ВВЕДЕНИЕ
СОДЕРЖАНИЕ
4
ГЛАВА I НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ, МЕТА СТА Б ИЛЬНЫЕ И
АМОРФНЫЕ СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ 3-с1 МЕТАЛЛОВ. 7
1.1 Определение и методы получения наноструктурированных материалов. 7
1.2 Структура нанокристаллических материалов. 11
1.3 Магнитные свойства нанокристаллических метастабильных и аморфных материалов. 16
1.4 Типы магнитных неоднородностей. 26
Постановка задачи. 27
ГЛАВА И. ПОЛУЧЕНИЕ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ НЕОДНОРОДНЫХ МАГНИТЬ 1ЫХ ПЛЕНОК СПЛАВОВ Ее(С), Со(С). 29
2.1 Метастабильные пленки Ее(С), Со(С), полученные методом импульсно -плазменного испарения (ИПИ). 29
2.1.1 Технологии ИПИ. 29
2.1.2 Химический состав металлических конденсатов Ее(С), Со(С), полученных методом ИПИ. 31
2.1.3 Режимы напыления. 35
2.2 Структурные исследования метастабильных пленок Ее(С), Со(С), полученных методом ИПИ. 45
2.3 Магнито - структурные методы исследования. 46
2.3.1 Измерения температуры Кюри. 46
2.3.2 Методика обработки низкотемпературных зависимостей намагниченности насыщения. 46
2.3.3 Исследования полевых зависимостей М(Н) в нанокристаллических пленках Ре(С), Со(С) 47
2.3.4 Исследования нанокристаллических пленок Ее(С), Со(С)
СВЧ - методами. 48
2.3.5 Спин - волновая спектроскопия неоднородных ферромагнетиков. 50
з
ГЛАВА III. АНАЛИЗ СТРУКТУРНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ В НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНКАХ СПЛАВОВ Fe(C), Со(С),
ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ИПИ.
3.1 Структурные превращения в нанокристаллических пленках Fe(C).
3.1.1 Ферромаг нитный и спин - волновой резонанс в нанокристаллических пленках Fe(C).
3.1.2 Исследование температурных зависимостей намагниченности насыщения.
3.1.3 Исследования полевых зависимостей намагниченности М(Н).
3.1.4 Структурные исследования нанокристаллических пленок сплава Fe(C).
3.1.5 Правило ступеней в нанокристаллических пленках сплава Fe(C), полученных методом ИПИ.
3.2 Структурные превращения в нанокристаллических пленках Со(С).
3.2.1 Метастабильная диаграмма сплава Со-С.
3.2.2 Исследования особенностей микроструктуры и фазового состава метастабильных пленок Со(С), полученных при Т,,=50°С.
3.2.3 Исследования особенностей микроструктуры и фазового состава метастабильных пленок Со(С), полученных при Т„=100-150°С.
ГЛАВА IV. ИССЛЕДОВАНИЕ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК СПЛАВА Fe(C) МЕТОДОМ СПИН - ВОЛНОВОЙ СПЕКТРОСКОПИИ.
4.1 Регистрация флуктуаций намагниченности в пленках нанокристаллических метастабильных сплавов Ее(С, В).
4.2 Особенности флуктуаций намагниченности
в нанокристаллических пленках сплава Fe(C).
4.3 Особенности релаксационных характеристик спектров СВР в пленках неоднородных сплавов.
51
51
51
54
55
57
64
66
66
67
72
76
76
80
84
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
91
93
4
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в мировой литературе идет интенсивное накопление данных о структуре,физических свойствах наноструктурированных материалов. К этому новому классу веществ относятся нанокристаллические(НК), нанофазные сплавы, мультислойные и гранулированные структуры, получаемые различными технологическими приемами. Известно, что нанокристаллические материалы обладают высокой плотностью дефектов, повышенным объемом на атом, а следовательно избыточной свободной энергией Гиббса, что приводит к стабилизации в нанострукту-рированном состоянии новых метастабильных фаз. Безусловный интерес вызывают нанокристаллические ферромагнитные материалы группы железа в силу существования в этих материалах магнитообъемных эффектов. Так величина атомного объема в Ге определяет как реализацию той или мной атомной структуры, так и основные магнитные параметры, свойственные данной структуре.
В Институте физики СО РАН (г. Красноярск) создан новый метод импульсно-плазменного испарения (ИЛИ), позволяющий получать нанокристаллические пленки Не, Со, содержащие до 30 ат.% С(1]. Изучению структуры данных пленок уже посвящен цикл работ, в которых развивается идея о кластерном строении металлических пленок Не, Со[2]. По мнению авторов цитируемых работ, при нагревании Т-150-300°С в нанокристаллических пленках Не, Со осуществляется взрывная кристаллизация [3], которая приводит к формированию атомно-упорядоченных областей. Эти области состоят из когерентно ориентированных друг относительно друга кластеров металла, окруженных углеродной “шубой”. В случае пленок Fe ядро каждого кластера представляет собой кубооктаэдр ГЦК-Fe, вписанный в систему параллельных друг другу атомных плоскостей типа (211) ОЦК-Fe [4]. Кластеры Со имеют двойникованную ГПУ структуру Плоскость двойникования (0001) [3] К сожалению, авторы цитируемых работ исключали возможность образование метастабильных твердых растворов Fe(C), Со(С). Более того, ранее предложенная кластерная модель не может обьяснить всего многообразия неожиданных магнитных свойств нанокристаллических пленок Fe, Со.
Нель работы:
I. Измерить основные магнитные характеристики метастабильных состояний, реализующихся в нанокристаллических пленках Fe, Со, полученных методом ИПИ.
5
2. Идентифицировать атомную и химическую структуру метастабильных состояний Ре, Со и выявить связь между магнитными свойствами и особенностями структуры
3. Исследовать магнитные неоднородности манокристаллических пленок Ре методом спин-вол новой спектроскопии.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Содержание работы изложено на 99 страницах машинописного текста, включая 45 рисунков и списка литературы из 73 наименований.
Первая глава В первой главе дается определение наноструктурированного материала (нанокристаллические, нанофазные сплавы, мультислойные структуры). Рассматриваются некоторые способы получения этих материалов, указываются возможности стабилизации в наноструктурированном состоянии метастабильных структур (высокотемпературных модификаций, фаз высокого давления, пересыщенных твердых растворов) Особое внимание уделяется метастабильным магнитным сплавам Ре. Приводятся условия, при которых атомы Яе в плотноупакованных структурах переходят из низкоспинового в высокоспиновое состояние с ферромагнитным порядком. В конце главы ставятся задачи исследования.
Вторая глава. Во второй главе рассматриваются физико -химические основы метода импульсно-плазменного испарения, приводятся данные, свидетельствующие о зависимости свойств полученных пленок Яе, Со от условий конденсации, описаны методы экспериментального исследования, которые были использованы при выполнении настоящей работы
Третья глава.В третьей главе представлены результаты исследований структурных превращений в нанокристаллических пленках Ре(С), Со(С) при переходе из исходного метастабильного состояния в равновесное. Анализ закономерностей переходов проводится на основе результатов, полученных из динамических (ФМР,СВР), статических М(Т), М(Н) и прямых структурных исследований.
Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию дисперсионного закона для спиновых волн в пленках сплавов на основе Ре (ИЛИ) методом спин-волнового резонанса.
Основные результаты настоящей работы выделены в виде итогового заключения.
Научная новизна данной диссертационной работы заключается в установлении исходного фазового состояния метастабильных сплавов, идентификации струк-
6
тур, возникающих при релаксации исходного метастабильного состояния. Анализ последовательности структурных превращений в метастабильных нанокристалли-ческих сплавах проводится на основе измерения таких фундаментальных магнитных характеристик как константа обменного взаимодействия А, намагниченность насыщения М, температура Кюри Тс, поле локальной кристаллографической анизотропии Н:„ а также с привлечением метастабильных фазовых диаграмм Ре-С, Со-С.
С помощью методики спин-вол новой спектроскопии [9], основанной на экспериментальном исследовании дисперсионного закона для спиновых волн в неоднородных тонких пленках методом спин-волнового резонанса, показано, что доминирующими флуктуациями в исследуемых пленках сплава Ре(С) являются флуктуации намагниченности. Это отличает сплавы Ре(С), являющиеся твердыми растворами внедрения от сплавов аналогов системы переходной металл-металлоид (В, Р, $0-твердых растворов замещения, в которых ранее регистрировались только флуктуации обменного взаимодействия.
Практическая ценность.
Измерены фундаментальные магнитные характеристики: константа обменного взаимодействия, намагниченность насыщения, температура Кюри, поле кристаллографической анизотропии метастабильных структур ГЦК Ре(С), ГПУ Ре(С), что представляет особый интерес для исследования магнитообъемных эффектов в железе и его сплавах.
Экспериментально показано, что неоднородное распределение атомов С в твердом растворе Ре вызывает флуктуации намагниченности.
7
ГЛАВА 1. Нанокристаллические, метастабильные и аморфные сплавы на основе 3-6 металлов.
В последнее десятилетие внимание исследователей привлекают нанострукту-рированные материалы (порошки, мультислойные пленки, нанокристаллические сплавы). Проблеме получения, исследования структуры и магнитных свойств посвящено большое число обзоров ([5], [6] и т.д.). Цель данного обзора - указать на наноструктурированные материалы как на объекты в которых, зачастую, стабилизируются метастабильные состояния. Особое внимание здесь обращается на уже измеренные и известные магнитные свойства таких состояний, которые, как будет показано ниже, окажутся необходимыми для интерпретации экспериментального материала данной работы
1.1 Определение и методы получения наноструктурированных
материалов,
К нанокристалличсским (наноструктурным) материалам в настоящее время относят металлы и сплавы, у которых один или несколько структурных параметров—кристаллическое зерно, химическая неоднородность по объему, толщина слоя в многослойных покрытиях имеют размер не превышающий ЮОнм. Такие материалы могут быть чистыми металлами, твердыми растворами, многослойными покрытиями, многофазными сплавами, композитами. Принято считать, что в нанокри-сталлическом многофазном материале размер нанокристаллического зерна не превышает размер нанофазы Малый размер зерна обуславливает большую протяженность межзеренных границ раздела В наноматериалах с размером зерна от 100 до 10 нм границы раздела содержат от 10 до 50% атомов нанокристаллического твердого тела Кроме того сами зерна могут иметь различные дефекты (вакансии, дислокации и т. д.) количество и распределение которых иное, чем ь зернах поликристалл ических материалов.
Получение наноструктурированных материалов.
Существуют разные методы синтеза и виды.внешних воздействий, диспергирующие структуру вплоть до формирования наноструктурных состояний. Основными методами синтеза считаются технологии закалки расплава (спинингование), ионно-плазменного или магнетронного распыления с последующим осаждением на
- Київ+380960830922