Автореферат (Гигантский магнитоимпеданс и высокочастотные нелинейные эффекты в магнитомягких проводниках)

На правах рукописиБузников Никита АлександровичГИГАНТСКИЙ МАГНИТОИМПЕДАНС И ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕНЕЛИНЕЙНЫЕ ЭФФЕКТЫ В МАГНИТОМЯГКИХ ПРОВОДНИКАХСпециальность 01.04.11  физика магнитных явленийАвторефератдиссертации на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукМосква  2014Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждениинауки Институте теоретической и прикладной электродинамики Российскойакадемии наукОфициальные оппоненты:Шавров Владимир Григорьевич, доктор физико-математических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институтрадиотехники и электроники имени В.А.

Котельникова РАН; заведующий лаборатории магнитных явлений в микроэлектроникеРудой Юрий Григорьевич, доктор физико-математических наук, профессор,Российский университет дружбы народов; профессор кафедры теоретическойфизикиЖуравлев Михаил Евгеньевич, доктор физико-математических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии имени Н.С.

Курнакова РАН; ведущий научный сотрудникВедущая организация:Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего профессионального образования «Тверской государственныйуниверситет»Защита диссертации состоится «»2014 г. вчасов назаседании диссертационного совета Д 501.001.70 при Московскомгосударственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу 119991,г. Москва, ГСП-1, Ленинские горы, д. 1, стр. 35, ЦКП Физического факультетаМГУ, конференц-зал.С диссертацией можно ознакомиться в отделе диссертаций Научной библиотеке МГУ имени М.В.

Ломоносова (Ломоносовский проспект, д. 27) и в сетиInternet по адресу:http://www.phys.msu.ru/rus/reseacrh/disser/sovet-D501-001-70/Автореферат разослан ""Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.70доктор физико-математических наук,профессор2014 г.Г.С. ПлотниковОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. Явление магнитоимпеданса заключается в изменении комплексного сопротивления ферромагнитного проводника, возбуждаемого переменным током, в присутствии внешнего магнитного поля. Интерес кэтому эффекту резко возрос, после того как были обнаружены большие изменения импеданса в магнитомягких аморфных проволоках и лентах [1,2].

Относительное изменение импеданса в магнитомягких проводниках в области слабых внешних полей достигает нескольких сотен процентов, и этот эффект получил название гигантского магнитоимпеданса (ГМИ). В течение двух последних десятилетий ГМИ наблюдался во многих магнитомягких материалах с различной структурой и геометрией: аморфных и нанокристаллических проволоках и лентах, тонких плёнках, многослойных плёночных структурах, микропроволоках в стеклянной оболочке, композитных проволоках, состоящих из немагнитной центральной области и магнитомягкой оболочки, и др. [3,4].Природа ГМИ может быть объяснена в рамках классической электродинамики на основе представлений о скин-эффекте и зависимости толщины скинслоя от величины эффективной магнитной проницаемости.

В магнитомягкихпроводниках скин-эффект возникает при частотах, которые на несколько порядков ниже, чем в немагнитных материалах с такой же проводимостью. Крометого, для возникновения ГМИ необходимо, чтобы изменение внешнего полясущественно влияло на магнитную проницаемость. Исследование проводниковс высокой чувствительностью импеданса к магнитному полю и выявлениеусловий, при которых проявляется эффект ГМИ, являются динамично развивающимися направлениями прикладной электродинамики и физики магнитныхматериалов.Эффект ГМИ привлекает большое внимание исследователей, так как высокая чувствительность импеданса к внешнему магнитному полю являетсяперспективной для многих приложений.

В частности, датчики на основе ГМИмогут использоваться для магнитной дефектоскопии, в медицине, для системпозиционирования, в градиентометрах, в электронных устройствах и т.д. [5].Одно из проявлений магнитоимпеданса заключается в возникновении зависящего от внешнего поля линейного отклика напряжения в измерительнойкатушке, намотанной на образец, [6]. Этот эффект получил название недиагонального магнитоимпеданса. Возникновение сигнала в измерительной катушкесвязано с тем, что прецессия намагниченности под действием поля переменного тока приводит к изменению магнитной индукции как в поперечном, так и впродольном направлении.

Экспериментальные исследования показали, что вомногих случаях недиагональный магнитоимпеданс имеет ряд преимуществ для3приложений по сравнению с ГМИ, так как отклик напряжения в катушке является более чувствительным к внешнему полю.Большинство исследований ГМИ проводились при относительно малыхамплитудах переменного тока, когда измеряемое напряжение пропорциональноимпедансу проводника, который не зависит от амплитуды тока. При более высоких амплитудах тока измеряемый сигнал становится нелинейным и включаетв себя множество частотных гармоник [7,8]. Для краткости и следуя традициямисследований ГМИ, этот режим часто называют нелинейным магнитоимпедансом.

В нелинейном режиме высшие гармоники имеют высокую чувствительность к внешнему магнитному полю. Однако до настоящего времени нелинейный магнитоимпеданс не был достаточно подробно исследован теоретически.Цель работы – всестороннее теоретическое исследование магнитоимпеданса и высокочастотных нелинейных эффектов в магнитомягких проводниках,а также объяснение с единой точки зрения ряда экспериментально наблюдаемых явлений. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:1.Теоретическое исследование распределения тока и магнитоимпеданса вкомпозитных проволоках.2.Исследование асимметричного магнитоимпеданса в аморфных лентах ипроволоках с поверхностными кристаллическими слоями.3.Исследование нелинейного недиагонального магнитоимпеданса в магнитомягких проволоках.4.Теоретическое исследование влияния скручивающих напряжений и постоянного тока на ГМИ и нелинейный магнитоимпеданс в аморфныхпроволоках.5.Исследование влияния внешнего переменного магнитного поля на нелинейный отклик напряжения в магнитомягких проволоках.6.Исследование процесса перемагничивания и нелинейного недиагонального магнитоимпеданса в многослойных плёночных структурах.Научная новизна.

Основные новые научные результаты, полученные вработе, заключаются в следующем.1. Разработана методика расчёта ГМИ и недиагонального магнитоимпеданса композитной проволоки, основанная на совместном решении уравненийМаксвелла и уравнения ЛандауЛифшица. Максимальная чувствительностьимпеданса к внешнему полю достигается, когда магнитомягкая оболочка имеетциркулярную анизотропию, а толщина оболочки равна глубине скин-слоя.2. В композитной проволоке с однодоменной структурой поглощениемикроволнового излучения монотонно изменяется с увеличением внешнего поля, тогда как существование доменной структуры в магнитомягкой оболочке4проволоки приводит к возникновению минимума в зависимости поглощения отполя в определённом частотном диапазоне.3. В композитной проволоке с тонким изолирующим слоем между немагнитной центральной областью и магнитомягкой оболочкой ГМИ и недиагональный магнитоимпеданс при высоких частотах возрастают по сравнению сэтими эффектами в проволоке без изолирующего слоя.4.

Магнитостатическое взаимодействие между поверхностными кристаллическими слоями и аморфной частью ленты, отожжённой в продольном магнитном поле, приводит к возникновению поля сдвига в аморфной области, иасимметрия в зависимости импеданса от внешнего поля возникает, когда полесдвига отклоняется от продольного направления.5. Возникновение асимметричного недиагонального магнитоимпеданса вленте, отожжённой в продольном магнитном поле, связано с неоднороднымстатическим распределением намагниченности вследствие различной толщиныповерхностных кристаллических слоёв.6.

Появление второй гармоники в частотном спектре недиагональногомагнитоимпеданса аморфной ленты связано с различным изменением намагниченности в двух частях ленты под действием поперечного переменного магнитного поля, создаваемого током.7. Возникновение высших гармоник в частотном спектре нелинейногонедиагонального магнитоимпеданса магнитомягкой проволоки связано с перемагничиванием поверхностной области образца полем переменного тока. Припревышении амплитудой тока порогового значения в частотном спектре отклика напряжения доминируют чётные гармоники.8. В аморфной проволоке с геликоидальной анизотропией и регулярнойдоменной структурой движение доменных границ приводит к возникновениювторой гармоники в частотном спектре напряжения, которая имеет более высокую чувствительность к внешнему полю по сравнению с первой гармоникой.9.

Скручивающие напряжения, превышающие пороговое значение, приводят к изменению магнитной структуры на поверхности аморфной проволокис отрицательной магнитострикцией. Зависимость относительного измененияимпеданса проволоки от величины скручивающих напряжений имеет асимметричный характер с резким максимумом при пороговом значении напряжений.10. Скручивающие напряжения приводят к усилению чётных гармоник внелинейном магнитоимпедансе аморфной проволоки. Максимальная чувствительность второй гармоники к полю достигается, когда амплитуда поля токасравнима по величине с полем анизотропии.11. В присутствии слабого продольного переменного магнитного поля вчастотном спектре напряжения в измерительной катушке, намотанной вокругмагнитомягкой проволоки, возбуждаемой переменным током, появляются ком5бинационные гармоники.