Магнитные и магнитоупругие свойства аморфных металлических сплавов на основе железа

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ

ГОУ ВПО “ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ”

На правах рукописи

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Магнитные и магнитоупругие свойства аморфных металлических сплавов на основе железа

01.04.07 - физика конденсированного состояния

01.04.11 - физика магнитных явлений

Гаврилюк Алексей Александрович

Иркутск - 2010

Работа выполнена на кафедре электроники твердого тела ГОУ ВПО “Иркутский государственный университет.

Официальные оппоненты:

доктор физико - математических наук, профессор Глезер А.М. ЦНИИ ЧЕРМЕТ им. Л.П.Бардина, г. Москва

доктор физико - математических наук, профессор Грановский А.Б. МГУ им М.В. Ломоносова, г. Москва

доктор физико - математических наук, профессор Калинин Ю.Е. Воронежский государственный технический университет г. Воронеж.

Ведущая организация: Сибирский Федеральный Университет г. Красноярск.

Защита состоится “ 22 ” сентября 2010 года в 10.00 часов в аудитории на заседании диссертационного совета Д 212.074.04 в Иркутском государственном университете по адресу: 665003, г. Иркутск, бульвар Гагарина, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Иркутского государственного университета.

Автореферат разослан 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета Д 212.074.04 к.ф.-м.н., доцент Мангазеев Б.В.

Характеристика работы

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. аморфный металлический железо анизотропия

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 Е-эффекта и к разрыву вторых производных свободной энергии ферромагнетика по упругим и магнитным параметрам;

Установлено, что на зависимостях Е - 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 ДЕ-эффекта и дифференциальной магнитной проницаемости от магнитного поля в аморфных металлических лентах составов Fe₆₄Co₂₁B₁₅ и Fe_81.5B_13.5Si₃C₂, 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 ДЕ-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 ДЕ-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, Dьsseldorf, 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.

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, кратко изложено содержание работы.

В первой главе приводятся сведения об исследуемых образцах, их магнитных параметрах, описываются метод проведения термомагнитной обработки аморфных металлических лент, представлены методы измерения магнитных и магнитоупругих характеристик исследуемых объектов.

В качестве исследуемых образцов использовались аморфные металлические пленки на основе железа, полученные методом ионно - плазменного напыления в магнитном поле, аморфные металлические ленты, полученные методом быстрой закалки из расплава и аморфные металлические проволоки, полученные вытягиванием из расплава. Аморфные металлические пленки составов Fe₄₅Co₄₅Zr₁₀, Fe₈₁Mo₉P₁₀, Fe₈₁Mn₉P₁₀, полученные методом ионно - плазменного напыления в магнитном поле, имели толщину от 10 до 50 мкм. Ось легкого намагничивания (ОЛН) пленок определялась ориентацией магнитного поля в процессе их напыления. Пленки получены и сертифицированы на кафедре ФТТ ВГТУ. Выбор объектов исследования объяснялся высокими значениями индукции насыщения ? (1,3-1,5) Тл и константы магнитострикции ? (25-30)^.10^-6, а также относительно низким значением поля наведенной анизотропии, которое не превышало 1500-2000 А/м.

В качестве исследуемых аморфных металлических лент были выбраны ленты составов Fе_81,5B_13,5Si₃C₂, Fe₆₄Co₂₁B₁₅, Fe₇₃Co₁₂B₁₅ и Fe₆₇Co₁₀Cr₃Si₅B₁₅, полученные методом быстрой закалки из расплава. Ленты получены и сертифицированы в ЦНИИ ЧЕРМЕТ им И.П. Бардина (Москва). Толщина лент составляла 25 - 35 мкм, длина - 0,015 - 0,05м, ширина - 0,009 - 0,0011 м. Выбор объектов для исследования объяснялся высокими значениями их констант магнитострикции ?(25-35)^.10^-6 и индукции насыщения ?(1,3-1,8) Тл. Различный состав лент позволял варьировать величину поля анизотропии, наводимой в процессе термомагнитной обработки.

В качестве исследуемых аморфных металлических проволок были выбраны проволоки состава Fе₇₅Si₁₀B₁₅, полученные вытягиванием из расплава. Диаметр проволок составлял 135-140 мкм, длина - 0,02 - 0,06м. Образцы получены и сертифицированы в ЦНИИ ЧЕРМЕТ им. И. П. Бардина (г. Москва). Магнитострикция насыщения проволок составляла _s3^.10^-5, индукция насыщения - В_s1,5 Тл. Выбор проволок состава Fе₇₅Si₁₀B₁₅ в качестве исследуемых объектов был обусловлен их высокими магнитными и магнитоупругими характеристиками. В ряде случаев для проверки предложенных моделей исследовались динамические магнитные характеристики низкомагнитострикционных аморфных металлических проволок составов Co₆₆Fe₄Nb_2,5Si_12,5B₁₅ и Co₆₆Fe₄Ta_2,5Si_12,5B₁₅, также полученных и сертифицированных в ЦНИИ ЧЕРМЕТ им. И. П. Бардина (г. Москва).

Перед проведением исследований аморфные металлические ленты проходили термическую или термомагнитную обработку (ТМО). Целью ТМО являлось снятие в образцах внутренних закалочных напряжений и наведение в них одноосной анизотропии с осью легкого намагничивания, ориентированной перпендикулярно длине образца. Термомагнитная обработка проводилась в вакууме 10^-6 мм.рт.ст. Магнитное поле, прикладываемое в плоскости ленты в процессе ТМО, составляло 40 кА/м. Время выдержки образца при заданной температуре составляло 20 минут с последующим медленным остыванием в печи.

Другим способом обработки аморфных металлических лент и проволок являлась их обработка постоянным электрическим током на воздухе в течение 2 минут. Плотность тока обработки аморфных лент и проволок варьировалась в зависимости от состава образцов и их геометрических параметров.

Для наблюдения доменной структуры и процессов перемагничивания аморфных металлических пленок, полученных методом ионно-плазменного напыления в магнитном поле, использовался магнитооптический метод, основанный на меридиональном эффекте Керра.

Для измерения -эффекта и скорости распространения магнитоупругих колебаний в аморфных металлических лентах и пленках в виде полосок использовался метод резонанса - антирезонанса [5]. Постоянное магнитное поле и малое переменное магнитное поле (1-3 А/м), возбуждающее магнитоупругие колебания в образце, ориентированы вдоль длины исследованных полосок Величина - эффекта рассчитывалась из выражения:

В ряде случаев измерялась также величина

где E_H- модуль упругости образца в магнитном поле, E₀ - модуль упругости в отсутствие магнитного поля, E_s- модуль упругости в магнитном поле насыщения: Скорость распространения магнитоупругих колебаний V_m.e. определялась как , где f_r- резонансная частота в магнитном поле H, - резонансная частота в отсутствии магнитного поля, f_a- антирезонансная частота.

Для определения квазистатических кривых намагничивания и петель гистерезиса аморфных металлических лент и проволок разработана установка, с использованием баллистического метода. Измерительное устройство состояло из 3 катушек: соленоида, создающего постоянное магнитное поле, катушки, создающей поле смещения (компенсация поля Земли), и измерительной катушки, намотанной на образец. Величины коэрцитивной силы H_C, остаточной индукции В_r и дифференциальной магнитной проницаемости µ, для исследованных лент и проволок определяли из анализа петель гистерезиса.

Для исследования динамических магнитных характеристик аморфных металлических лент и проволок разработана автоматизированная установка, которая посредством измерения динамических магнитных петель гистерезиса позволяет исследовать частотные зависимости магнитных параметров материала. Установка создана на базе АЦП ЛА-н150-14PCI и генератора ГСПФ-053. Для управления измерениями и обработки результатов разработано специализированное программное обеспечение, позволяющее осуществлять выбор режимов перемагничивания и измерения, установку начальных условий эксперимента (частоты и напряжения сигнала генератора), автоматическую запись результатов измерений в удобном для обработки виде и отображение их в виде графика на экране монитора.

Во второй главе приводятся результаты исследований доменной структуры и процессов ее перестройки под действием магнитных полей и упругих растягивающих деформаций аморфных металлических пленок полученных методом ионно - плазменного напыления в магнитном поле.

Основными механизмами перемагничивания пленок при приложении магнитного поля вдоль ОЛН пленок являются процессы смещения доменных границ (рис.1), а при приложении магнитного поля вдоль оси трудного намагничивания (ОТН) - процессы поворота намагниченности (рис.2). Независимо от состава и геометрических размеров пленок, процесс перемагничивания имеет неоднородный характер, что связано с наличием угловой и амплитудной дисперсии поля анизотропии. В пленках наблюдается уменьшение поля намагничивания смещением доменных границ при приложении переменного магнитного поля вдоль их ОТН.

При приложении переменного магнитного поля вдоль ОТН полосок шириной 1-2 мм в них наблюдалось колебательное движение доменных границ, которое может быть объяснено на основе представлений об изменении их структуры под действием переменного магнитного поля (предположительно, блох-неелевском переходе).

Равновесная ширина полосовых доменов d определяется из условия минимума суммы магнитостатической энергии г_m, связанной с взаимодействием магнитных полюсов на краях полоски и энергии доменных границ г_w [6]. При изменении структуры доменных границ происходит изменение величины г_w [7]. В результате уменьшается равновесная ширина полосовых доменов.

Рис.1. Изменение доменной структуры в процессе перемагничивания аморфной металлической пленки состава Fe₄₅Co₄₅Zr₁₀, магнитным полем, направленным вдоль ОЛН. Размер образца вдоль направления ОЛН - 0,03 м; а -=-1300 А/м, б- =-800 А/м, в- =-300 А/м, г-=300 А/м, д - = 800 А/м, е-= 1300 А/м.

Приложение упругих растягивающих деформаций, ориентированных перпендикулярно ОЛН пленок, приводит к уменьшению поля намагничивания исследованных образцов, как для перемагничивания их путем смещения доменных границ, так и для перемагничивания механизмом вращения намагниченности.

В магнитострикционных полосках с одноосной наведенной анизотропией наблюдается влияние последовательности приложения упругих растягивающих напряжений и магнитного поля на процессы перестройки доменной структуры, что объяснено на основе положений модели Стонера - Вольфарта [8] с учетом влияния растягивающих напряжений на поле анизотропии и ориентацию ОЛН образца [9].

Рассмотрены случаи: 1.Вдоль длины полоски прикладывается магнитное поле , а затем упругие растягивающие напряжения . 2.Вдоль длины полоски прикладываются упругие растягивающие напряжения , а затем магнитное поле . Влияние последовательности приложения и определяется углом наклона ОЛН полоски по отношению к направлению перпендикулярному ее длине.

Рис. 2. Изменения доменной структуры в процессе намагничивания аморфной металлической пленки состава Fe₄₅Co₄₅Zr₁₀ магнитным полем перпендикулярным ОЛН; а -, б - = 300 А/м, в - = 600 А/м.

Если первоначально , где - поле наведенной анизотропии полоски, то последовательность приложения и не оказывает существенного влияния на процессы перестройки доменной структуры в том случае, когда 45⁰ ( - угол поворота ОЛН под действием ), т.е. в диапазоне от =0 до . В случае последовательность приложения и определяет процесс перестройки доменной структуры полосок. Для случая, когда угол между направлением и ОЛН составляет 90⁰, построена критическая кривая, разделяющая различные процессы перестройки полосовой доменной структуры.

В третьей главе представлены результаты исследования влияния магнитного поля на модуль упругости в аморфных металлических пленках и лентах с одноосной наведенной анизотропией. Изучено влияние геометрических размеров образца и температурыТМО на ход полевых зависимостей отношения в аморфных металлических лентах состава Fe_81.5B_13.5Si₃C₂. Приведены условия возникновения отрицательного - эффекта в магнитострикционных лентах и пленках с одноосной наведенной анизотропией. Объяснено поведение величины в относительно слабых магнитных полях.

Зависимость модуля упругости от можно представить в виде [10]:

(1)

где - магнитная проницаемость вакуума, - константа одноосной наведенной анизотропии, - намагниченность насыщения. Согласно (1), с увеличением должно наблюдаться монотонное уменьшение. Однако, в магнитных полях близких к полю анизотропии наблюдается рост величины . Поведение модуля упругости можно объяснить, исходя из предположения, что при приложении вдоль ОТН, в образце с одноосной наведенной анизотропией происходит изменение структуры доменных границ (блох-неелевский переход). С учетом вклада в энергию доменной структуры образца энергии неелевских доменных границ, получено следующее выражение для величины.

(2)

где- концентрация, а - поверхностная плотность 180⁰-ных неелевских доменных границ. В магнитных полях больших поля блох - неелевского перехода происходит увеличение в результате роста . Расчеты показали, что минимум на зависимости (H) для пленок толщиной несколько десятков микрон составляет (0,5ч0,7).

Для лент состава Fe_81,5B_13,5Si₃C₂ в виде узких полосок толщиной 25 мкм и шириной 0,001 м, прошедших ТМО при температурах 320⁰ч430⁰С, изучены зависимости скорости распространения магнитоупругих колебаний и отношения от и длины полосок. Установлено, что при А/м на зависимости имеется минимум, который с ростомсмещается в сторону меньших значений . В сильных магнитных полях (А/м) при всех значениях наблюдалось уменьшение (рис.3). Чем меньше , тем при больших наблюдается минимум на зависимости .

Для объяснения полученных результатов использованы представления о влиянии блох-неелевского перехода структуры доменных границ на зависимость . Рост размагничивающего фактора полоски при уменьшении приводит к росту поля блох-неелевского перехода. При этом минимум на зависимости смещается в область больших . При изменении в интервале 370⁰Сч430⁰С минимум и максимум величины соответствует одному и тому же значению. При в интервале от 330⁰ до 360⁰С и при =440⁰С между полями максимума величины и минимума совпадения не наблюдалось. С ростом минимум и максимум смещаются в область больших магнитных полей. Величина минимальна при температуре ТМО = 400⁰С. Полученным результатам дано следующее объяснение. При низких температурах ТМО доменная структура исследованных лент из-за наличия в них внутренних напряжений неоднородна, а механизм ее перестройки под действием представляет собой совместный процесс вращения намагниченности и смещения доменных границ. По всей видимости, процесс смещения не 180⁰-ных доменных границ различным образом влияет на величину и значение . Чем больше вклад процессов смещения не 180⁰-ных доменных границ, тем больше различие в поведении зависимостей и от . С ростом температуры ТМО и с усилением процессов релаксации внутренних напряжений доменная структура образца приобретает однородный характер. Преобладающим механизмом ее перестройки становится процесс поворота намагниченности, а поле максимума величины совпадает с полем минимума . При еще более высоких температурах ТМО протекает процесс кристаллизации аморфной ленты, повышающий в образце уровень внутренних напряжений. Следствием этого будет являться несовпадение полей экстремумов зависимостей и от .

Для выяснения причины минимума на зависимости проведены исследования структурных изменений, происходящих в ленте состава Fе_81,5B_13,5Si₃C₂ при проведении ТМО, методами рентгеноструктурного анализа, экзоэлектронной эмиссии и внутреннего трения. Помимо этого, изучены полевые зависимости магнитоупругих характеристик лент состава Fе_81,5B_13,5Si₃C₂, прошедших термическую обработку (ТО) в отсутствие магнитного поля в том же интервале температур. Из полученных результатов следует, что кристаллизация в ленте Fе_81,5B_13,5Si₃C₂ начинается при 380⁰ч390⁰С и сопровождается образованием - фазы Fe, а также соединений железа с бором и углеродом. При ТО лент одноосная анизотропия в лентах не наводится, их доменная структура остается неоднородной, а процесс ее перестройки обусловлен как поворотом намагниченности, так и смещением доменных границ. При этом с ростом в лентах протекает процесс стабилизации доменных границ, ведущий к уменьшению начальной магнитной проницаемости образца. Если преобладающим механизмом перестройки доменной структуры лент является процесс смещения не 180⁰-ных доменных границ, связан с соотношением:

(3)

Из соотношения (3) следует, что с уменьшением величины и возрастают. Согласно [12], в аморфных металлических лентах на основе железа, не прошедших ТМО, имеются области, ОЛН которых лежит в плоскости образца, перпендикулярно его длине. При приложении вдоль длины образца в таких областях происходят процессы поворота намагниченности. В образцах, прошедших ТО при 390⁰С, вклад в изменение вносят процессы поворота намагниченности, чем и обусловлено появление минимума на зависимости . При более высоких , в результате протекания в лентах кристаллизации, возникает анизотропия с ОЛН, перпендикулярной плоскости образца. Преобладающим механизмом перемагничивания ленты становятся процессы смещения доменных границ. Как следствие этого, минимум на зависимости не наблюдается.

Особенностью аморфных металлических лент и пленок на основе железа с наведенной анизотропией является наличие у них отрицательного -эффекта при и, ориентированных перпендикулярно ОЛН [13]. Считая, что процесс перестройки доменной структуры происходит путем поворота намагниченности, получено условие возникновения отрицательного -эффекта:

(4)

Полностью отрицательный - эффект в аморфных металлических лентах и пленках с одноосной наведенной анизотропией возникает при всех значениях , меньших или равных полю наведенной анизотропии . Поэтому условие для полностью отрицательного -эффекта имеет следующий вид:

(5)

Неравенства (4,5) выполняется для аморфных лент и пленок на основе железа с наведенной ОЛН. Из (4,5) следует, что для возникновения отрицательного - эффекта в аморфных металлических лентах и пленках необходимо низкое значение , высокое значение и близкие по значениям и .

Рис. 3. Зависимости скорости распространения магнитоупругих колебаний от длины ленты состава Fе_81,5B_13,5Si₃C₂ при различных значениях магнитного поля.

Нарушение неравенств (4,5) при кристаллизации аморфных металлических лент и пленок приводит к исчезновению у них отрицательного - эффекта. Кристаллизация лент и пленок начинается на поверхности образцов. В области роста кристаллитов возникают сжимающие напряжения, ориентирующие ОЛН перпендикулярно плоскости образца. Растягивающие напряжения вызывают поворот намагниченности вдоль длины образца. Соотношение для магнитоупругой деформации в области растягивающих напряжений можно представить в виде:

(6)

где , , - объем области растягивающих, а - сжимающих напряжений. Поворот намагниченности в областях растягивающих напряжений заканчивается в магнитных полях , меньших, чем поле наведенной одноосной анизотропии. Поэтому, при вклад в отрицательный -эффект от поворота намагниченности в области растягивающих напряжений мал. В области сжимающих напряжений доменная структура обладает высокой устойчивостью к действию и . При этом преобладающим механизмом перестройки доменной структуры является процесс смещения не 180⁰-ных доменных границ, приводящий к росту. При кристаллизации возрастает, а соотношение (4) при не выполняется и - эффект становится положительным.

На зависимостях в аморфных металлических лентах составов Fе_81,5B_13,5Si₃C₂ и Fe₆₇Co₁₀Cr₃Si₅B₁₅ имеется четыре характерных участка (рис.4), положение которых определяется температурой ТМО. Первые два участка наблюдаются в области слабых магнитных полей (30ч40 А/м). С ростом в этом интервале величина сначала уменьшается, а затем становится близкой к нулю. В области >(30ч40) А/м наблюдается сначала рост отношения , а затем его уменьшение. Третий и четвертый участки на зависимостях для лент составов Fе_81,5B_13,5Si₃C₂ и Fe₆₇Co₁₀Cr₃Si₅B₁₅, и ход зависимостей для лент составов Fe₆₄Co₂₁B₁₅ и Fe₇₃Co₁₂B₁₅ могут быть описаны в рамках модели поворота намагниченности с учетом энергии доменных границ. Значение , при котором достигалось максимальное отношение , увеличивалось, а само максимальное значение уменьшалось с ростом концентрации Co. В то же время для лент составов Fe₆₄Co₂₁B₁₅ и Fe₇₃Co₁₂B₁₅ на зависимости наблюдалось только два участка, соответствующих третьему и четвертому участкам аналогичной зависимости для лент составов Fе_81,5B_13,5Si₃C₂ и Fe₆₇Co₁₀Cr₃Si₅B₁₅. Полученные результаты объясняются следующим образом. В аморфных металлических лентах с высоким значением большую роль в процессах перемагничивания и магнитоупругих явлениях играет угловая дисперсия анизотропии, обусловленная внутренними напряжениями. Рост угловой дисперсии анизотропии приводит к увеличению энергии доменных границ в результате возникновения на их участках однополярных магнитных полюсов. Магнитное поле перпендикулярное ОЛН уменьшает угловую дисперсию анизотропии и, как следствие этого, энергию доменных границ. Показано, что угол поворота намагниченности в доменах практически не изменяется с ростом Н в интервале магнитных полей, соответствующим первым двум участкам на зависимости для лент составов Fе_81,5B_13,5Si₃C₂ и Fe₆₇Co₁₀Cr₃Si₅B₁₅. В результате отношение уменьшается с ростом Н. При увеличении концентрации Со величина поля анизотропии, наводимая в процессе ТМО, возрастает, а значения и - уменьшаются. Такое поведение поля наведенной анизотропии, и приводит к уменьшению влияния внутренних напряжений и неоднородностей структуры доменов на магнитные и магнитоупругие свойства аморфных лент в слабых магнитных полях. Так как первые два участка зависимости в ленте состава Fе_81,5B_13,5Si₃C₂ связаны с процессами перестройки тонкой структуры доменов, то следует ожидать исчезновения этих участков в лентах с относительно высоким содержанием кобальта, что справедливо для лент составов Fe₇₃Co₁₂B₁₅ и Fe₆₄Co₂₁B₁₅. Так как в процессе ТМО в лентах наводилась одноосная анизотропия, то при приложении перпендикулярно ОЛН в этих лентах осуществлялся процесс поворота намагниченности. Такому процессу перестройки доменной структуры соответствуют оба участка на зависимостях у лент составов Fe₇₃Co₁₂B₁₅ и Fe₆₄Co₂₁B₁₅, а также третий и четвертый участки на зависимости у лент составов Fе_81,5B_13,5Si₃C₂ и Fe₆₇Co₁₀Cr₃Si₅B₁₅.

В четвертой главе рассмотрен вопрос о влиянии изменения структуры доменных границ под действием магнитного поля, направленного перпендикулярно ОЛН ленты, на изменение магнитных и магнитоупругих параметров аморфных металлических лент на основе железа. В результате изменения структуры доменных границ уменьшается равновесная ширина полосовых доменов, а также изменяется ход зависимости модуля упругости в магнитном поле.

Рис. 4. Зависимость от магнитного поля для лент состава: а - Fe_81.5B_13.5Si₃C₂, прошедших ТМО при температурах: ?-=360⁰C, ^-=400⁰С, ¦-=430⁰С. б - Fe₆₇Co₁₀Cr₃Si₅B₁₅, прошедших ТМО при температурах: : ¦ - =410⁰С, ^-=430⁰С.

Выражение для магнитной восприимчивости ч_b ленты в модели вращения намагниченности с учетом блоховских доменных границ записывается в виде:

(7)

а выражение для магнитной восприимчивости с учетом энергии неелевских доменных границ в виде:

(8)

Из соотношений (7,8) следует, что не зависит от , а монотонно уменьшается с ростом . Таким образом, при изменении структуры доменных границ должно наблюдаться и изменение хода зависимости .

При проведении измерений вместо ч использовалась величина . Результаты, полученные для ленты состава Fe_81.5B_13.5Si₃C₂, прошедшей ТМО при = 390⁰С показывают, что на зависимости имеются два характерных участка. Первый участок, в области малых , характеризуется слабой зависимостью µ от . На втором участке µ монотонно уменьшается с ростом , что начинает происходить в магнитных полях, близких к полю блох-неелевского перехода структуры доменных границ. В поле блох-неелевского перехода происходит разрыв второй производной энергии доменной структуры по углу поворота намагниченности :

(9)

Изменения магнитных и магнитоупругих параметров магнитострикционного ферромагнетика под действием и могут быть описаны из соотношений:

;;

;

где - магнитоупругая деформация, а ф, в, г и д - вторые производные свободной энергии ферромагнетика по магнитным и магнитоупругим параметрам. При блох-неелевском переходе структуры доменных границ ф, в, г и д претерпевают разрыв.

Под действием , приложенных перпендикулярно ОЛН образца, происходит изменение энергии доменных границ. Соотношение для величины поля блох-неелевского перехода Н_B-N ^у в случае действия запишется в виде:

(10)

Расчеты показывают, что величина изменения поля блох - неелевского перехода структуры доменных границ под действием принимает отрицательное значение. При исследовании влияния на величину аморфной металлической ленты состава Fе_81,5B_13,5Si₃C₂, прошедшего ТМО в интервале от 340⁰С до 440⁰С, обнаружено, что с ростом в интервале от 0 до 4*10⁵ Па поле излома на зависимости смещается в область меньших Н, что подтверждает сделанные выводы. На основании полученных результатов делается вывод о том, что индуцированный магнитным полем, ориентированным перпендикулярно ОЛН аморфных металлических пленок и лент, блох - неелевский переход структуры доменных границ протекает подобно фазовым переходам второго рода.