Магнитные и магнитоупругие свойства аморфных металлических сплавов на основе железа

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1 . ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ 1.1. Исследуемые аморфные металлические пленки, ленты и проволоки на основе железа.
стр.
5
20
20
1.2. Методы исследования доменной структуры, процессов перемагничивания, магнитных и магнитоупругих свойств аморфных металлических сплавов на основе железа. 22
ГЛАВА 2. ДОМЕННАЯ СТРУКТУРА И ПРОЦЕССЫ НАМАГНИЧИВАНИЯ В АМОРФНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНКАХ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ИОННО - ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ 32
2.1. Исследование доменной структуры и процессов перемагничивания в аморфных металлических пленках на основе железа, полученных методом ионно-плазменного напыления в магнитном поле. 32
2.2. Влияние магнитостатического взаимодействия на доменную структуру и процессы ее перестройки в узких полосках из аморфных металлических пленок, полученных методом ионно-плазменного напыления в магнитном
поле. 38
2.3. Колебательное движение доменных границ под действием переменного магнитного поля, направленного вдоль оси трудного намагничивания узких аморфных металлических полосок 46
2.4. Влияние растягивающих деформаций на величину полей перемагничивания аморфных металлических пленок на основе железа. 50
2.5. Влияние последовательности приложения магнитного поля и упругих растягивающих напряжений на процессы перестройки полосовой доменной структуры аморфных металлических полосок. 56
Выводы по главе 2. 64
ГЛАВА 3. МАГНИТОУПРУГИЕ СВОЙСТВА АМОРФНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК И ЛЕНТ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА.
65
3.1. Зависимость величины модуля упругости Ен от величины магнитного поля И в аморфных металлических пленках па основе железа.
3.2. Магнитоупругие явления в быстрозакаленных аморфных металлических лентах на основе железа.
3.3. Условия возникновения отрицательного АЕ -эффекта в ферромагнитных
65
69
2
лентах и пленках с одноосной наведенной анизотропией.
3.4. Магнитоупругие характеристики быстрозакаленных аморфных металлических лент в слабых магнитных нолях.
Выводы по главе 3.
ГЛАВА 4. МАГНИТНЫЙ ФАЗОВЫЙ ПЕРЕХОД В ТОРОГО РОДА В АМОРФНЫХ МЕ ТАЛЛИЧЕСКИХ ЛЕНТАХ С ОДНООСНОЙ АНИЗОТРОПИЕЙ ИНДУЦИРУЕМЫЙ ВНЕШНИМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ. Выводы по главе 4.
ГЛАВА 5. ВЛИЯНИЕ УГЛОВОЙ И АМПЛИ ТУДНОЙ ДИСПЕРСИИ АНИЗОТРОПИИ НА МАГНИТОУПРУГИЕ СВОЙСТВА И Ша -ЭФФЕКТ В УЗКИХ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ПОЛОСКАХ С ОДНООСНОЙ НАВЕДЕН-НОЙ АНИЗОТРОПИЕЙ.
5.1 Влияние угловой дисперсии анизотропии на величины модуля упругости в магнитном поле £м, ДЛ/„ -эффекта и пьезомагнитную восприимчивость^.
5.2. Влияние амплитудной дисперсии анизотропии на величину модуля упругости в магнитном поле Еи, ДА/,-эффекта и пьезомагнитную восприимчивость^ .
Выводы по главе 5.
ГЛАВА 6. ВЛИЯНИЕ НАЧАЛЬНЫХ СТАДИЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ, РЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ И УПРУГИХ РАСТЯГИВАЮЩИХ НАПРЯЖЕНИЙ НА МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА АМОРФНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЛЕНТ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА.
6.1. Влияние процессов структурной релаксации и кристаллизации на магнитные и магнитоупругие свойства аморфных мслаллических лент на основе железа.
6.2. Влияние рельефа поверхности на магнитные свойства аморфных металлических лент, полученных быстрой закалкой из расплава.
6.3. Магнитные и магнитоупругис свойства аморфных металлических лент, прошедших обработку постоянным электрическим током.
6.4. Влияние упругих растягивающих напряжений на величину Л£-эффекта в аморфных металлических лентах.
Выводы по главе 6.
ГЛАВА 7. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА АМОРФНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРОВОЛОК СОСТАВА Рс^ноВ^.
7.1. Влияние термической обработки и обработки электрическим током на магнитные свойства аморфных металлических проволок состава Fe7sSi юВі5 150
7.2. Магнитные свойства аморфных проволок состава Fe7.sSi юВ 15, прошедших термическую обработку в вакууме Ю'3 мм.рт.ст. 158
Выводы по главе 7 . 165
ГЛАВА 8. УСТОЙЧИВОСТЬ МАГНИТНЫХ ДОМЕНОВ И МЕХАНИЗМЫ ПЕРЕМАГНИЧИВАНИЯ ЯДРА АМОРФНОЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПРОВОЛОКИ. 166
8.1. Устойчивость магнитных доменов в ядре аморфной металлической проволоки
во внешнем магнитном поле. 166
8.2. Механизмы перемагничиваним ядра аморфной металлической проволоки. 182
Выводы по главе 8. 189
ГЛАВА 9. МАГНИТОУПРУГИЕ СВОЙСТВА АМОРФНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРОВОЛОК НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА. 190
9.1 АЕ - эффект в аморфных металлических проволоках состава Fe75Si|oBi5, прошедших термическую обработку. 193
9.2. Магнитоунругая связь в магнитострикционных ферромагнитных проволоках. 203
Выводы по главе 9. 203
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 204
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ. 207
4
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы. Физика аморфных металлических сплавов в последние два десятилетия является одной из самых быстроразвивающихся областей физики конденсированного состояния Аморфное состояние твердого тела - одно из наименее изученных областей современной физики конденсированного состояния. Его можно определить как состояние с отсутствием корреляций между атомами на больших расстояниях при сохранении их на нескольких координационных сферах. Отсутствие дальнего порядка в расположении атомов приводит к совокупности таких физических свойств, которые нельзя получить в твердом теле с кристаллической структурой.
Большой интерес, который привлекают к себе аморфные металлические сплавы, обусловлен как фундаментальными, гак и прикладными аспектами. Так, несмотря на значительное количество научных публикаций, до настоящего времени отсутствуют единые представления о структуре аморфных металлических сплавов. Многочисленные модели аморфного состояния твердого і ела, как правило, не могут адекватно описать его физические свойства Особенностью аморфных твердых тел, и в частности, аморфных металлических сплавов,является отсутствие у них дефектов, присущих кристаллическим твердым телам (дислокаций, границ зерен и т.д.) что во многом обуславливает высокие магнитные свойства аморфных металлических сплавов
Одним из наиболее перспективных аморфных металлических сплавов, как с точки зрения их практического использования, так и с точки зрения изучения особенностей структуры аморфного конденсированного состояния, являются аморфные металлические сплавы на основе железа [1-3]. Обладая высокими значениями намагниченности насыщения, константы магнитострикции, магнитной проницаемости и малыми потерями на пере-магничивание, такие сплавы находят свое применение в различных отраслях современной электроники в качестве чувствительных элементов датчиков силы, деформации, температуры, магнитострикционных линий задержки, а также при создании генераторов звуковых и ультразвуковых колебаний.
Вместе с тем, недостаточно полное исследование свойств аморфных металлических сплавов сдерживает их практическое применение. Так, до настоящего времени, практически не изучен вопрос о взаимосвязи доменной структуры и механизмов ее перестройки с магнитными характеристиками аморфных металлических сплавов на основе железа. Следует отметить также, что высокомагнитострикционные аморфные металлические сплавы на основе железа являются уникальным модельным объектом, позволяющим проследить
взаимосвязь механизмов перестройки доменной структуры магнитомягкого ферромагнетика с его магнитными и магнитоунругими параметрами.
Свойства аморфных металлических сплавов начали широко изучаться в конце 70-х -80 - х годов 20 -го столетия. Несмотря на значительное число опубликованных работ, посвященных исследованию магнитных и магнитоупругих свойств аморфных металлических сплавов на основе железа, к началу 90-х годов 20 века отсутствовали целостные представления, связывающие между собой процессы перестройки доменной структуры исследованных сплавов, особенности их структурного состояния, магнитные, магнитоупругие свойства. Выработка таких представлений была затруднена из-за целого ряда факторов, среди которых следует отмстить сложность наблюдения у таких сплавов доменной структуры и процессов се перестройки под действием магнитного поля и упругих деформаций, высокую чувствительность магнитной и фазовой структур к режимам предварительных обработок, а также многообразие объектов исследования, отличающихся методами получения и геометрическим параметрами (аморфные металлические сплавы в виде лент, пленок и проволок). При этом для объяснения свойств аморфных металлических сплавов практически не использовались представления о механизмах перестройки доменной структуры ранее развитие для тонких магнитных пленок. Более или менее широкое использование этих представлений стало актуальным только в конце 90-х годов прошлого - начале нынешнего века, после обнаружения у аморфных сплавов эффекта гигантского магнито-импеданса [135 - 138]. Отмстим также, что в последние несколько лет все более актуальным направлением в области исследования аморфных металлических сплавов на основе железа становится направление, связанное с целенаправленным управлением их магнитными свойствами [149 - 150]. Дальнейшее развитие исследований в этой области непосредственно связано с изучением взаимосвязи магнитных и магнитоупругих характеристик аморфных металлических сплавов с процессами перестройки их доменной структуры под действием внешних магнитных полей и упругих деформаций.
На начало 90 - годов 20 века в области исследования магнитных и магнитоупругих свойств высокомагнитострикционных аморфных металлических сплавов неисследованными или малоисследованными оставались следующие вопросы и проблемы:
Недостаточно полно было исследовано поведение магнитоупругих характеристик аморфных металлических сплавов на основе железа в магнитных полях, а также влияние на эти характеристики различных видов предварительной обработки сплавов и упругих деформаций. Не были разработаны систематические представления о процессах перестройки магнитной доменной структуры в аморфных металлических пленках, лентах и проволоках, иод действием магнитного поля и упругих напряжений. Практически не ис-
6
следованы были вопросы влияния рельефа поверхности и неоднородностей магнитной структуры на магнитные и магнитоупругие свойствам аморфных металлических лент и проволок. Все это но многом сдерживало широкое практическое применение таких материалов в высокотехнологичных отраслях современной промышленности. В связи с вышеизложенным, вытекала цель проводимых исследований.
Целыо работы являлось выявление взаимосвязи между процессами перестройки доменной структуры под действием внешних магнитных полей и упругих напряжений, протекающими в аморфных металлических сплавах на основе железа в виде пленок, лент и проволок с их магнитными и магнитоупругими свойствами
Для выполнения поставленной цели в ходе проведения исследований решались следующие задачи:
1. Выявление закономерностей процесса перестройки доменной структуры в аморфных металлических пленках на основе железа, полученных методом ионно - плазменного напыления в магнитном поле и установление взаимосвязи между механизмами перемагни-чивания и магнитоупругими свойствами таких пленок.
2. Изучение влияния геометрических параметров образца на магнитные и магнитоупругие характеристики аморфных металлических пленок, лент и проволок, полученных различными методами.
3. Выяснение причин возникновения в аморфных металлических пленках и лентах с одноосной наведенной анизотропией отрицательного ДЕ -эффекта. Установление критерия возможности возникновения отрицательного Д£ -эффекта, связывающего между собой магнитные и магнитоупругие параметры аморфных лент и пленок.
4. Изучение влияния начальных стадий процесса кристаллизации аморфных металлических лент и проволок на основе железа на их магнитные и магнитоупругие свойства.
5. Исследование влияния упругих растягивающих напряжений на магнитные свойства аморфных .металлических проволок и лент, прошедших различные виды предварительной обработки (термическая обработка, термомагнитная обработка, обработка постоянным электрическим током).
6. Изучение влияния упругих растягивающих деформаций на величину ДЕ-эффекта в аморфны металлических лентах на основе железа, прошедших как термомагнитную обработку, так и обработку постоянным током. Установление механизмов перестройки доменной структуры исследованных лент, обуславливающих изменения в характере полевых зависимостей ДЕ -эффекта в результате действия растягивающих напряжений.
7
>
7. Исследование влияния неоднородностей магнитной структуры (угловой и амплитудной дисперсии анизотропии) на магнитоупругие и пьезомагнитные свойства высокомагнито-стрикционных аморфных металлических лент.
8 Изучение закономерностей, связанных с формированием доменной структуры в ядре аморфных металлических проволок и развитие представлений об особенностях протекания процессов се перестройки под действием внешних магнитных полей.
Научная новизна проведенных исследований заключается в следующем:
Впервые магнитооптическим методом Керра исследованы доменная структура, процессы перемагничивания и влияние на них упругих напряжений в аморфных металлических пленках на основе железа толщиной несколько десятков микрон, полученных методом нонно - плазменного напыления в магнитном иоле. Обнаружено, что приложение растягивающих деформаций вдоль оси трудного намагничивания, приводит к уменьшению полей перемагничивания исследуемых пленок.
Показана роль последовательности приложения магнитного поля и упругих деформаций на процесс перестройки полосовой доменной структуры одноосных ферромагнетиков на примере аморфных металлических пленок на основе железа, полученных методом ионно-плазменного напыления в магнитном поле.
Установлено, что в узких полосках аморфных металлических пленок на основе железа толщиной несколько десятков микрон, полученных методом ионно-плазменного напыления, наблюдается колебательное движение доменных границ под действием переменного поля, перпендикулярного оси легкого намагничивания полосок.
Показано, что изменение структуры доменных границ под действием магнитного поля, ориентированного перпендикулярно оси легкого намагничивания, в аморфной металлической пленке на основе железа с одноосной наведенной анизотропией, приводит к появлению минимума на полевой зависимости Л£-эффекта и к разрыву вторых производных свободной энергии ферромагнетика по его упругим и магнитным параметрам;
Установлено, чю на зависимостях ЛЕ - эффекта от величины магнитного поля у аморфных металлических лент на основе железа имеется четыре характерных участка, которые обусловлены различными механизмами перестройки их доменной структуры. У аморфных металлических сплавов, в составе которых помимо железа содержится кобальт, на аналогичной зависимости присутствует только два участка.
Предложена модель распределения намагниченности, позволяющая дать объяснение экспериментальным зависимостям величин ДЕ-эффекта и дифференциальной магнитной проницаемости от магнитного поля в аморфных металлических лентах составов
і
8
Реб.}Сс>2|В|5 и Ре81.5В,з581зС2, прошедших обработку постоянным электрическим током на воздухе.
Показано, что неоднородный рельеф поверхности аморфных металлических лепт на основе железа является одним из основных факторов, определяющих их квазистатическис малIитные характеристи ки.
Выявлено, что рост амплитудной и угловой дисперсии анизотропии в аморфных металлических сплавах па основе железа с одноосной анизотропией оказывает качественно различное влияние на их пьезомагмитные характеристики.
Сформулированы условия стабильности магнитных доменов различной формы, реализация которых возможна в ядре аморфных металлических проволок при приложении внешних магнитных полей. Проведена оценка энергии доменов различных конфигураций в зависимости от их размеров и приложенного магнитного поля.
Показано, что поле начала смешения верхушки домена в ядре аморфной металлической проволоки зависит от взаимной ориентации внешнего магнитного поля и намагниченности домена.
Установлено, что в магнитострикционных ферромагнитных проволоках на основе железа, имеющих неоднородную микромагнитную структуру, реализуется механизм магнитоупругого взаимодействия областей с различным распределением намагниченности.
Научная значимость работы определяется тем, что предложенные в ней модели взаимосвязи между процессами намагничивания, магнитными и магнитоупругими свойствами аморфных металлических сплавов на основе железа могут служить основой для понимания аналогичных явлений, происходящих в других высокомагнитострикционных магнитомягких материалах, и значительно расширяют развитые представления о механизмах /4£-эффскта.
Практическая значимость работы определяется тем, что полученные в работе результаты могут быть использованы при создании прецизионных датчиков различного рода физических величин (силы, деформации и температуры и т.д.), в которых чувствительными элементами являются аморфные металлические пленки, ленты и проволоки на основе железа. В частности, показана принципиальная возможность создания на основе высо-комагнитосгрикционных магнитных пленок и лент высокочувствительных датчиков, работающих на эффекте скачкообразного изменения намагниченности в результате изменения поля анизотропии образца при приложении к нему упругих растягивающих напряжений.
Определение энергетически выгодной конфигурация магнитных доменов в ядре проволоки, обладающих максимальной устойчивостью к магнитному полю, оценка их энер-
9
гии, а также установление механизмов псремагничивания ядра проволоки способствуют созданию новых импульсных устройств функциональной электроники (магнитных диодов).
Показано, что метод резонанса - антирезонанса измерения скорости распространения магнитоупругих колебаний и величины АЕ- эффекта может быть использован в качестве высокочувствительного метода контроля (наряду с рентгеноструктурным и дифференциальным термическим анализами) начальных стадий процесса кристаллизации магиитост-рикционных аморфных металлических лент.
Основные защищаемые положения.
1. Изменения структуры доменных границ аморфных металлических пленок и лент, индуцированные магнитным полем, ориентированным перпендикулярно их оси наведенной анизотропии, протекают подобно фазовым переходам второго рода. Следствиями изменения структуры доменных границ в аморфных металлических пленках и лентах с одноосной наведенной анизотропией являются уменьшение равновесной ширины полосовых доменов, изменение зависимости модуля упругости и магнитной проницаемости от магнитного поля, разрыв вторых производных свободной энергии ферромагнетика по его магнитным и упругим параметрам.
2. Условиями возникновения отрицательного АЕ-эффекта в магнитострикционных аморфных металлических пленках и лентах с одноосной наведенной анизотропией являются низкая константа анизотропии, высокая константа магнитострикции и близкие по значениям модули упругости в отсутствие магнитного поля и в состоянии магнитного насыщения. Уменьшение абсолютной величины отрицательного АЕ -эффекта в аморфных лентах на основе железа на стадии их кристаллизации обусловлено уменьшением константы магнитострикции, разрушением одноосной наведенной анизотропии и увеличением уровня внутренних напряжении, что приводит к изменению механизма намагничивания лент от поворота намагниченности к процессу смещения доменных границ.
3. Магнитостатическое взаимодействие, обусловленное неоднородностями тонкой структуры доменов (угловой дисперсией анизотропии) и рельефом поверхности, являются факторами, определяющими поведение магнитных и магнитоупругих характеристик аморфных металлических лент на основе железа в области слабых магнитных полей. Причиной этого являются поля рассеяния от магнитных зарядов на доменных границах и неоднородностях рельефа поверхности аморфных лент, препятствующие протеканию в них процессов намагничивания. Рост ноля одноосной наведенной анизотропии, уменьшение намагниченности и магнитострикции в результате увеличения концентрации кобальта в аморфных металлических лентах на основе железа приводит к уменьшению влияния по-
10
лей рассеяния и изменению хода полевых зависимостей магнитных и .магнитоупругих характеристик в области относительно слабых магнитных полей. В частности, увеличение концентрации кобальта в аморфных металлических лентах на основе железа приводит к исчезновению участка, на котором модуль упругости уменьшается с ростом магнитного поля в области слабых магнитных полей
4. Причиной различного поведения Д£-эффекта от магнитного поля, в аморфных металлических лентах на основе железа в виде узких полосок, прошедших термомагнитную обработку и обработку постоянным электрическим током, является различная степень неоднородности их магнитной структуры. В серединной части лент, прошедших обработку электрическим током, протекают процессы смещения доменных границ, что обусловливает высокое значение остаточной индукции и появление максимума на полевой зависимости магнитной проницаемости. Приложение малых растягивающих напряжений, ориентированных перпендикулярно оси наведенной анизотропии аморфных металлических лент, прошедших как термомагнитную обработку, так и обработку электрическим током, приводит к росту абсолютного значения отрицательного ^£-эффекта, что связано с уменьшением поля одноосной наведенной анизотропии.
5. Между ядром и приповерхностной областью магнитострнкционных аморфных металлических проволок осуществляется механизм магнитоупругого взаимодействия, влияющий на ход зависимости модуля упругости проволоки от внешнего магнитного ноля. Влияние магнитоупругого взаимодействия областей проволоки с различным распределением намагниченности на модуль упругости определяется значением констант анизотропии ядра и приповерхностной области проволоки, а также первоначальной ориентацией намагниченности в ядре относительно приложенного магнитного поля. Возникающие в приповерхностной области механические напряжения (сжимающие или растягивающие) и полевые зависимости модуля упругости проволоки определяется тем, составляющая намагниченности какой области (приповерхностной или переходной) вдоль направления магнитного ноля больше.
6. Магнитный домен в ядре аморфной металлической проволоки, состоящий из цилиндрической части и двух конусообразных верхушек, обладает наименьшей энергией и минимальными размерами, устойчивыми к магнитному полю. Основным параметром, определяющим устойчивые размеры домена, является коэрцитивная сила его доменной верхушки. Минимальная длина устойчивого домена возрастает с ростом магнитного поля, ориентированного противоположно направлению намагниченности домена. В свою очередь, рост магнитного поля, ориентированного параллельно намагниченности домена, приводит к уменьшению длины устойчивого домена. Поле смешения доменной верхушки в ядре
11
аморфной металлической проволоки, а также механизм ее продвижения на начальном этане намагничивания (вытягивание верхушки домена или ее параллельное смещение) определяется взаимной ориентацией внешнего магнитного поля и намагниченности в домене.
Совокупность научных положений диссертации может быть квалифицирована как повое крупное достижение в области исследований магнитоупругих свойств аморфных металлических сплавов на основе железа.
Достоверность результатов проведенных исследований
Защищаемые научные положения и выводы базируются на результатах экспериментов и проведенных расчетов, достоверность которых обеспечивается использованием современных и апробированных экспериментальных методик, статистическим характером экспериментальных исследований, анализом погрешностей измерений, применением современных аттестованных компьютерных математических программ.
Личный вклад автора
Автору диссертационной работы принадлежит постановка целей и задач исследования, определение путей их реализации и-решения. Все эксперименты по исследованию доменной структуры и процессов перемагничивания аморфных металлических пленок и большинство экспериментов по изучению магнитоупругих свойств аморфных металлических пленок лент и проволок на основе железа выполнялись непосредственно автором работы. Часть экспериментов выполнено в соавторстве с исследователями, у которых автор являлся научным руководителем кандидатских диссертаций (АЛ. Семенов, А.Ю. Моховиков, И.В.Турик). Исследования доменной структуры и процессов ес перестройки иод действием магнитных полей и упругих растягивающих напряжений в аморфных металлических пленках проводились на кафедре физики ИГПУ при сотрудничестве с A.B. Семировым и И.II. Ковалевой. Результаті,і, связанные с исследованием структурных изменений, протекающих в аморфных металлических лентах структурно - чувствительными методами, в частности, методом экзоэлектрон ной эмиссии, были получены при сотрудничестве с A.C. Векслером, В.И. Болдыревым и И.Л. Морозовым. Непосредственно автором или при его прямом участии дана интерпретация экспериментальных результатов, предложены описанные в диссертации новые физические модели, проведены их расчет и теоретическое обоснование. В публикациях, в которых автор диссертации занимает первую позицию, основная роль в постановке задачи, полном или частичном получении экспериментальных результатов, их анализе и теоретическом обосновании, а также в написании и редактировании текста публикаций, принадлежит ему. В остальных публикациях автор участ-
12
вовал в постановке задачи, получении ряда экспериментальных результатов и их обсуждении, а также разработке физических моделей, объясняющих результаты эксперимента. Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, симпозиумах и семинарах:
•6-ом Всероссийском совещании по физике магнитных материалов (Иркутск, ИГПИ, 1992);
•Всероссийской конференции по физике магнитных явлений (Астрахань, 1993 г); •Европейском коллоквиуме но магнитным пленкам и поверхностям (1CSMF, Düsseldorf, Germany 1994);
•XIV - XX международных школах-семинарах ’’Новые магнитные материалы микроэлектроники” (г. Москва, (МГУ), 1994 - 2006 гг.);
•41-ой Международной конференции по магнетизму и физике магнитных материалов (Atlanta, USA, 1996);
•1-ом, 3-см, 4-ом Московском международном симпозиуме по магнетизму (MISM, MSU, 1999,2005,2008);
• Inlermag Conference (Kyongju, Korea, 1999);
• Международной конференции "Релаксационные явления в твердых телах", (г. Воронеж, ВГГУ 1999 г.)
•Седьмой всероссийской конференции с международным участием “Аморфные прецизионные сплавы. Технология - свойства - получение” (г. Москва, ЦНИИ Чсрмет им И.Г1.Бардина 2000 г.);
•Европейской конференции по магнитным материалам (EMMA-2000. Ukraine, Kiev, 2000); •Евроазиатском Симпозиуме “Trends in Magnetism”, (г. Красноярск, КГУ, 2004); •Международной конференции "Функциональные материалы", ICFM-2002, ICFM-2007 (ТНУ, Украина, г. Симферополь, 2002 г, 2007 г.);
•Гой , 2-ой и 3-ей Байкальской международной конференции “Магнитные материалы” (г. Иркутск, ИГПУ, 2001, 2003, 2008 гг.);
•Выездной сессии РАН по проблемам магнетизма в магнитных пленках, малых частицах и наноструктурных объектах (г. Астрахань, АГУ, 2003 г.);
•V -VIII-ой Международных конференциях "Действие электромагнитных полей на прочность и пластичность материалов" (г. Воронеж, ВПГУ, 2003, 2004, 2005 , 2007 гг.); •Всероссийской научно-технической конференции “Методы создания, исследования материалов, приборов и экономические аспекты микроэлектроники” (Пенза, 2006);
13
•13-ой Международной конференции но жидким и аморфным металлам (Екатеринбург, 2007 г.);
•6-ой и 7-ой Международных конференциях "Некристаллические твердые тела” (Giiom, Spain - 2006 г.; Porto, Portugal- 2008 г);
• 5-ом Международном семинаре “Физико -математическое моделирование систем ”, (Воронеж, ВГТУ, 2008 г.)
•Joint European Magnetic Symposia: ( Dublin, Ireland, 2008 r.);
•Xl-ой Международной школе - семинаре по люминесценции и лазерной физике (Иркутск, ИФ ИЛФ СО РАН, 2008 г.);
•Третьей Всероссийской конференции но наноматериалам (г. Екатеринбург. 2009 г);
• XXI Международной конференции “Новое в магнетизме и магнитных материалах” (г. Москва, МГУ, 2009 г.);
•International Workshop on Structural and Mechanical Properties of Mctallic Glasses (Barcelona, Spain, 2009 r.);
•Общегородском семинаре по физике твердого тела (Иркугск, ИГУ, 1994 г.);
Результаты диссертационной работы опубликованы в 67 научных работах из них 33 в статьях из перечня ВАК РФ, рекомендованных для защиты докторских диссертаций, остальные в сборниках трудов, материалах и тезисах докладов международных и всероссийских конференций по физике конденсированного состояния и физике магнитных явлений.
Диссертационная работа выполнялась в рамках следующих проектов и программ: гранта МО РФ но программе “Развитие научного потенциала высшей школы” (проект № 609, "Исследование магнитных и магнитоупругих свойств аморфных металлических сплавов на основе железа“ (2005 г)); грантов РФФИ (проект 05-08-18063-а “Магнитоимпе-дансные и магннтоупругие свойства аморфных и нанокристалличсских сплавов па основе переходных металлов” (2005-2008 гг), проект 08-08-00210-а “Влияние лазерной обработки на магнитные, магнитоупругие и магнитоимпедансные свойства аморфных и нанокри-сталлических металлических сплавов на основе Зб-мсталлов” (2008-2100 гг.), проект 09-08-00406-а “Термостабильность магнитоимпедансных характеристик аморфных и наност-руктурированных ферромагнитных сплавов” (2009-2011 гг.) и проект 07-08-05037-6 “Развитие МТБ для проведения исследований но области знаний 08”(2007 г)); федеральной аналитической ведомственной целевой программы "Развитие научного потенциапа высшей школы (2009-2010 гг.)" (проект РНП.2.2.1.1/3297); темпланов ИГУ и ИГПУ (1996-2009 гг.);
14
Структура 11 объем работы.
Диссертация состоит из введен и я, восьми глав и заключения. Содержание работы изложено на 227 страницах текста, включает 126 рисунков и 5 таблиц. Список используемой литературы включает 216 наименований, включая 66 наименований работ автора диссертации.
Краткое содержание диссертации.
Во введении дано обоснование актуальности работы. Сформулированы цели и задачи исследования; показаны новизна, практическая значимость и достоверность полученных результатов, сформулированы защищаемые положения; показана апробация результатов работы на всероссийских и международных конференциях, кратко изложено содержание работы.
В первой главе приводятся сведения об исследуемых образцах, их магнитных параметрах, описываются метод проведения термомагнитной обработки аморфных металлических лепт, представлены методы измерения магнитных и магнитоупругих характеристик исследуемых объектов.
В параграфе 1.1. приводятся сведения об исследуемых аморфных металлических сплавах на основе железа, в виде аморфных металлических пленок, полученных методом ионно -плазменного напыления в магнитном поле, быстрозакаленных аморфных металлических лент и аморфных металлических проволоках.
В параграфе 1.2. приведено описание методов и методик проведения экспериментальных исследований доменной структуры, процессов перемагничивания, магнитных и магнитоупругих свойств аморфных металлических сплавов па основе железа. Кратко описаны методы контроля структуры исследуемых объектов.
Во второй главе приводятся результаты исследований доменной структуры и процессов се перестройки под действием внешних магнитных полей и упругих растягивающих деформаций аморфных металлических пленок, полученных методом ионно - плазменного напыления в магнитном поле. Продемонстрировано влияние последовательности приложения упругих растягивающих напряжений и внешнего магнитного поля на характер процессов перестройки доменной структуры аморфных металлических пленок с одноосной наведенной анизотропией.
В параграфе 2.1. приведены результаты исследований процессов перемагничивания в аморфных металлических пленках составов Рс8|Мо9Р|о, Ре^МпэРю и Ре^Со^Хгю толщиной несколько десятков микрон, полученные методом ионно-плазменного напыления в магнитном поле. Исследуемые образцы обладали выраженной одноосной анизотропией вдоль направления приложенного в процессе напыления магнитного поля. Выявлены ос-
15
iiOBiibie закономерности изменения доменной структуры исследованных образцов в зависимости от направления приложения относительно оси легкого намагничивания постоянного и переменного магнитного поля. Приведены результаты по влиянию температуры нагрева на процессы намагничивания исследованных пленок.
В параграфе 2.2. приведены результаты исследования доменной структуры и процессов намагничивания аморфных металлических пленок полученных методом ионно - плазменного напыления в виде узких полосок шириной 1-1.5 мкм, вырезанных перпендикулярно линии приложения при напылении магнитного поля. Анализируются факторы, влияющие на параметры доменной структуры и механизмы намагничивания исследованных полосок под действием постоянных и переменных магнитных полей.
В параграфе 2.3. обсуждаются причины колебательного движения доменных границ в узких полосках вырезанных из аморфных металлических пленок под действием переменного магнитного поля, направленного перпендикулярно оси трудного намагничивания образца.
В параграфе 2.4. приводятся результаты влияния упругих растягивающих деформаций на доменную структуру и процессы намагничивания аморфных металлических пленок, полученных методом ионно-плазменного напыления в магнитном поле.
В параграфе 2.5. проведен анализ влияния последовательности приложения внешнего магнитного и упруг их растягивающих напряжений на процессы перестройки доменной структуры магнитомягких ферромагнетиков с одноосной наведенной анизотропией.
В третьей главе представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований влияния внешнего магнитного поля на ход зависимости величины модуля упругости в аморфных металлических пленках и лентах на основе железа с одноосной наведенной анизотропией. Изучено влияние геометрических размеров образца и температуры термомагнитной обработки на ход полевых зависимостей величины отношения Ен IЕ0 в
аморфных металлических лентах состава FcXi 5В13 sSi3C2, полученного быстрой закалкой из расплава и прошедшего термомагнитную обработку в широком интервале температур. Приведены условия возникновения отрицательного Д£- эффекта в магнитосгрикционных аморфных металлических лентах и пленках с одноосной наведенной анизотропией. Объяснено поведение величины АЕ/ Еи в относительно слабых магнитных полях
В параграфе 3. 1. представлены модельные представления, определяющие ход зависимости модуля упругости от величины внешнего магнитного поля в аморфных металлических пленках, полученных методом ионно - плазменного напыления в маг нитном поле.. Пред-
16
}
ложена модель, объясняющая изменение хода зависимости модуля упругости в магнитных полях больших поля блох - неелевского перехода структуры доменных границ.
В параграфе 3.2. приведены результаты исследований зависимости скорости распространения магнитоупругих колебаний и отношения Ен IЕ0 от величины магнитного поля, размеров аморфных металлических лент состава Реви Биэ^ВзСг и их температуры термомагнитной обработки.
В параграфе 3.3. изучены условия возникновения отрицательного А£-эффекта в высо-комагнитострикционных аморфных и нанокристаллических ферромагнитных лентах и пленках с одноосной наведенной анизотропией. Предложено аналитическое выражение, определяющее условие возникновения отрицательного Д£-эффекта в аморфных и нанокристаллических пленках н лентах.
В параграфе 3.4. внимание уделено изучению поведения величины АЕ/Е1{(Н) в области относительно слабых магнитных нолей аморфных металлических лент состава РсХ1 5В|з.581зС2, полученного быстрой закалкой из расплава.
В четвертой главе проводится экспериментальное изучение влияния изменения структуры доменных границ, происходящего под действием приложенного магнитного ноля, в аморфных металлических пленках и лентах на основе железа с одноосной наведенной анизотропией на ход нолевых зависимостей величины модуля упругости Еи и дифференциальной магнитной проницаемости. На основании проведенных расчетов делается вывод о том, что полосовая доменная структура с неелевскими доменными границами обладает меньшей чувствительностью к упругим растягивающими напряжениям, чем аналогичная доменная структура с блоховскими доменными границами. Проводите я исследование блох - неелевского перехода структуры доменных границ магнитострикционного ферромагнетика с наведенной одноосной анизотропией на основе термодинамических представлений. Определяется влияние величин константы перпендикулярной анизотропии и упругих напряжений на значение поля блох — неелевского перехода структуры доменных границ. Делается вывод о том, что индуцированный магнитным полем, ориентированным перпендикулярно оси наведенной анизотропии аморфных металлических пленок и лент, блох - неелевский переход структуры доменных границ протекает подобно фазовым переходам второго рода.
В пятой главе в параграфе 5.1. рассматривается влияние угловой, а в параграфе 5.2 амплитудной дисперсии анизотропии на магнитоупругие характеристики узких магнито-стрикционных ферромагнитных полосок с одноосной наведенной анизотропией, а также их влияние на эффект изменения намагниченности под действием растягивающих напря-
17
* 1
ч
I
жений (ДА/, - эффект). Рассмотрение проводится в приближении слабых магнитных нолей (меньших поля наведенной одноосной анизотропии), когда влияние неоднородностей анизотропии на рассматриваемые магнитоупругие и пьезомагнитные характеристики ферромагнетика наиболее значительно. При проведении расчетов не учитывается влияние магнитостатического взаимодействия между участками ферромагнетика с различной ориентаций локальных осей легкого намагничивания. В выбранном приближении произведена оценка влияния величины угловой и амплитудной дисперсии анизотропии на величины модуля упругости в магнитном поле Еи и АМд -эффекта магнитострикционных ферромагнитных полосок с одноосной наведенной анизотропией.
В шестой главе рассматривается влияние начальных стадий процесса кристаллизации на магнитные и магнитоупругие параметры аморфных металлических лент составов Ре7зСо12В15, Реб4Со21В15 и Рс$| 5В]3 5813С2, а также влияние их рельефа поверхности лент на квазистатические магнитные характеристики. Приведены результаты исследования вопроса о влиянии обработки постоянным электрическим током различной плотности на воздухе на магнитные и магнитоупругие параметры лент составов Ре$| зВпзБЬСг и Ге^Сс^В^. Проанализировано влияние упругих растягивающих напряжений на величину АЕ- эффекта как аморфных металлических лент, прошедших обработку постоянным электрическим током, так и аморфных металлических лент, прошедших термомагнитную обработку.
В параграфе 6.1. рассматривается влияние процессов структурной релаксации и начальных стадий кристаллизации на магнитные и магнитоупругис свойства аморфных металлических лент на основе железа. Показано влияние процессов структурной релаксации и начальных стадий кристаллизации на величины дифференциальной магнитной проницаемости, коэрцитивную силу, остаточную индукцию и значения АЕ - эффекта в аморфных металлических лентах различного состава, в которых основным злеменюм является железо.
В параграфе 6.2. рассмотрено влияние рельефа поверхности на магнитные свойства аморфных металлических лент различного состава, полученных быстрой закалкой из расплава. Предложена модель влияния рельефа поверхности на магнитные и магнитоупругие свойства аморфных меюллических лент.
В параграфе 6.3. приведены результаты исследований нолевых зависимостей дифференциальной магнитной проницаемости и АЕ- эффекта в аморфных металлических лентах составов Рс815В|3 5^зО> и РебтСо2|В|5, обработанных постоянным электрическим током.
В параграфе 6.4. приведены результаты исследований влияние упругих растягивающих * напряжений на полевые зависимости АЕ -эффекта в аморфных металлических лентах со-
става Реб.»Со2!В15, прошедших как термомагнитную обработку в вакууме при различных
18
температурах, так и обработку постоянным электрическим током различной плотности на воздухе.
В седьмой главе рассмотрено влияние различных режимов предварительной обработки (термическая обработка в вакууме различной глубины, обработка постоянным электрическим током), длины образца и упругих растягивающих напряжений на магнитные свойства магнитострикционных аморфных металлических проволок состава Ре753йоВ|5, полученных методом вытягивания из расплава.
В параграфе 7.1. приведены результаты исследований магнитных свойств аморфных металлических проволок состава Рет^ноВ^ различной длины, прошедших обработку постоянным электрическим током, а также проволок, прошедших термическую обработку в вакууме 10' мм. рт. ст.
В параграфе 7.2. приведены результаты исследований влияния упругих растягивающих напряжений на магнитные свойства аморфных металлических проволок, прошедших термическую обработку в вакууме 10° мм. рт. ст. Представлены модели, позволяющие дать адекватное описание полученным экспериментальным зависимостям величин коэрцитивной силы и дифференциальной магнитной проницаемости от значения прикладываемых упругих растягивающих напряжений на основе представлений о механизмах перемагни-чивания ядра аморфной металлической проволоки.
В восьмой главе проведена оценка размеров и энергии доменов, реализация которых возможна в ядре аморфной металлической проволоки. Установлено влияние величины внешнего магнитного поля, коэрцитивной силы и длины рассматриваемого домена на величину его радиуса (параграф 8.1.). Определена наиболее энергетически выгодная форма домена в ядре аморфной металлической проволоки, обладающего наибольшей устойчивостью к внешнему магнитному полю. Исследованы механизмы распространения доменной верхушки, разделяющей противоположно намагниченные домены в ядре аморфной ферромагнитной проволоки, под действием внешнего магнитного поля (параграф 8.2.),
В девятой главе приведены экспериментальные и теоретические результаты по изучению особенностей Л£ - эффекта в аморфных металлических проволоках состава Ге758иоВ15.
В параграфе 9.1. проведено экспериментальное исследование зависимостей величины Л£ -эффекта и коэффициента магнитомехапической связи от внешнего магнитного поля у аморфных металлических проволок состава Ре75$1юВ|5 для различных длин образцов и широкого интервала температур их обработки. Обсуждаются факторы, определяющих характер зависимостей величин магнитоупругих характеристик аморфных металлических проволок на основе железа от температуры предварительной термической обработки.
19
В параграфе 9.2. представлена теоретическая модель магнитоупругого взаимодействия областей проволоки с различным распределением намагниченности, позволяющая описать экспериментально полученные зависимости. На основании предложенной модели делаются выводы о влиянии магнитных параметров проволоки на ход зависимости величины ЛЕ - эффекта от внешнего магнитного поля.
В заключении приводятся основные результаты, полученные при выполнении диссертационной работы.
20