ОЛН) и «конус осей легкого намагничивания» . Научная новизна работы

Диссертация представляет собой первое комплексное экспериментальное исследование магнитокристаллическои анизотропии, доменной структуры, основных магнитных характеристик интерметаллических соединений Nd₂Fei4B и R(Fe,Co)nTi в широком интервале температур, включающем температуры спин-переориентационных фазовых переходов, выполненное с применением монокристаллических образцов. В работе получены микромагнитные константы соединений Nd₂Fei₄B, R(Fe,Co)nTi и предложена методика количественного анализа процессов перемагничивания в постоянных магнитах на основе этих соединений методом прямых наблюдений доменной структуры в широком диапазоне магнитных полей.

Выполненное исследование позволило:

наглядно представить характер распределения намагниченности в монокристаллах интерметаллидов Nd₂Fei₄B и R(Fe,Co)_nTi в диапазонах температур, соответствующих различным типам МКЛ («OJIH», «JIK», «ЛП» и метастабильных состояний); установить роль магнитной доменной структуры в процессах спиновой переориентации в данных материалах;

выявить влияние внешнего магнитного поля на характер и температуру переходов и уточнить критические температуры переходов; количественно оценить влияние на характер и температуру переходов особенностей микроструктуры образцов;

оценить адекватность модельных представлений, используемых для описания гистерезисных свойств современных постоянных магнитов, разработанных на базе соединений Nd₂FeHB и R(Fe,Co)nTi, и дать практические рекомендации по их совершенствованию; изучить роль многоосной анизотропии в формировании магнитных свойств Nd-Fe-B магнитов в области низких температур; оценить возможность получения информации о процессах перемагничивания в объеме магнита на основе изучения ДС на его поверхности. Практическая значимость работы

Накопление экспериментальных данных о виде и закономерностях перестройки доменной структуры в области магнитных фазовых переходов не только расширяет представления о действительных механиз-

мах формирования фундаментальных свойств магнетиков различной симметрии, но и позволяет выяснить особенности процессов намагничивания и перемагничивания в современных магнитных материалах, благодаря чему открываются перспективы повышения их основных магнитных характеристик.

Выполненное на одних и тех же объектах исследование МКА и доменной структуры дает возможность получить новый экспериментальный материал и сделать ряд принципиально важных выводов о характере трансформации многодоменного состояния в тетрагональных кристаллах в зависимости от типа ориентационного перехода, уточнить температуры переходов, обнаружить новые конфигурации основных и замыкающих магнитных доменов, сделать заключение о влиянии спиновой переориентации в реальном магнетике на процесс его перемагничивания.

Полученные в работе данные об основных фундаментальных константах материалов Nd2Fe_!4B, R(Fe,Co)nTi и критических температурах переходов в них могут быть использованы для развития теоретических представлений в описании МКА редкоземельных интерметаллидов и при разработке новых магнитотвердых материалов.

Результаты анализа перестройки ДС под действием магнитного поля в магнитотвердых метериалах на основе соединений R-Fe-B с различным уровнем коэрцитивности, количественные данные о величине и угловых зависимостях критических полей, контролирующих процесс перемагничивания в отдельных зернах постоянных магнитов, установленные связи конкретных особенностей микроструктуры и гистерезис-ных характеристик раскрывают природу магнитного гистерезиса в Nd-Fe-B материалах и полезны при совершенствовании технологий производства постоянных магнитов с экстремальными свойствами. Основные положения, выносимые на защиту:

1. Данные об основных магнитных характеристиках материалов Nd₂Fe₁₄B и R(Fe,Co)nTi, критических температурах и типах спонтанных и индуцированных магнитным полем ориентационных фазовых переходов, полученные на монокристаллических образцах.

2. Обнаруженные закономерности в формировании ДС в монокристаллах тетрагональных интерметаллических соединений Nd₂Fei₄B и R(Fe,Co)nTi в области типов анизотропии «ось легкого намагничивания», «легкая плоскость», «конус осей легкого намагничивания» и метастабильных промежуточных состояний.

3. Установленные закономерности трансформации ДС в монокристаллах Nd₂Fe₁₄B и R(Fe,Co)nTi в области критических температур спин-переориентационных фазовых переходов.

4. Данные о влиянии микроструктуры и внешнего магнитного поля на температуры спин-переориентационных фазовых переходов в соединениях Nd₂Fei₄B и R(Fe,Co)nTi, позволяющие уточнить критические температуры ориентационных фазовых переходов.

5. Результаты анализа магнитной фазовой диаграммы тетрагонального магнетика с учетом МКА в базисной плоскости и расчетов поверхностной плотности энергии доменных границ новых типов.

6. Обнаруженные закономерности поведения ДС в отдельных зернах в процессе перемагничивания порошковых постоянных магнитов с учетом влияния соседей и особенностей микроструктуры. Количественные оценки критических полей, контролирующих перемагни-чивание отдельных зерен в магнитах. Данные об угловых зависимостях критических полей и их деформации в процессе изменения микроструктуры магнитов, уровня коэрцитивности материала, микромагнитного состояния окружения и степени магнитной изоляции рассматриваемых зерен.

7. Данные о влиянии магнитного поля на характер и поведение доменной структуры в моно- и поликристаллах тетрагональных магнетиков в области температур TSR, соответствующих магнито-многоосному состоянию. Построенные объемные модели доменной структуры тетрагонального магнетика для случаев анизотропии «конус осей легкого намагничивания», «легкая плоскость» и мета-стабильных промежуточных состояний.

8. Первые экспериментальные оценки коэрцитивности доменных границ и характера доменной структуры в постоянном магните Ndi₆Fe₇6B₈ в области температур130К>Т>4,2К. Анализ влияния процесса спиновой переориентации на температурную стабильность свойств постоянных магнитов данного типа.

Апробация работы:

Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях, совещаниях и семинарах: Всесоюзных конференциях по физике магнитных явлений (Пермь-1981, Тула-1983, Ка-линин-1988, Ташкент-1991), Всесоюзном семинаре по магнетизму редкоземельных сплавов (Грозный-1988), Всесоюзном совещании «Сплавы редких металлов с особыми физическими свойствами» (Москва-1980), Всесоюзном совещании «Химическая связь, электронная структура и физико-химические свойства» (Калинин-1985), научных совещаниях «Высокочистые материалы с особыми физическими свойствами» (Суз-даль-1993, Суздаль-1999), Всероссийском координационном совещании педвузов по физике магнитных материалов (Иркутск-1992), VI научном семинаре «Физика магнитных явлений» (Донецк-1993), Всесоюзных

(международных) конференциях по постоянным магнитам (Суздаль-1982, 1988, 1991, 1994, 1997), Международной конференции по физике магнитных явлений 1СМ'95 (Варшава-1995, Польша), Международной конференции по магнетизму (Стокгольм-1993, Швеция), 7-й международной школе-семинаре по магнетизму (Дрезден-1991, Германия), Ежегодном съезде немецких физиков (Мюнстер-1993, Германия), Европейских конференциях по магнитным материалам и их применению ЕМ-МА'91, ЕММА'95, ЕММА'98 (Дрезден-1991, Германия; Вена-1995, Австрия; Сарагоса-199 8, Испания), Международной конференции "REFE'97" (Париж-1997, Франция), Международной школе-семинаре Новые магнитные материалы микроэлектроники (Москва-1998), Международном симпозиуме по магнитной анизотропии редкоземельных соединений (Дрезден-1998, Германия), Международной конференции MISM'99 (Москва-1999).

По теме диссертационной работы опубликовано 98 статей и тезисов докладов. Список основных публикаций автора по теме диссертации содержит 46 наименований и приведен в конце автореферата. Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. В конце каждой главы формулируются основные результаты и выводы. Диссертация содержит 170 рисунков, 22 таблицы и список литературы из 300 наименований. Объем диссертации составляет 389 машинописных страниц.