Автореферат (Эффект магнитоимпеданса в ферромагнитных микроструктурах и композитных средах)

На правах рукописиПанина Лариса ВладимировнаЭффект магнитоимпеданса в ферромагнитных микроструктурах и композитных средахСпециальность 01.04.11 - физика магнитных явленийАвторефератдиссертации на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукМосква 2016РаботавыполненавФедеральномгосударственномавтономномобразовательномучреждениивысшегообразованияНациональномисследовательском технологическом университете «МИСиС».Официальные оппоненты:Пудонин Федор Алексеевич, доктор физико-математических наук,Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физическийинститут им. П.Н.

Лебедева Российской академии наук, заведующийлаборатории Физики неоднородных систем;Пастушенков Юрий Григорьевич, доктор физико-математических наук,Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего образования «Тверской государственный университет», профессор,заведующий кафедры магнетизма;Звездин Анатолий Константинович, доктор физико-математических наук,Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общейфизики им. А.М. Прохорова Российской академии наук (ИОФ РАН),теоретический отдел, главный научный сотрудник.Ведущая организация:Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институтрадиотехники и электроники имени В.А.

Котельникова Российской академиинаук (ИРЭ РАН)Защита диссертации состоится « » 2016 г. в часов на заседаниидиссертационного совета Д 501.001.70 при Московском государственномуниверситете имени М.В. Ломоносова по адресу 119991, г. Москва, ГСП-1,Ленинские горы, д. 1, стр. 35, ЦКП Физического факультета МГУ, конференцзал.С диссертацией можно ознакомиться в отделе диссертаций Научной библиотекиМГУ имени М.В. Ломоносова (Ломоносовский проспект, д. 27) и в сети Internetпо адресу: http://www.phys.msu.ru/rus/reseacrh/disser/sovet-D501-001-70/Автореферат разослан " " 2016 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.70к.ф.-м.н.

доцентА.И. ЕфимоваОбщая характеристика работыАктуальность проблемыОбнаружение эффекта магнитного импеданса (МИ) в аморфных ферромагнитныхпроводах и лентах в начале 90-х [1-6] вызвало значительный интерес, обусловленныйогромным потенциалом его использования в различных сенсорных системах: отминиатюрных сверхчувствительных датчиков магнитного поля, создаваемого живымиорганизмами,довстраиваемыхмикродатчиковмеханическихнапряженийвинтеллектуальных композиционных материалах.

На основе МИ можно также создаватьуправляемые метаматериалы, электродинамический отклик которых изменяется поддействием внешних факторов. После публикации первых работ по МИ в аморфныхпроводах и лентах, объем исследований в этой области быстро нарастал. Работы автораданной диссертационной работы были в числе первых. В самом простом выражении МИэффект понимается как очень большое изменение высокочастотного напряжения,измеряемого на концах магнитного проводника, под действием постоянного магнитногополя. Более общий подход связан с рассмотрением тензора поверхностного импедансаферромагнитных структур и его зависимости от магнитных свойств. Это расширяетвозможности разработки сенсорных элементов с требуемыми свойствами, а такжепозволяетсвязатьлокальныемагнитныесвойствасэлектромагнитных волн на ферромагнитных структурах.параметрамирассеянияДиссертационная работапосвящена исследованию МИ эффекта и тензора поверхностного импеданса в аморфныхпроводах и многослойных пленках для приложений в высокочувствительных сенсорах,управляемых и интеллектуальных композиционных материалах.Первые работы по МИ были сделаны еще в 1935-1936 годах [7-8].

В этих работахисследовалось протекание радиочастотного тока по магнитному проводу из сплава NiFe свысокой магнитной проницаемостью. МИ порядка 20% был получен, однако технологияизготовления таких проводов была не отработана, результаты были не стабильными, и этиработы не получили дальнейшего развития. В аморфных ферромагнитных проводахотносительное изменение импеданса достигало нескольких десятков процентов прихарактерных полях порядка Эрстед.

В дальнейшем это отношение удалось увеличить до600% [9-10], причем характерные поля оставались также в пределах нескольких Эрстед, тоесть удалось достичь гигантской чувствительности, что имело принципиальное значениедля разработки магнитных сенсоров. Это стало возможным в результате пониманиявлияния магнитной структуры и способов возбуждения на МИ. Большое значение дляразработки линейных МИ сенсоров с улучшенным отношением сигнал-шум имелоисследование так-называемого недиагонального МИ. Коммерческие разработки МИсенсоров [11] используют именно эту схему.

Для миниатюризации сенсорных элементов идля совместимости с технологией интегральных схем использование МИ в тонких пленкахявляется предпочтительней [12-13]. Все эти проблемы рассмотрены в диссертационнойработе.МИ эффект в тонких проводах интересен и с точки зрения создания управляемых иинтеллектуальныхкомпозитныхсистем.Проводящиепроволочныевключенияиндуцируют необычные поляризационные свойства электромагнитного отклика в ответ намикроволновое излучение [14-16]. Для приложений было бы весьма заманчивым, еслидисперсионная зависимость эффективной диэлектрической проницаемости могла быизменяться под действием внешних факторов, например, внешнего магнитного поля илимеханического напряжения.

Такие свойства можно реализовать с помощью различныхнелинейных элементов. Диэлектрическая проницаемость композита, содержащегоферромагнитные провода, может завесить от локальных магнитных свойств включений, таккак потери определяются тензором поверхностного импеданса.Магнитоимпеданс (МИ) в проводящихферромагнитных микроструктурахКомпозитные материалыс проводящими микропроводамиАномальнаячастотная дисперсиядиэлектрической проницаемостиМИ на МГц частотахМИна ГГц частотахВысокочувствительныесенсоры магнитного поля,механических напряженийДиэлектрическая проницаемостьзависит от магнитных свойств1) Управляемые селективныемикроволновые материалы2) Интеллектуальныесенсорные материалыБеспроводныевстраиваемыесенсорыРисунок 1. Диаграмма, отражающаяисследованияМИ эффекта в различныхчастотных диапазонах, и их связь с разработкой высокочувствительных сенсоров иинтеллектуальных материалов.То есть предлагается новый механизм управления электромагнитными свойствамикомпозитныхсистемпосредствомизменениявысокочастотногоимпедансаферромагнитных проволочных включений.

Эта идея была предложена и разработана вданной работе.Целью диссертационной работы является разработка концепции магнитоимпеданса (МИ)и тензора поверхностного импеданса в ферромагнитных проводах, мультислоях икомпозитных материалах с ферромагнитными проводами, установление механизмовусиления и модификации МИ характеристикв различных частотных диапазонах дляприменений в высокочувствительных сенсорах, интеллектуальных и управляемыхкомпозитных средах. Взаимосвязь МИ и различных приложений продемонстрирована наРисунке 1. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: Теоретическое и экспериментальное исследования статических и динамическихпроцессов намагничивания в аморфных микропроводах с круговой доменнойструктурой в ортогональных магнитных полях; Разработкаматематическогоаппаратааналитическогоанализатензораповерхностного импеданса в ферромагнитных проводах с геликоидальноймагнитной анизотропией при произвольных частотах; Разработкаматематическогоаппаратааналитическогоанализатензораповерхностного импеданса в трехслойных пленках типа ферромагнетик/метал/ферромагнетик с учетом планарных геометрических размеров; Разработка экспериментальных методов определения матрицы поверхностногоимпеданса и анализ экспериментальных данных; ИсследованиемеханизмовасимметричногоМИ,экспериментальноеподтверждение различных механизмов асимметричного МИ; Разработка математического аппарата для анализа рассеяния электромагнитныхволн на одиночном ферромагнитном микропроводе (магнитополяризационныйэффект) и на решетках ферромагнитных проводов плазмонного типа; Теоретическое и экспериментальное исследования эффективной диэлектрическойпроницаемости композиционных сред с ферромагнитными проводамиподдействием внешних факторов: магнитного поля и механического напряжения.Исследование МИ и тензора поверхностного импеданса ведется на примереаморфных микропроводов на основе Со и трехслойных пленок типа ферромагнетик/благородныйметал/ферромагнетик.Композитныематериалывключаютрешеткинепрерывных параллельных МИ проводов (плазмонные системы) и короткие МИ провода,на которых может реализоваться антенный резонанс (резонансные системы).Научная новизна работы заключается в следующем:1.

Теоретически исследованы процессы перемагничивания в аморфных проводах скруговой доменной структурой в ортогональных магнитных полях. Предложеныметодики расчета и экспериментального определения динамической магнитнойпроницаемости,обусловленнойсмещениемкруговыхдоменныхграниц.Определена характерная частота релаксации круговых доменных стенок,обусловленная генерацией токов Фуко в окрестности движущейся стенки, котораядля аморфного микропровода на основе Со составляет несколько МГц.2. Исследовано поведение МИ в проводах с круговой доменной структурой. Длячастот,нижерелаксационнойчастотыдоменныхграниц,высокаячувствительность импеданса к внешнему магнитному полю обусловленаподавлениемциркулярныхпроцессовнамагничиваниявнешнимосевыммагнитным полем. Для частот, выше частоты релаксации, процессы вращениянамагниченности становятся доминирующими, что приводит к изменению МИхарактеристик- центральный пик расщепляется на два симметричных пика.3. Разработанаметодикарасчетатензораповерхностногоимпедансавцилиндрических ферромагнетиках с геликоидальной анизотропией, основанная наасимптотическом решении уравнения Максвелла при условии локальной илинейной магнитной проницаемости.

Максимальная чувствительность тензораповерхностного импеданса относительно внешних воздействий- магнитного поляи механических напряжений- зависит от разброса осей магнитной анизотропии идостигается при изменении ориентации статической намагниченности. Особенноотчетливо эта тенденция наблюдается на ГГц частотах, когда доминирующийвклад в зависимость импеданса от магнитных свойств дают статические процессыперемагничивания.4. Разработана методика определения всех компонент тензора поверхностногоимпедансаипроведеносравнениеэкспериментальныхитеоретическихрезультатов с учетом условий возбуждения.