Гальваномагнитные эффекты в микро- и макронеоднородных сплавах переходных металлов Прудникова, Мария Валерьевна

Введение к работе

Актуальность темы

Открытие в 1988 г. эффекта гигантского магнитосопротивления (ГМС) в магнитных мультислоях, а затем в 1992 г. и в магнитных гранулированных сплавах вызвало пристальное внимание во всех исследовательских центрах мира. Это связано как с самостоятельным научным значением, которое представляет собой изучение явлений переноса в магнитно —неоднородных системах, так и с важной практической задачей создания нового поколения магнитных головок для сверхплотной магнитной записи, магнитных сенсоров, элементов спиновой электроники, элементов магниторезистивной памяти.

Неоднородные магнитные материалы можно условно разделить на два основных класса по масштабу магнитных неоднородностей. Если размер магнитных неоднородностей много больше характерных длин свободного пробега носителей тока, то такие системы являются макронеоднородными и к ним, в частности, принадлежат композиты "ферромагнитный металл — диэлектрик" и "ферромагнитный металл — полупроводник" с размером гранул, превышающим 1цкм. Если же масштаб магнитной неоднородности сравним со средней длиной свободного пробега, которая, как известно, в ферромагнитных

металлах и сплавах составляет величину 10—100А, то такие системы принято называть микронеоднородными, К ним, в частности, относятся аморфные ферромагнитные сплавы, характеризующиеся отсутствием дальнего, но наличием ближнего порядка на нескольких координационных сферах, нанокристаллические сплавы, а также панокомпозиты и гранулированные сплавы с ГМС, характерный размер гранул которых, как правило, но

превышает радиуса однодоменности, т.е. ~100 А.

Основные усилия в последнее десятилетие были сконцентрированы на исследовании механизмов гигантского отрицательного магнитосопротивления |МС) в мультислоях, спин — вентильных сэндвичах, гранулированных сплавах "ферромагнитный металл — немагнитный металл", а также отрицательного МС в композитах "ферромагнитный металл — диэлектрик" вблизи порога

перколяции. Однако, другие гальваиомагнитные явления в магнитно — неоднородных материалах, как например, положительное МС, нормальный (НЭХ) и аномальный эффекты Холла (ЛЭХ) практически не исследованы. Также не изучались гальваномагнитные явления в композитах "ферромагнитный металл — полупроводник", представляющих новый тип неоднородных магнитных материалов. Такого рода исследования позволяют получить важную информацию об особенностях спин—зависящего и спин — независящего рассеяния в магнитно — неоднородных системах, их микроструктуре, основных носителях тока, проверить и дополнить развитые представления о природе ГМС и гальваномагнитных явлений в однородных ферромагнетиках.

Целью данной работы является экспериментальное исследование поперечного магнитосопротивления и эффекта Холла в следующих микро — и макронеоднородных системах:

аморфные ферромагнитные сплавы Fe —В;

гранулированные сплавы "металл —металл" (Со —FeJAg;

ферромагнитные композиты Со - СиО.

Особое внимание уделялось экспериментальному изучению указанных

явлений в широком диапазоне составов, температур, магнитных полей, а

также сравнительному анализу полученных данных для различных систем с

учетом особенностей их микроструктуры.

Научная новизна и практическая ценность представленных в

диссертации результатов, заключается в том, что:

В получен комплекс экспериментальных данных по гальваномагнитным эффектам в быстрозакаленных сплавах Fe|oo-_xB_x, гранулированных сплавах (Co7oFe₃o)_x^gioo-x ^и композитах Со₎₀₀__х(СиО)_х в серии прецизионных измерений с использованием различных современных методик. Проведены:

в измерения квазистатической намагниченности с использованием высокочувствительного магнитометра в широком интервале температур и магнитных полей;

В измерения электропроводности и поперечного магнитосопротивления в магнитном поле с использованием высокочувствительного (Ю^-9 V) измерительного комплекса; И измерения холловского сопротивления в интервале температур 77 — 300 К и

в магнитных полях до 2 кЭ.
Полученные в работе оригинальные экспериментальные результаты об
электрических, гальваномагнитных, магнитных и структурных

характеристиках ферромагнитных аморфных, гранулированных и композитных сплавах позволили предложить механизмы формирования комплекса магнитных и кинетических свойств изученных неоднородных магнитных материалов. Доказано, что гальваномагниткые эффекты в микро — и макронеоднородных сплавах чувствительны к микроструктуре сплавов и поэтому их можно использовать для структурной аттестации образцов. Комплексные исследования магнитных и кинетических свойств, проведенные на одних и тех же образцах аморфных, граігулированньїх и композитных сплавов 3d — переходных металлов позволили установить общие закономерности и принципиальные различия в формировании гальваномагнитных свойств в микро— и макронеоднородньгх ферромагнитных материалах, что весьма важно для физики твердого тела, современного физического материаловедения и развития теории конденсированного состояния. Основные положения, выносимые на защиту

Автор защищает результаты экспериментальных исследований поперечного МС и эффекта Холла в аморфных сплавах Fei₀o__xB_x (х = 9.9, 12.2, 13.1, 14.4, 18.1 ат.%), магнитных гранулированных пленках (Co7oFe₃o)_xAgioo-x (х= 19.1, 25, 29.9, 36 ат.%) и ферромагнитных композитах Со₁₀о-_х(СиО)_х (х= 10, 20, 30, 40, 50, 60 вес.%). Основные результаты диссертации, которые выносятся на защиту, можно сформулировать следующим образом:

1. Для микро — и макронеоднородных систем не имеет место корреляция между коэффициентом АЭХ R_h и квадратом сопротивления р² при изменении концентрационного сплава или температуры, что доказывает определяющую роль механизма асимметричного рассеяния в формировании АЭХ.

1. В быстрозакаленных лентах Fo|oo-_KB_X коэффициент нормального эффекта Холла R'₀, определенный в полях насыщения, изменяется в пределах Rl = (20н-70)10~¹²Ом-смГс^-1, достигает максимального значения при х = 14.4 ат.% и сильно зависит от температуры. Положительный знак /^ связан с s — d гибридизацией, максимум R"₀ — с минимумом плотности d —состояний на уровне Ферми при х=14.4 ат.%, а температурная зависимость R^ — как с зависимостью параметров электронного спектра от температуры, так и с возможным вкладом аномального эффекта Холла.

2. Поперечное МС в аморфных сплавах Fe₁₀₀__xB_x и композитах Со|₀о„_х(СиО)_х положительно в полях меньших поля насыщения, приложенных перпендикулярно поверхности образцов, что обусловлено особенностями их микроструктуры. Так, для композитов Со₁₀₀__х(СиО)_х инверсное МС связано с сильным рассеянием на поверхностях окисленных гранул Со.

3. Коэффициент нормального эффекта Холла в гранулированных сплавах (Со₇оРезо)_хАд 100-х с ГМС сильно зависит от температуры, а коэффициент АЭХ имеет знак противоположный коэффициенту АЭХ гомогенных сплавов Со — Fe, что подтверждает важную роль рассеяния на поверхности граігул в формировании АЭХ.

4. Для ферромагнитных композитов Co_10Q__x(CuO)_x правило Муиджи не выполняется: сопротивление возрастает до 320 икОмсм при повышении температуры и не насыщается.

6. Холловское сопротивление р_л композитов СО]оо-_х(СиО|_х сильно зависит от
микроструктуры сплавов и формируется не только за счет нормального и
аномального эффектов Холла ферромагнитной компоненты, но также за
счет холловского вклада высокорезистивной второй компоненты, роль
которой могут играть полупроводниковые окислы Со и Си, а также
высокорезистивные межгранульные контакты.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях: Всероссийском совещании по физике магнитных явлений, Астрахань, 1993; Международной конференции по жидким и аморфным металлам (LAM — 9), Chicago, 1995; XV Всероссийской

конференции "Новые магнитные материалы микроэлектроники" (НМММ), Москва, 1996 ; "Russian—Japanese Joint Seminar of intelligent Materials and Their Applications" (PMIMA), Moscow, 1996; NATO Advanced Research Workshop, 2d International Workshop Itinerant Electron Magnetism: "Fluctuation Effects and Critical Phenomena", Moscow, 1997. Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 8 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата. Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы. Объем диссертации составляют 196 страниц машинописного текста, включающих 75 рисунков, 5 таблиц и список цитируемой литературы из 164 наименований.