На правах рукописи

Комогорцев Сергей Викторович

ИССЛЕДОВАНИЕ АМОРФНЫХ И НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ

ФЕРРОМАГНЕТИКОВ С ДВУХ- И ТРЕХМЕРНЫМИ

НЕОДНОРОДНОСТЯМИ СЛУЧАЙНОЙ АНИЗОТРОПИИ

МЕТОДОМ КОРРЕЛЯЦИОННОЙ МАГНИТОМЕТРИИ

01. 04. 11. - физика магнитных явлений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Красноярск – 2001

Работа выполнена в Институте физике им. Л.В.Киренского СО РАН.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, Исхаков Р.С.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, О.А. Иванов Уральский государственный Университет кандидат физико-математических наук, Ю.И. Маньков Институт Физики Сибирского Отделения РАН

Ведущая организация: Институт Физики Металлов Уральского Отделения РАН

Защита состоится « « _ 2001 года в часов на заседании диссертационного совета Д 003.55.02 по присуждению ученых степеней при Институте физики им. Л.В. Киренского СО РАН.

Адрес: 660036, г. Красноярск, Академгородок, ИФ СО РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН.

Автореферат разослан «_» _2001 года

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук С.С. Аплеснин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Уровень технического развития общества характеризуется уровнем использования 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 не столько ориентационный хаос магнитной анизотропии неоднородной на субмикронном уровне, сколько сформированная в них специфическая магнитная микроструктура. Изучение такой магнитной микроструктуры сегодня может проводиться разными способами, но самым простым является исследование кривых намагничивания до насыщения – метод корреляционной магнитометрии, разработанный в ИФ СО РАН им. Л.В.

Киренского [1]. С начала 80х годов этим методом здесь изучается неоднородная магнитная анизотропия аморфных сплавов (корреляционные радиусы Rc и величины среднеквадратичной флуктуации локальной магнитной анизотропии D1/2K). С начала 90-х этот метод получил широкое распространение в работах магнитологов России [2], ближнего [3] и дальнего зарубежья [4-7] связанных с исследованием нанокристаллических и аморфных ферромагнетиков. Дальнейшее развитие этих методов исследования остается актуальным и в настоящее время. Так, в теоретическом исследовании Игнатченко и Исхакова [8] 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 [9], заключающийся в неустойчивости ферромагнитного состояния по отношению к действию случайно ориентированной локальной магнитной анизотропии. В этом случае формируется специфическая магнитная структура таких материалов, которая может быть описана ансамблем слабосвязанных магнитных блоков размером Rf и средней анизотропией. Наша работа посвящена дальнейшему экспериментальному развитию метода корреляционной магнитометрии и, в частности, направлена на создание методики измерения величин Rf и.

Цель 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, моно- и мультислойных пленок.

2. Выявить эффекты, обусловленные микромагнитной блочной структурой аморфных и нанокристаллических ферромагнетиков, по особенностям кривой намагничивания; измерить величины параметров, характеризующих эту магнитную микроструктуру: Rf и, а также установить связь этих параметров с интегральными магнитными свойствами материала.

Научная новизна. Впервые экспериментально установлено, что пространственная размерность системы (d) ферромагнитно - связанных зерен (2Rc) в исследуемых материалах определяет показатель степенной зависимости приближения намагниченности к насыщению в области полей Н< 2A/MRc2. Для нанокристаллических и аморфных пленок с трехмерной упаковкой зерен справедлива зависимость МH-1/2, в мультислойных пленках с двумерной упаковкой зерен в индивидуальном магнитном слое приближение к насыщению осуществляется по закону МH-1.

Проведено прямое и косвенное экспериментальное определение характеристик магнитной микроструктуры - ферромагнитный корреляционный радиус Rf, среднеквадратичная флуктуация средней анизотропии в этой области D1/2 аморфных и нанокристаллических ферромагнетиков со случайной анизотропией, характеризующейся величинами Rc, D1/2K соответственно. На кривых намагничивания аморфных и нанокристаллических ферромагнетиков впервые обнаружена зависимость от Н, обусловленная ориентацией по полю намагниченностей магнитных блоков. Обнаружена корреляция коэрцитивного поля с этими характеристиками случайной анизотропии.

Данные положения совместно с экспериментальными результатами выносятся автором на защиту.

Практическая ценность. Благодаря проведенным исследованиям в рамках метода корреляционной магнитометрии становится возможным одновременное определение параметров неоднородной структуры аморфных сплавов (корреляционные радиусы Rc и величины среднеквадратичной флуктуации локальной магнитной анизотропии D1/2K) и основных параметров магнитной микроструктуры (ферромагнитного корреляционного радиуса Rf и среднеквадратичной флуктуации средней анизотропии D1/2 магнитного блока размером 2Rf) с помощью кривых намагничивания до насыщения. Таким образом, стало возможным непосредственно исследовать корреляционные связи: структурная микронеоднородность магнитная микронеоднородность физические свойства. Знание этих закономерностей необходимо для эффективного управления свойствами материала путем вариации неоднородности нанокристаллических и аморфных сплавов.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на конференциях:

“Новые Магнитные Материалы Микроэлектроники- XV”, XV Всероссийская школасеминар, 18-21 июня 1996г., Москва.; Moscow International Symposium on Magnetism, June 20-24, 1999, Moscow; Вторая межрегиональная конференция с международным участием (Ставеровские чтения) “Ультрадисперсные порошки, наноструктуры, материалы”, Красноярск, 5-7 октября 1999 г.; “Новые Магнитные Материалы Микроэлектроники- XVІ” XVІ международная школа-семинар, 23-26 июня 1998г.;

“Новые Магнитные Материалы Микроэлектроники- XVІI” XVІI международная школа-семинар, 23-26 июня 2000г.; "Аморфные прецизионные сплавы: технологиясвойства- применение" VII Всероссийская конференция с международным участием, Москва, 2000г.; Euro-Asian Symposium “Trends in magnetism” EASTMAG-2001 February 27 – March 2, Ekaterinburg, 2001.

Структура и объем работы. 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели исследования, показана практическая значимость проведенных исследований.

Глава 1. Высокополевая магнитометрия нанокристаллических и аморфных ферромагнетиков. Обзор литературы. В первой главе приводится обзор методов исследований основных магнитных параметров и их флуктуаций в аморфных и нанокристаллических ферромагнетиках из исследования статического отклика спиновой системы в высоких полях и низких температурах. Также приводятся некоторые экспериментальные результаты, полученные к сегодняшнему дню с использованием этих методик. Дается обзор общих представлений и экспериментов, касающихся особенностей магнитной структуры и свойств ферромагнетиков со случайной анизотропией. Далее рассматриваются существующие теоретические подходы к исследованию случайной анизотропии аморфных и нанокристаллических ферромагнетиков из измерений закона приближения намагниченности к насыщению (ЗПН). Приводятся экспериментальные результаты исследования неоднородностей анизотропии методом ЗПН в аморфных и нанокристаллических ферромагнетиках. В конце главы приводится постановка задачи настоящего исследования.

Глава 2. Специфика исследования тонких ферромагнитных пленок на вибрационном магнитометре. Магнитные свойства исследуемых образцов. Во второй главе приводится учет источников погрешности, необходимый для достоверности дальнейшего исследования полевой зависимости дисперсии намагниченности вблизи насыщения при измерении тонких пленок на вибрационном магнитометре. Далее приводятся общие сведения о материале исследуемых образцов, приводятся результаты их магнитной паспортизации (результаты измерения констант А и М с помощью исследования низкотемпературного хода намагниченности). Для нанокристаллических пленок анализ констант указывает на их неравновесную структуру. Для мультислойных пленок анализ зависимости магнитных констант от толщины магнитных слоев субмикроструктуры.

Глава3. Размерность системы обменно-связанных зерен и приближение ферромагнетиках. Аморфные и нанокристаллические ферромагнетики представляют собой систему обменно-связанных зерен со случайно-ориентированной осью локальной магнитной анизотропии K.

В достаточно высоких магнитных полях (Н > 2A/M Rc2) для приближения намагниченности к насыщению в неоднородных ферромагнетиках выполняется закон Акулова, впервые полученный для поликристалла [10]:

независимо от размерности d упаковки зерен (D - симметрийный числовой коэффициент равный 1/15 для одноосной анизотропии), условие на величину поля H определяется неравенством Rc > RH, где магнитный корреляционный радиус RH = (2A/MH)1/2. В полях ниже так называемого обменного поля Hex = 2A/MRc2, выполняется неравенство RH>Rc. Обменная связь между зернами здесь приводит к тому, что среднюю анизотропию материала можно получить в результате усреднения локальной анизотропии K в пределах сферы радиусом RH по N зернам радиусом Rc:

В этом случае зависимость дисперсии магнитного момента от внешнего поля, в данной области полей, можно получить подстановкой в выражение (1) Н вместо K. Теперь это выражение будет выглядеть так:

(Ha2K/Ms), указывая на изменение показателя степенной зависимости рассеяния магнитного момента от внешнего поля, или другими словами на кроссовер.

На рис.1 приведены высокополевые участки кривых намагничивания М(Н) пленок нанокристаллических сплавов ГЦК Ni(С), полученных методом термического испарения (ТИ) и ГПУ Ni(С), полученных методом импульсно плазменного испарения (ИПИ). Толщины пленок, с которых сняты эти кривые, значительно превосходят размеры составляющих их зерен либо кластеров (2Rc ~100), таким образом, магнитные области, размером 2RH, упакованы в них зернами размером 2Rc Рис.1 Зависимость дисперсии намагниченности в пленках Ni(C) от поля вблизи ферромагнитного насыщения: () пленка полученная методом ИПИ, () - пленка трехмерным образом. Согласно уравнению (3), в этом случае приближение намагниченности к насыщению в этих материалах должно следовать степенной зависимости M/Ms H-1/2. Прямолинейные участки в логарифмической системе координат на рис.1. указывают, что полевой ход намагниченности в пленке ИПИ Ni(С) следует степенной зависимости Мz(Н) Н-1/2, для полей больших Hex=8кЭ намагничивание осуществляется по закону Мz(Н) Н-2. Для пленки ТИ Ni(С) во всем диапазоне полей наблюдается только зависимость MН-2 (рис.1). Известно, что следствием высокой степени неравновесности технологии ИПИ (скорость конденсации в ней на четыре порядка превышает скорость конденсации металла в методе ТИ) является реализация метастабильной фазы Ni3С, т.е. упорядоченного твердого раствора. В методе ТИ равновесные условия конденсации приводят к тому, что углерод здесь не входит в элементарную ячейку металла, а в материале пленки он, в основном представлен в виде графита. Характер кривой приближения намагниченности к насыщению для пленки ТИ Ni(С) (MН-2) свидетельствует об отсутствии обменных корреляций между зернами Ni в этих пленках, тогда как характер приближения намагниченности к насыщению пленки Ni(С), полученной методом ИПИ (MН-1/2), соответствует изотропным ферромагнитным корреляциям между зернами. Отсутствие ферромагнитной связи между зернами в пленке полученной методом ТИ естественно объясняется магнитной изоляцией зерен Ni(С), т.е. формированием углеродной “шубы”. В пленках ИПИ такой изоляции нет.

Зависимость приближения намагниченности к насыщению Мz(Н) Н-1/2 наблюдалась также и в нанокристаллических пленках Fe(C), Co(C), полученных методом ИПИ, свидетельствуя о наличии изотропных обменных корреляций между ферромагнитными зернами этих материалов. Как и в случае пленок Ni(С), такие обменные корреляции в пленках Fe(C), Co(C) - следствие образования метастабильных твердых растворов, установленного для данных пленок детальными структурными исследованиями [11,12].

На рис.2а,b приведены кривые намагничивания мультислойных пленок Со(P)/Pd. Размеры зерен либо кластеров, из которых состоят индивидуальные магнитные слои этих пленок, порядка толщины таких слоев. Замощение индивидуального слоя по высоте в одно зерно приводит к формированию в этих пленках двумерной системы ферромагнитно- связанных зерен. Двумерной упаковке зерен, согласно выражению (3), соответствует закон приближения намагниченности к насыщению вида: M/Ms H-1. Прямолинейные участки на высокополевых кривых намагничивания мультислойных пленок Со(P)/Pd, как с аморфными так и с нанокристаллическими слоями Со, в координатах (M/MsH-2, Н) указывают на выполнение зависимости M/Ms H-1 в диапазоне полей вплоть до 20-25 кЭ.

Результаты представленные на рис.1,2 описываются формулой (3) и демонстрируют, что показатель степенной зависимости кривых приближения намагниченности к насыщению не связан с ближним порядком в ферромагнитном материале, а определяется только таким параметром субструктуры как размерность упаковки обменно-связанных зерен d. Принципиальная возможность экспериментального определения пространственной размерности упаковки системы ферромагнитно-связанных зерен, которая в общем случае может быть и нецелым числом, имеет немаловажное значение для магнитного материаловедения.

Размерность d впервые появляющаяся в наших рассуждениях в выражении (2) представляет собой не что иное, как размерность массового фрактала, определение Рис.2 Высокополевые участки кривых намагничивания М(Н) мультислойных пленок Co/Pd: а) [Co93P7(x)/Pd(14)]20 (1 - x = 30; 2 b) [Co90P10(x)/Pd(14)]20 (1 - x = 20; 2 - 45; 3 - которой можно получить, переписав выражение для N, использованное в (2) следующим образом:

На рис.3 приведены высокополевые участки кривой намагничивания пленки [Fe20/Pd20]20, измеренные при температурах 4.2K и 250K, в координатах (M/Ms, Н-1). Прямолинейные участки на экспериментальных зависимостях M/Ms исследуемой мультислойной пленки Fe/Pd, указывают на возможность описания кривой М(Н) этой пленки зависимостью M/Ms H-1 в диапазоне полей вплоть до 25 кЭ. Таким образом, размерность упаковки зерен d в них равна двум (d=2).

Следовательно, индивидуальные слои Fe в этой пленке хорошо морфологически определенны и обмен внутри индивидуального слоя существенно превышает обмен между индивидуальными слоями. На вставке к рис.3 приведен фрагмент рентгенограммы пленки [Fe20/Pd20]20 вблизи пика, соответствующего отражению [110]. Основной рефлекс сопровождается сателлитными отражениями.

Рис.3 Высокополевые участки кривых намагничивания М(Н) мультислойной пленки [Fe20/Pd20]20 при 4K () и 250K () на вставке - фрагмент рентгенограммы мультислойной пленки [Fe20/Pd20]20.

Наблюдение этих отражений подтверждает наличие хорошо определенной модуляции электронной плотности, а период модуляции, вычисленный по сателлитным отражениям, хорошо согласуется с периодом, заданным технологическим регламентом.

В мультислойных пленках Со/Pd для толщин Со меньших 20, происходит нарушение сплошности ферромагнитных индивидуальных слоев. Материал пленки [Со6/Pd14]20 представляет собой фазу неоднородного сплава CoPd образованную за счет смешения (вследствие диффузии) элементов соседних слоев. Величина показателя в зависимости приближения намагниченности к насыщению МHдля данной пленки оказалась равна 0,7±0,1. Так как показатель степенной зависимости М(Н) связан с размерностью d как = (4-d)/2, то зная можно определить размерность упаковки ферромагнитно-связанных зерен d. Для пленки [Со6/Pd14]20 размерность упаковки ферромагнитно-связанных зерен оказалась равной d 2,5.

Кривые намагничивания мультислойных пленок [Co(tCo) /Cu(tCu)]120 (где tCu меняется от 2.7 до 26, tCo - от 2.4 до 3.5.) разделяются на 3 группы, соответствующие разным tCo. В 1ю группу попадают образцы с tCo от 2.4 до (серия а), Во 2ю группу - образцы с tCo = от 3 до 3.2 (серия b), В 3ю - с tCo от 3. до 3.6 (серия c). В области полей Н< Нex, в которой на зависимостях М(Н) проявляется размерность упаковки системы ферромагнитных кластеров, обработкой указанных зависимостей было установлено: для образцов серий (a), (b) показатель степенной зависимости М(H) H- равен =0.5, для образцов серии (с) показатель 0.75. Последнее говорит о том, что обменные корреляции ферромагнитных кластеров в исследуемых пленках Co/Cu серий (a), (b) имеют изотропный характер, размерность упаковки этих кластеров d =4-2 здесь равна трем (d=3). Для образцов с максимальной tCо, (образцы серии (с)) размерность упаковки ферромагнитных кластеров d =4-2 оказалась равной d 2.5. Таким образом, эти образцы Co/Cu с наибольшей (заданной технологически) толщиной слоя tCо уже характеризуются некоторыми признаками анизотропии обменных корреляций.

Глава 4. Характеристики магнитной микроструктуры аморфных и нанокристаллических ферромагнетиков с трех- и двухмерными неоднородностями случайной анизотропии. В малых полях в магнитной системе аморфных и нанокристаллических ферромагнетиков проявляется хорошо известный эффект Имри и Ма [9], заключающийся в неустойчивости ферромагнитного состояния по отношению к действию случайно ориентированной локальной магнитной анизотропии. В этом случае ферромагнитный порядок реализуется на характерных корреляционных длинах Rf=Rc(Hex/D1/2Ha)2 [13, 14], так что магнитная структура таких материалов может быть описана ансамблем слабосвязанных магнитных блоков (см. рис.4). Размер блока равен 2Rf, средняя анизотропия в блоке =K/N1/ = K(Rc/Rf)3/2, орт этой анизотропии n ориентирован случайным образом. В приближении сплошной среды такая система может быть описана плотностью внутренней энергии следующего вида:

где параметр e=/M=2/M определяется константой средней анизотропии в магнитном блоке. В нулевом поле намагниченность магнитного блока ориентируется вдоль орта n. Следовательно, здесь корреляционные свойства Рис. 4 Схематическое представление ферромагнетика со случайной анизотропией. Малые стрелки показывают случайную ориентацию локальной магнитной анизотропии l(x), большие - случайную ориентацию средней анизотропии магнитного блока n(x).

неоднородной ориентации М(х) полностью повторяют корреляционные свойства флуктуаций средней анизотропии. Последнее означает, что в области малых полей кривая намагничивания должна описываться модифицированной зависимостью (1):