Магнитные свойства микропроводов с аморфной, нанокристаллической и гранулярной структурой, страница 3

Поэтому измерения проводились для случая импульсноговозбуждения цепи. Недиагональная компонента,ςϕz(H), была измерена, используя ранееописанный импульсный метод [3].Магнитная микроструктура образца изучалась с помощьюмагнитооптическойиндикаторной пленки посредством визуализации полей рассеяния, возникающих наповерхности микропроволоки [4].В третьей главе приводятся результаты исследования аморфных микропроводов, ихмагнитных свойств и эффекта ГМИ, а также анализируется зависимость этих свойств отразличных видов технологической обработки.В первом параграфе третьей главы описаны результаты исследования влияния составаметаллической жилы и стеклянного покрытия, отношения, ρ, диаметра металлической жилы,d, и общего диаметра, D, термообработки в присутствии механических напряжений имагнитного поля.- 11 -При63(a)основеM (Гсхсм3)10-4-4000400800(б)гистерезисапроявляютаморфногомагнитно-бистабильныймикропроводасоколонулевоймагнитострикцией (при соотношении Co/Fe≈70/5)имеют высокие магнитно-мягкие свойства, тогда какаморфный0микропроводсотрицательноймагнитострикцией (на основе Co) демонстрирует-3-6-8000 -40002Fe)характер,-3-6-8006петлимикропровода с положительной магнитострикцией (на03этомнаклонную петлю гистерезиса (Рис.1).

Поле магнитной04000 8000анизотропии, Hk, в микропроводе с околонулевоймагнитострикцией растет при увеличении отношения(в)ρ = dм/D (Рис.2). Такая заметная зависимость поля0анизотропии, Hk, и вида петель гистерезиса от этих-2параметров связана с магнитоупругой анизотропией,-8000 -400004000 8000H(А/м)Рис.1. Петли гистерезиса трех главныхгрупп составов аморфных микропроводов(а) на основе Fe, (б) на основе Co и (в) наосновеCo-Fe,соответственно,сположительной,отрицательнойиоколонулевойконстантоймагнитострикции.константакоторойописываетсяизвестнымвыражениемKme ≈ 3/2 λsσi(1)где λs – константа магнитострикции, σi - внутренниенапряжения. Константа магнитострикции λs зависитглавным образом от химического состава и принимаетоколонулевое значение в аморфных сплавах1,0с соотношением Co/Fe ≈70/5 [5].

С другойстороны, расчетные значения внутреннихµ0M, (T)0,5d=6.6мкм; ρ=0.42d=6.8мкм; ρ=0.5d=9.8мкм; ρ=0.530,0d=11.8мкм; ρ=0.64d=13.4мкм; ρ=0.8d=16.8мкм; ρ=0.7d=16.8мкм; ρ=0.64-0,5-1,0-400-2000200напряжений,σi,стекляннойоболочкой,вследствиевразницымикропроводевсовозникающихкоэффициентахтеплового расширения металлической жилыи стекла, дают значения порядка 100-1000400H, (А/м)МПа. При этом σi зависят от отношения ρ =Рис.2.

Петли гистерезиса аморфных микропроводовCo67Fe3.85Ni1.45B11.5Si14.5Mo1.7 с околонулевой константоймагнитострикции одного и того же состава,но приразличных отношениях ρ.dм/D [6], увеличиваясьтолщиныстеклянногос увеличениемпокрытияприодинаковом диаметре металлической жилы.Этопозволяетуправлятьмагнитнымисвойствами микропровода в стеклянной оболочке через изменение магнитной анизотропии,контролируя внутренние напряжения, а именно, изменяя отношение ρ = dм/D, путем- 12 -использования термообработки, либо химического стравливания стеклянного покрытия.

Вчастности, на Рис. 3 показано, что в случае микропровода Co70.5Mn4.5Si10B15 с низкоймагнитострикцией, по мере того как постепенно стравливалось стеклянное покрытие,изменялся вид и характер петли гистерезиса.Во втором параграфе третьей главы описаны результаты исследования микропроводов наоснове Fe, имеющих прямоугольную петлю гистерезиса (или так называемое магнитнобистабильное поведение). Единственный гигантский скачок Баркгаузена наблюдается приприложении магнитного поля выше некоторого порогового значения (называемого часто какполе переключения или поле старта), если длина образца превышает некоторое критическоезначение, называемое критической длиной магнитно-бистабильного состояния (далее длякраткости просто «критическая длина», lc).

Очевидно, что критическая длина связана сразмерами и характером замыкающих доменов на концах микропровода. Детальныеисследования профиля намагниченности и размера краевых доменов были выполнены намидля различного рода микропроводов в стеклянной оболочке и, для сравнения, в аморфныхпроволоках без покрытия.намагниченностиМы обнаружили, что эта критическая длина зависит отнасыщения,магнитоупругойэнергии,доменнойструктуры,магнитостатической энергии и приложенных механических напряжений.

В частности,критическая длина, lc, в аморфных проволоках с диаметром 120 мкм на основе Fe составляетоколо 7 cm, а на основе Co около 4 cm, а в микропроводе на основе Fe диаметром 10,8 мкм –около 2 мм.Профиль намагниченности, то есть зависимость остаточной намагниченности, µ0Μr,от положения приёмной катушки, L, былопределенизизмеренийлокальныхпетель гистерезиса.

Расстояние от концапровода,накоторомуменьшениеµ0Μrхарактерногодляпровода,отражаетнаблюдаетсяотзначения,среднейчастиглубинупроникновения, ld, краевых замыкающихдоменов.Рис.3. Изменение петли гистерезиса аморфногомикропровода Co70.5Mn4.5Si10B15, по мере того какпостепенно стравливалось стеклянное покрытие в 20%кислоте HF(а - исходный, b- 10 мин травления в 20% HF, c20 мин 20% HF, d- 50 мин 20% HF)Каквидноостаточнойизмеренногоизпрофилянамагниченности,ваморфномпроводедиаметром 120 мкм Fe77.5B15Si7.5аморфноми вмикропроводе Fe70Bl5Sil0C5(Рис.4), в микропроводе глубина проникновения, ld, краевых замыкающих доменов заметно- 13 -ниже, чем в аморфном проводе.0,8Радикальное1µ0Mr, (T)критическойдлины,lc,вмикропроводе делает его довольно0,6привлекательным для применений в2микродатчиках.0,40,2уменьшение1- микропровод на основе Fe2- провод на основе Feбистабильноенаблюдалось024L, (см)Так,68Рис.

4. Сравнение профиля остаточной намагниченностиаморфного провода диметром 120 мкм Fe77.5B15Si7.5 имикропровода Fe70Bl5Sil0C5 диаметром 10,8 мкм длиной 10 см.магнитноповедениевобразцемикропровода длиной L= 2 мм сметаллическим диаметромd=10,8мкм.Флуктуацииполястарта,проявляющиеся в спонтанном изменении поля старта от одного цикла перемагничивания кдругому, наблюдались в ряде магнитно-бистабильных микропроводов. Наблюдаемыйэкспериментально спонтанный разброс в величине поля старта в микропроводе Fe70Bl5Sil0C5составил около 10% от среднего значения поля старта (85 A/m).

Для описания формыраспределения мы применили ранее развитую нами феноменологическую модельфлуктуаций поля старта за счет тепловых флуктуаций магнитных моментов зародышейперемагничивания. Эта модель предсказывает форму распределения флуктуаций полястарта: линейную зависимость логарифма плотности вероятности, dw, наблюдения большогоскачка Баркгаузена в интервале полей от ∆H - ∆Η+δ(∆Η), от относительной величиныфлуктуаций поля старта (∆h)3/2.

Более подробное изучение распределения флуктуаций полястарта, выполненное при различных температурах, а также в микропроводах с различнымхимическим составом металлической жилы (и, следовательно, с различной константоймагнитострикции) показали, что наблюдаемые зависимости можно описать как сумму двухлинейных функций. Это может быть объяснено, если предположить, что результирующаясвободная энергия является суммой двух потенциалов, ассоциированных с магнитоупругимвкладом и вкладом от стабилизации доменных границ.

Магнитоупругий потенциал обычносвязан с дальним взаимодействием и поэтому имеет более размытую форму. С другойстороны, вклад от стабилизации доменных границ (ДГ) связан с пиннингом ДГ на дефектахатомного масштаба и является более локализованным. Для того чтобы разделитьрольвкладов были выполнены измерения под действием приложенных механических напряжений(для управления магнитоупругим вкладом), а также при различных частотах приложенногополя (для изменения структурной релаксации, зависящей от времени). При увеличениичастоты приложенного поля время измерений уменьшается, что исключает влияние- 14 -структурной релаксации.

Приложение механических напряжений усиливает магнитоупругийвклад в потенциал границ доменов. Как наблюдалось при измерениях распределения полейстарта в аморфном микропроводе Fe77.5Si7.5B15, приложение механических напряжений илиизменение частоты действительно оказывают заметное влияние на зависимости ln(dw/d(∆H))0FeSiB20 Гц100 Гц200 Гц1000 Гц(а)-4-6-8FeSiB 20 Гц0 МПа35 МПа70 МПа140 МПа(б)-2ln(dw/dh)ln(dw/dh)-20-4-60,0000,0020,0040,006-80,0080,0003/2h0,0020,0043/2hРис.5. Зависимость логарифма плотности вероятности,dw, флуктуаций поля старта от (∆h)3/2 дляd (∆h)аморфного микропровода Fe77.5Si7.5B15, измеренная при разных частотах (а) и механических напряжениях (б)от ∆h3/2 (Рис.5).Температурная зависимость коэрцитивной силы в аморфных микропроводах такжеудовлетворительноописываетсясучётоммагнитоупругоговкладаивкладаотвзаимодействия ДГ с дефектами атомного масштаба.Практически идеально прямоугольная форма петли гистерезиса определяет ивысокую скорость распространения ДГ.

Мы исследовали распространение ДГ в аморфноммикропроводе с положительной магнитострикцией, варьируя состав жилы (а значитконстанту магнитострикции) и отношение между диаметром металлической жилы, d, иполным диаметром провода, D, (ρ= d/D).Исследование движения ДГ в микропроводе Fe65B15Si15C5 при разных температурахпоказало, что движение ДГ возникает при поле выше 70 А/м (в этом образце поле стартасоставляло около 100А/м), а затем при повышении поля и с ростом температуры наблюдалсянекоторый рост скорости движения ДГ, v, и зависимости v(H) не являются линейными.Динамика ДГ в вязкой среде при низких скоростях описывается выражением:v=S (H-H0),(2)где S -подвижность ДГ, которая во многом и определяет скорость движения ДГ,Подвижность, S, определяетсясоотношением S =2µ0Μs /β, где µ0 - магнитнаяпроницаемость вакуума, Ms - намагниченность насыщения, β - параметр затухания ДГ, H0 критическое поле распространения, ниже которого распространение ДГ невозможно.- 15 -В аморфных микропроводах вдали от краёв образца зарождение ДГ наблюдалось вмагнитном поле, заметно превышающем поле старта всего образца (в среднем в 3-4 раза), т.е.когда перемагничивание образца начинается с краев, где существуют краевые домены.Локальное поле зарождения случайным образам менялось при локальном намагничиваниимикропроводав различных местах, то есть наблюдались флуктуации локальных полейзарождения вдоль длины микропровода (см.

Рис.6б). Кроме небольших локальныхфлуктуаций полей зарождения мы наблюдали резкие провалы, связанные с существованиемдефектов.В образцах аморфного микропровода Fe74Si11B13C2 (образец 1) и Fe75Si12B9C4 (образец2), с диаметрами металлической жилы, d, и общим диаметром, D, 12.0/15.8 и 13.6/16.0 мкм,соответственно, наблюдалась корреляция между линейным участком на зависимости v (Н) иминимальным полем локального зарождения ДГ, НN, определенного как минимальное извсех значений локальных полей зарождения,1800(a)1600образец 1образец 2за исключением значений НN на краяхv, м/сек1400образцов(Рис.6).ВполяхнижеНN1200наблюдалась линейная v (Н) зависимость.1000Поэтому,800600отлинейнойзависимости v (Н) при Н >НN можно связать с40050100150200250300350множественным зарождением ДГ за счётH, А/мдефектов.(б)500Cкоростьобразец 1400200наблюдаемаяв(как правило, более 1 км/сек).