Содержание
Введение
1. Глава 1. Структурные и магнитные фазовые переходы в
кубическом ферромагнетике
1.1.Свободная энергия кубического ферромагнетика
1.2.Фазовая диаграмма кубического ферромагнетика при низких
температурах
1.2.1. Структурные и магнитные фазы и области их
устойчивости
1.2.2. Фазовые диаграммы кубического ферромагнетика при низких температурах
1.2.3. Сравнение с экспериментом
1.3.Фазовая диаграмма кубического ферромагнетика при учете
изменения модуля намагниченности
1.3.1. Структурные и магнитные фазы и области их
устойчивости
1.3.2. Фазовая диаграмма кубического ферромагнетика при отрицательном модуле упругости третьего порядка
2. Глава 2. Отражение электромагнитных волн от поверхности
ферродиэлектрика и проводящего феррита
2.1.Отражение электромагнитных волн от ферродиэлектриков
2.1.1. Система уравнений, описывающая элементарные
возбуждения в кубическом ферродиэлектрике
2.1.2. Отражение электромагнитных волн от поверхности
полубесконечного кубического ферродиэлектрика
2.1.3. Отражение электромагнитных волн от пластины
кубического ферродиэлектрика
2.2.Отражение электромагнитных волн от проводящего феррита
2.2.1. Система уравнений, описывающая элементарные
возбуждения в проводящем феррите 92
2.2.2. Отражение электромагнитных волн от поверхности
проводящего феррита 96
3. Глава 3. Отражение электромагнитных волн от антиферродиэлекгрика 103 3.1.Отражение электромагнитных волн от антиферродиэлектрика
типа легкая плоскость 103
3.1.1. Система уравнений, описывающих элементарные возбуждения п антиферромагнетике типа ле» кая плоскость 103
3.1.2. Отражение электромагнитных волн от поверхности полубес конем ною антиферродиэлекгрика типа легкая плоскость 110
3.1.3. Отражение электромагнитных волн от пластины антиферродиэлекгрика тина легкая плоскость 11Я
3.2.Отражение электромагнитных волн от поверхности структуры
типа антиферродиэлектрик-металл 125
3.2.1. Спектр элементарных возбуждений 126
3.2.2. Отражение электромагнитных волн от структуры типа антиферромагнетнк-металл 127
4. Глава 4. Поверхностные поляритоны в ангиферромагнетиках 133
4.1 .Поверхностная волна типа Гуляева-Блюстейиа, обусловленная
акустомагнитоэлектрическим эффектом 135
4.2.Поверхностные поляритоны обусловленные
магнитоэлектрическим эффектом 140
5. Заключение 153
6. Приложение! 154
7. Приложение 2 156
8. Приложение 3 157
9. Литература 161
3
Введение.
В последнее время отмечается увеличение числа исследовании в одном из самых обширных разделов физики твердого тела - физике магнетизма. Эго связано, в частности, с новыми открытиями в физике магнитных явлений. К ним относятся явления гигантского и колоссального мапштосопротивлення [1,2], маг нитная силовая микроскопия [3], спиновые транзисторы [4], а также явления аномального проявления различных физических свойств магнитоулорядоченных кристаллов в области магнитных фазовых переходов [5-7]. Большая часть из указанных открытий начинается широко применяться на практике в устройствах и материалах магннтоэлектроники. Последние интенсивно используются в электронно-вычислительных машинах.
В физике твердого тела в последние годы также отмечается значительный рост исследований свойств нового класса материалов - интеллигентных материалов [8]. К интеллигентным относятся материалы, которые могут подстраиваться под изменение внешних условий. Отот новый вид материалов уже интенсивно применяется в медицине, науже и технике и имеет большие перспективы в применении в будущем [8-10].
Новые открытия, сделанные в последнее время, относятся как правило к
аномальному проявлению различных физических свойств
магнитоуиорядоченных веществ, обусловленному взаимодействием в них
различных подсистем - магнитоупорядоченной, парамагнитной, упругой,
дипольной, ядерной и т.д. Так эффекты колоссального и гигантского
магнитосопротнвления наблюдаются в системах, в которых имеется
взаимодействие двух магнитоупорядоченных подсистем через немагнитную
подсистему [1,2]. Явление аномального уменьшения скорости звука в
магнетиках имеет место за счет аномального проявления магнитоупругого
взаимодействия в области ориентационных фазовых переходов [5]. В связи с
этим представляют интерес и являются актуальными дальнэч.иие
экспериментальные и теоретические исследования влияния взаимодействия
4
различных подсистем магнетиков на их статические, динамические и кинетические свойства.
В настоящее время имеется три класса твердотельных материалов, которые используются при создании интеллигентных систем: сплавы с эффектом памяти формы, пьезоэлектрики и магнитострикторы (8]. Вес три класса веществ характеризуются способностью изменять свои размеры при изменении температуры, внешних электрического или магнитного полей. Кроме того, материалы с памятью формы обладают свсрхупругостью и тренируемостью. Каждый класс интеллигентных материалов имеет определенную область применения. Одна из наиболее важных характеристик интеллигентных материалов, используемых в настоящее время. - относительное изменение линейных размеров - представлена в таблице 1.
Таблица 1.
Относительное изменение линейных размеров ряда веществ [8].
1 Материал Представитель Относительное изменение линейных размеров
Материалы с памятью формы Нитинол 8-10%
Пьсзоэлектрики Цирконат титана | 1% .
Маг нигос грикгоры Терфенол . ол% _
Видно, что в устройствах, в которых используется эффект увеличения или уменьшения размера образца, более выгодно применять материалы с памятью формы. Обычно изменение размеров в них происходит при изменении температуры, а именно, при переходе через температуру мартсиентного перехода. Эта температура является фиксированной для каждого образца. В некоторых случаях управлять размерами образцов с помощью температуры не представляется возможным, что уменьшает область применения данных сплавов в интеллигентных устройствах. В связи с этим представляет интерес
5
задача о поиске других способов управления размерами образцов, изготовленных из сплавов с памятью формы.
В самое последнее время (1996 - 1998) наблюдался резкий всплеск-интереса к исследованию свойств единственного пока известного магнитоупорядоченного сплава Гейслера М-Мп-Оа, в котором надежно установлено наличие эффекта памяти формы. Если мартенситный переход в таком сплаве происходит в ферромагнитном состоянии, то можно ожидат ь, что в этом случае представится возможным получить управление размерами образца с помощью магнитного поля.
В физике магнитоупругих явлений, ответственных за разнообразные взаимодействия магнитной подсистемы с решеткой, особое место занимает изучение структурных переходов в магнитоупорядоченных средах. Перестройка кристаллической решетки при структурном фазовом переходе приводит к изменению параметров взаимодействия между магнитными моментами атомов, а нестабильность магнитной подсистемы в точке формирования дальнего магнитного порядка в свою очередь может инициировать структурное превращение. Во многих магнетиках, в которых точка Кюри совпадает с температурой мартенситного превращения (например, в сталях) динамика перехода носит взрывной характер, сопровождаясь возникновением напряженного состояния в низкотемпературной фазе. Даже при сильной связи между упругой и магнитной подсистемами такие магнетики непригодны для целенаправленного управления формой при помощи магнитного поля. В сплавах Гейслера динамика перехода принципиально отлична, а марте не нтнос состояние формируется почти в квазистатике. В них мартенситные домены весьма подвижны и могут быть перестроены магнитным полем. Роль магнитного поля в мартснситной фазе в этом случае эквивалентна одноосному давлению и может использоваться для магнитного управления формой вещества. Наибольшего эффекта можно ожидать в сплавах, в которых температуры структурного и магнитного превращений совпадают, а взаимосвязь между магнитной и упругой подсистемами максимальна. При
6
использовании двусторонне-трснироваиных сплавов Гейслера, когда размеры и форма образца существенно отличаются в высокотемпературной и низкотемпературной фазах, приложение магнитного поля в окрестности связанных магнитного и структурного переходов .может привести к обратимому переключению между этими формами, то есть к магнитоуправляемому эффекту-памяти формы.
Впервые синтез и детальное исследование магнитного порядка и фазовых переходов стехиометрического сплава NijMnGa описаны в [ 11 ]. В этой работе были определены параметры решетки в высокотемпературной и низкотемпературной фазах, кривые намагничивания фаз, температуры мартенентного перехода (Тм-202 К) и магнитного переходов (Тс-376 К). Методами дифракции нейтронов показано, что магнитные свойства определяются ионами Мп. Температуры магнитного и мартенентного переходов оказались чувствительными к внешнему давлению. За последние 3-5 лет к исследованиям в этом направлении подключилось около 10 научных групп, опубликовано более 20 оригинальных статей. Судя по температурам переходов большинство сплавов группы Ni-Mn-Ga, исследованных в последних работах, были нсстсхиометричсскими композициями. Сообщается о температурах мартенентного перехода от 160 К до 450 К [12-23J. Наибольший интерес вызывают работы, в которых уточняется качественная картина структурного фазового превращения, в частности, изучаются
предмартенситные и послемартенситные фазовые переходы,
сопровождающиеся дальнодействующей модуляцией кристаллической решетки. Впервые модулированная структура, образованная сдвигом плоскостей (110) вдоль направления [110] с периодичностью 5 атомных слоев наблюдалась при охлаждении сплава [12J. Затем подобный переход вызывался внешним давлением в мартенситной фазе [13]. Рентгеновские измерения обнаружили наличие мягкой моды на поперечной акустической ветви при квазиимпульсе q, ориентированном вдоль направления [ПО] в
высокотемпературной фазе [14]. Конденсация этих фононов приводит к
7
образованию предмартенеитной фазы в температурном диапазоне Тм<Т<Т| 220 К [14,15]. Мягкая мода была также обнаружена при измерениях методом неупругого рассеяния нейтронов [16-18]. Существование промежуточного фазовою перехода было подтверждено ультразвуковыми измерениями [19,20]. Обнаружено значительное смятение упругих констант при приближении к температуре этого перехода. Поведение скорости звука и его коэффициента поглощения коррелирует с результатами измерения рассеяния неГпронов и показывает, что предмартснснтная фаза является упорядоченной модулированной фазой. В недавней статье [21] различными методами исследованы монокристаллы композиций М-Мп-Са с Тм = 400 К и обнаружено также, что структурный фазовый переход сопровождается образованием модулированных мартенситных фаз.
По сравнению со структурными переходами магнитные свойства и магнитные фазовые переходы в сплавах М-Мп-Оа менее изучены. Известно, что в стехиометрической и нестсхиометричсских композициях намагниченность насыщения увеличивается на 10-20% при переходе в низкотемпературную мартенситную фазу, а низкополевая восприимчивость резко снижается [22-25]. Что касается влияния магнитного поля на структуру сплава, то сообщается о значительных (порядка 0,2%) деформациях сплава №-Мп-Са (Тм = 276 К ), вызванных внешним магнитным полем [24]. Это значение близко к максимальным значениям деформации, получаемым в магнитострикционных материалах, но существенно меньше, чем максимальное изменение параметра решетки МгМпСа при мартенентном переходе (около 6%). Авторы работы [241 полагаю!', что обратимые деформации вызваны не мартснситным переходом, а влиянием магнитного поля на мартснситные домены с различной ориентацией кристаллографических осей.
В настоящее время конечная цель всех этих исследований - магнитное управление веществами с памятью формы - еще не достигнута.
Поскольку эффект памяти формы является следствием наличия в веществе мартенситного фазового перехода, то задача об управлении формой с
8
помощью магнитного поля фактически сводится к определению изменения точек мартснситиых фазовых переходов при приложении магнитного поля. Кроме того, так как мартснситные фазовые переходы есть переходы первою рода, необходимо также определить изменение области перекрытия мартенситной и аустенитной фаз. Стабильное управление температурой фазового перехода с помощью магаитного поля может быть достигнуто, если сдвиг точки фазового перехода будет превосходить температурную область структурного гистерезиса.
Таким образом, проведенные в последнее время исследования структурных и магнитных фазовых переходов показали, что упругая и магнитная подсистемы в сплавах ЬН-Мп<}а взаимосвязаны. Это обуславливает то, что изменения в одной из них должны сопровождаться изменениями в другой. Данное утверждение несомненно относится и к связи структурных и магнитных фазовых переходов. Отсюда следует, что изучение фазовых диаграмм, описывающих связанные структурные и магнитные фазовые переходы в сплавах ЬН-Мп-Оа, является важной задачей. Знание фазовых диаграмм позволит сформулировать в дальнейшем условия, при которых будет возможно магнитное управление эффектом памяти формы.
Первые теоретические исследования фазовой диаграммы сплавов МьМп-Са, обладающих эффектом памяти формы, были проведены в работах [28-32]. В них была построена фазовая диаграмма структурных и магнитных фазовых переходов кубического ферромагнетика при положительном модуле упругости третьего порядка. В работах [28, 29] рассматривался случай, когда температура Кюри Тс была намного выше температуры структурного перехода Тм, а в работах [30-32] -случай, когда эти температуры близки. Позднее в работах [33, 34] была построена фазовая диаграмма структурных и магнитных фазовых переходов в кубическом ферромагнетике, как при отрицательном, гак и при положительном модуле упругости третьего порядка при 1'с>>Тм. В данной диссертационной работе построена также фазовая диаграмма кубического
9
ферромагнетика при отрицательном модуле упругости третьего порядка при
В настоящее время по-прежнему остается актуальным вопрос об управлении коэффициентом отражения электромагнитных волн от поверхности различных веществ. Интерес к этому вопросу обусловлен тем, что и в промышленности и в научно-исследовательских установках имеется потребность как в высоко отражающих, так и в не отражающих материалах.
Известно, что коэффициент отражения К при нормальном падении электромагнитных волн из вакуума на границу среды с отличными от единицы диэлектрической с и магнитной ц проницаемостями определяется формулой
Эта формула справедлива только в тех случаях, когда и с и /л можно считать постоянными. Как видно из формулы (1), уменьшение коэффициента отражения может быть достигнуто, если добиться равенства диэлектрической и магнитной проницаемостей вещества
В наиболее интересном с практической точки зрения СВЧ-диапазоне диэлектрическая проницаемость твердых тел не зависит от частоты. Для немагнитоупорядоченных веществ магнитную проницаемость можно положить равной единице. Поэтому коэффициент отражения электромагнитных волн от немагнитных твердых тел в указанном диапазоне частот можно считать постоянным.
13 магнитоупорядоченных средах магнитная проницаемость может аномально возрастать или уменьшаться в области частот магнитного резонанса. Такое поведение // обусловлено ее временной дисперсией [36]. При этом может резонансно зависеть от частоты и коэффициент отражения электромагнитных волн от поверхности магнетиков. Отмеченное явление наблюдается экспериментально^?).
Тс«Тм.
[35]
О)
е = м
(2)
10
При учете магнитоупругого взаимодействия в магнетиках наблюдается три резонанса - ферромагнитный, магнитоакустический и магнитостатический [38]. Вблизи этих резонансов также должны наблюдаться аномалии магнитной проницаемости и коэффициента отражения электромагнитных волн. Однако вдали от ориентационных фазовых переходов эти аномалии невелики. Кроме того, вдали от ориентационного фазового перехода три перечисленных резонанса сливаются в один из-за большой величины эффективного поля анизотропии по сравнению с эффективными полями магнитострикцки и намагниченности. Такое поведение коэффициента отражения электромагнитных волн как раз и наблюдалось в экспериментальной работе [37].
Вместе с тем необходимо отметить, что большинство известных ферромагнетиков являются металлами. Поэтому, как ми велика магнитная проницаемость для этих веществ в СВЧ-диапазоне, она остается на несколько порядков меньше эффективной диэлектрической проницаемости для обычных
металлов в СВЧ-диапазоне (|с| -106).
В настоящее время существуют различные направления для решения проблемы уменьшения коэффициента отражения конструкционным путем.
С одной стороны рассматриваются конструкционные материалы, в которых уменьшается значение диэлектрической проницаемости *' при сохранении величины //. Так, например, в композиционных материалах на основе проводящих магнитных частиц железа сферической формы в диэлектрической матрице достигаются относительно малые значения диэлектрической и магнитной проницаемости как за счет размагничивающих и деполяризирующих факторов, так и за счет скин-эффекта ]39]. Относительно малые значения диэлектрической и магнитной проницаемости такого материала связаны со слабым проникновением электромагнитного поля во внедренные частицы. Кроме этого, исследовался композиционный материал в виде многослойной структуры из диэлектрических пленок (лавсановых и
11
полиамидных), на которые методами фотолитографии наносилась периодическая структура из изолированных квадратов (магнитных либо немагнитных) металлов и сплавов [401. В таком веществе было достигнуто значение эффективной магнитной проницаемости при значении
эффективной диэлектрической проницаемости \^}фф\ «30 [40].
С другой стороны, интенсивно исследуются новые композиционные материалы - киральные среды на основе ориентированных немагнитных спиральных проводящих витков, обладающих микроволновой магнитной проницаемостью, существенно превышающей но величине магнитную проницаемость традиционных композитов магнитного типа [41,42]. В данных материалах магнитная проницаемость в немагнитной среде является проявлением свойств наведенных круговых СВЧ-токоп и магнитоэлектрических взаимодействий. В работах 14],42] показано, что в облает резонанса, на СВЧ-диапазоне, магнитная проницаемость может достигать значений, близких к магнитной проницаемости магнитных металлов и ферромагнетиков. Кроме того, при определенной геометрии и ориентации образцов, киральные среды имеют близкие значения гг и //.
Среди фазовых переходов в магнитоупорядоченных телах особое место занимают фазовые переходы типа “порядок-порядок” - спин-персориентаиионные или ориентационные фазовые переходы [43-46], которые могут быть обусловлены изменением температуры, магнитного поля, внешних упругих напряжений и т.п. Все ориентационные фазовые переходы сопровождаются изменением направления равновесного вектора магнитного упорядочения относительно кристаллографических осей. В окрестностях ориентационных фазовых переходов резко возрастает параметр магнитоупругой связи. Это приводит к ряду эффектов, существенно влияющих на динамику магнетиков. Например, в одноосных магнитоупорядоченных кристаллах типа “легкая ось” [47,48] и типа “легкая плоскость” [49,50] в окрестности ориентационного фазового перехода в спекгре спиновых волн
12
существует магнитострикционная щель готс.. Наличие магнитоупругого взаимодействия приводит также к появлению особенностей в спектре связанных магнитоупругих и электромагнитных волн на низких частотах (й) < 0)те). В частности, в данном диапазоне частот имеет место сильное уменьшение скорости распространения квазиупругих волн за счет аномального возрастания динамического параметра магнитоупругой связи [36], а также уменьшения скорости квазиэлектромагнитных волн за счет аномального увеличения динамической магнитной проницаемости [38].
Поэтому изучение динамики магнетиков вблизи ориентационных фазовых переходов представляет научный и практический интерес как для дальнейших исследований в теории магнетизма и фазовых переходов, так и для использования научных результатов в технике. Указанные выше особенности спектра связанных электромагнитных и магнитоупругих волн вблизи ориентационных фазовых переходов позволяют предположить наличие особенностей на частотных характеристиках коэффициента отражения электромагнитных волн, которые могут быть использованы для решения проблемы управления коэффициентом отражения от магнитоупорядоченных материалов и покрытий.
В диссертационной работе аналитически и численно исследуется влияние магнитоупругого взаимодействия и аномального возрастания магнитной проницаемости в области ориентационных фазовых переходов на коэффициент отражения электромагнитных волн от магнитоупорядоченных веществ.
В настоящее время проявляется значительный интерес к исследованиям
различных типов поверхностных акустических волн [51]. Это обусловлено
прежде всего тем, что на поверхностных акустических волнах создан и весьма
интенсивно разрабатывается новый класс твердотельных приборов для
обработки информации: линии задержки, фильтры, смесители, умножители
частоты и другие функциональные устройства акусто- и магнитоэлектроники. С
другой стороны к этому имеется и общефизический интерес, связанный с
выявлением других механизмов возникновения поверхностных волн и
13
особенностей их распространения в различных кристаллах и слоистых структурах, что в дальнейшем позволит решать новые научные и практические задачи. Хотелось бы также отметить интенсивное использование поверхностных акустических волн в современной дефектоскопии поверхности, в создании на их основе чувствительных сенсоров и датчиков.
В неограниченных магнетиках распространяются объемные магнитоупругие волны. На практике же приходится иметь дело с ограниченными кристаллами, в которых наряду с объемными волнами могут возбуждаться и поверхностные волны, локализованные вблизи свободных поверхностей или поверхностей раздела между средами. Для немагнитных сред известны поверхностные упругие волны Рслея, Лява, Стоунли, а также волны Лэмба [52-55]. Исторически первый тип поверхностных акустических волн в твердом теле был предсказан Рэлеем |56]. Волна Рэлея представляет собой суперпозицию двух упругих волн с продольной и поперечной поляризацией, нормальной к поверхности. Она сосредоточена в приповерхностном слое глубиной порядка ее длины волны. Такте волны хорошо возбуждаются и широко используются во многих областях науки и техники [51,53]. В работах Гуляева [57] и Блюстейна [58] независимо было показано, что в пьезоэлектрическом кристалле вдоль свободной поверхности при определенных направлениях распространения помимо рэлссвской волны может распространяться чисто сдвиговая поверхностная акустическая волна, получившая впоследствии название волны Гуляева-Блюстсйна. Волна Гуляева-Блюстейна является слабозатухающей вглубь материала волной (упругие смещения сосредоточены в слое порядка десятков - сотен се длин волн для обычно используемых пьезоэлектриков) и, следовательно, перспективной для се практического использования в высокочастотных устройствах акустоэлектроники [53]. Волна Гуляева-Блюстейпа не является чисто упругой, так как в пьезокристалле упругие колебания сопровождаются электрическими и наоборот. При определенных симметрии кристалла и кристаллофафическом срезе для свободной поверхности возникает ситуация, когда граничным
14
условиям удовлетворяет только поперечная составляющая упругой волны совместно с сопровождающими ее электростатическими колебаниями.
Для чисто магнитной подсистемы магнитоупорядоченного кристалла также возможны поверхностные волны. Впервые в магнитостатическом приближении (без учета обменного взаимодействия) такие волны были изучены Деймоном и Эшбахом [59]. Они, как и сдвиговые поверхностные акустические волны, являются медленными волнами. Позднее ряд авторов учли влияние обменного взаимодействия на спектр волн Деймона-Эшбаха [60-64]. Условия существования поверхностных спиновых волн в чисто обменных ферро- и антиферромагнетиках со скачком обменного интеграла и частичным •закреплением магнитных моментов на поверхности исследовались в [65-66].
Взаимодействие поверхностной магнитостатической волны Деймона-Эшбаха с поперечной упругой объемной волной приводит к возникновению двух связанных волн - магнитоупругой волны волны Деймона-Эшбаха (квазимагнонного типа) и сдвиговой поверхностной мапштоакустической волны квазифононного типа, впервые рассмотренной Пареком [67,68]. Поскольку магнитострикционное взаимодействие имеет ту же симметрию, что и пьезоэффект, эти сдвиговые поверхностные магнитоакустические волны имеют структуру такую же, как у сдвиговых поверхностных акустических волн за счет пьезоэлектрического эффекта [57,58]. В отличии от последних сдвиговые поверхностные магнитоакустические волны обладают свойством невзаимности. При инверсии направления постоянного магнитного поля изменяются дисперсионные свойства волны. Свойствами поверхностных магнитоупругих волн можно управлять путем внешнего воздействия (магнитным нолем или упругим напряжением).
В работах [69-75] были предсказаны и исследованы сдвиговые поверхностные магнитоакустические волны в полуограниченных антиферромагнитных кристаллах, обусловленные пьезомагнитным эффектом. Такие волны в силу иной симметрии пьезомагнитного эффекта по сравнению с пьезоэлектрическим и магннтострнкционным качественно отличаются от волн
15
- Київ+380960830922