Статические и динамические магнитные свойства аморфных микропроводов и их систем

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТим. М.В. ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиРОДИОНОВА ВАЛЕРИЯ ВИКТОРОВНАСТАТИЧЕСКИЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕМАГНИТНЫЕ СВОЙСТВААМОРФНЫХ МИКРОПРОВОДОВИ ИХ СИСТЕМ.специальность 01.04.11 – физика магнитных явленийАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква2010Работа выполнена на кафедре магнетизма физического факультета Московскогогосударственного университета имени М.В.

ЛомоносоваНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,доцентПеров Николай СергеевичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессорАндреенко Александр Степановичдоктор физико-математических наук,член корреспондент РАНМуртазаев Акай КурбановичВедущая организация:Московский государственныйинститут радиотехники,электроники и автоматики(технический университет), г. МоскваЗащита состоится « 17 » июня 2010 г. в 16 ч. 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 им. М.В. Ломоносова, ЦКПфизического факультета, конференц-зал.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУим.

М.В. Ломоносова.Автореферат разослан « 17 »мая2010 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.70доктор физико-математических наук, профессор2Плотников Г.С.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыВ последние годы исследованию статических и динамических свойств тонкихаморфных ферромагнитных микропроводов посвящено большое число теоретических иэкспериментальных работ. Их количество (за последние 10 лет – более 1000 работ)свидетельствует о большом научном и прикладном интересе к рассматриваемой тематике.Одним из определяющих факторов в прогрессе прикладных направлений являетсяпонимание механизмов формирования свойств одиночных микропроводов и их систем.Между тем, многие вопросы, касающиеся именно физических причин, определяющихособенности магнитных свойств, формирования доменной структуры и механизмовперемагничивания микропровода, до сих пор остаются открытыми и обсуждаемыми.К числу теоретически рассчитанных, но экспериментально до конца не исследованных,относится задача формирования доменной структуры тонкого микропровода.

Одна из главныхпричин этого – отсутствие соответствующей методики исследования. Для поверхноститолстых микропроводов возможно визуальное наблюдение доменных границ поверхностногослоя с помощью, например, методов порошковых фигур [1] и магнитооптическоймикроскопии [2]. К поверхности тонких микропроводов в стеклянной оболочке с существеннобольшей кривизной эти методы неприменимы. Существует ряд методов, позволяющихкосвенно судить о микромагнитной структуре микропровода.

Среди них можно выделитьметод Сикстуса-Тонкса [3] и исследование поперечного перемагничивания микропровода санализом поведения перпендикулярной полю компоненты магнитного момента [4]. Исследуяквазистатическое перемагничивание систем микропроводов, также можно судить об ихмикромагнитной структуре [5]. Перечисленные методы не являются точными, поскольку недают информации непосредственно о доменной структуре, а лишь позволяют делатьнекоторые, порой противоречивые выводы о ней.В силу технологических особенностей изготовления микропровода, приводящих ксуществованию аксиальной симметрии в нем, в металлической жиле микропровода выделяютдве характерные области с разными типами доменных структур: аксиально намагниченнуюцентральную часть – керн (от английского «kern» – сердцевина) и циркулярно или радиально(взависимости отконстантымагнитострикцииматериалаиметодаизготовлениямикропровода) намагниченную оболочку.

До сих пор ведутся споры о типе и положениидоменной границы, существующей между керном и оболочкой. Теоретические оценки поопределению положения доменной границы между керном и оболочкой, существующие наданный момент, предлагают несколько вариантов решения [6, 7].

Эти работы были проведеныв 80-х годах прошлого века, а поиск экспериментальных методов ее обнаружения ведется досих пор. Существуют оценки ее положения по петлям гистерезиса бистабильных3микропроводов [8, 9], в то время как для микропроводов, не обладающих этим свойством,соответствующих публикаций не было. Более точные современные методы численногомоделирования все еще не позволяют работать в масштабах десятков микрометров(ограничиваясь одним микроном) [10].

Таким образом, исследования тонкого микропроводанаходятся на стыке теории и эксперимента, полностью не перекрываемом ни первым, нивторым, и только по набору экспериментальных данных, полученных различнымиметодиками, можно делать выводы о его доменной структуре.Для исследования магнитных свойств и особенностей перемагничивания микропроводасуществует больше возможностей. Однако процессы перемагничивания магнитномягкихмикропроводов во многом определяются внешними факторами: напряжениями, деформацией,температуройискоростьюизменениямагнитногополя.Так,квазистатическоеперемагничивание происходит по механизмам, отличающимся от механизмов динамическогоперемагничивания [11]. С учетом сложности магнитной структуры микропровода возникаютсложности с интерпретацией данных.Очевидно, что свойства одиночных микропроводов и их систем будут зависеть отгеометрических параметров.

В литературе существует достаточно много работ, посвященныхисследованию влияния размеров микропровода (диаметра металлической жилы, полногодиаметраидлины)наегостатическиеидинамическиемагнитныесвойства(например, [12, 13]). Однако эти данные не систематизированы и порой противоречивы.Аморфные микропровода в стеклянной оболочке со значительно уменьшеннымидиаметром металлической жилы и толщиной стеклянной оболочки приобрели большоеприкладное значение в течение последних нескольких лет [14]. Современные магнитномягкиеаморфные микропровода обладают диаметрами металлической жилы от 1 до 30 мкм притолщинах стеклянной оболочки от 0.5 до 15 мкм.

Такие тонкие микропровода проявляютуникальные магнитные свойства [15]. Так, коэрцитивная сила микропроводов из сплавов наоснове Co с близкой к нулю константой магнитострикции может достигать 0.05 Э при оченьмалых потерях энергии на перемагничивание благодаря высокому удельному сопротивлению.Рекордно высокие значения магнитной проницаемости обеспечивают величину гигантскогомагнитоимпеданса (ГМИ) в сотни и даже тысячи процентов [16, 17].

Хорошимимагнитотранспортными свойствами (эффект гигантского магнитосопротивления – ГМС)обладают гранулированные микропровода [18]. Для микропроводов в стеклянной оболочке изсплавов на основе Fe характерно магнитнобистабильное поведение, связанное с проявлениемгигантского скачка Баркгаузена. В таких проводах наблюдается быстрое распространениедоменной границы со скоростью до 1500 м/с [19].Магнитные свойства тонких аморфных микропроводов определяются составомхимическогопрекурсора(сплава,изкоторого4онибылиполучены),изменяютсятермообработкой (в магнитном поле или без него, с приложенными напряжениями или безних), отжигом током и химической обработкой (травлением стеклянной оболочки инанесениемдополнительногомагнитногослоя)[14, 20, 21].Добавлениесоседнегомикропровода изменяет механизм перемагничивания всей системы из-за появлениямагнитостатического взаимодействия между микропроводами.

При перемагничивании системмикропроводов в стеклянной оболочке из сплавов на основе Fe петли гистерезиса проявляютступенчатую (скачкообразную) форму, свойства таких систем достаточно подробно изучены(например, [22]). Считается, что микропровода с небистабильными петлями гистерезиса немогут проявлять таких особенностей.Свойства тонких микропроводов дают возможность их использования для заменытрадиционных магнитных материалов в различных областях применения. Например, метки,используемые в системах защиты и охраны, обычно состоят из магнитномягких материалов.

Втаких системах обеспечивается быстрое изменение намагниченности даже в относительнослабых внешних полях, при этом происходит генерирование комплексного сигнала вприемной катушке. Детектирование сигнала на гармониках способствует увеличениючувствительности и улучшает надежность всей системы [23, 24]. Современные меткиразрабатываются на основе магнитномягких лент. Однако использование микропроводовболее технологично и дешево.Активно ведутся разработки и поиски материалов в области кодирования информациис целью дублирования и замены современных оптических штрих-кодов.

В 2000-е годы вкачестветакогоматериалабылапредложенасистемапараллельнорасположенныхвзаимодействующих микропроводов [25]. Информация с такой метки может быть считанаиндукционным методом при произвольной ее ориентации [26]. Новые кодирующие системы,подобные штрих-кодам, на основе меток такого типа более удобны для считывания, чемоптические аналоги.На различных этапах исследования магнитных свойств при обнаружении новыхособенностей аморфные ферромагнитные микропровода использовались в различныхобластях: от сердечников трансформаторов и других деталей микроэлектроники допоглощающих покрытий, в качестве сверхчувствительных датчиков магнитного поля и системкодированияиидентификацииинформации.Областиихприменениянепрерывнорасширяются, что приводит к необходимости постоянного поиска материалов с новымимагнитными свойствами.Таким образом, исследования магнитных свойств одиночных микропроводов ипроцессов перемагничивания их систем являются актуальными как в фундаментальнойфизике, так и с точки зрения прикладных аспектов.5Цели и задачи исследованияЦель диссертационной работы заключалась в исследовании влияния состава,геометрических параметров и взаимодействий между аморфными ферромагнитнымимикропроводами на их статические и динамические магнитные свойства для расширениясуществующих представлений о механизмах перемагничивания и магнитных свойстваходиночных микропроводов и их систем.В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:1.

Исследованиезависимостимагнитныхимагнитоимпедансныхсвойстваморфных микропроводов в стеклянной оболочке от их длины, диаметраметаллической жилы d, полного диаметра микропровода D и отношения этихдиаметров D/d.2. Анализ связи условий изготовления с образованием различных магнитных фаз вхимически однородных аморфных микропроводах.3. Исследованиепроцессовперемагничиваниясистемвзаимодействующихмикропроводов, обладающих небистабильными петлями гистерезиса. Анализмеханизмов связи этих процессов с параметрами систем.4. Исследование особенностей перемагничивания систем взаимодействующихмикропроводов с разными типами доменных структур в переменных магнитныхполях различной амплитуды.5.