Статические и динамические магнитные свойства аморфных микропроводов и их систем

В последние годы исследованию статических и динамических свойств тонких аморфных ферромагнитных микропроводов посвящено большое число теоретических и экспериментальных работ. Их количество (за последние 10 лет — более 1000 работ) свидетельствует о большом научном и прикладном интересе к рассматриваемой тематике (например, [1,2, 3]).

Одним из определяющих факторов в прогрессе прикладных направлений является понимание механизмов формирования свойств одиночных микропроводов и их систем. Между тем, многие вопросы, касающиеся именно физических причин, определяющих особенности магнитных свойств, формирования доменной структуры и механизмов перемагничивания микропровода, до сих пор остаются открытыми и обсуждаемыми.

К числу теоретически рассчитанных, но экспериментально до конца не исследованных, относится задача формирования доменной структуры тонкого микропровода. Одна из главных причин этого — отсутствие соответствующей методики исследования. Для поверхности толстых микропроводов возможно визуальное наблюдение доменных границ поверхностного слоя с помощью, например, методов порошковых фигур [4] и магнитооптической микроскопии [5]. К поверхности тонких микропроводов в стеклянной оболочке с существенно большей кривизной эти методы неприменимы. Существует ряд методов, позволяющих косвенно судить о микромагнитной структуре микропровода. Среди них можно выделить метод Сикстуса-Тонкса [6] и исследование поперечного перемагничивания микропровода с анализом поведения перпендикулярной полю компоненты магнитного момента [7]. Исследуя квазистатическое перемагничивание систем микропроводов, также можно судить об их микромагнитной структуре [8]. Перечисленные методы не являются точными, поскольку не дают информации непосредственно о доменной структуре, а лишь позволяют делать некоторые, порой противоречивые выводы о ней.

В силу технологических особенностей изготовления микропровода, приводящих к существованию аксиальной симметрии в нем, в металлической жиле микропровода выделяют две характерные области с разными типами доменных структур: аксиально намагниченную центральную часть — керн (от английского «кеш» — сердцевина) и циркулярно или радиально (в зависимости от константы магнитострикции материала и метода изготовления микропровода) намагниченную оболочку. До сих пор ведутся споры о типе и положении доменной границы, существующей между керном и оболочкой. Теоретические оценки по определению положения доменной границы между керном и оболочкой, существующие на данный момент, предлагают несколько вариантов решения [9,10]. Эти работы были проведены в 80-х годах прошлого века, а поиск экспериментальных методов ее обнаружения ведется до сих пор. Существуют оценки ее положения по петлям гистерезиса бистабильных микропроводов [11,12], в то время как для микропроводов, не обладающих этим свойством, соответствующих публикаций не было. Более точные современные методы численного моделирования все еще не позволяют работать в масштабах десятков микрометров (ограничиваясь единицами микрон) [13]. Таким образом, исследования тонкого микропровода находятся на стыке теории и эксперимента, полностью не перекрываемом ни первым, ни вторым, и только по набору экспериментальных данных, полученных различными методиками, можно делать выводы о его доменной структуре.

Для исследования магнитных свойств и особенностей перемагничивания микропровода существует больше возможностей. Однако процессы перемагничивания магнитномягких микропроводов во многом определяются внешними факторами: напряжениями, деформацией, температурой и скоростью изменения магнитного поля. Так, квазистатическое перемагничивание происходит по механизмам, отличающимся от механизмов динамического перемагничивания [14]. С учетом сложности магнитной структуры микропровода возникают сложности с интерпретацией данных.

Очевидно, что свойства одиночных микропроводов и их систем будут зависеть от геометрических параметров. В литературе существует достаточно много работ, посвященных исследованию влияния размеров микропровода (диаметра металлической жилы, полного диаметра и длины) на его статические и динамические магнитные свойства (например, [15,16]). Однако эти данные не систематизированы и порой противоречивы.

Аморфные микропровода в стеклянной оболочке со значительно уменьшенными диаметром металлической жилы и толщиной стеклянной оболочки приобрели большое прикладное значение в течение последних нескольких лет [17]. Современные магнитномягкие аморфные микропровода обладают диаметрами металлической жилы от 1 до 30 мкм при толщинах стеклянной оболочки от 0.5 до 15 мкм. Такие тонкие микропровода проявляют уникальные магнитные свойства [18]. Так, коэрцитивная сила микропроводов из сплавов на основе Со с близкой к нулю константой магнитострикции может достигать 0.05 Э при очень малых потерях энергии на перемагничивание благодаря высокому удельному сопротивлению. Рекордно высокие значения магнитной проницаемости обеспечивают величину гигантского магнитоимпеданса (ГМИ) в сотни и даже тысячи процентов [19,20]. Хорошими магнитотранспортными свойствами (эффект гигантского магнитосопротивления — ГМС) обладают гранулированные микропровода [21,22]. Для микропроводов в стеклянной оболочке из сплавов на основе Fe характерно магнитнобистабильное поведение, связанное с проявлением гигантского скачка Баркгаузена. В таких проводах наблюдается быстрое распространение доменной границы со скоростью до 1500 м/с [23].

Магнитные свойства тонких аморфных микропроводов определяются составом химического прекурсора (сплава, из которого они были получены), изменяются термообработкой (в магнитном поле или без него, с приложенными напряжениями или без них), отжигом током и химической обработкой (травлением стеклянной оболочки и нанесением дополнительного магнитного слоя) [17,24,25]. Добавление соседнего микропровода изменяет механизм перемагничивания всей системы из-за появления магнитостатического взаимодействия между микропроводами. При перемагничивании систем микропроводов в стеклянной оболочке из сплавов на основе Fe петли гистерезиса проявляют ступенчатую (скачкообразную) форму, свойства таких систем достаточно подробно изучены (например, [26]). Считается, что микропровода с небистабильными петлями гистерезиса не могут проявлять таких особенностей.

Свойства тонких микропроводов дают возможность их использования для замены традиционных магнитных материалов в различных областях применения. Например, метки, используемые в системах защиты и охраны, обычно состоят из магнитномягких материалов. В таких системах обеспечивается быстрое изменение намагниченности даже в относительно слабых внешних полях, при этом происходит возбуждение сложного сигнала в приемной катушке. Детектирование сигнала на гармониках способствует увеличению чувствительности и улучшает надежность всей системы [27,28]. Современные метки разрабатываются на основе магнитномягких лент. Однако использование микропроводов более технологично и дешево.

Активно ведутся разработки и поиски материалов в области кодирования информации с целью дублирования и замены современных оптических штрих-кодов. В 2000;е годы в качестве такого материала была предложена система параллельно расположенных взаимодействующих микропроводов [29]. Информация с такой метки может быть считана индукционным методом при произвольной ее ориентации [30]. Новые кодирующие системы, подобные штрих-кодам, на основе меток такого типа более удобны для считывания, чем оптические аналоги.

На различных этапах исследования магнитных свойств при обнаружении новых особенностей аморфные ферромагнитные микропровода использовались в различных областях: от сердечников трансформаторов и других деталей микроэлектроники до поглощающих покрытий, в качестве сверхчувствительных датчиков магнитного поля и систем кодирования и идентификации информации. Области их применения непрерывно расширяются, что приводит к необходимости постоянного поиска материалов с новыми магнитными свойствами.

Таким образом, исследования магнитных свойств одиночных микропроводов и процессов перемагничивания их систем являются актуальными как в фундаментальной физике, так и с точки зрения прикладных аспектов.

Цели и задачи исследования.

Цель диссертационной работы заключалась в исследовании влияния состава, геометрических параметров и взаимодействий между аморфными ферромагнитными микропроводами на их статические и динамические магнитные свойства для расширения существующих представлений о механизмах перемагничивания и магнитных свойствах одиночных микропроводов и их взаимодействующих систем.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1. Исследование зависимости магнитных и магнитоимпедансных свойств аморфных микропроводов в стеклянной оболочке от их длины, диаметра металлической жилы d, полного диаметра микропровода D и отношения этих диаметров D/d.

2. Анализ связи технологических параметров с образованием различных магнитных фаз в химически однородных аморфных микропроводах.

3. Исследование процессов перемагничивания систем взаимодействующих микропроводов, обладающих небистабильными петлями гистерезиса. Анализ механизмов связи этих процессов с параметрами систем.

4. Исследование особенностей перемагничивания систем взаимодействующих микропроводов с разными типами доменных структур в переменных магнитных полях различной амплитуды.

5. Анализ спектрального состава индуцированного в приемной катушке сигнала при перемагничивании однородных и смешанных систем микропроводов в переменном магнитном поле и его зависимости от параметров системы.

Достоверность результатов.

Результаты, представленные в диссертации, получены на основе экспериментов, проведенных на современном научном оборудовании, с использованием статистических методов обработки экспериментальных данных. Экспериментальные результаты были или подтверждены теоретическими (аналитическими или численными) расчетами, основанными на адекватно выбранных физических моделях анализируемых процессов, или для их обоснования предложены феноменологические модели. Достоверность полученных результатов обеспечивалась набором взаимодополняющих экспериментальных методик и воспроизводимостью получаемых результатов. Результаты исследований неоднократно обсуждались на научных семинарах и докладывались на специализированных конференциях, подтверждались данными других исследователей.

Положения, выносимые на защиту:

1. Доменная граница между центральной и внешней частью металлической жилы микропровода из сплава на основе Со при изменении механических напряжений, создаваемых оболочкой, смещается, что изменяет вид полевых зависимостей перпендикулярной полю компоненты магнитного момента и дает возможность оценки объемной доли керна.

2. Величина магнитного импеданса в микропроводах диаметром 30 мкм из сплава на основе Со максимальна при оптимальной длине образца 12−15 мм, и резко уменьшается при длине образца меньше 4 мм (критическая длина). Зависимость действительной части импеданса от длины микропровода из сплавов на основе Со может быть описана аналитическим выражением.

3. Исследование магнитных свойств образцов микропроводов в стеклянной оболочке с различными толщинами металлической жилы и стекла позволяет выделить вклады, связанные со свойствами металлической жилы микропровода, с помощью математической обработки, включающей двухфакторный анализ экспериментальных данных.

4. В системе взаимодействующих микропроводов, не обладающих по отдельности бистабильными петлями гистерезиса, возможно появление ступеней на петле гистерезиса. Эта особенность обнаружена экспериментально и объясняется в рамках феноменологической модели магнитной структуры микропровода.

5. Ступенчатая форма петли гистерезиса может наблюдаться на образце химически однородного микропровода, приготовленного при определенных технологических условиях, а в смешанной системе микропроводов — при изменении амплитуды перемагничивающего поля.

6. Амплитуды нечетных гармоник в спектре сигнала, индуцируемого в приемной катушке системой микропроводов при перемагничивании периодически изменяющимся магнитным полем, немонотонно зависят от номера гармоник, описываются аналитическими выражениями и соответствуют результатам численного моделирования.

Научная новизна.

Проведенные исследования расширяют существующие представления о механизмах перемагничивания и магнитных свойствах одиночных микропроводов и их взаимодействующих систем:

1. Впервые проведен двухфакторный анализ зависимости магнитных свойств аморфного микропровода в стеклянной оболочке от параметров металлической жилы (зависящих от ее толщины d) и механических напряжений, создаваемых оболочкой (зависящих от параметра D/d). Показано существенное отличие полученных зависимостей от известных ранее, в частности, немонотонный характер зависимостей в определенном диапазоне толщин.

2. Экспериментально показана возможность изменения распределения анизотропии по сечению микропровода за счет механических напряжений, создаваемых стеклянной оболочкой, в микропроводе из сплава на основе Со.

3. Установлено существенное различие в зависимостях коэрцитивных сил микропроводов из сплавов на основе Со и Fe от их длины. Предложена феноменологическая модель для объяснения полученных результатов.

4. Впервые обнаружены ступенчатые петли гистерезиса на одиночном микропроводе и в системе взаимодействующих микропроводов с небистабильными петлями гистерезиса, предложено феноменологическое описание механизма их формирования.

5. Исследованы особенности и механизмы перемагничивания систем на основе разного числа микропроводов двух типов при различных амплитудах внешнего магнитного поля.

6. Аналитически рассчитана, численно промоделирована и экспериментально подтверждена зависимость амплитуд нечетных гармоник от их номера на системах двух и более микропроводов, включающих микропровода из сплавов на основе Fe.

Практическая значимость.

В ходе работы определены критическая и оптимальная длины микропровода из сплава на основе Со с диаметром металлической жилы 30 мкм. Критическая длина — длина, при которой резко изменяются магнитные свойства микропровода, оптимальная — на которой наблюдается максимум эффекта гигантского магнитоимпеданса при минимально возможной длине. Полученные результаты важны для миниатюризации датчиков магнитного поля на основе эффекта гигантского магнитоимпеданса.

Предложены принципиально новые методы формирования ступенчатых петель гистерезиса в химически однородном микропроводе, системе микропроводов с небистабильными петлями гистерезиса и смешанных системах микропроводов. Определены факторы, влияющие на параметры полученных петель гистерезиса. Результаты исследования позволят изменять свойства меток для систем кодирования и идентификации информации новыми, менее трудоемкими и более быстрыми по сравнению с существующими методами.

Результаты исследований могут быть положены в основу разработки новых магнитных меток. Показано, что использование различных наборов микропроводов и изменение величины взаимодействия между ними дают возможность менять свойства меток (спектральный состав сигнала в приемном устройстве при перемагничивании таких систем) в более широком диапазоне по сравнению с изменением состава и способа обработки одиночного микропровода. Подобрать набор или изменить величину взаимодействия между проводами технологически проще, чем подбирать состав провода или метод его обработки. Это позволит упростить и удешевить разработку новых меток.

Личный вклад автора.

Для исследования магнитных свойств систем микропроводов индукционным методом и анализа спектрального состава сигналов автором собрана экспериментальная установка. Все результаты, представленные в работе, получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии. Обсуждение и анализ полученных экспериментальных результатов проводились авторами соответствующих работ совместно.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты диссертационной работы были представлены на 17 российских и международных конференциях в виде стендовых и устных докладов (тезисы которых опубликованы в соответствующих сборниках): Международных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2006, 2007), XXXI Международной зимней школе физиков-теоретиков «Коуровка» (Челябинская обл., 2006), XX Всероссийской школе-семинаре «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (Москва, 2006), и XXI Международной конференции «Новое в Магнетизме и Магнитных материалах» (Москва, 2009), Ежегодных научных конференциях ИТПЭ ОИВТ РАН (Москва, 2006, 2007, 2008, 2009), The Eighth International Workshop on Non-Crystalline Solids (Gijon, Spain, 2006), The 1st International Symposium on Advanced Magnetic Materials (Jeju, Korea, 2007), Thirteenth international conference on Liquid and Amorphous Metals (Екатеринбург, 2007), Euro-Asian Symposium «Magnetism on a Nanoscale» (Казань, 2007), конференции «Материалы для пассивных радиоэлектронных компонентов» (Пенза, 2007), Moscow International Symposium on magnetism (Москва, 2008), Научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные аспекты инновационных проектов Физического факультета МГУ» (Москва, 2009), Soft Magnetic Materials (Torino, Italy, 2009).

По материалам диссертации опубликовано 30 работ, из них 13 — в российских и зарубежных журналах и в сборниках трудов конференций. Список приведен в конце автореферата. В число публикаций входит 6 статей в журналах из списка ВАК.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, пяти глав с основными результатами и выводами, списка литературы из 188 наименований. Общий объем работы составляет 165 страниц текста, включая 100 рисунков, 12 таблиц.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Показано, что магнитные свойства микропроводов Fe77.5Si7.5B 15 в стеклянной оболочке являются функцией как магнитных свойств металлической жилы микропровода (которые зависят от его диаметра d), так и механических напряжений, создаваемых оболочкой (характеризующим параметром которого является отношение полного диаметра микропровода к диаметру его металлической жилы D/d). Установлено, что при определенных соотношениях D/d и d наблюдаются немонотонные зависимости коэрцитивной силы микропровода от с? и D/d, соответственно.

2. Определены зависимости статических и динамических магнитных свойств CoFe-содержащих аморфных микропроводов в стеклянной оболочке от отношения полного диаметра микропровода к диаметру его металлической жилы D/d. Установлено, что соотношение магнитных моментов аксиальной и циркулярной доменных структур зависит от величины D/d. Определено, что для микропроводов с d= 10 и 12 мкм и D/d -1.4 и для тонкого микропровода с d = 7 мкм и D/d ~ 1.7 в образцах наблюдается преобладание области с аксиальной доменной структурой, для тонкого микропровода с d = 8 мкм и D/d ~ 1.7 — с циркулярной доменной структурой. Для более толстых микропроводов с d- 30 и 36 мкм и D/d ~ 1.1 доменная структура является более сложной.

3. Экспериментально определена и теоретически рассчитана зависимость действительной части магнитоимпеданса от длины для микропровода из сплава на основе Со с диаметром d = 30 мкм. Показано, что при длинах меньше 4 мм магнитоимпедансные свойства микропровода существенно ухудшаются. Найдены оптимальные длины микропровода с точки зрения максимума величин магнитоимпеданса и его чувствительности к полю при минимально возможной длине микропровода. Установлено, что максимум величины магнитоимпеданса в диапазоне частот 5—40 МГц наблюдается при длине микропровода 12−15 мм и составляет 270%.

4. Экспериментально установлено существенное различие в зависимостях магнитных свойств микропроводов из сплавов на основе Со и Fe (с d ~ 30 мкм) от их длины. Установлено, что коэрцитивная сила микропровода из сплавов на основе Со резко увеличивается, а для микропроводов из сплавов на основе Fe — уменьшается при уменьшении длины микропровода меньше 5 мм. Предложена феноменологическая модель для объяснения полученных результатов.

5. Показано, что для микропроводов составов Fe77.5Si7.5B 15, Fe4sCo3oSiioBi5 и Co69Fe4Cr4Sii2Bn+0.5%Fe в стеклянной оболочке, полученных при различных скоростях охлаждения и вытяжки, изменяется магнитная структура микропровода: для части составов обнаружено расслоение на магнитные фазы металлической жилы микропровода, изготовленного методом Улитовского-Тейлора при закалке на воздухе. Предложено феноменологическое объяснение для следующих экспериментальных фактов: на микропроводах из сплавов Fe4sCo3oSiioBi5 во всем диапазоне скоростей вытяжки V+1.3 — 7.8 м/с при закалке на воздухе возникает магнитнодвухфазное состояние микропровода. Коэрцитивные силы этих фаз отличаются в 3 — 4 раза. При увеличении скорости вытяжки коэрцитивные силы магнитных фаз уменьшаются, доля магнитной фазы с меньшей коэрцитивностью — уменьшается. При скоростях вытяжки менее 2.6 м/с в микропроводе происходит частичная кристаллизация (эти данные подтверждены также данными рентгеноструктурного анализа). При закалке в воде возникновения дополнительных магнитных фаз не наблюдалосьна микропроводах из сплавов Fe77.5Si7.5B 15 при закалке на воздухе расслоение на магнитные фазы в микропроводе наблюдалось при скоростях вытяжки V< 2.6 м/с. При больших скоростях вытяжки расслоения на магнитные фазы не наблюдалосьна микропроводах из сплавов Co69Fe4Cr4Sii2Bn+0.5%Fe во всем диапазоне скоростей вытяжки V2.6 — 9.1 м/с при закалке на воздухе расслоения магнитной фазы не обнаружено.

6. Впервые обнаружен и объяснен механизм перемагничивания системы взаимодействующих микропроводов с небистабильными петлями гистерезиса. В ходе исследований свойств систем микропроводов (d — 30 мкм) из сплава Cos3Fe7CiSi7B2 было обнаружено, что: взаимодействующие микропровода в системе перемагничиваются последовательно, причем первые из них — поворотом момента, а последующие — скачком Баркгаузеначисло последовательных поворотов магнитного момента и скачков Баркгаузена соответствует числу микропроводов в системе при длинах микропровода, не меньших 1.5 и 2 см, и расстояниях, не превышающих 2d и 3d, соответственноувеличение длины и уменьшение расстояния между микропроводами приводит к увеличению величины взаимодействия между ними — увеличению подмагничивающих полей со стороны одного микропровода на другие, что выражается в увеличении ширины ступенек.

7. Впервые исследованы механизмы перемагничивания смешанных систем микропроводов из сплавов Fe74Bi3SinC2 и C^Fes.jNii.sBn.sSiu.sMi.e. Установлено, что в системах микропроводов, включающих микропровода из сплавов на основе Fe, процесс ступенчатого перемагничивания зависит от амплитуды внешнего магнитного поля. Для систем микропроводов, содержащих 1—4 микропровода из сплава на основе Fe, определены критические амплитуды, при которых перемагничивание становится ступенчатым. Величины этих амплитуд связаны с коэрцитивными силами микропроводов, входящих в систему.

8. Спектр сигнала, индуцируемого при перемагничивании системы микропроводов со ступенчатыми петлями гистерезиса, существенно изменяется при изменении числа и состава микропроводов в системе, при этом амплитуды нечетных гармоник с ростом их номера изменяются периодически. Данный вывод подтверждается результатами расчетов коэффициентов разложения сигнала в ряд Фурье.

1.8.

Заключение

.

В обзоре литературы показано, что, несмотря на существование сложившихся представлений о микромагнитной структуре микропровода и их магнитных свойствах, остается много вопросов, связанных с формированием самой доменной структуры и отсутствием систематического анализа зависимости его магнитных свойств от геометрических размеров образца: влияния диаметра металлической жилы и отношения полного диаметра микропровода к диаметру его металлической жилы всегда экспериментально рассматриваются совместно, тогда как каждый из параметров по-своему изменяет доменную структуру и, соответственно, магнитные свойства образцав случае бистабильного микропровода можно экспериментально оценить объем керна, в то время как для небистабильных микропроводов, намагниченность которых изменяется постепенно при изменении внешнего поля, такого эксперимента до сих пор предложено не былоданные по исследованию зависимости магнитоимпедансных свойств микропровода от длины образца противоречивы и свидетельствуют даже о возможности различных механизмов перемагничивания в одних и тех же объектахсуществование критической длины микропровода отмечается по данным исследований влияния его длины на магнитостатические свойства, при этом под изменяющимися свойствами понимают исчезновение бистабильности при сохранении величины коэрцитивной силы.

Данные по исследованиям особенностей перемагничивания микропроводов свидетельствуют о наличии ступенчатой формы петли гистерезиса на химически однородном микропроводе в стеклянной оболочке только при наличии существенной деформации микропровода или после напыления на него дополнительного магнитного слоя. Отмечалась невозможность получения ступенчатой формы петли гистерезиса системы микропроводов с небистабильными петлями гистерезиса.

Отмечались возможности получения нелинейного отклика в приемной катушке при перемагничивании образца при создании дополнительных внешних условий (в виде постоянного магнитного поля) и малость амплитуд получаемых высших гармоник.

Глава 2. Образцы и методика измерений.

Петли гистерезиса микропроводов обычно измеряют несколькими методами: на вибрационном магнитометре, на SQUID-магнитометре, с помощью индукционного метода. С помощью магнитооптического микроскопа можно получить локальные петли гистерезиса поверхности микропроводов. Измерения магнитных свойств образцов в данной работе проводились с помощью вибрационного анизометра [150,151] в лаборатории Перова Н. С. на кафедре магнетизма физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова и с помощью индукционного метода в лаборатории Жукова А. П. в Университете страны Басков (Сан-Себастьян, Испания). Магнитоимпедансные исследования проводились с помощью анализатора Network/Spectrum/Impedance Analyzer НР4395А в лаборатории Антонова А. С. в Институте теоретической и прикладной электродинамики РАН.

2.1. Методика измерения магнитоимпеданса.

При измерении импеданса необходимо учитывать не только величины амплитуд напряжения Uo и тока 1о, но и разность фаз А<�р между ними: Z = (U (/Io)expiA (p. Действительная часть этой величины и есть активное сопротивление (ReZ = R), а мнимая представляет собой его индуктивность L, умноженную на циклическую частоту тока со (ImZ = Leo).

Network/Spectrum/Impedance Analyzer HP4395A позволяет измерять импеданс, его действительную и мнимую части в частотном диапазоне до 500 МГц. Возможно также проведение спектрального анализа различных сигналов. Все измерения проводились в автоматическом режиме: анализатором спектра можно управлять с компьютера, к которому он подключен. Результаты измерений передаются в удобном для анализа виде (графики, таблицы). Для управления режимами работы и сбора данных использовался пакет программ, разработанных Рахмановым А. А. [152]. Программы управления написаны на языке Visual С.

Исследуемый образец впаивался в специально изготовленную измерительную ячейку [152], конструкция которой позволяет минимизировать сопротивление и индуктивность подводящих проводов, что позволяет измерять импеданс вплоть до частоты 50 МГц с малыми искажениями сигнала. Для исключения влияния сопротивления и индуктивности подводящих проводов при измерении импеданса проводилась процедура калибровки. Ячейка с образцом размещалась в соленоиде, где создавалось однородное магнитное поле. Ток на соленоид подавался от специального вывода на НР4395А. Внутренние размеры соленоида позволяют проводить измерения на образцах размером до 60x5x1.5 мм.

На рисунке 25 приведена блок-схема автоматизированной установки для измерения импеданса. 1.

Рис. 25. Блок-схема установки для измерения импеданса 1 — соленоид, 2 — ячейка с образцом, GPIB — интерфейсная плата в компьютере для подключения внешних устройств по каналу связи IEEE 488, IBM — персональный компьютер с операционной системой Windows.

Технические характеристики установки:

Диапазон частот: 100 кГц — 500 МГц (импеданс анализатор — линейный режим),.

0 Гц — 500 МГц (анализатор спектра — нелинейный режим), Частотное разрешение: 1 мГц, Максимальное поле: 36 Э, Разрешение по полю: 0.01 Э, Погрешность измерений (|Z|): не более 5%.

2.2. Измерение магнитостатических свойств.

Магнитостатические свойства образцов измерялись на вибрационном анизометре с чувствительностью до 10″ 6Гс-см3 [150, 151,153], который позволяет получать петли гистерезиса при комнатной температуре в диапазоне полей ±10 кЭ с минимальным разрешением по полю 0.03 Э. Намагниченность насыщения Is определялась по полю насыщения Hs при перемагничивании микропровода перпендикулярно его оси (Hs — NIS, где N = 2л— размагничивающий фактор цилиндра).

Анизометр позволяет измерять полевые зависимости различных компонент магнитного момента, а также определять ориентацию магнитного момента образца. Это обеспечивается конструкцией приемного узла, показанного на рисунке 26а) [154]. При ориентации линии раздела катушек перпендикулярно внешнему полю выходной сигнал пропорционален проекции момента на направление поля, в результате получаются обычные петли гистерезиса.

Для измерения перпендикулярной полю компоненты магнитного момента при поперечном перемагничивании микропровода взаимное расположение образца, линии раздела приемных катушек и направления внешнего магнитного поля показаны на рисунке 266): микропровод располагался перпендикулярно полю, а линия раздела приемных катушек — параллельно.

Рис. 26 а) Конструкция приемного узла вибрационного анизометра: 1 — приемные катушки (ПК), 2 — образец на подложке, 3 — шток-держатель образца, 4 — лимб контроля ориентации ПК, 5 — генератор механических колебаний с лимбом контроля ориентации образца [154]- б) взаимная ориентация линии раздела приемных катушек, образца и направления внешнего поля при измерении перпендикулярной полю компоненты магнитного момента при поперечном перемагничивании микропровода.

2.3. Индукционный метод.

Для изучения процессов перемагничивания микропроводов индукционным методом автором была собрана установка, блок-схема которой приведена на рисунке 27. Она позволяет измерять петли гистерезиса при перемагничивании образца переменным магнитным полем. В классическую конструкцию установки [23] были внесены изменения, расширившие ее возможности и позволившие также измерять амплитуду первых семи гармоник индуцируемого в приемной катушке сигнала.

Измерительная и компенсационная катушки имели длину 10 мм, внешний диаметр 5 мм и были намотаны на тонкий стеклянный капилляр диаметром 1 мм. Расстояние между катушками — 40 мм. Магнитное поле создавалось соленоидом длиной 100 мм, имеющим внутренний диаметр 5 мм, подключенным к функциональному генератору Tektronix AF 6310. Сигнал с измерительной катушки интегрировался с помощью флюксметра Lake Shore 480 и подавался на один из входов цифрового осциллографа Agilent DSO 5012А. В качестве развертки использовался сигнал возбуждения, подающийся с генератора на соленоид.

Индуцируемый в приемной катушке сигнал пропорционален производной намагниченности М по времени, проинтегрированный флюксметром сигнал пропорционален а) намагниченности образца, а сигнал развертки пропорционален магнитному полю Но. Поэтому на экране осциллографа при соответствующей калибровке наблюдается зависимость M (Hq).

Для изучения спектра индуцируемого сигнала использовался PARC 5302 узкополосный усилитель, позволяющий измерять амплитуду первых семи гармоник сигнала. В качестве опорного сигнала использовался сигнал возбуждения. Амплитуда магнитного поля измерялась с помощью мультиметра как величина напряжения на безиндуктивном резисторе, включенном в цепь последовательно с соленоидом.

Рис. 27. Блок-схема модифицированной установки для измерения петель гистерезиса индукционным методом и измерения гармонического состава сигнала, индуцируемого в приемной катушке образцом.

Технические параметры установки:

Диапазон частот полей возбуждения — 10 — 1500 Гц,.

Максимальная амплитуда поля — 10 Э,.

Минимальная амплитуда — 0.1 Э,.

Дискретность изменения амплитуды поля — 0.1 Э,.

Чувствительность (измерение петель гистерезиса) — 10″ 8 Гс/Гц,.

Чувствительность (измерения амплитуды гармоник) — 10 нВ.

2.4. Образцы.

Для исследования влияния различных параметров на магнитные свойства микропроводов и их систем использовались различные образцы. Мотивация выбора при необходимости, а так же геометрические параметры микропроводов приведены в соответствующих пунктах диссертационной работы.

Составы сплавов, из которых изготавливались микропровода, и их производители представлены в таблице 2.