Магнитные свойства микропроводов с аморфной, нанокристаллической и гранулярной структурой

На правах рукописиЖУКОВ АРКАДИЙ ПАВЛОВИЧМАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА МИКРОПРОВОДОВ С АМОРФНОЙ,НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ И ГРАНУЛЯРНОЙ СТРУКТУРОЙ.Специальность 01.04.11 – физика магнитных явленийАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учёной степенидоктора физико-математических наукМосква2010Работа выполнена на кафедре магнетизма физического факультета Московскогогосударственного университета имени М.В. ЛомоносоваОфициальные оппоненты:Ведущая организациядоктор физико-математических наук,Якубовский Андрей Юрьевичдоктор физико-математических наук,профессор Глезер Александр Марковичдоктор физико-математических наук,профессор Шавров Владимир ГригорьевичНациональный Исследовательский ТехнологическийУниверситет, "МИСиС"Защита состоится ноября 2010 года в ч. мин.

на заседании диссертационного советаД 501.001.70 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова поадресу: 119991 Москва ГСП-1, Ленинские горы, д.1, стр.2, МГУ имени М.В. Ломоносова,ЦКП физического факультета, конференц-зал.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ имениМ.В. ЛомоносоваАвтореферат разослан «_____»______________2010 г.Ученый секретарьдиссертационного советад.ф.-м.н., профессорПлотников Г.С.-2-ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы диссертационной работыРазвитиесовременных областей электротехники, магнитной записи информации,вычислительной техники, микро - и наноэлектроники, а также областей техники и физики, вкоторых используются магнитные датчики (автомобилестроение, магнитная дефектоскопия,медицина, приборостроение и др.), тесно связано с получением новых типов магнитныхматериалов. Большинство новых материалов являются искусственно синтезированными ипредставляют собой микро - или нанонеоднородные системы, как например: ультратонкиепленки, мультислои, наночастицы и их ансамбли, аморфные и нанокристаллическиематериалы, гранулярные системы, разбавленные магнитные полупроводники.

Свойстватаких материалов значительно отличаются от свойств объёмных аналогов, вплоть до того,что они могут обладать новыми физическими эффектами. В силу этого возникаетнеобходимость каквсестороннего исследования таких новых материалов, так ицеленаправленного улучшения их магнитных, магнитотраспортных, оптических и другихпрактически важных свойств.Данная работа посвящена исследованию одного их таких новых материалов магнитных микропроводов в стеклянной оболочке. Хотя метод изготовления микропроводовв стеклянной оболочке (метод Тейлора - Улитовского) был предложен более 60 лет назад,только последние 15 лет он стал использоваться для получения магнитных микропроводов, асверхтонкие магнитные микропровода были получены только в последние годы.Непрерывно возрастающий интерес к микропроводам обусловлен целым рядом факторов,имеющих как самостоятельное научное, так и прикладное значение.

К таким факторамотносятся: простота изготовления, не требующая дорогостоящей техники, возможностицеленаправленногоизмененияфизическихсвойств имикроструктуры,уникальныемагнитные свойства, такие как магнитная мягкость, магнитная бистабильность, гигантскиймагнитоимпеданс (ГМИ), гигантское магнитосопротивление (ГМС), значительное изменениесвойств под влиянием механических напряжений. Идеальная цилиндрическая формапозволяет значительно упростить сравнение теории с экспериментом, особенно в частиисследования микромагнитной структуры, движения доменных границ, импеданса, и т.д.Целью настоящей работы явилось исследование особенностей формирования магнитныхсвойств,магнитосопротивления,анизотропиейиструктурнымимагнитоимпедансасвойствамигранулированных микропроводов.-3-иихаморфных,связисмагнитоупругойнанокристаллическихиДля реализации этой задачи в процессе работы были изготовлены микропроводаразличного состава, в том числе и многослойные,с различным отношением диаметраметаллической жилы к толщине стеклянной оболочки, разработаны методики ихтермообработки, разработаны, апробированы и использованы новые методики магнитныхизмерений.

Эти методики и соответствующиеустановки обеспечили возможностьизмерения магнитных свойств образцов с высокими магнитно-мягкими свойствами малогосечения и с малым магнитным моментом; измерения скорости распространения доменныхграниц в микропроводе с магнитной бистабильностью; магнитоимпеданса (мнимой идействительнойкомпонент,продольнойинедиагональнойкомпонент),константымагнитострикции.На защиту выносятся:1.Описаниянамагничиваниялабораторныхметодик,магнитно-мягкогопредназначенныхмикропровода,дляизмеренияпрофилякривыхнамагниченности,магнитострикции, локальных полей зарождения доменов, магнитоимпеданса, скоростидвижения доменных границ.2. Результаты исследования влияния магнитоупругой анизотропии на магнитныесвойствааморфногомикропроводаиописанияметодовизмененияэффективнойанизотропии и магнитных свойств микропроводов путём их отжига в присутствиимеханического напряжения и/или магнитного поля.3.

Экспериментальное доказательство существования критической длины возникновениямагнитно-бистабильного состояния в микропроводе и её корреляции с глубинойпроникновениякраевыхзамыкающихдоменов,механическиминапряжениями,намагниченностью насыщения и диаметром ферромагнитного провода.4. Результаты исследований флуктуаций полей старта и их интерпретация в рамкахтермоактивационной модели.5.

Результаты исследований влияния магнитоупругой анизотропии и взаимодействиядоменных границ с внутренними дефектами на скорость движения доменных границ ваморфных микропроводах.6. Результаты исследования магнитно-мягких свойств и недиагонального ГМИ вультратонких (менее 10 мкм) микропроводах Co67,1 Fe3,8 Ni1,4Si14,5 B11,5Mo1,7, с околонулевойконстантой магнитострикции, и Co74B13Si11C2, с отрицательной константой магнитострикции.7. Метод управления магнитным откликом, параметрами результирующей петлигистерезиса и эффектом ГМИ в искусственных структурах из микропроводов за счёт-4-магнитостатического взаимодействия нескольких микропроводов с идентичным илиразличным характером перемагничивания.8.Результаты исследований магнитной анизотропии в многослойных микропроводах,изготовленных с использованием методов быстрой закалки, напыления и электроосаждения.9.Экспериментальныеданныепогигантскомумагнитосопротивлениювгранулированных микропроводах Co10Cu90, Cu63Fe37 и Co29Ni25Mn1Cu45.10.Экспериментальныеданныепотемпературной,частотнойиамплитуднойзависимостям коэрцитивной силы в аморфных и нанокристаллических микропроводах и ихинтерпретация.11.Результатыисследованийвмагнитно-мягкоммикропроводезависимостеймагнитных свойств и магнитоимпеданса от приложенных механических напряжений.Основные положения диссертации, выносимые на защиту:1.Магнитоупругая анизотропия оказываетопределяющее влияние на магнитныесвойства и ГМИ аморфного микропровода, которые могут быть контролируемым образомизменены путем выбора состава металлической жилы и стеклянного покрытия, соотношениядиаметра металлической жилы и толщины стекла, термообработки в присутствиимеханических напряжений и магнитного поля.

При этом аморфные микропровода сположительной магнитострикцией (на основе Fe) проявляют магнитно-бистабильныйхарактер, с околонулевой магнитострикцией (при соотношении Co/Fe≈70/5) - высокиемагнитно-мягкиесвойства,тогдакакаморфныемикропроводасотрицательноймагнитострикцией (на основе Co) демонстрируют наклонную петлю гистерезиса.Критическая длина магнитно-бистабильного состояния в аморфном микропроводе2.на порядок меньше, чем в традиционной аморфной проволоке, коррелирует с глубинойпроникновения краевых замыкающих доменов и зависит от механических напряжений,намагниченности насыщения, диаметра ферромагнитного провода.3.Распределение полей старта в магнитно-бистабильных микропроводах (на основеFe), измеренное в широком температурном интервале, под действием механическихнапряжений и при различных частотах внешнего поля, имеет активационный характер иописывается термоактивационной моделью при учёте магнитоупругого вклада и вклада отвзаимодействия доменных границ с дефектами атомного масштаба.4.Температурная зависимость коэрцитивной силы в аморфных микропроводахопределяется магнитоупругим вкладом и вкладом от взаимодействия доменных границ сдефектами атомного масштаба.

Амплитудно-частотная зависимость коэрцитивной силы ваморфныхинанокристаллических(Fe-Cu-Nb-Si-B-5-иFe79Hf7B12Si2)магнитныхмикропроводах определяется геометрией, структурным состоянием и типом петлигистерезиса изученных образцов.5.Перемагничиваниемагнитно-бистабильныхаморфныхмикропроводовосуществляется сверхскоростным движением доменных границ со скоростью, превышающей1 км/сек, что на порядок превышает скорость доменных границ в нанопроводах при тех жеполях.6.Флуктуации локального поля зарождения доменных границ вдоль длинымикропровода обусловлены внутренними дефектами иявляются причиной нелинейныхполевых зависимостей скорости движения доменных границ.7.Приложениемеханическихнапряженийкмагнитно-мягкимаморфныммикропроводам изменяет коэрцитивную силу, остаточную намагниченность и импеданс.Эффект изменения импеданса под влиянием механических напряжений, получившийназвание стресс-импеданс (СИ), может служить основой для создания датчиков деформаций.8.Величина,чувствительность,температурныезависимостидиагональногоинедиагонального ГМИ, а также стресс-импеданса в аморфных микропроводах, в том числеультратонких, зависят от магнитной анизотропии и магнитно-мягкихсвойств, иопределяются как составом и геометрическими параметрами микропровода, так и режимамитермообработки в магнитном поле и/или при приложении механических напряжений.Применение отжига в присутствии механического напряженияпозволяет, варьируяпродолжительность и температуру отжига, кардинально изменить магнитную анизотропию иполучить высокую тензочувствительность, управлять магнитными свойствами и эффектомГМИ аморфного микропровода.9.Добавление Ni и Сr до 45 и 13 ат.

%, соответственно, в сплавы Co-Fe-B-Siприводит к уменьшению температуры Кюри и высокой температурной чувствительностинамагниченности, проницаемости, ГМИ в аморфных магнитно-мягких микропропроводах.10.Гранулированные микропровода, изготовленные их магнитных и немагнитныхэлементов со слабой взаимной растворимостью(Co10Cu90, Cu63Fe37 и Co29Ni25Mn1Cu45) ,обладают эффектом гигантского магнитосопротивления (до 18 %). При локализации частимагнитныхионоввнемагнитнойматрицетемпературнаязависимостьмагнитосопротивления имеет аномальный характер.11.несколькихИзменение количества и типа микропроводов в системе, состоящей изидентичныхилиразличныхмикропроводов,-6-позволяетизменятькакрезультирующую петлю гистерезиса системы, так и ГМИ за счет магнитостатическоговзаимодействия между проводами.12.В микропроводах с нанокристаллической структурой (FeCuNbSiB и FeHfBSi)имеет место корреляция магнитных и механических свойств.13.В композитных микропроводах, содержащих слои из разных материалов иполученных последовательным использованием методов быстрой закалки, напыления иэлектроосаждения,результирующаямагнитнаяанизотропияимагнитныеопределяются магнитоупругой анизотропией и магнитостатическимсвойствавзаимодействиеммежду слоями композитных структур.Научная новизна и практическая ценностьПолученные в диссертации результаты дали начало в развитии нового семействамагнитно-мягких материалов – микропроводовв стеклянной оболочке с высокимимагнитно-мягкими свойствами и эффектом ГМИ, развивают представления о механизмахквазистатического перемагничивания и поведения в переменных полях аморфных,нанокристаллических и наногранулярных микропроводов, закономерностях формированияих магнитно-мягких свойств и влияния термообработок (в поле и под действиеммеханических напряжений) на их магнитные свойства и ГМИ эффект.Результаты исследований дают возможность получать материалы с заранеепрогнозируемыми свойствами и управлять магнитными свойствами, что позволяетзначительно ускорить технологический процесс и создавать образцы с новыми необычнымисвойствами.

В частности, предложен метод управления магнитными свойствами аморфныхмикропроводов на основе Fe и Со за счет изменения продолжительности и температурыотжига при приложении магнитного поля или механического напряжения. Это позволилоконтролируемым образом менять их магнитную анизотропию, магнитно- мягкие свойства,эффект ГМИ и обнаруженный эффект изменения магнитоимпеданса под влияниемнапряжений (стресс-импеданс)Впервые показано, что магнитостатическое взаимодействие микропроводов за счёт ихполей рассеяния отражается как на петлях гистерезиса результирующей системы, так и наэффекте ГМИ.