Содержание
ВВЕДЕНИЕ........................................................*........... 4
Г ЛАВА 1. ВЫСОКОПОЛЕВАЯ МАГНИТОМЕТРИЯ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ И АМОРФНЫХ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ................................... 8
1.1 Исследование низкотемпературного хода намагниченности в аморфных и
наноструктурированных ферромагнетиках.................................. 11
1.2. Магнитные свойства ферромагнетиков с хаотической анизотропией..... 15
1.3 Исследования приближения намагниченности к насыщению в неоднородных ферромагнетиках...................................................... 24
1.4. Постановка задачи................................................... 39
ГЛАВА 2. СПЕЦИФИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ТОНКИХ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ПЛЕНОК НА ВИБРАЦИОННОМ МАГНИТОМЕТРЕ. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ИССЛЕДУЕМЫХ ОБРАЗЦОВ.................................................... 41
2.1 Экспериментальная установка.......................................... 41
2.2 Особенности исследования тонких магнитных пленок. (Источники погрешности) 41
2.3 Образцы для исследования. Магнитная паспортизация.................... 44
2.3.1 Нанокристаплические пленки Ее(С), Со(С), ЩС), полученные методом импульсно-плазменного испарения...................................... 44
2.3.2 Мультислойные пленки Со/Рс1...................................... 49
2.3.3 Композиционно-модулированныс пленки Со/Си 54
2.4 Выводы главы....................................................... 58
ГЛАВА 3. РАЗМЕРНОСТЬ СИСТЕМЫ ОБМЕННО-СВЯЗАННЫХ ЗЕРЕН И ПРИБЛИЖЕНИЕ НАМАГНИЧЕННОСТИ К НАСЫЩЕНИЮ В НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ И
АМОРФНЫХ ФЕРРОМАГНЕТИКАХ.................................................... 59
3.1 Закон приближения намагниченности к насыщению в нанокристаллических и аморфных ферромагнетиках с произвольной размерностью системы обменно - связанных зерен............................................................. 59
3.2 Приближение намагниченности к насыщению в на!некристаллических тонких пленках Ее(С), Со(С), N1(0) с размерностью системы обменно-связанных зерен 6=3. 62
3.3 Приближение намагниченности к насыщению в мультислойных пленках СоЛМ с размерностью системы обменно-связанных зерен <1=2........................ 69
3.4 Экспериментальное определение размерности системы обменно-связанных зерен-с! в композиционно- модулированных пленках СоЛМ, ЕеЛМ, Со/Си с ультратонкими слоями.................................................................... 72
3.5 Выводы главы........................'................................... 78
ГЛАВА 4. ХАРАКТЕРИСТИКИ МАГНИТНОЙ МИКРОСТРУКТУРЫ АМОРФНЫХ И НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ С ТРЕХ- И ДВУХМЕРНЫМИ НЕОДНОРОДНОСТЯМИ СЛУЧАЙНОЙ АНИЗОТРОПИИ......................................... 79
4.1 Влияние магнитной микроструктуры на приближение намагниченности к насыщению: теоретические оценки.............................................. 79
4.2 Экспериментальная регистрация и прямое измерение параметров магнитных блоков по кривой намагничивания до насыщения................................ 84
4.3 Характеристики магнитной микроструктуры и магнитные свойства аморфных и нанокристатлических ферромагнетиков...................................... 89
4.3.1. Связь коэрцитивной силы и характеристик флуктуаций анизотропии магнитного блока 89
4.3.2 Магнитная микроструктура двумерных ферромагнетиков СоЛМ............. 91
4.4. Выводы главы........................................................... 96
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................... 97
ЛИТЕРАТУРА
99
4
ВВЕДЕНИЕ
Уровень технического развития общества во все времена обуславливался знанием "секретов" приготовления материалов с необычными свойствами. В электротехнике и микроэлектронике сегодня такими материалами являются аморфные и нанокристаллические магнитные сплавы, уникальные свойства которых имеют большие перспективы для приложений. Великолепные магнитомягкие свойства этих материалов в сочетании с дешевыми технологиями получения уже около двух десятилетий вызывают повышенный интерес инженеров и исследователей. В последнее десятилетие сделано несколько важных шагов в понимании природы этих необычных свойств. Так, выяснилось, что непосредственной причиной магнитомягкости этих материалов является формирование в них специфической магнитной микроструктуры, образующейся за счет ориентационного хаоса магнитной анизотропии на субмикронном уровне. Изучение такой магнитной и структурной неоднородности сегодня может проводиться разными способами, но самым простым является исследование кривых намагничивания до насыщения - метод корреляционной магнитометрии, разработанный в ИФ СО РАН им. Л.В. Кирснского [1]. С начата 80х годов этим методом изучается неоднородная магнитная анизотропия аморфных сплавов (корреляционные радиусы 11с и величины среднеквадратичной флуктуации локальной магнитной анизотропии О12К) [2]. С начала 90-х этот метод получил широкое распространение в работах магнитологов России [3], ближнет [4] и дальнего зарубежья [5-8] связанных с исследованием нанокри-сталлических и аморфных ферромагнетиков. Приоритет в развитии этих методов исследования все же остается за ИФ им. Л.В. Кирснского. Гак, в теоретическом исследовании Иг-нагченко и Исхакова [9] показано, что кривая намагничивания содержит информацию о размерности с! неоднородностей случайной анизотропии. Далее, в магнитной системе аморфных и нанокристаллических ферромагнетиков в малых полях проявляется хорошо известный эффект Имри и Ма [10], заключающийся в неустойчивости ферромагнитного состояния по отношению к действию случайно ориентированной локатьной магнитной анизотропии. В этом случае магнитная структура таких магериапов может быть описана ансамблем слабосвязанных магнитных блоков размером Лг и средней анизотропией <К>. Поэтому исследования направленные на развитие методов измерения величин Лг и <К> в настоящее время актуальны. Наша работа посвящена дальнейшему экспериментальному развитию метода корреляционной магнитометрии.
5
Цели настоящей работы:
1. Исследовать на эксперименте влияние размерности 6 неоднородностей случайной анизотропии на особенности кривых намагничивания и изучить возможность измерения величины с! в нанокристалличсских и аморфных сплавах, изготовленных различными технологиями в виде фольг, покрытий, моно- и мультислойных пленок.
2. Выявить эффекты, обусловленные микромагнитной блочной структурой аморфных и нанокристаллических ферромагнетиков, по особенностям кривой намагничивания; измерить величины параметров, характеризующих эту магнитную микроструктуру: Я, и <К>, а также установить связь этих параметров с интегральными магнитными свойствами материала.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Содержание работы изложено на 107 страницах машинописного текста, включая 33 рисунка и списка литературы из 113 наименований.
Первая глава. В первой главе приводится обзор методов исследований магнитных констант и их флуктуаций в аморфных и нанокристаллических ферромагнетиках из исследования статического отклика спиновой системы в высоких полях и низких температурах. Также приводятся некоторые экспериментальные результаты, полученные к сегодняшнему дню, с использованием этих методик. Более подробно дается обзор общих представлений и экспериментов, касающихся особенностей магнитной структуры и свойствам ферромагнетиков со случайной анизотропией. Далее рассматриваются существующие теоретические подходы к исследованию случайной анизотропии аморфных и нанокристаллических ферромагнетиков из исследований закона приближения намагниченности к насыщению (ЗПН). Приводятся экспериментальные результаты исследования неоднородностей анизотропии методом ЗПН в аморфных и нанокристаллических ферромагнетиках. В конце главы приводится постановка задачи настоящего исследования.
Вторая глава. Во второй главе приводится учет источников погрешности, необходимый для достоверности дальнейшею исследования полевой зависимости рассеяния намагниченности вблизи насыщения при исследовании тонких пленок на вибрационном магнитометре. Далее приводятся общие сведения о материале исследуемых образцов, приводятся результаты их магнитной паспортизации (результаты измерения констант А и М с помощью исследования низкотемпературного хода намагниченности). Для нанокристаллических пленок анализ констант указывает на их неравновесную структуру. Для мультис-
6
лойных пленок анализ зависимости магнитных констант от толщины магнитных слоев позволяет получить дополнительную информацию о специфике их субмикроструктуры.
Гостья глава. В третьей главе экспериментально исследуется, предсказанная теоретически связь: ô=(4-d)/2, показателя степенной зависимости Dm(H)4I° в законе приближения намагниченности к насыщению аморфных и нанокристаллических ферромагнетиков с размерностью системы обменно-связанных зерен d. Приводятся результаты такого исследования для нанокристаллических пленок Fe(C), Со(С), Ni(C), полученных методом ИПИ и обладающих изотропным магнитной неоднородностью (d=3), а также для мультис-лойных пленок Co/Pd с нанокрисгаллическими и аморфными слоями, система ферромагнитно- связанных зерен в которых обладает резкой анизотропией обменных корреляций (d=2). Далее приводятся результаты измерения размерности d, с помощью выражения ô=(4-d)/2, выполненные в ряде композиционно- модулированных пленок с ультратонкими слоями: [Fc20Â/Pd20Âj2o; fCo6À/Pdl4À]2o; пленок [Co(tc0) /Cu(tcu)]i20 (где tcu меняется от 2.7À до 26Â, tco - от 2.4Â до 3.5À.).
Четвертая глава. В 4й главе проводятся теоретические оценки влияния магнитной микроструктуры на приближение намагниченности к насыщению, в нанокристаллических и аморфных ферромагнетиках, предлагаются методы определения характеристик системы магнитных блоков ферромагнитного корреляционного радиуса Rf и среднеквадратичной флуктуации средней анизотропии в этой области D12<На> из различных участков кривой намагничивания. Далее приводятся результаты экспериментального определения характеристик магнитной микроструктуры - Rf и D12<Иа> - аморфных и нанокристаллических ферромагнетиков со случайной анизотропией, характеризующейся величинами Rc, D12На соответственно. Проводится регистрация зависимости М(Н) обусловленная ориентацией по полю намагниченностей магнитных блоков. Далее на эксперименте исследуется связь коэрцитивного поля Нс и среднеквадратичной флуктуации средней анизотропии Ош<На> для З-d и 2-d ферромагнетиков. Подробно анализируются изменения характеристик R, и <На> в ферромагнитных пленках Co/Pd при изменении толщины индивидуального слоя Со в рамках изменения структурного параметра Rc(tco) и изменения основных магнитных констант материала - Ha(tc0), A(tCo)> M(tc0).
Основные результаты настоящей работы выделены в виде итогового заключения.
Научная новизна. Впервые экспериментально установлено, что пространственная размерность системы (d) ферромагнитно - связанных зерен (2R«) в исследуемых материалах определяет показатель степенной зависимости приближения намагниченности к на-
7
сыщению в области полей Н< 2А/МЯс2. Для нанокристаллических и аморфных пленок с трехмерной упаковкой зерен справедлива зависимость АМ-Н'1 2 [3-8.11], в мультислойных пленках с двумерной упаковкой зерен в индивидуальном магнитном слое приближение к насыщению осуществляется по закону ДМ-Н1 [11].
Проведено прямое и косвенное экспериментальное определение характеристик магнитной микроструктуры - ферромагнитный корреляционный радиус среднеквадратичная флуктуация средней анизотропии в этой области Г)12<К> - аморфных и нанокристаллических ферромагнетиков со случайной анизотропией, характеризующейся величинами Яс, О ‘ К соответственно. На кривых намагничивания аморфных и нанокристаллических ферромагнетиков впервые обнаружена зависимость от Н, обусловленная ориентацией по полю намагниченностей магнитных блоков [12]. Обнаружена корреляция коэрцитивного ноля с этими характеристиками случайной анизотропии [11, 12].
Практическая ценность. Благодаря проведенным исследованиям в рамках метода корреляционной магнитометрии становится возможным одновременное определение параметров неоднородной структуры аморфных сплавов (корреляционные радиусы К_с и величины среднеквадратичной флуктуации локальной магнитной анизотропии О 2К) и основных параметров магнитной микроструктуры (ферромагнитного корреляционного радиуса и среднеквадратичной флуктуации средней анизотропии О12<К> магнитного блока размером 2Яг) с помощью кривых намагничивания до насыщения. Таким образом, стало возможным непосредственно исследовать корреляционные связи: Структурная микронеоднородность => магнитная микронсоднородносгь => физические свойства. Знание этих закономерностей необходимо для эффективного управления свойствами материала путем вариации неоднородности нанокристаллических и аморфных сплавов на субмикроструктурном уровне.
8
ГЛАВА 1. ВЫСОКОПОЛЕВАЯ МАГНИТОМЕТРИЯ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ И АМОРФНЫХ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.
Металлы и сплавы, у которых отсутствует дальний порядок, называют аморфными. К нанокристатлическим (наноструктурным) материалам в настоящее время относят мстатлы 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. Согласно основному правилу материаловедения особенности строения этих материалов обуславливают специфику их физических свойств (представляющих интерес, как в прикладном, так и в фундаментальном аспектах). Поэтому изучение связи строения этих материалов и их физических свойств - сегодня представляет собой одну из важнейших задач современного материаловедения.
К сожалению, сегодня нет метода, который бы, подобно рентгеновской дифракции для монокристалла, давал полную информацию о структуре данных материалов со структурными корреляциями на масштабах порядка нескольких единиц либо десятков межатомных расстояний. В связи с этим достоверные сведения о строении этих материалов сегодня носят только общий характер. По атомному строению реальные аморфные и нанокристаплические системы занимают промежуточное положение между материалом с идеальным порядком и материалом с идеальным хаосом. Структура упорядоченных систем описывается на языке геометрии кристаллической ячейки и соотношений трансляционной инвариантности. Попытки описывать строение неупорядоченных систем на основе специфической геометрии беспорядка (начиная с моделей Бернала и Полка) также применяются исследователями [13]. Другой подход к такому описанию, оказавшийся весьма плодотворным, состоит в том, что "структуру хаоса" изначально описывают на его естественном языке - языке магематической статистики, теории случайных функций и т.п.
Идеальный хаос - так называемый "континуальный" либо "газовый" беспорядок характеризуется статистической независимостью параметров в любых двух точках системы. Реальная структура аморфных и нанокристаллических сплавов всегда демонстрирует отклонения от идеального хаоса - как было сказано, ей свойственна некоторая упорядоченность (корреляции) на масштабах нескольких единиц либо десятков межатомных расстояний. Таким образом, задача изучения таких материалов состоит в исследовании связи величины, пространственных размеров и друтих характеристик таких структурных флукту аций со свойствами.
- Киев+380960830922