Исследование аморфных и нанокристаллических ферромагнетиков с двух-и трехмерными неоднородностями случайной анизотропии методом корреляционной магнитометрии

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. JIB. Киренского [1]. С начала 80х годов этим методом изучается неоднородная магнитная анизотропия аморфных сплавов (корреляционные радиусы.

1 /О.

Rc и величины среднеквадратичной флуктуации локальной магнитной анизотропии D К) [2]. С начала 90-х этот метод получил широкое распространение в работах магнитологов России [3], ближнего [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. Киренского. Так, в теоретическом исследовании Иг-натченко и Исхакова [9] показано, что кривая намагничивания содержит информацию о размерности d 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 локальной магнитной анизотропии. В этом случае магнитная структура таких материалов может быть описана ансамблем слабосвязанных магнитных блоков размером Rf и средней анизотропией <К>. Поэтому исследования направленные на развитие методов измерения величин Rf и <К> в настоящее время актуальны. Наша работа посвящена дальнейшему экспериментальному развитию метода корреляционной магнитометрии.

Цели настоящей работы:

1. Исследовать на эксперименте влияние размерности d неоднородностей случайной анизотропии на особенности кривых намагничивания и изучить возможность измерения величины d в нанокристаллических и аморфных сплавах, изготовленных различными технологиями в виде фольг, покрытий, монои мультислойных пленок.

2. Выявить эффекты, обусловленные микромагнитной блочной структурой аморфных и нанокристаллических ферромагнетиков, по особенностям кривой намагничиванияизмерить величины параметров, характеризующих эту магнитную микроструктуру: Rf 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.

4.4. Выводы.

1. Проведены теоретические оценки влияния магнитной микроструктуры на приближение намагниченности к насыщению, в нанокристаллических и аморфных ферромагне.

1 /л тиках. Показано, что в малых полях, близких к Hf= D <На>, для кривой намагничивания должна реализоваться зависимость AM/Ms =(z)½(яa)/яf =(RH /Rf)4, обусловленная процессом вращения намагниченностей магнитных блоков. При дальнейшем увеличении поля эта зависимость заменяется на кооперативную зависимость дисперсии намагниченности от внешнего поля, которая может быть представлена в виде: АМIMS = (о½(Яа)/я| = RH I Rf, т. е. также непосредственно обусловлена па.

1 /л раметрами магнитной микроструктуры Rf и D <На>.

2. Проведено экспериментальное определение (прямое и косвенное) характеристик магнитной микроструктуры — ферромагнитный корреляционный радиус Rf, среднеквадра1 тичная флуктуация средней анизотропии в этой области D <На> - аморфных и нанокристаллических ферромагнетиков со случайной анизотропией, характеризующейся величинами Rc, D½Ha соответственно. На кривых намагничивания аморфных и нанокристаллических ферромагнетиков выявлена зависимость от Н, обусловленная ориентацией по полю намагниченностей магнитных блоков.

3. Установлена корреляционная связь коэрцитивного поля Нс аморных и нанокристаллических ферромагнетиков с величинами среднеквадратичной флуктуации средней анизотропии DI/2 в них: Нс «D½. Экспериментально показано, что пропорциональность Нс ~ <На> имеет место также для мультислойных пленок Co/Pd с двумерными магнитными неоднородностями.

4. Установлено, что в ферромагнитных мультислойных пленках Co/Pd с аморфными и нанокристаллическими индивидуальными слоями характер изменения величин Rf и <На> при уменьшении толщины слоя Со в основном определяется зависимостью эффективной обменной константы — A (tc0).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В заключении сформулируем основные выводы, полученные в данной работе в резуль-развития и новых приложений метода корреляционной магнитометрии:

1. Экспериментально измерены кривые намагничивания в магнитных полях, соответствующих приближению к насыщению для ферромагнитных нанокристаллических и аморфных сплавов на основе Fe, Со, Ni, а также мультислойных пленок Co/Pd, Fe/Pd, Со/Си, полученных различными технологическими методиками. Из сравнения этих кривых с теорией определены: среднеквадратичная флуктуация, величина корреляционного радиуса и эффективная размерность неоднородностей магнитной анизотропии. Определение размерности неоднородностей из закона приближения намагниченности к насыщению проведено впервые. Показано что: а) в мультислойных пленках Co/Pd, Fe/Pd с толщиной магнитного слоя большей 20А и толщиной палладия 14А, которые характеризуются значительно более слабым обменным взаимодействием между слоями по сравнению с обменом в плоскости слоев, приближение намагниченности к насыщению осуществляется по закону АМосН" 1, что соответствует эффективной размерности неоднородностей случайной анизотропии в плоскости каждого слоя d=2. б) при уменьшении толщины магнитного слоя для пленок Co/Pd с толщиной Со бА и для пленок Со/Си с толщиной Со 3.5А получено ЛМосН" 07, что соответствует эффективной размерности неоднородностей анизотропии d=2.5, а для пленок Со/Си с толщиной Со меньше ЗА наблюдается зависимость АМосН" 0'5, что соответствует размерности неоднородностей анизотропии d=3.

Этот эффект может быть объяснен следующим образом: при уменьшении толщины Со непрерывность структуры каждого слоя нарушается и образуется структура изолированных зерен, в результате чего обменное взаимодействие в слое становится сравнимым с взаимодействием между слоями. в) в системах с изотропным обменным взаимодействием между зернами (в аморфных и нанокристаллических пленках Fe©, Со©, Ni©, Со (Р)) наблюдались закономерности ЛМ (Н), соответствующие d=3.

2. Экспериментально исследованы кривые намагничивания в области магнитных полей соответствующих процессам вращения среднего значения намагниченности магнитных блоков размером 2Rf, много большим размера зерен 2Rc. Полученная зависимость ДМосН" 2 подтверждает независимый характер вращения намагниченности в каждом блоке и позволяет определить величину средней анизотропии блока <К> и его размер 2Rf. Определение этих величин из кривых намагничивания проведено впервые.

В заключении считаю приятным долгом поблагодарить многих людей за помощь и участие при выполнении работы. Прежде всего, благодарю своего научного руководителя д.ф.-м.н., профессора Исхакова Рауфа Садыковича за прекрасное руководство на идейном и административном фронтах. Глубоко благодарен д.ф.-м.н., профессору Игнатченко В. А. за ценные обсуждения экспериментальных результатов. Благодарю к.ф.-м.н Балаева А. Д. — прекрасного экспериментатора, которым, при скромном содействии автора, были выполнены представленные в работе измерения на вибрационном магнитометре. Выражаю свою признательность к.ф.-м.н. Жигалову B.C. и к.ф.-м.н. Фролову Г. И. за предоставленные образцы нанокристаллических сплавов Fe©, Со©, Ni©, д.ф.-м.н. Киму П. Д., к.ф.-м.н. Турпанову И. А. и Карпенко М. М. за образцы и результаты магнитных измерений пленок Со/Си. Выражаю глубочайшую признательность к.ф.-м.н. Мороз Ж. М. за всестороннюю поддержку при работе над пунктом 4.2. Особые слова благодарности адресую к.ф.-м.н. Чекановой JI.A. — талантливому ученому-технологу за образцы мультислойных пленок Co/Pd, Fe/Pd и ценные советы на всех этапах работы. Также искренне признателен всем сотрудникам сектора ФНС и ТМП за внимание, дружескую помощь, и поддержку при выполнении работы.