Магнитные свойства и гигантский магнитный импеданс неоднородных планарных структур на основе 3d-металлов

2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ..........................................................5
ГЛАВА 1. ГИГАНТСКИЙ МАГНИТНЫЙ ИМПЕДАНС ПЛАНАРНЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ3(1-МЕТАЛЛОВ (ОБЗОРЛИТЕРАТУРЫ).............................12
1.1. Комплексное сопротивление пассивного двухполюсника_______ 12
1.2. Магнитный импеданс____________________________________________________ 12
1.3. Импеданс и скин-эффект_________________________________________________________14
1.4. Феноменологии Г МИ______________________________________________________________________ 15
1.4.1. Область малых частот (1 -10 КГц)....................................................15
1.4.2. Область средних частот (10 КГц - 100 МГц)...........................................16
1.4.3. Область сверхвысоких частот (свыше 100 МГц).........................................17
1.5. Теории ГМИ______________________________________________________________________________ 17
1.5.1. Уравнения Максвелла.................................................................18
1.5.2. Уравнение Ландау-Лившица............................................................18
1.5.3. Описание теоретических моделей......................................................19
1.6. Методики получении МИ материалов планарной геометрии_____________________________________21
1.6.1. Аморфные металлические ленты........................................................21
1.6.2. Нанокристаллическис магнитные сплавы................................................22
1.6.3. Магнитные тонкие пленки.............................................................24
1.7. Физико-химические особенности планарных структур с высоким эффектом ГМИ (состав, геометрии, структура, магнитиаи анизотропии)______________________________________25
1.7.1. Влияние размеров образца и особенностей поверхности образца на эффект ГМИ...........25
1.7.2. Влияние химического состава образна на эффект ГМИ (быстрозакаленные ленты на основе кобальта и на основе железа; магнитные тонкие пленки и многослойные пленочные структуры) 27
1.7.3. Способы управления особенностями эффективной магнитной анизотропии..................30
1.8. Методики измерении магнитного импеданса планарных структур_______________________________33
1.8.1. Метод прямого измерения магнитного импеданса........................................33
1.8.2. Метод моста Уитсона.................................................................35
1.8.3. Метод с использованием генератора Колпиттса.........................................35
1.8.4. Метод фазового детектирования.......................................................36
1.8.5. Минимизация индуктивности измерительной системы.....................................37
1.8.6. Влияние параметров измерения на эффект ГМИ (влияние параметров зондирующего тока, особенностей магнитного поля, влияние температуры измерений)..........................40
1.9. Примеры технологических приложений ГМИ-эффекта для детектирования слабых магнитных нолей с различной степенью неоднородности________________________________________41
1.10. Постановка задачи исследования_________________________________________________47
ГЛАВА 2. МА ТЕРИАЛЫ, ОБРАЗЦЫ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ 50
2.1. Быстрозакаленные аморфные п нанокрнстлллические ленты (получение и описание образцов)________________________________________________________50
2.2. Пленочные структуры (получение и описание образцов)______________________________58
2.3. Модельные объекты для детектирования полей рассеяния (получение и описание образцов)________________________________________________________________________ 64
2.4. Методики исследования состава, структуры и геометрических характеристик 70
2.4.1. Оптическая микроскопия.............................................................70
2.4.2. Рентгеноструктурный анализ.........................................................71
2.4.3. Механический контактный метод измерения толщины тонких пленок и высоты ступеней на поверхности с нанометрическим разрешением............................................72
2.5. Методики исследования магнитных свойств и магнитной анизотропии_______________73
2.5.1. Индукционный метод.................................................................74
2.5.2. Метод вибрационной магнетометрии...................................................74
2.5.3. Магнитооптический эффект Керра...............................................74
2.6. Методы исследования магнитной доменной структуры_________________________________75
2.7. Методики измерения электрических свойств и МИ ___________________________________77
2.7.1. Измерение электросопротивления...............................................77
2.7.2. Измерение магнитного импеданса...............................................78
ГЛАВА 3. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА, ОСОБЕННОСТИ МАГНИТНОЙ АНИЗОТРОПИИ И ГИГАНТСКИЙ МАГНИТНЫЙ ИМПЕДАНС КОМПОЗИЦИОННО ОДНОРОДНЫХ МАССИВНЫХ ПЛАНАРНЫХ СТРУКТУР с ВЫСОКОЙ СТЕПЕНЬЮ МАГНИТНОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ (на примере быстрозакаленных лент)...................................................................82
3.1. Исследование влияния малой пластической деформации на .магнитные свойства, наведенную магнитную анизотропию и гигантский магнитный импеданс аморфных лент сплава FcjCo^CrjSiisBu________________________________________________________________83
3.2. Исследование магнитных свойств, наведенной магнитной аиизотронии и гигантского магнитного импеданса аморфных лент сплава Fe^sCo^.sCrjSiisBis, не подверженных дополнительным термическим воздсйствиим_______________________________________________98
3.3. Исследование магнитных свойств, наведенной магнитной анизотропии и гигантского магнитного импеданса быстрозакаленных лент сплава CocoF^Si^B^Moj, подверженных дополнительным термическим воздействиям для частичной наиокристаллизации 109
3.4. Исследование магнитных свойств и гигантского магнитного импеданса нанокристаллическпх лент сплава Fe73.sSiif,.sB6NbjCui с различными особенностями магнитной анизотропии, наведенной термомагнитными обработками_______________________ 118
3.5. Сравнительный анализ некоторых особенностей гигантского магнитонмпедансного эффекта в аморфных лентах сплавов Fc4C067M01.5Sii6.5Bu, FcsCctoCrjSiisBu* Fe2.5C064.5Cr3Si,5Bl5ii нанокристаллическпх лентах Co66Fc4Sii6Bi2Mo2 и Fc73.5Sii6.sB6NbjCui с определенными особенное гимн эффективной магнитной анизотропии______________________ 135
ГЛАВА 4. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА, ОСОБЕННОСТИ МАГНИТНОЙ АНИЗОТРОПИИ И ГИГАНТСКИЙ МАГНИТНЫЙ ИМПЕДАНС ПЛЕНОЧНЫХ ПЛАНАРНЫХ СТРУКТУР (на примере однослойных и многослойных структур на основе пермаллоя).......................................................................147
4.1. Исследование особенностей наведенной магнитной анизотропии и гигантского магнитного импеданса пленочных структур на основе пленок FeNi с малым отношением геометрических параметров «ширина немагнитного слоя/общая ширина» чувствительного элемента____________________________________________________________ 149
4.2. Исследование особенностей наведенной магнитной анизотропии, магнитной доменной структуры н гигантского магнитного импеданса пленочных структур на основе пленок FeNi с большим отношением геометрических параметров «ширина немагнитного слон/общан ширина» чувствительного элемента_________________________________________ 163
4.3. Исследование особенностей наведенной магнитной анизотропии и гигантского магнитного импеданса пленочных структур на основе пленок FeNi с варьируемой толщиной магнитных слоев_________________________________________________________ 174
Глава 5. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ВЫСОКОНЕОДНОРОДНЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ МАГНИТОИМПЕДАНСНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.............................................183
5.1. Обоснование выбора ферромагнитных модельных объектов дли детектировании неоднородных нолей рассеяния_____________________________________________________ 183
5.2. Особенности детектирования неоднородных магнитных полей плоского модельного объекта при использовании чувствительного МИ- элемента в виде аморфной ленты 186
5.2.1 Модельные объекты с малым отношением «ширина/длина»..........................189
4
5.2.2. Модельные объекты с большим отношением «длина/ширина»......200
5.3. Сравнительный анализ особенностей детеїстнрования неоднородных магнитных полей плоского модельного объекта при использовании чувствительных ГМИ-элементов в виде аморфной ленты и пленочного элемента________________________________205
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТА ТЫ РАБОТЫ...........................................212
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ......................................215
ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................230
5
ВВЕДЕНИЕ
Особенности магнитной анизотропии, процессы квазистатического и динамического перемагничивания, транспортные и магнитотранспортные свойства малоразмерных и наноструктурированных систем на основе 36-металлов представляют собой широкую область научного знания, сформировавшуюся в последние годы на стыке таких дисциплин, как физика магнитных явлений, физика конденсированного состояния и физическое материаловедение. Подтверждением достижений в упомянутой области может служить факт присвоения Нобелевской премии 2007 года за открытие эффекта гигантского магнитосопротивления (ГМС) [1-2]. Магнеторезистивный эффект (МР) состоит в изменении электросопротивления магнитного образца под воздействием внешнего магнитного поля. Эффект МР наблюдается в таких неоднородных системах, как многослойные пленки, многослойные нанопроволоки и гранулированные структуры [3-5]. Основной механизм возникновения эффекта МР - это спинзависимое рассеяние электронов проводимости. Следует специально уточнить, что явление МР возникает при протекании по неоднородной ферромагнитной структуре постоянного электрического тока.
При протекании по ферромагнитному проводнику переменного тока возможно возникновение другого эффекта, называемого магнитоимпедансным [6-7]. Магнитный импеданс (МИ) - это эффект изменения комплексного сопротивления (реальной и мнимой части) ферромагнитного проводника под действием внешнего квазистатического магнитного поля. Магнитный импеданс был открыт еще в 1936 г. в проволоках РеМ1 и интерпретирован в терминах классической электродинамики как разновидность скин-эффекта в условиях изменения магнитной проницаемости проводника под воздействием внешнего магнитного поля [8]. В 1994 году было обнаружено, что некоторых магнитомягких материалах относительное изменение импеданса превышает 100 % в сравнительно малых магнитных полях (менее 1-10 Э) [9-10]. Такая
б
разновидность МИ получила название «гигантский магнитный импеданс» (ГМИ). Максимальные величины упомянутых эффектов: для МР - около 60%, а для ГМИ до 500% [9-10].
Для технологических приложений, однако, важна не столько общая величина эффекта (ГМС или ГМИ), сколько его чувствительность по отношению к внешнему магнитному полю. Чувствительность ГМИ-элемента - это параметр магниточувствительного элемента, определяемый отношением изменения магнитного импеданса на единицу прилагаемого поля. Таким образом, общая чувствительность рассчитывается при переходе магниточувствительного элемента из состояния магнитного насыщения полем одного направления в состояние магнитного насыщения полем противоположного направления. При этом в большинстве технических устройств используется рабочий интервал полей чувствительного ферромагнитного элемента существенно более узкий, чем интервал полей перемагничивания из одного состояния насыщения в другое состояние насыщения, т.е. принимается во внимание не общая чувствительность эффекта, а его чувствительность в определенном интервале полей. Именно этот параметр и играет определяющую роль в выборе рабочего интервала чувствительного элемента применительно к технологическим приложениям. Максимальные чувствительности, достигнутые на сегодняшний день: 4%/Э для ГМС и 500%/Э для ГМИ-детекторов [11-12]. Различная чувствительность эффекта ГМИ к внешнему магнитному полю в полях разной величины отражает особенности процессов намагничивания ферромагнитных структур, что позволяет использовать эффект ГМИ как высокочувствительный дополнительный метод исследования особенностей магнитной анизотропии, процессов намагничивания и динамической магнитной проницаемости магнитомягких ферромагнетиков.
Магнитные преобразователи (преобразователи с магнитным элементом, чувствительным к величине внешнего магнитного поля) занимают ведущие позиции в области разработок современных
7
технологических устройств и микроэлектроники. Для их совершенствования необходимы новые наноструктурированные материалы с особыми магнитными и магнитотранспортными свойствами. Такого рода материалами в первую очередь являются планарные структуры, наиболее адаптированные к технологическим процессам производства. К таким материалам относятся быстрозакаленные аморфные и нанокристаллические ленты и тонкие пленочные структуры (однослойные, многослойные и гранулированные).
Открытие целого ряда новых физических явлений (ГМС, ГМИ, гигантского эффекта Холла) в упомянутых планарных структурах стимулировало дополнительные исследования с целью понимания природы новых явлений и существенного повышения функциональных возможностей новых материалов. Однако для практически значимой реализации этих эффектов необходимы целенаправленные исследования планарных структур и элементов на их основе с ориентацией на оптимизацию их структурнохимических параметров, особенностей эффективной магнитной анизотропии и процессов перемагничивания, температурной зависимости магнитных и магнетотранспоргных свойств, включая интервал технологически важных эксплуатационных температур от - 40 до 200 1>С.
Ввиду рекордно высокой чувствительности ГМИ к внешнему магнитному полю, позволяющему детектировать магнитные поля вплоть до биогенных полей порядка нескольких пикотссла, данный эффект вызвал особый практический интерес как физическая основа чувствительных элементов для детектирования слабых магнитных полей, применяемых в датчиках позиционирования, микроперемещений и в биомедицине. Это стимулировало как поиск новых ГМИ материалов, так и исследования по оптимизации процессов квазистатического и динамического перемагничивания в широких диапазонах частот и амплитуд переменного тока, совершенствование техники и методики измерения магнитного импеданса. Возможность использования гигантского магнитного импеданса как дополнительного метода для характеристики ферромагнитных структур
8
все более и более входит в повседневную научно-исследовательскую практику.
Целью данной работы является установление связи гигантского магнитного импеданса с магнитными свойствами неоднородных планарных структур на основе Зб-металлов с варьируемыми физико-химическими характеристиками.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Впервые определено и интерпретировано влияние малой пластической деформации на особенности магнитной анизотропии, магнитные свойства и гигантский магнитоимпедансный эффект массивных планарных структур РезСо^СгзЗЦзВ^.
2. Впервые установлена связь особенностей формирования наведенной магнитной анизотропии и гигантского магнитного импеданса нанокристаллических лент сплава Ре7з.5511б.5В6МЬзСиь подвергшихся термическим воздействиям, в том числе и в присутствии внешнего магнитного поля.
3. Впервые определены особенности ГМИ и его связь с магнитной структурой пленочных элементов Ре19РЙ81/Си/РС19‘№81 и Ре^КЧ^/Ре^РЙвь приготовленных за один цикл напылений с зауженным медным слоем при большом отношении «ширина немагнитного слоя/общая ширина». Показано, что для элементов с незамкнутым магнитным потоком в интервале низких частот (до 150 МГц) характерны более высокие величины ГМИ-эффекта, чем для элементов с замкнутым магнитным потоком. Показано, что для элементов обоих типов существует оптимальная критическая толщина, которой соответствуют наиболее высокие величины МИ эффекта. Предложено описание, объясняющее существование максимума на кривой толщинной зависимости с учетом анизотропии формы, магнитной анизотропии, наведенной внешним магнитным полем, возможности возникновения закритического состояния в пленках пермаллоя, а также
9
особенностями поведения динамической магнитной проницаемости таких
структур в условиях скин-эффекта.
Практическая ценность работы:
Полученные результаты могут быть использованы при создании
высокочувствительных сенсоров магнитного поля, а также как физическая
основа методики косвенной оценки структурного состояния
ферромагнетиков с помощью ГМИ. Конкретные практически значимые
результаты состоят в следующем.
1. Показано, что дозированная пластическая деформация позволяет целенаправленно изменять положение максимума ГМИ на шкале магнитного поля, что может быть использовано для создания устройств, где необходима высокая чувствительность в определенной области магнитного поля.
2. Произведены оценки геометрических параметров Ре^Мз^Си/Ре^ГчЧа! структур с зауженным центральным медным слоем, как с точки зрения получения высокого эффекта ГМИ, так и ввиду их возможных приложений для детектирования биоэлементов с суперпарамагнитными маркерами. Величина чувствительности эффекта ГМИ 6.1%/Э, полученная для Ре |91\Ч81/Си/Ре|9М81-структур шириной 3 мм делает перспективной дальнейшую разработку пленочных ГМИ элементов, адаптированных для детектирования крупных биокомпонент.
3. Показана возможность детектирования ферромагнитных модельных объектов, с помощью ГМИ-элементов в виде аморфных лент и пленочных структур на основе количественной оценки полей рассеяния, что может быть использовано в методиках неразрушающего контроля и в биомедицинских приложениях.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка цитируемой литературы. Ее объем составляет 233 страницы, включая 93 рисунка и 13 таблиц. В списке литературы приведено 213 наименований.
10
Материалы диссертационной работы были представлены на 14 научных конференциях: Всероссийская научная конференция студентов-физиков ВНКСФ-12 (март 2006, Новосибирск, Россия) 6th European Conference on Magnetic Sensor and Actuators, EMSA 2006 (июль 2006, Bilbao, Spain); Всероссийская молодежная конкурс-конференция «Электроника -2006» (ноябрь 2006, Москва, Россия); Всероссийская научная конференция студентов-физиков ВНКСФ-13 (март 2007, Ростов-на-Дону, Россия); IV Российская научно-техническая конференция «Физические свойства металлов и сплавов», ФСМиС-IV (ноябрь 2007, Екатеринбург, Россия); Московский международный симпозиум по магнетизму, MTSM (июнь 2008, Москва, Россия); 8th European Conference on Magnetic Sensor and Actuators, EMSA 2008 (июль 2008, Caen, France); Euro-Asian Symposium «Magnetism on a Nanoscale», EASTMAG 2007 (август 2007, Казань, Россия); XXIV Уральская конференция «Физические методы неразрушающего контроля» (апрель 2009, Екатеринбург, Россия); Третья Всероссийская конференция по наноматериалам, НАНО 2009 (апрель 2009, Екатеринбург, Россия); International Magnetics Conference INTERMAG 2009 (май 2009, Sacramento, USA); Международная конференция «Новое в магнетизме и магнитных материалах» (июнь 2009, Москва, Россия); 19th Soft Magnetic Materials Conference, SMM 19 (сентябрь 2009, Torino, Italy).
По теме работы было опубликовано 6 статей в ведущих научных рецензируемых журналах, определенных Высшей Аттестационной Комиссией, 4 статьи в сборниках с ISBN, 10 тезисов докладов. Диссертационная работа выполнена на кафедре магнетизма и магнитных наноматериалов и в отделе магнетизма твердых тел НИИ физики и прикладной математики ГОУ ВПО «Уральский государственный университет им. А. М. Горького». Все основные результаты были получены лично автором. Выбор направления исследования, формулировка задач и обсуждение результатов проводились совместно с научным руководителем Курляндской Г.В.. Образцы были получены Потаповым А.П. и
11
Губернаторовым В.В. в ИФМ УрО РАН и Лепаловским В.Н. в ОМТТ НИИ ФПМ УрГУ. Экспериментальные исследования были проведены совместно с соавторами работ Лукшиной В.А., Сваловым A.B., Семировым A.B., Букреевым Д.А., Моисеевым A.A., D. de Cos, М. Rivas в лаборатории магнитомягких материалов Института Физики металлов УрО РАН, в университете Страны Басков, Университете Овьедо и в Иркутском государственном педагогическом университете. Частично работа была поддержана в рамках индивидуального гранта Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (Россия), индивидуального гранта Российского Фонда Фундаментальных Исследований и индивидуального гранта магнитного сообщества IEEE (США).
12
ГЛАВА 1. ГИГАНТСКИЙ МАГНИТНЫЙ ИМПЕДАНС ПЛАНАРНЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ ЗсЗ-МЕТАЛЛОВ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)
В данной главе дается определение гигантского магнитного импеданса, рассматриваются примеры феноменологических описаний, теоретических моделей ГМИ и приводятся результаты экспериментальных исследований в планарных структурах на основе Зс1-металлов. Наиболее подробно анализируются основные физико-химические параметры, магнитные свойства и особенности магнитной анизотропии планарных структур с высоким эффектом ГМИ и высокой чувствительностью ГМИ к магнитному полю. Представлены методики измерения и примеры технологических приложений данного эффекта.
1.1. Комплексное сопротивление пассивного двухполюсника
В теории электрических цепей любую часть линейной цепи можно
представить как совокупность линейных пассивных элементов (активное сопротивление, индуктивность, емкость). Все свойства такого двухполюсника можно представить одной комплексной величиной Z- импедансом или полным электрическим сопротивлением:
г,=^г = д±Щй>) (1.1)
1 »
где икомплексная амплитуда напряжения, Г— комплексная амплитуда тока, Я - вещественная часть импеданса (активное электросопротивление), X - мнимая часть импеданса (реактивное сопротивление).
1.2. Магнитный импеданс
Магнитный импеданс (МИ) - это эффект изменения полного
электрического сопротивления (как действительной, так и мнимой частей) ферромагнитного проводника под действием внешнего квазистатического магнитного поля рис. 1.1.
13
Рис. 1.1. Определение магнитного импеданса однородного ферромагнитного
проводника: ~ + периодический высокочастотный ток возбуждения;
Hext - постоянное внешнее магнитное поле
Магнитный импеданс был открыт в FeNi аморфных проволоках еще в 1936 г. и интерпретирован в терминах классической электродинамики как разновидность скин-эффекта в условиях изменения магнитной проницаемости проводника под воздействием внешнего магнитного поля [8]. В 1994 году было обнаружено, что в некоторых магнитомягких материалах относительное изменение импеданса превышает 100% в сравнительно малых магнитных полях (менее 1-10 Э) [9, 10]:
AZ(H) |2(Я)| - \Z (Ншх )|
Z(Huax) \Z(Huax )]
»
где Нщх - поле магнитного насыщения образца. Такая разновидность МИ получила название «Гигантский магнитный импеданс» (ГМИ). В данной работе термин ГМИ будет использован для описания всех случаев магни гоимпедасного эффекта.
Эффект ГМИ вызвал существенный практический интерес как физическая основа высокочувствительных сенсоров магнитного поля, применяемых в датчиках позиционирования, микроперемещений, регистрации слабых магнитных полей в биомедицине. Это стимулировало поиск новых материалов с ГМИ, исследования по оптимизации процессов квазистатического и динамического перемагничивания в широких диапазонах частот и амплитуд переменного тока, совершенствование техники и методики измерения магнитного импеданса.
14
1.3. Импеданс и скин-эффект
Первые работы, посвященные магнитному импедансу, объясняли
зависимость комплексного сопротивления ферромагнитного проводника от приложенного магнитного поля в терминах классического скин-эффекга, т.е. явления уменьшения эффективного поперечного сечения проводника, через который протекает высокочастотный переменный ток: при увеличении частоты глубина внешнего слоя проводника, по которому протекает ток, уменьшается. При малых частотах зондирующий ток проникает внутрь проводника, но при увеличении частоты влияние переменных во времени электрического (Ё) и связанного с ним магнитного (//) полей приводит к тому, что высокочастотный ток протекает в относительно тонком приповерхностном слое толщиной 3 - скин-слое [13]:
3 = с(2шусг)~,/2 (1.3)
где со - круговая частота, о - электропроводность, ^ - магнитная
проницаемость материала, с- скорость света. В немагнитном проводнике значение величины скин-слоя зависит от частоты возбуждающего тока и удельного сопротивления материала. В ферромагнитном материале есть дополнительный параметр, оказывающий влияние на глубину скин-слоя, а, следовательно, и на импеданс образца - магнитная проницаемость. Таким образом, в магнитомягких материалах, где магнитная проницаемость достаточно велика, скин-эффект проявляется при частотах на несколько порядков меньших, чем для немагнитных проводников с одинаковой проводимостью [13].
В ферромагнитных материалах величина магнитной проницаемости зависит от величины и ориентации внешнего квазистатического магнитного поля, от величины и направления магнитного поля зондирующего тока, от магнитной анизотропии и анизотропии формы ферромагнитного проводника. Магнитный импеданс зависит от магнитного поля /?, создаваемого переменным током. Таким образом, импеданс планарных структур
15
определяется поперечной магнитной проницаемостью |Л]_. Меняя величину и геометрию приложенного магнитного поля [14] и модифицируя магнитную проницаемость с помощью дополнительных обработок материала [15] при различных частотах тока возбуждения, можно контролировать особенности ГМИ-откликов.
Магнитный импеданс зависит не только от параметров тока возбуждения и свойств материала, но также и от размера образца. Согласно развитым представлениям о механизмах ГМИ, этот эффект должен наблюдаться в условиях сильного скин-эффекта $<<а (а - характерный размер образца: полутолщина ленты или пленки, радиус проволоки). Длина образца также важна для минимизации размагничивающих полей.
1.4. Феноменология ГМИ
Феноменологические описания гигантского магнитного импеданса
могут быть разделены на три группы в зависимости от частоты зондирующего тока [13] (градация вводится с точки зрения физики явления, а также экспериментальных методик и никак не связана с общепринятой классификацией участков спектра электромагнитных волн).
1.4.1. Область малых частот (1-10 КГц)
При малых частотах ток возбуждения создает циркулярное переменное
магнитное поле Л. Такое поле, вызывая циркулярный магнитный поток, генерирует продольное электрическое поле £, значение которого определяется индуктивным напряжением на концах образца: и, = Ег1 = -{1соГ)у где / - длина образца, Ь - самоиндукция образца. Если образец однороден, выражение для Ь определяется как:^ = д//2. Самоиндукция образца, в свою очередь, зависит от пространственного распределения эффективной проницаемости материала проводника. Полное напряжение, наводимое на концах V, определяется суммой резистивного напряжения IIц и индуктивного напряжения Ь\у так что и = ик+и, = 1(1 - 'шЫ, где Я - сопротивление образца на постоянном токе. При приложении внешнего постоянного магнитного
16
поля эффективная магнитная проницаемость изменяется, что приводит к изменению импеданса Z -U// = R-ico/j(I,Ниг,/)/. Отсюда можно сделать вывод, что при малых частотах зависимость импеданса образца полностью описывается индуктивностью образца, которая пропорциональна магнитной проницаемости. Поэтому при малых частотах изменение импеданса описывается магнитоиндуктивным эффектом [17], связанным с процессом циркулярного намагничивания зондирующим током. Необходимо отметить, что при данных частотах из-за скачков Баркгаузена в движении доменных стенок индуктивное напряжение может быть очень далеко от гармонической формы, что затрудняет разделение резистивной и индуктивной компоненты импеданса экспериментальным путем.
1.4.2. Область средних частот (10 КГц - 100 МГц)
Изменение комплексного сопротивления в области промежуточных
частот описано в терминах классического скин-эффекта в магнитном проводнике на основании сильной зависимости эффективной магнитной проницаемости от приложенного квазистатического магнитного поля [10].
В реальных ферромагнетиках векторы магнитной индукции В и магнитного поля Я, как правило, не параллельны, и связь между ними нелинейная. Поэтому магнитная проницаемость при со+^О - это комплексный тензор, который зависит не только от частоты / и магнитного ноля Н , но также от некоторых других параметров, таких, как амплитуда переменного зондирующего тока, магнитная анизотропия, распределение напряжений и частной доменной структуры в образце.
Дополнительный вклад в эффективную магнитную проницаемость вносят движение доменных стенок и вращение векторов спонтанной намагниченности [18]:
+ /**> (1.4)
где - вклад в магнитную проницаемость от вращения вектора
намагниченности, вклад в магнитную проницаемость от движения
17
доменных стенок. При относительно низких частотах (менее чем 1 МГц) оба вклада в процесс намагничивания следует учитывать. При более высоких частотах движения доменных стенок сильно затруднены из-за влияния вихревых токов, и вращение векторов намагниченности доминирует в процессе намагничивания. Измерение магнитного импеданса на таких частотах требует использования принципов высокочастотной схемотехники.
1.4.3. Область сверхвысоких частот (свыше 100 МГц)
Хотя классический ферромагнитный резонанс (ФМР) обычно изучается
в образцах, находящихся в состоянии магнитного насыщения при частотах 9 ГГц и выше, ряд исследователей на сегодняшний день считают, что ГМИ-эффект - это явление, обусловленное ферромагнитным резонансом [19, 20, 21]. Таким образом, для описания магнитного импеданса используется математический аппарат и подходы, разработанные ранее для ФМР. Основные условия для получения резонанса - это: (а) приложение постоянного внешнего магнитного поля, которое фиксирует положение спинов и (б) присутствие компоненты магнитного поля переменного зондирующего тока /7, перпендикулярного внешнему полю. В условиях резонанса поле И поставляет энергию, чтобы компенсировать потери, связанные с взаимодействием вращающихся магнитных моментов в определенной среде, таким образом, поддерживая прецессию вектора спонтанной намагниченности. В условиях резонанса даже малое изменение постоянного магнитного ноля может дать сильное изменение импеданса.
1.5. Теория ГМ И
Ранее магнитный импеданс был описан в терминах классического
скин-эффекта. Точный расчет величины ГМИ как функции приложенного магнитного поля в ферромагнитном проводнике требует одновременного решения уравнений Максвелла и уравнения движения Ландау-Лившица, связывающих намагниченность образца с внешним магнитным полем.
18
Авторы многих теоретических моделей делают попытку нахождения зависимости магнитной проницаемости от частоты, величины приложенного постоянного магнитного поля и других параметров для наилучшего описания поведения конкретного материала в данных экспериментальных условиях. Отметим, что существует предел уменьшения размера магнитоимпедансных чувствительных элементов, который для известных магнитомягких материалов составляет 10"‘ м [22]. Иными словами, ГМИ-элементы субмикронных размеров не могут быть реализованы для относительно низких частот.
1.5.1. Уравнения Максвелла
Так как величина скин-слоя и характерная длина магнитной структуры
(например, ширина доменов) в магнитомягких материалах много больше, чем межатомное расстояние, классическая электродинамика сплошных сред может быть использована для описания ГМИ-эффекта. В ферромагнитном проводнике, где токами смещения можно пренебречь (Ь= 0) и материальные уравнения отношения Ё = р/ и В = д0(/? + А/) сохраняются, могут быть записаны уравнения Максвелла [23]. Аналитическое решение для импеданса проводника планарной геометрии толщиной / с учетом граничных условий и самоиндукции может быть записано следующим образом [24]:
где д,- компонента магнитной проницаемости в поперечном направлении, Rdc ~ сопротивление на постоянном токе.
1.5.2. Уравнение Ландау-Лившица
Аналитическое решение, представленное в разделе 1.5.1, не учитывает
влияние внешнего квазистатического магнитного поля на магнитоимпедансный образец. Для этого необходимо рассматривать
(1.5)
к = (1 + Î)/S, Ô = с/^IjKDCTfJ, ,
19
феноменологическое уравнение движения Ландау-Лифшица для намагниченности [25]:
В уравнении (1.10) используется коэффициент затухания Гильберта «, т.е. феноменологический параметр затухания. Это уравнение описывает все процессы намагничивания, начиная от квазистатических движений доменных стенок или процессов вращения вектора намагниченности при малых частотах до возбуждения спиновых волн при ферромагнитном резонансе.
Совместное решение уравнений уравнений Максвелла и уравнения движения Ландау-Лифшица для намагниченности с применением граничных условий представляет основное решение теории ГМИ-эффекта. Однако их точное аналитическое решение невозможно. Поэтому существуют несколько аппроксимированных теоретических моделей.
1.5.3. Описание теоретических моделей
Теоретические модели позволяют качественно и количественно
интерпретировать экспериментальные результаты и дают возможность экстраполяции в более широкие интервалы частот и магнитных полей. На рис. 1.2 представлена зависимость импеданса от частоты тока возбуждения и внешнего магнитного поля, полученная компьютерным моделированием с использованием модели, предложенной для аморфных тонких пленок
а) Квазистатическая модель была предложена на основании апроксимации, что частота тока возбуждения достаточно мала и что система может достигать равновесного состояния в каждый момент времени [28, 29]. Используя данное приближение (/=0), возможно рассчитать величину магнитной проницаемости из уравнения Ландау-Лившица. В частности, теоретически было показано, что когда ОЛН перпендикулярна оси образца, вклад поперечной магнитной проницаемости в эффект ГМИ связан с
(1.6)
[26-27].
20
движением доменных стенок. Вклад поперечной магнитной проницаемости в эффект ГМИ, связанный с вращением вектора намагниченности, значителен при условии параллельности ОЛН и оси проводника.
Рис. 1.2. Пример зависимости абсолютного значения импеданса от частоты зондирующего тока и внешнего магнитного поля, полученной с помощью компьютерного моделирования по данным работы [26]
б) Квазистатическую модель можно использовать для описания результатов и решения задач по оптимизации материалов ГМИ только при низких частотах, где скин-эффект очень мал. Однако, при более высоких частотах, когда скин-эффект доминирует, должен приниматься во внимание вклад циркулярной/поперечной магнитной проницаемости в эффект ГМИ [18, 31]. В связи с этим в работе [18] была предложена модель вихревых токов, которая рассчитывает периферическую проницаемость для периодической бамбукоподобной доменной структуры в цилиндрических проволоках. Модель вихревых токов успешно описывает основные особенности ГМИ эффекта и основные экспериментальные данные в частотном интервале 100 КГц - 30 МГц.
в) Доменная модель считается более строгой для решения задач ГМИ для магнитомягких проволок с периодической циркулярной доменной структурой. Она была предложена в работах [32, 33] и позволяла достаточно
21
точно количественно описать форму ГМИ-кривых с одним или двумя пиками для изучения магнитоимпедансных свойств аморфных проволок.
г) В высокочастотном режиме вклад движения доменных стенок в поперечную магнитную проницаемость может отсутствовать, и только вращение вектора намагниченности необходимо принимать во внимание. Такой подход реализуется в электромагнитной модели [34]. В целом электромагнитная модель позволяет качественно интерпретировать основные особенности ГМИ в высокочастотном диапазоне. Однако некоторые аспекты ГМИ не могут быть полностью разрешены, так как не учтена роль обменных взаимодействий в эффективном поле.
д) В дополнение к ранее описанным, модель обменного взаимодействия включает элементы, которые описывают обменную жесткость [35].
1.6. Методики получения МИ материалов планарной геометрии
Для получения ГМИ материалов в планарной геометрии, таких, как
аморфные и нанокристаллические ленты, пленочные структуры, используются стандартные методики для получения магнитомягких материалов, которые известны уже несколько десятков лет [36, 37].
1.6.1. Аморфные металлические ленты
Аморфные металлические сплавы могут быть получены с помощью технологий быстрой закалки из расплава, таких как, например, осаждение из газовой фазы, закалкой из расплава на вращающийся барабан и др. Среди существующих методик закалка из расплава на вращающийся барабан наиболее широко используется для получения аморфных металлических сплавов [38]. Чен и Миллер [39] разработали устройство с применением СиВе барабана, вращающегося со скоростью 300-1800 оборотов в минуту, позволяющее получать непрерывные металлические ленты под действием центробежной силы.
В настоящее время с помощью метода закалки из расплава производятся ленты, ширина которых достигает нескольких десятков дециметров с использованием широкого набора материалов (Ре, N1, Со и их