СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .......................................................5
1 ОСОБЕННОСТИ ВЛИЯНИЯ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ НА ИМПЕДАНС АМОРФНЫХ И НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАГНИТОМЯГКИХ ЛЕНТ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ) ... 11
1.1 Импеданс...............................................11
1.2 Аморфные и нанокристаллические металлические сплавы 12
1.3 Магнитные свойства.....................................14
1.3.1 Модель случайной анизотропии.....................14
1.3.2 Макроскопическая магнитная анизотропия...........17
1.3.3 Магпитострикция..................................19
1.3.4 Доменная структура...............................22
1.4 Импеданс проводника во внешнем магнитном поле. Эффект маг-нитоимпеданса.............................................25
1.4.1 Теоретические модели магнитоимпедансного эффекта 27
1.5 Влияние деформаций на импеданс магнитомягких лент......33
1.6 Импеданс магнитомягкого проводника при различных температурах ......................................................37
1.7 Прикладное значение магнитоимпедансного эффекта........40
1.8 Выводы по 1 главе......................................42
2 МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.............................43
2.1 Методики исследования влияния магнитного поля, механических напряжений и температуры на импеданс магнитомягких лент..43
2.1.1 Методики измерения импеданса ;...................43
2.1.2 Измерительная ячейка.............................48
2.1.3 Методика измерения сопротивления постоянному току... 51
2
2.2 Исследование поверхности и микроструктуры образцов.......53
2.2.1 Оптическая микроскопия.............................53
2.2.2 Рентгеноструктурный анализ.........................53
2.2.3 Просвечивающая электронная микроскопия.............54
2.3 Исследование магнитных свойств...........................55
2.4 Методика измерения константы магнитострикции насыщения при различных температурах.......................................57
2.5 Порядок проведения экспериментов и обработка результатов измерений .......................................................59
2.6 Оценка погрешностей измерений............................60
2.6.1 Погрешности измерений импеданса....................60
2.6.2 Погрешность измерения температуры..................61
2.6.3 Погрешность измерения электросопротивления.........61
2.6.4 Погрешность определения напряженности внешнего магнитного поля 62
2.6.5 Погрешность определения механических напряжений — 63
2.7 Исследуемые образцы......................................64
2.8 Выводы по 2 главе........................................65
3 ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ИМПЕДАНС УПРУГОДЕ-ФОРМИРОВАННЫХ НИЗКОСТРИКЦИОННЫХ ЛЕНТ АМОРФНОГО СПЛАВА Ее^СостМо^З^Вц..............................66
3.1 Структура аморфных лент РелСооуМо^Эиб.оВп................68
3.2 Зависимости импеданса лент Рс^СоотМо^ЗцбдВц от напряженности внешнего магнитного поля при различных значениях температуры и растягивающих напряжений..............................70
3.3 Влияние механических напряжений на магнитоимпедаис аморфных лент РсцСовтМо^адВц в температурном диапазоне (293 -403) К.......................................................71
3.4 Анализ экспериментальных результатов.....................77
3
3.4.1 Температурная зависимость константы магнитострикции насыщения ...................................................85
3.5 Выводы по 3 главе..........................................87
4 ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ, МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯ-ЖЕНИЙ И МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ИМПЕДАНС НАНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ЛЕНТ Fe?3i5Si16>5_IB6+;cNb3Cui (X = 0; 3)..............................................................89
4.1 Структурное состояние лент FeSiBNbCu после термообработки 91
4.2 Поверхность манокристаллических лент.......................91
4.3 Магнитные свойства.........................................93
4.4 Влияние температуры на сопротивление постоянному электрическому току.....................................................95
4.5 Зависимости импеданса от температуры.......................97
4.6 Влияние механических напряжений на импеданс лент в температурном диапазоне (297 - 433) К.................................99
4.7 Эффект магиитоимпеданса в сплавах FeSiBNbCu в температурном диапазоне (297 - 433) К.......................................101
4.7.1 Зависимости импеданса от внешнего магнитного поля в температурном диапазоне (297 - 433) К........................101
4.7.2 Влияние температуры на величину МИ эффекта в сплавах FeSiBNbCu.................................................106
4.8 Анализ экспериментальных результатов......................109
4.8.1 Анализ температурных зависимостей стрессимпеданса.. 109
4.8.2 Анализ температурных зависимостей магнитоимпеданса 111
4.9 Выводы но 4 главе.........................................119
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ........................................121
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................124
4
ВВЕДЕНИЕ
Исследование магнитомягких аморфных и нанокристаллических сплавов на основе переходных металлов является одним из актуальных направлений физики магнитных явлений. Интерес к данным материалам вызван уникальным сочетанием их свойств, таких как малая коэрцитивная сила, высокие значения магнитной проницаемости и намагниченности насыщения, малые потери на перемагничивание. Данные характеристики определили применение аморфных и нанокристаллических сплавов в качестве сердечников трансформаторов, в импульсных источниках питания, в электродвигателях с высоким кпд, системах магнитной записи и т.д.
Особый интерес представляет исследование электрического импеданса данных материалов. Из классической электородинамики известно, что импеданс ферромагнитного проводника определяется его магнитной проницаемостью. Учитывая высокие значения магнитной проницаемости аморфных и нанокристаллических сплавов на основе переходных металлов и их исключительную магнитную мягкость, можно ожидать повышенную чувствительность импеданса данных материалов к факторам внешней среды, вызывающим изменение их магнитной проницаемости. В начале 90-х годов прошлого столетия была обнаружена высокая чувствительность электрического импеданса данных материалов к изменению внешнего магнитного поля, что открыло широкие перспективы их использования в качестве чувствительных элементов датчиков магнитных полей. Данное явление было названо магнитоимпеданс-ным эффектом. Также имеются сведения о чувствительности импеданса к механическим напряжениям (стрессимпеданеный эффект) и температуре.
Следует упомянуть, что изучая поведение импеданса аморфных и нанокристаллических сплавов во внешнем магнитном поле и под действием механических напряжений, можно получить сведения об особенностях магнитной анизотропии, оценить величину и знак константы магнитострикции насы-
5
щения. Таким образом, магнитоимпедансный и стрессимпедансный аффекты выступают как дополнительные инструменты исследования магнитных свойств материалов. Изучая температурное изменение импеданса, магнито-и стрессимпедансных эффектов, можно получить информацию о температурном поведении магнитных свойств, которую часто затруднительно получить другими методами.
Из всего вышесказанного можно заключить, что изучение импеданса аморфных и нанокристаллических сплавов в присутствии таких внешних факторов, как магнитное поле, механические напряжения и температура является одним из актуальных направлений исследования в физике магнитных явлений как с прикладной, так и с фундаментальной точек зрения.
Объектами исследования в настоящей диссертационной работе являются аморфные ленты сплава l^CocyMoi^Siie^Bn и нанокристалл и ческие ленты сплавов Feya^SiiG.sBeNbaCui и Fe73j5Sii3f5BgNb3Cui. Выбор данных материалов обусловлен тем, что в аморфном состоянии наиболее интересны сплавы на основе кобальта, так как они обладают околонулевой константой магнито-стрикции, а, следовательно, малой величиной магнитоупругой анизотропии и высокой проницаемостью. В этом отношении сплавы на основе железа в аморфном состоянии значительно им уступают. Однако после соответствующей термообработки в сплавах на основе железа наблюдается формирование нанокристаллической структуры, приводящей к значительному улучшению их магнитомягких свойств. Преимуществами аморфных сплавов на основе кобальта является их высокая механическая прочность и коррозионная стойкость, к недостаткам можно отнести высокую стоимость, вследствие высокого содержания кобальта. Нанокристаллические сплавы на основе железа с экономической точки зрения более предпочтительны, но они отличаются очень малой механической прочностью.
Целью данной работы является установление закономерностей поведения импеданса аморфных лент fia основе кобальта и нанокристаллических лент на основе железа под воздействием температуры, механических напряжений и магнитного поля.
Основные задачи:
1. Разработать экспериментальные методики для изучения влияния магнитного поля, механических напряжений и температуры на импеданс
б
аморфных и нанокристалл и ческих лент.
2. Изучить влияние температуры на магнитоимпедансный эффект в упру-годеформированных лентах аморфного сплава Р^О^Мо^З^едВи.
3. Изучить связь температурного изменения импеданса нанокристалличе-ских лент сплавов Ре7з,58110,5В0КЬзС111 и Ре^з^Эиз^ВоМЬзСи! и особенностей их магнитной анизотропии.
4. Изучить совместное влияние механических напряжений и температуры па импеданс нанокристаллических лент сплавов Реп^Змб.бВбИЬзСщ и Ретзд&вдВдНЬзСщ с наведенной поперечной анизотропией.
В работе получены и выносятся на защиту следующие новые научные результаты:
1. Обнаружено, что при изменении температуры изменяется характер влияния упругих деформаций на магнитоимпеданс аморфных лент Рор СооуМо^ЗйбдВп. Предложена и экспериментально подтверждена модель. объясняющая обнаруженные закономерности температурным изменением знака константы магнитострикции.
2. Предложен и апробирован на примере аморфных и нанокристаллических магнитомягких сплавов метод определения значений константы магнитострикции насыщения материала, исходя из зависимостей импеданса от напряженности внешнего магнитного поля и механических напряжений.
3. Обнаружено, что наведение в ходе термомагнитной обработки компоненты поперечной магнитной анизотропии в нанокристаллических лентах Ре73,оВсИЬзСи! приводит (на частотах переменного тока от 0,5 до 50 МГц при температурах от 297 К до 433 К) к переходу от температурной зависимости импеданса, имеющей максимум, к зависимости импеданса, монотонно убывающей с ростом температуры.
4. Установлено, что температура оказывает различное влияние на импеданс, магнито- и стрессимпедансный эффекты в лентах сплавов Рсуз,5-ЗибдВб^зСи! и Ре73,58113,бВдИЪзСщ. Предложена модель, предполагающая, что различное влияние температуры на импедансные свойства
указанных сплавов обусловлено более выраженной дисперсией магнитной анизотропии в лентах Fe73i5Sii6,5Bf)Nb3Cui но сравнению с лентами Fere^Siia^BgNbaCui.
Практическая ценность работы:
1. Обнаружено, что упругие деформации значительно повышают чувствительность импеданса аморфных лент FejCoeyMoi^Sii^Bn к температуре, которая достигает 3%/К, что может быть использовано при разработке датчиков температуры.
2. Обнаружена высокая чувствительность импеданса нанокристаллических лент Fers^SiiG.sBeNbaCui и FeTa^Siia^BgNbaCui к механическим напряжениям, достигающая 2%/МПа, что позволяет рассматривать данные сплавы как перспективные материалы для создания датчиков деформаций.
3. Обнаружены существенные температурные изменения магнитоимпеданс-ного эффекта нанокристаллических лент Feza^Siio.oBeNbsCui и Fe73>5-Sii3,5B9Nb3Cui, достигающие 40%, что необходимо учитывать при разработке магнитоимпедансных датчиков магнитного поля, работающих
в широких температурных дипазонах.
Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов и списка цитируемой литературы. Объем работы составляет 142 страницы, включая 57 рисунков и 2 таблицы. В списке литературы приведено 173 наименования.
Первая глава носит обзорный характер. В ней отражены ключевые моменты, связанные с явлением магнитоимпеданса. Проведен анализ работ, посвященных влиянию магнитного поля, механических напряжений и температуры на импеданс и магнитоимпедансный эффект в аморфных и нанокристаллических лентах.
Вторая глава содержит описание экспериментальных установок и методик исследования совместного влияния температуры, магнитного поля и механических напряжений на аморфные и нанокристаллические магнитомягкие материалы.
В третьей главе исследуется и обсуждается влияние температуры на импеданс и эффект магнитоимпеданса в упругодеформированиых лентах Fer
Coe7Moi,sSii6l5Bii. Закономерности изменения импеданса и МИ в упругоде-формированных лентах под действием температуры объясняются в рамках температурного изменения магнитных свойств материала.
Четвертая глава содержит результаты исследований влияния температуры на импеданс и МИ в нанокристаллических лентах Fe^Siie^BeN^Cui и Fe73j5Sii3>5BgNb3Cui, нанокристаллизованных как в магнитном поле, так и без него. Особенности температурного поведения импеданса и МИ связываются с особенностями температурного изменения магнитной анизотропии, намагниченности и электросопротивления.
Материалы диссертационной работы были представлены на 13 научных конференциях:
• XV Республиканская научная конференция аспирантов, магистрантов и студентов «Физика конденсированного состояния» (Гродно, Беларусь, 2007),
• Moscow International Symposium on Magnetism (Moscow, 2008),
• III Байкальская международная конференция «Магнитные материалы. Новые технологии» (Иркутск, 2008)
• Третья Всероссийская конференция по наноматериалам НАНО-2009 (Екатеринбург, 2009),
• XXI Международной конференции «Новое в магнетизме и магнитных материалах» (Москва, 2009),
• Всероссийская Байкальская конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по наноструктурным материалам (Иркутск, 2009),
• Юбилейная X Всероссийская молодежная школа-семинар по проблемам физики конденсированного состояния вещества (Екатеринбург, 2009).
• Пятая Российская научно-практическая конференция «Физические свойства металлов и сплавов» (Екатеринбург, 2009),
• International Conference and Seminar on Micro/Nano Electron Devices EDM’2010 (Erlagol, 2010),
9
• IV Euro-Asian symposium “Trends in magnetism”: Nanospintronics (Ekaterinburg, 2010),
• IV Байкальская международная конференция «Магнитные материалы. Новые технологии» (Иркутск, 2010),
. • Recent Trends in Nanomagnetism, Spintronics and their Applications (Ordi-zia, Spain, 2011),
• Moscow International Symposium on Magnetism (Moscow, 2011).
По теме работы было опубликовано 7 статей в ведущих научных рецензируемых журналах, определенных Высшей Аттестационной Комиссией, 2 статьи в зарубежных журналах, 4 статьи в сборниках с ISBN, 11 тезисов докладов.
Диссертационная работа выполнена, на кафедре физики ГОУ ВПО «Восточно-Сибирская государственная академия образования». Все основные результаты были получены лично автором. Выбор направления исследования, формулировка задач и обсуждение результатов проводились совместно с научным руководителем. Исследования структуры и магнитных свойств лент Fe73,5SiiG,5B(5Nb3Cui и Fe73,5Sii3,5B9Nb3Cui были выполнены соавторами работ в Уральском государственном университете и в Институте физики металлов УрО РАН (Екатеринбург). Исследования структуры сплава FciCog7Moi,5-Sii6,5Bn проведены в Институте геохимии СО РАН (Иркутск). Исследования влияния магнитного поля, упругих деформаций и температуры па импеданс лент сплавов Fe4Coc7Moit5Siic,5Bn, Fe^sSinj^BeNbaCui и Fero^Siia^BgNksCui, изучение температурного изменения их магнитных свойств, измерения маг-нитострикции выполнены в Лаборатории физики магнитных явлений Восточно-Сибирской государственной академии образования (Иркутск).
Работа была поддержана грантами Российского Фонда Фундаментальных Исследований (проекты №05-08-18063-а, №07-08-05037-мтб и №09-08-00406-а) и Правительством Российской Федерации (специальная государственная стипендия, приказ Министерства образования и науки РФ №1581 от 15.10.09)
10
Глава 1
ОСОБЕННОСТИ ВЛИЯНИЯ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ НА ИМПЕДАНС АМОРФНЫХ И НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАГНИТОМЯГКИХ ЛЕНТ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)
1.1 Импеданс
Импедансом элемента электрической цепи называют его полное сопротивление переменному току. В комплексном виде импеданс может быть выражен следующим образом:
£ = Я + зХ (1.1)
где з = \/~1) Я — активная компонента импеданса, X — реактивная компонента, которая в общем случае представлена индуктивной и емкостной составляющими.
Импеданс проводника согласно представлениям, развитым в рамках классической электродинамики [1], зависит от глубины скин-слоя, т.е. от глубины проникновения переменного тока в проводник. Для неферромагнитного проводника глубина скин-слоя определяется выражением: 6 = у где р — удельное сопротивление постоянному току, / — частота переменного тока, до = 47г • КГ7 Гн/м — магнитная постоянная. В случае ферромагнитного проводника магнитное поле переменного тока будет периодически перемагни-чивать его в направлении, перпендикулярном направлению протекания тока.
11
Поэтому в выражении для скин-слоя необходимо учесть поперечную магнитную проницаемость проводника:
где щ — эффективная поперечная магнитная проницаемость (поперечная к направлению протекания переменного тока).
Известно, что магнитная проницаемость ферромагнетика может изменяться под действием внешнего магнитного поля, механических напряжений, температуры и т.д. [2]. Вследствие этого будет изменяться и импеданс ферромагнитного проводника. Наиболее актуальными средами для изучения воздействия внешних факторов на импеданс являются аморфные и нанокри-сталлические магнитомягкие сплавы. Это связано с рекордно большими значениями магнитной проницаемости, наблюдаемыми в данных материалах.
Всвязи с этим акцентируем внимание на магнитных свойствах аморфных и нанокристаллических материалов, от которых зависит их импеданс, а также особенности влияния на него магнитного поля, механических напряжений и температуры.
О возможности существования металлов в аморфном состоянии известно с
получены металлические пленки, не имеющие кристаллической структурі,і. Однако всплеск интереса к аморфным металлическим сплавам наметился лишь в 70-х гг прошлого столетия. Это объясняется разработкой технологий получения металлов в аморфном состоянии, а также уникальными свойствами данных материалов, к когорт,гм можно отнести высокую прочность, коррозионную стойкость, отличные магнитные свойства и др. В 80-х гг XX века вышло большое число обзорных работ и монографий, в которых обсуждаются химические и физические свойства аморфных металлических сплавов, в том числе и интересующие нас магнитные свойства [3, 4, 5, б, 7, 8].
Получение аморфного состояния в большинстве случаев сводится к «замо-
Р
(1.2)
1.2 Аморфные и нанокристаллические металлические сплавы
40-х годов XX столетия, когда путем низкотемпературного напыления были
12
- Київ+380960830922