Введение к работе
Актуальность проблемы. Выявление строения несовершенств кри-шлической структуры и их влияния на свойства нестехиометричес-х твердых растворов связано с одной из кардинальных проблем ізики и химии твердого тела—установлением связи «состав—струк-ра—свойства—функции» материалов. Значительный интерес пред-авляет решение указанной проблемы применительно к оксидным рримагнетикам, нашедшим широкое применение в качестве запо-інающих сред разнообразных носителей информации. Для всех современных запоминающих устройств (ЗУ) существует нденция к повышению быстродействия и плотности записи инфор-іции, а также к расширению функциональных возможностей эле-:нтов. С переходом ко все более плотной «упаковке» информации еличивается степень влияния на процессы записи и воспроизведе-|я микронеоднородностей (дефектов) запоминающих сред, повы-іется роль взаимодействия между структурными элементами пос-дних, в частности, между магнитными доменами. Одним из путей шения проблемы микроминиатюризации магнитных ЗУ с произ-льной выборкой информации является совмещение в одной твер-ітельной структуре магнитного накопителя и электроники обрам-ния, что предполагает разработку соответствующих магнитополуп-іводниковьіх сред, например, на базе пленок оксидных ферримаг-тиков с нелинейными электрическими характеристиками. Однако практическое решение проблем управления свойствами :сидных материалов часто затруднено вследствие недостаточной іученности взаимодействия присущих им структурных несовер-гнств с магнитной и электронной подсистемами, а также природы нестабильных состояний твердых растворов, связанных с неодноз-ічностью протекания технологических процессов, являющихся тер-эдинамически неравновесными.
Природа и механизмы формирования многих типов микроне-інородностей (в том числе, равноосных и слоистых) в
оксидных магнетиках остаются невыясненными, особенно с уче том упругой энергии, что затрудняет синтез бездефектных материа лов или получение сред с целенаправленно вводимыми несовершеь ствами структуры. Весьма бедна информация о магнитных свойства микронеоднородностей, рассматриваемых как зоны локализаци точечных дефектов и характеризующих их ионов переменной валеь тности. Отсутствуют данные об участии таких образований в фо{ мировании перпендикулярной анизотропии и нелинейных злектрі ческих свойств феррошпинельных пленок. Единое воззрение на прі роду связи спонтанной квадратности и прямоугольности петли гиі терезиса (СК и ППГ) со свойствами микронеоднородностей не выр; ботано.
При построении теории процессов перемагничивания поликри таллических и композиционных материалов основная трудность ев зана с учетом магнитного взаимодействия внутри образцов. Дальні действующая диполь-дипольная связь между магнитными момент ми, приводящая к возникновению доменной структуры, обусловл вает также и взаимодействие доменов, их границ, зерен и частиц koj позитов. В большинстве случаев магнитные свойства материал* удается объяснить только при одновременном учете влияния как не днородностей структуры, так и междоменного взаимодействия.
Цель и задачи работы. Целью настоящей работы явилось уст новление и обобщение на различные системы закономерностей фо мирования в оксидных твердых растворах структурных микронес нородностей, связанных с отклонениями от стехиометрии, устане ление индивидуальных и статистических характеристик неоднорс ностей во взаимосвязи со свойствами сред, а также анализ роли вза модействия между структурными единицами в управлении физич< кими и эксплуатационными параметрами ферримагнитных матері лов.
Объектами исследования служили: керамические феррошпине; эпитаксиальные шпинельные пленки; монокристаллические плен ферритов-гранатов; ферролаковые композиты — покрытия магні ных дисков.
Для достижения указанной цели в работе решались следуюы основные задачи:
—определение связи внутреннего состояния, кристаллофизичесі<
параметров твердых ферритообразующих растворов различных ;истем с условиями синтеза и окислительно-восстановительных обработок;
—анализ процессов формирования микронеоднородностей, выяв-іение природы модулированных структур;
—нахождение характеристик разупорядочения и параметров мик-юнеоднородностей, определяющих магнитные и электрические свойства сред, в особенности перпендикулярную анизотропию и электри-іеское переключение шпинельных пленок, СК и ППГ ферримагнит-іьіх сердечников;
—построение моделей внутреннего строения микронеоднородно-:тей и их взаимодействия с магнитной структурой;
—разработка математического описания и моделирование влия-іия междоменного и межчастичного взаимодействий на процессы іеремагничивания поликристаллических и композиционных матери-шов с учетом их реальной структуры;
—установление корреляции физических свойств и эксплуатацион-іьіх параметров исследуемых сред;
—разработка методов анализа характеристик микронеоднородно-:тей сред и коллективных эффектов в системах доменов и однодо-іенньїх частиц.
Научная новизна. Дано системное решение проблемы взаимо-:вязи электромагнитных свойств и реальной кристаллической, суб-шкроскопической, электронной и магнитной структур ряда оксид-іьіх ферримагнитных сред с использованием теоретического анали-а, компьютерного эксперимента и комплекса инструментальных іетодов исследования (рентгеновской дифрактометрии, электронной шкроскопии, электронно-зондового микроанализа, мессбауэровской пектроскопии, ферромагнитного резонанса, магнитооптической шкроскопии и др.).
Впервые предложено многопараметрическое описание со-тояния и дефектности нестехиометрических твердых раство-юв, открывающее возможность адекватной фиксации кристал-юфизических параметров последних при неравновесных окис-:ительно-восстановительных процессах синтеза. На основе шогопараметрического описания разработаны методики
расчета параметров, определяющих состав, структуру и свойств; микронеоднородностей ферримагнитных шпинелей и гранатов.
Впервые дана классификация микронеоднородностей по их магнитным свойствам, установлено соответствие между свойствами ^ кристаллохимическими особенностями строения дефектных областей измерены дипольные магнитные моменты микродефектов в монокри сталлических пленках ферритов-гранатов, изучены механизмы фор-мирования объемных микронеоднородностей, обусловленных нестехиометрией, с учетом упругих напряжений и кластеризации точечных дефектов.
Впервые изучена зависимость индивидуальных характеристик микронеоднородностей от содержания кислорода. В итоге показана возможность анализа локальных отклонений от стехиометрии с помощью оригинальных методов измерения магнитного момента неодно-родностей.
Впервые выявлена принципиально важная роль величины дипольного момента микронеоднородностей и взаимодействия доменов е получении предельно высоких значений СК и ППГ магнитных сердечников, установлено единство природы квадратности и прямоугольное петли гистерезиса оксидных ферримагнетиков с положительным и отрицательным отклонением от стехиометрии по кислороду.
Впервые обнаружены и идентифицированы модулированные структуры в монокристаллах гадолиний-галлиевого граната, эпитаксиаль-ных феррошпинельных пленках и керамических ферритах-шпинелях, Выявлена связь перпендикулярной анизотропии и эффекта электрического переключения шпинельных пленок с модулированными структурами.
Впервые создана компьютерная модель динамики процессов пе-ремагничивания поликристаллов, учитывающая взаимодействие доменных структур зерен, влияние дефектов, зарождение и столкновение доменных границ. Предложены методы приближенного решения интегро-дифференциального уравнения, положенного в основу указанной модели, для определенных частных случаев. Модель дает ряд новых выводов и позволяет исследовать явления самоорганизации в сложной трехмерной системе доменов.
В феррошпинельных пленках впервые обнаружена ^-образная
эльт-амперная характеристика (ВАХ), установлена связь этого эф-екта с неоднородностями состава, особенностями структуры и не-гехиометричностью твердого раствора. Полученные результаты гкрывают новое перспективное направление — исследование нели-ейных электрических свойств модулированных эпитаксиальных груктур оксидных ферримагнетиков.
Впервые установлена связь магнитной микроструктуры тонких шинельных пленок с их электрическими свойствами, выяснены при-эда и условия возникновения перпендикулярной анизотропии пле-эк твердых растворов на основе марганцевой феррошпинели, нахо-ищихся в сжатом состоянии, не содержащих двухвалентного железа оказывающихся модулированными по составу и величине тетраго-альных искажений. Показана роль ян-теллеровских ионов, дисло-щий несоответствия в переходном слое, а также концентрации магия и катионных вакансий.
Определена связь спектров ФМР со степенью текстуры феррола-эвого покрытия магнитных дисков, с дальним и ближним взаимо-гйствием частиц. На этой основе предложен новый способ измере-ля ориентации частиц в рабочем слое магнитного носителя, защитный авторским свидетельством СССР№ 1528218.
Практическая ценность работы. Фактический материал, получен-эш в настоящей работе, и предложенные в ней методы исследовали могут быть использованы в технологии материалов электронной ;хники и микромагнетоники.
Выводы об условиях получения высоких значений квадратности и эямоуголыгости петли гистерезиса и модели микронеоднороднос-:й кристаллической структуры ферримагнетиков использованы при ізработках новых оксидных термостабильных материалов для эле-ентов ЗУ ЭВМ и методов контроля эпитаксиальных феррогранато->іх пленок. В частности, дано обоснование порогового значения >адиентного магнитного поля при отбраковке пленок по дефектно-'и. Разработанный способ определения ориентации частиц в рабо-;м слое магнитного носителя информации реализован в опытном зразце установки для неразрушающего контроля ферролакового зкрытия магнитных дисков.
Найдены условия синтеза феррошпинельных пленок, обладак щих ^-образной ВАХ, изучены особенности их работы в качеств активных элементов генератора колебаний и стабилизатора напр} жения.
Впервые указана возможность применения модулированны структур в устройствах функциональной микроэлектроники, ш пример, для создания интегральной микросхемы памяти на оснс ве чередующихся в определенном порядке металлической, ПОЛ} проводниковой и диэлектрической фаз.
На защиту выносятся:
—результаты экспериментальных исследований структурных хі рактеристик, дефектности и электромагнитных параметров noflv кристаллических феррошпинелей марганец-магниевой и лити? марганцевой систем с добавками;
—результаты исследований структуры, неоднородностей состг ва, дефектов и искажений кристаллической решетки, природы во: никновения перпендикулярной анизотропии и ее взаимосвязи с прс водимостью эпитаксиальных шпинельных пленок;
—результаты экспериментальных исследований модулировав ных структур в керамических образцах и эпитаксиальных пленка феррошпинелей, а также в монокристаллах гадолиний-галлиевог граната;
—результаты исследований нелинейной ВАХ эпитаксиальны пленок железо-никелевых ферритов в зависимости от условий сип теза и измерения, а также выводы о связи ^-образной ВАХ с де фектами нестехиометрии и неоднородностями структуры соотвег ствующих твердых растворов;
—способ многопараметрического описания неравновесное внутреннего состояния и дефектности твердых ферритообразую щих растворов;
—представления о природе возникновения и строении объем ных микронеоднородностей в ферритовых средах;
—-результаты исследований взаимодействия дефектов с плоскоі доменной границей, страйп-доменом, с ЦМД и спиральными до менами в эпитаксиальных пленках ферритов-гранатов;
—методики определения магнитного дипольного момента мик-шеоднородностей и их классификация по характеру взаимодей-
вия с доменными границами;
—представления о влиянии магнитного момента микродефек->в и взаимодействия доменов на форму петли гистерезиса и маг-ггную проницаемость оксидных ферримагнетиков;
—модель динамики процессов перемагничивания поликристал-)в с учетом междоменного взаимодействия;
—способ определения ориентации частиц в ферролаковых ком-эзитах.
Апробация работы и публикации. Материалы диссертации пред-авлены и обсуждены на 3-й, 5-й и 6-й Всесоюзных конференциях Термодинамика и технология ферритов" (Астрахань, 1974г., Ива-э-Франковск, 1981 и 1988гг.), 8-й, 13-й, 14-й и 15-й школах-семина-IX "Новые магнитные материалы микроэлектроники" (Донецк, >82г.; Астрахань, 1992г.; Москва, 1994г.; Москва, 1996г.), 5-й, 6-й, 7-и 8-й Всесоюзных конференциях "Состояние и перспективы разви-ш методов получения и анализа ферритовых материалов и сырья ія них" (Донецк, 1975, 1978, 1983 и 1987гг.), 1-й Уральской конфе-;нции "Поверхность и новые материалы" (Свердловск, 1984г.), 17-й сесоюзной конференции по физике магнитных явлений (Донецк, )85г.), 4-м Всесоюзном совещании по химии твердого тела (Сверд-эвск, 1985г.), Уральской конференции "Современные методы ана-іза и исследования состава материалов" (Устинов, 1985г.), 5-м и 6-м сероссийских совещаниях вузов по физике магнитных материалов Астрахань, 1989г.; Иркутск, 1992г.), Всероссийской научно-техни-хжой школе "Запоминающие устройства ЭВМ и информационных істем" (Астрахань, 1993г.), The 6th Joint MMM-INTERMAG onference (Albuquerque, USA, 1994), The 40th Annual Conference on fagnetism and Magnetic Materials (Philadelphia, USA, 1995), Bcepoc-ійских конференциях "Оксиды. Физико-химические свойства и тех-элогии" (Екатеринбург, 1995 и 1998 гг.).
По теме диссертации опубликованы 68 печатных работ, в том исле монография, получено авторское свидетельство на изобре-;ние. Часть материалов изложена в отчетах по десяти НИР и ОКР.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав заключения, списка цитированной литературы и приложения. Работа содер жит 355 страниц, включая 94 рисунка, 29 таблиц, список литературы из 47( наименований на 45 страницах, приложение на 7 страницах.
