Автореферат (Эффект магнитоимпеданса в ферромагнитных микроструктурах и композитных средах), страница 8

Проведен анализ влияния внешнего магнитного поля надифференциальную и начальную магнитные проницаемости. Амплитуды высшихгармоник имеют высокую чувствительность по отношению к магнитному полю, чтоможет быть использовано для разработки магнитных сенсоров. Предложена модель,которая количественно описывает влияние внешнего магнитного поля на циркулярнуюнамагниченность. Показано, что разброс осей анизотропии имеет определяющее влияниена полевые зависимости статической циркулярной проницаемости.2.

Вклад динамики доменных границ в циркулярную проницаемость рассмотрен спомощью усреднения магнитной индукции, обусловленной смещением доменныхграниц. Рассмотрены два типа смещения доменной стенки, соответствующие моделямжесткой и гибкой стенок. Определена характерная частота релаксации круговыхдоменных стенок в аморфном проводе. Показано, что модель гибкой стенки дает болееслабое изменение магнитной проницаемости при частотах, выше релаксационной.

Приэтом в рамках данной модели магнитная проницаемость имеет более сильнуюзависимость от внешнего магнитного поля, которая остается значительной даже начастотах выше релаксационной, что хорошо согласуется с экспериментом.3. Определен тензор вращательной магнитной проницаемости для произвольнойгеликоидальной анизотропии. Показано, что эффективный параметр вращательноймагнитной проницаемости, который входит в измеряемые величины, имеет оченьширокий спектр и слабо зависит от внешнего магнитного поля на ГГц частотах.4. Проведен всесторонний анализ МИ эффектов в цилиндрических ферромагнитныхпроводниках.

Последовательный анализ развивает понятие тензора поверхностногоимпеданса,которыйвключаетдиагональныеинедиагональныекомпоненты.Импедансная матрица находится из совместного решения уравнений Максвелла вцилиндрических магнетиках и динамических уравнений намагниченности.

Даже длялинейных процессов намагничивания необходимо решать связанную систему уравненийдля нахождения распределения магнитного и электрического полей в проводнике. Намибыл развит метод асимптотических разложений, который позволил определитьимпедансную матрицу в широком диапазоне частот.5. Были разработаны методы экспериментального определения всех компонент тензораповерхностного импеданса и проведено сравнение экспериментальных и теоретическихрезультатов, демонстрирующих их хорошее согласие.6. В проводах с циркулярной доменной структурой импеданс имеет только диагональныекомпоненты. Зависимость продольного импеданса от внешнего магнитного поляобусловлена динамикой круговых доменных стенок: осевое магнитное поле подавляетциркулярные процессы намагничивания.

Однако при частотах, выше характерныхрелаксационных частот смещения доменных стенок (порядка МГц для аморфныхпроводов на основе Со с диаметром 20 микрон), зависимость динамической магнитнойпроницаемости от магнитного поля, обусловленной смещением границ, становитсянесущественной и основной вклад в зависимость импеданса от магнитного поля даютдинамические процессы вращения намагниченности. При этом происходит изменениеформы МИ характеристик: характеристики с одним пиком в нулевом поле постепеннотрансформируются в зависимости с двумя симметричными пиками, возникающих приполях, порядка поля анизотропии.7.

В отсутствии доменной структуры необходимо рассматривать полную матрицуимпеданса. Для циркулярной анизотропии продольный импеданс всегда имеет двасимметричных пика, возникающих при полях, соответствующих эффективному полюанизотропии.Недиагональныйимпедансоказываетсяантисимметричнымпоотношению к внешнему осевому полю и имеет практически линейный участок в полях− < < .Такое поведение имеет большое практическое значение дляприменений в сенсорных устройствах.

Величина МИ эффекта значительно зависит отразброса осей магнитной анизотропии. Продемонстрировано хорошее соответствиетеории и эксперимента.8. Исследовано поведение продольного импеданса при ГГц частотах. При таких частотахосновной вклад в зависимость импеданса от магнитных свойств дают статическиепроцессы перемагничивания. Это связано с тем, что ГГц частоты и небольшиемагнитные поля соответствуют «хвосту» ферромагнитного резонанса, и динамическаямагнитная проницаемость очень слабо зависит от таких параметров, как магнитное полеили механические напряжения. Поэтому для достижения высокой чувствительностиимпеданса на ГГц частотах необходимо, чтобы внешние факторы изменяли ориентациюнамагниченности.9.

Исследовано влияние растягивающих напряжений на МИ в ГГц области. Высокаячувствительность возникает только тогда, когда внешнее напряжение может изменитьнаправление статической намагниченности. Это возможно в проводах с геликоидальноймагнитной анизотропией. В случае циркулярной анизотропии, влияние растягивающихнапряжений на МИ достигается в присутствии смещающего осевого магнитного поля.10.Теоретически и экспериментально исследован МИ эффект в трехслойных системахферромагнетик/метал (Cu,Au,Ag)/ ферромагнетик, в которых проводимость внутреннегослоя значительно выше проводимости ферромагнитных слоев.Относительныеизменения импеданса могут быть очень большими (сотни процентов) в широкоминтервале частот для относительно тонких пленок (порядка микрона). Исследовановлияние толщины слоев и отношения проводимостей на МИ. При уменьшенииотношения проводимостей внутреннего слоя и магнитных слоев МИ отношение быстропадает.В случае пленок, неограниченных в плоскости, анализ проведен дляпроизвольной магнитной анизотропии спирального типа.11.Особенное внимание уделено влиянию ширины пленки на МИ эффект.

РазработанаметодикарешенияуравненийМаксвеллав2D-геометриисиспользованиемприближенных граничных условий нулевого потока на боковых поверхностях, чтосоответствует одномодовому режиму распространения поверхностных волн. Анализпоказал, что существует критическая ширина, которая зависит от частоты, толщин слоеви магнитной проницаемости, которая определяет протекание магнитного потока черезнемагнитный слой. Если ширина пленки сравнима или меньше этого критическогопараметра, то этот процесс приводит к значительному падению МИ отношения(динамический размагничивающий эффект).12.Проведено экспериментальное исследование импеданса в системах NiFe/Au/NiFe,NiFe/Al2O3/Au/Al2O3/NiFe, CoFeSiB/Cu(Au)/ CoFeSiB.

При использовании изолирующихнанометровых слоев Al2O3 относительное изменение импеданса возрастало почти в двараза (с 37% до 80% на частоте 80 МГц), что связано с более четкой границей разделамежду внутренним и внешними слоями. Наибольшее изменение импеданса наблюдалосьпри использовании аморфных CoFeSiB слоев, так как отношение проводимостейувеличивается до 50. При этом была достигнута рекордная чувствительность измененияимпеданса порядка 40%/Э на частоте 60 МГц в системах CoSiB/Au/ CoSiB общейтолщины 1.5 микрона, шириной 100 микрон и длиной 5 мм.13.Проведено теоретическое и экспериментальное исследование асимметричногомагнитоимпеданса (АМИ).

Предложены два механизма АМИ, которые могут бытьназваны статическим и динамическим, соответственно. В первом случае АМИобусловлен асимметричными процессами статического намагничивания, которыереализуются в системах с магнитной анизотропией спирального типа в присутствиипостоянноготока.ДинамическийАМИвозникаетприсмешанномтипевысокочастотного возбуждения, включающего циркулярное и продольное магнитныеполя, и обусловлен различной симметрией диагональных и недиагональных компоненттензора поверхностного импеданса.14.Статический АМИ реализован в проводах с геликоидальной анизотропией и втрехслойных пленках, магнитные слои которых имеют скрещенную анизотропию.Геликоидальная анизотропия в проводах может быть наведена с помощью отжига вприсутствии напряжений скручивания.

Скрещенная анизотропия в магнитных слояхобразуется в процессе напыления в присутствии поперечного магнитного поля ипоследующем отжиге с помощью тока в присутствии продольного поля. Полученныеэкспериментальные результаты соответствуют выводам теории. В области магнитныхполей, когда доменная структура исчезает, имеется количественное соответствиеэкспериментальных и теоретических результатов. Для пленок Co70.2Fe7.8B22/Cu/Co70.2Fe7.8B22 с аморфными магнитными слоями и углом анизотропии от   15 до  45 происходит резкое возрастание импеданса в отрицательных полях (практическискачком для   45 ), при этом гистерезис практически отсутствует.

Такое поведениеможет представлять особый интерес для приложений.15.Динамический АМИ реализован в ферромагнитных проводах с циркулярнойанизотропией при возбуждении высокочастотным (импульсным) током и продольнымполем, генерируемым током катушки, намотанной на провод. При таком возбуждениинапряжениенапроводевключаетдополнительнуюэ.д.с.,пропорциональнуюнедиагональной компоненте поверхностного импеданса. В этом случае также нуженнебольшой постоянный ток для устранения доменной структуры, так как ее наличиеобнуляет недиагональную компоненту импеданса.

Однако, этот ток может бытьзначительно меньше, чем при статическом АМИ, поскольку магнитное поле,создаваемое этим током, сравнивается с полем коэрцитивности, а не с полеманизотропии. В случае импульсного возбуждения дополнительный постоянный ток нетребуется, так как спектральные характеристики импульса соответствуют комбинациивысокочастотных и низкочастотных гармоник. Такой метод получения АМИ особенноважен для создания так называемых «auto-biased» линейных сенсоров.16.Экспериментально исследован недиагональный импеданс в трехслойной пленкеNiFe/Au/NiFe с интегрированной планарной катушкой, полученной в процессенапыления и фотолитографии.17.Болеедетальнонедиагональныйимпедансисследовалсядляаморфногомикропровода с точки зрения применения в линейных сенсорах.

Проанализирована рольпостоянного тока, который приводит к увеличению недиагональной компоненты врезультате устранения доменной структуры. При этом также расширяется область полейс линейным поведением импеданса.18.Разработаны аналитические методы определения эффективной диэлектрическойпроницаемостикомпозитной среды, состоящей из диэлектрической матрицы свключениями ферромагнитных микропроводов. Рассмотрены два типа композитныхматериалов- плазмонные среды с непрерывными проводами и композиты с короткимиотрезками проводов, где возможны антенные резонансы. В обоих случаях задачарассеяния на проводах сводится к внешней задаче рассеяния, а на проводах ставитсяимпедансное граничное условие. Через это условие локальные магнитные свойствапроводов влияют на электромагнитный отклик.