Введение к работе
Актуальность проблемы. Физика аморфных металлических сплавов (АМС) является одной из быстроразвивающихся областей физики конденсированного состояния. Большой интерес, который привлекают к себе АМС, обусловлен как фундаментальными, так и прикладными аспектами. Одними из наиболее перспективных АМС, как с точки зрения их практического использования, так и с точки зрения изучения особенностей структуры аморфного состояния, являются АМС на основе железа [1-4]. Обладая высокими значениями намагниченности насыщения, константы магнитострикции, магнитной проницаемости и малыми потерями на перемагничивание, такие сплавы находят применение в различных областях электроники в качестве чувствительных элементов датчиков силы, деформации, температуры, а также в линиях задержки звуковых и ультразвуковых сигналов.
Магнитострикционные АМС на основе железа являются удобным модельным объектом, позволяющим проследить взаимосвязь механизмов перестройки доменной структуры магнитомягкого ферромагнетика с его магнитными и магнитоупругими параметрами. Несмотря на значительное число опубликованных работ, посвященных исследованию магнитных и магнитоупругих свойств АМС на основе железа, до настоящего времени отсутствовали целостные представления, связывающие между собой процессы перестройки доменной структуры сплавов, их магнитные и магнитоупругие свойства. Выработка таких представлений была затруднена из-за сложности наблюдения у АМС доменной структуры и процессов ее перестройки под действием магнитного поля и упругих деформаций, высокой чувствительности магнитной и фазовой структур к режимам предварительных обработок, а также многообразия объектов исследований, отличающихся методами получения и геометрическим параметрами. В частности, недостаточно полно было исследовано поведение магнитоупругих характеристик АМС на основе железа в магнитных полях, не были выявлены особенности процессов перестройки магнитной доменной структуры под действием магнитного поля и упругих напряжений в аморфных металлических пленках, лентах и проволоках, а также не было изучено влияние рельефа поверхности и неоднородностей магнитной структуры на их магнитные и магнитоупругие свойства. Все это сдерживало практическое применение таких материалов в современной промышленности.
Целью работы являлось установление взаимосвязи процессов перестройки доменной структуры, магнитных и магнитоупругих свойств аморфных металлических сплавов на основе железа в виде пленок, лент и проволок.
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 перемагничивания 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 -эффекта. Установление критерия возможности возникновения отрицательного-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 -эффекта в аморфных 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 -эффекта в результате действия растягивающих напряжений.
7. Исследование влияния неоднородностей магнитной структуры (угловой и амплитудной дисперсии анизотропии) на магнитоупругие и пьезомагнитные свойства высокомагнитострикционных аморфных металлических лент.
8 Изучение закономерностей, связанных с формированием доменной структуры в ядре аморфных металлических проволок и развитие представлений об особенностях протекания процессов ее 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 ионно - плазменного напыления в магнитном поле. 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 их оси легкого намагничивания.
Показано, что изменение структуры доменных границ под действием магнитного поля, перпендикулярного оси легкого намагничивания, в аморфной металлической пленке на основе железа с одноосной наведенной анизотропией, приводит к появлению минимума на полевой зависимости DЕ-эффекта и к разрыву вторых производных свободной энергии ферромагнетика по упругим и магнитным параметрам;
Установлено, что на зависимостях DЕ - эффекта от величины магнитного поля у аморфных металлических лент с одноосной наведенной анизотропией, у которых единственным переходным металлом является железо, имеется четыре характерных участка, которые обусловлены различными механизмами перестройки их доменной структуры. Рост концентрации кобальта в аморфных металлических лентах на основе железа приводит к тому, что на аналогичной зависимости присутствует только два участка.
Предложена модель распределения намагниченности, позволяющая дать объяснение экспериментальным зависимостям величин Е-эффекта и дифференциальной магнитной проницаемости от магнитного поля в аморфных металлических лентах составов Fe64Co21B15 и Fe81.5B13.5Si3C2, прошедших обработку постоянным электрическим током на воздухе.
Показано, что неоднородный рельеф поверхности аморфных металлических лент на основе железа является одним из основных факторов, определяющих их квазистатические магнитные 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 смещения 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 и практическая значимость.
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 Е-эффекта.
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 высокомагнитострикционных 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 энергии, а также установление механизмов перемагничивания ядра проволоки способствуют созданию новых импульсных устройств функциональной электроники (магнитных диодов).
Показано, что метод резонанса – антирезонанса измерения скорости распространения магнитоупругих колебаний и величины – эффекта может быть использован в качестве высокочувствительного метода контроля (наряду с рентгеноструктурным и дифференциальным термическим анализами) начальных стадий процесса кристаллизации магнитострикционных аморфных металлических лент.
Основные защищаемые положения.
1. Следствиями изменения структуры доменных границ в аморфных металлических пленках и лентах под действием магнитного поля, ориентированного перпендикулярно оси наведенной анизотропии, являются уменьшение равновесной ширины полосовых доменов, изменение зависимости модуля упругости и магнитной проницаемости от магнитного поля, а также разрыв вторых производных свободной энергии ферромагнетика по его магнитным и упругим параметрам. Увеличение поля достижения максимума скорости распространения магнитоупругих колебаний при уменьшении размеров образца вдоль оси трудного намагничивания является рост значения эффективной константы анизотропии пленок и лент в результате увеличения их размагничивающего фактора.
2. Условиями возникновения отрицательного -эффекта в магнитострикционных аморфных металлических пленках и лентах с одноосной наведенной анизотропией являются низкая значение эффективной анизотропии, высокая константа магнитострикции и близкие по значениям модули упругости в отсутствие магнитного поля и в состоянии магнитного насыщения. Первые два фактора определяют высокую чувствительность доменной структуры образцов к действию приложенных напряжений, что является условием возникновения отрицательного-эффекта. Близкие значения модулей упругости в размагниченном состоянии и состоянии магнитного насыщения свидетельствуют о том, что основным механизмом намагничивания аморфных лент и пленок является поворот намагниченности. Уменьшение абсолютной величины отрицательного -эффекта в аморфных лентах на основе железа на стадии их кристаллизации обусловлено уменьшением константы магнитострикции, разрушением одноосной наведенной анизотропии и увеличением уровня внутренних напряжений, что приводит к уменьшению чувствительности доменной структуры к действию упругих напряжений, увеличению разности модулей упругости в состоянии магнитного насыщения и размагниченном состоянии и изменению преобладающего 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 поля одноосной наведенной анизотропии, уменьшение намагниченности и магнитострикции в результате увеличения концентрации кобальта в аморфных металлических лентах на основе железа приводит к уменьшению полей рассеяния, росту чувствительности доменной структуры образцов к действию магнитного поля и изменению полевых зависимостей магнитных и магнитоупругих характеристик в области относительно слабых магнитных полей.
4. Причиной различного поведения -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 Е-эффекта, что связано с уменьшением поля одноосной наведенной анизотропии.
5. Между ядром и приповерхностной областью магнитострикционных аморфных металлических проволок осуществляется механизм магнитоупругого взаимодействия, влияющий на ход зависимости модуля упругости проволоки от внешнего магнитного поля. 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 поля больше. В связи с этим, ход полевых зависимостей модуля упругости аморфных металлических проволок на основе железа определяется набором факторов определяющими размеры ядра и приповерхностной области проволок, а также значения констант анизотропии этих областей.
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 смещения доменной верхушки в ядре аморфной металлической проволоки, а также механизм ее продвижения на начальном этапе 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 решение крупной научной задачи в области физики конденсированного состояния: “Взаимосвязь механизмов намагничивания аморфных металлических сплавов на основе железа с их магнитными и магнитоупругими свойствами ”.
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 (А.Л. Семенов, А.Ю. Моховиков, Н.В.Турик). Исследования доменной структуры и процессов ее перестройки под действием магнитных полей и упругих растягивающих напряжений в аморфных металлических пленках проводились на кафедре физики ИГПУ при сотрудничестве с А.В. Семировым и Н.П. Ковалевой. Результаты, связанные с исследованием структурных изменений, протекающих в аморфных металлических лентах структурно - чувствительными методами, в частности, методом экзоэлектронной эмиссии, были получены при сотрудничестве с А.С. 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 участвовал в постановке задачи, получении ряда экспериментальных результатов и их обсуждении, а также разработке физических моделей, объясняющих результаты эксперимента.
Апробация работы.
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 по магнитным пленкам и поверхностям (ICSMF, Dsseldorf, Germany 1994); XIV–XХ международных школах-семинарах ”Новые магнитные материалы микроэлектроники” (Москва, МГУ, 1994 - 2006 гг.); 41-ой Международной конференции по магнетизму и физике магнитных материалов (Atlanta, USA, 1996);1-ом, 3-ем, 4-ом Московском международном симпозиуме по магнетизму (MISM, MSU, 1999, 2005, 2008); Intermag Conference (Kyongju, Korea, 1999); Международной конференции "Релаксационные явления в твердых телах" (Воронеж, ВГТУ 1999 г.); Седьмой всероссийской конференции с международным участием “Аморфные прецизионные сплавы. Технология – свойства – получение” (Москва, ЦНИИ Чермет им И.П.Бардина, 2000 г); Европейской конференции по магнитным материалам (EMMA-2000, Ukraine, Kiev, 2000); Евроазиатском симпозиуме “Trends in Magnetism” (Красноярск, КГУ, 2004); Международных конференциях "Функциональные материалы" ICFM-2002, 2007, 2009 (Симферополь, ТНУ, 2002, 2007, 2009 гг.); 1-ой , 2-ой и 3-ей Байкальской международных конференциях “Магнитные материалы” (Иркутск, ИГПУ, 2001, 2003, 2008 гг.); сессии РАН по проблемам магнетизма в магнитных пленках, малых частицах и наноструктурных объектах (Астрахань, АГУ, 2003 г.); 5–8-ой Международных конференциях "Действие электромагнитных полей на прочность и пластичность материалов" (Воронеж, ВГТУ, 2003, 2004, 2005, 2007 гг.); Всероссийской научной конференции “Методы создания, исследования материалов, приборов и экономические аспекты микроэлектроники” (Пенза, 2006); 13-ой Международной конференции по 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–математи-ческое моделирование систем” (Воронеж, ВГТУ, 2008 г.); Joint European Magnetic Symposia (Dublin, Ireland, 2008 г.); Третьей Всероссийской конференции по наноматериалам (Екатеринбург.2009 г); XXI Международной конференции “Новое в магнетизме и магнитных материалах” (Москва, МГУ, 2009 г.); International Workshop on Structural and Mechanical Properties of Metallic Glasses (Barcelona, Spain, 2009 г);
Диссертационная работа выполнялась в рамках следующих проектов и программ: гранта МО РФ по 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 “Магнитоимпедансные и магнитоупругие свойства аморфных и нанокристаллических сплавов на основе переходных металлов” (2005-2008 гг), проект 08-08-00210-а “Влияние лазерной обработки на магнитные, магнитоупругие и магнитоимпедансные свойства аморфных и нанокристаллических металлических сплавов на основе 3d-металлов” (2008-2100 гг.), проект 09-08-00406-а “Термостабильность магнитоимпедансных характеристик аморфных и наноструктурированных ферромагнитных сплавов” (2009-2011 гг.) и проект 07-08-05037-б “Развитие МТБ для проведения исследований по области знаний 08”(2007 г)); федеральной аналитической ведомственной целевой программы "Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 гг.)" (проект РНП.2.2.1.1/3297); темпланов ИГУ и ИГПУ (1996-2010 гг.);
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.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, девяти глав и заключения. Содержание работы изложено на 227 страницах текста, включает 126 рисунков и 7 таблиц. Список используемой литературы включает 217 наименований, включая 67 наименований работ автора диссертации.
