Исследование аморфных и нанокристаллических ферромагнетиков с двух- и трехмерными неоднородностями случайной анизотропии методом корреляционной магнитометрии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ВЫСОКОПОЛЕВАЯ МАГНИТОМЕТРИЯ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ И

АМОРФНЫХ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1 Исследование низкотемпературного хода намагниченности в аморфных и наноструктурированных ферромагнетиках.

1.2. Магнитные свойства ферромагнетиков с хаотической анизотропией.

1.3 Исследования приближения намагниченности к насыщению в неоднородных ферромагнетиках.

1.4. Постановка задачи.

ГЛАВА 2. СПЕЦИФИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ТОНКИХ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ПЛЕНОК НА ВИБРАЦИОННОМ МАГНИТОМЕТРЕ. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА

ИССЛЕДУЕМЫХ ОБРАЗЦОВ.

2.1 Экспериментальная установка.

2.2 Особенности исследования тонких магнитных пленок. (Источники погрешности)

2.3 Образцы для исследования. Магнитная паспортизация.

2.3.1 Нанокристаллические пленки Fe(C), Со(С), Ni(C), полученные методом им-пульсно-плазменного испарения.

2.3.2 Мультислойные пленки Co/Pd.

2.3.3 Композиционно-модулированные пленки Со/Си 54 2.4 Выводы главы.

ГЛАВА 3. РАЗМЕРНОСТЬ СИСТЕМЫ ОБМЕННО-СВЯЗАННЫХ ЗЕРЕН И ПРИБЛИЖЕНИЕ НАМАГНИЧЕННОСТИ К НАСЫЩЕНИЮ В НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ И

АМОРФНЫХ ФЕРРОМАГНЕТИКАХ.

3.1 Закон приближения намагниченности к насыщению в нанокристаллических и аморфных ферромагнетиках с произвольной размерностью системы обменно - связанных зерен.

3.2 Приближение намагниченности к насыщению в нанокристаллических тонких пленках Fe(C), Со(С), Ni(C) с размерностью системы обменно-связанных зерен d=3.

3.3 Приближение намагниченности к насыщению в мультислойных пленках Co/Pd с размерностью системы обменно-связанных зерен d=2.

3.4 Экспериментальное определение размерности системы обменно-связанных зерен-d в композиционно- модулированных пленках Co/Pd, Fe/Pd, Со/Си с ультратонкими слоями.

3.5 Выводы главы.

ГЛАВА 4. ХАРАКТЕРИСТИКИ МАГНИТНОЙ МИКРОСТРУКТУРЫ АМОРФНЫХ И НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ С ТРЕХ- И ДВУХМЕРНЫМИ НЕОДНОРОДНОСТЯМИ СЛУЧАЙНОЙ АНИЗОТРОПИИ.

4.1 Влияние магнитной микроструктуры на приближение намагниченности к насыщению: теоретические оценки.

4.2 Экспериментальная регистрация и прямое измерение параметров магнитных блоков по кривой намагничивания до насыщения.

4.3 Характеристики магнитной микроструктуры и магнитные свойства аморфных и нанокристаллических ферромагнетиков.

4.3.1. Связь коэрцитивной силы и характеристик флуктуаций анизотропии магнитного блока.

4.3.2 Магнитная микроструктура двумерных ферромагнетиков Co/Pd.

4.4. Выводы главы.

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, 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 <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)1/2(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 = (о1/2(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, D1/2Ha 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<Ha> в них: Нс « D1/2<Ha>. 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(C), Со(С), Ni(C), Со(Р)) наблюдались закономерности ЛМ(Н), соответствующие d=3.

98

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(C), Со(С), Ni(C), 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.

1. Игнатченко В. А., Исхаков Р. С., Попов Г.В. Закон приближения намагниченности к насыщению в аморфных ферромагнетиках // ЖЭТФ.-1982,- Т.82, в.5. - С.1518-1531.

2. Игнатченко В. А., Исхаков Р.С. Стохастичесие свойства неоднородностей аморфных магнетиков // Магнитные свойства кристаллических и аморфных сред. -Новосибирск: Наука. Сиб. Отд-ние, 1989. 252с.

3. Катаев В.А., Иванов О.А., Иванова Г.В., Летов М.В. Исследование формирования нанокристаллической структуры сплава методом корреляционной магнитометрии // ФММ. 1997. - Т.84, в.З.- С.55-61.

4. Попков Ю. А., Сизова З.И., Николаенко Ю.А., Папуш Е.В. Локальная магнитная анизотропия аморфных сплавов на основе Fe-Ni // Укр. физ. журн. 1990. - Т.35, в.З.-С.410-414.

5. Loffler J.F., Meier J.P., Doudin В., Ansermet J.P., Wagner W. Random and exchange anisotropy in consolidated nanostructured Fe and Ni: Role of graine size and trace oxides on magnetic properties // Phys. Rev. В 1998. - V.57, №5. - P.2915-2924.

6. Thomas L., Tuaillon J., Perez J.P., Dupuis V., Perez A., Barbara B. Approach to saturation in nanocrystallized films of iron and nickel // J.Magn. Magn. Mater. 1995.-V. 145. -P.437-438.

7. Grinstaff M.W., Salamon M.B., Suslick K.S. Magnetic properties of amorphous iron // Phys. Rev. B, 1993. - Y.48. - P.269-273.

8. Tejada J., Martinez В., Labarta A., Grossinger R., Sassik H., Vazquez M., Hernando A. Phenomenological study of the amorphous Fe8oB2o ferromagnet with small random anisotropy // Phys. Rev. В 1990. - V.42, №1.- P.898 - 905.

9. Игнатченко B.A., Исхаков P.C. Кривая намагничивания ферромагнетиков с анизотропными и низкомерными неоднородностями // ФММ 1992, №6, с.75-86.

10. Imry Y., Ma S.-K. Random field Instability of the ordered state of continuos symmetry // Phys. Rev. Lett. 1975. - V.35, №21.- P.1399-1401.

11. Исхаков P.С., Комогорцев C.B., Балаев А.Д., Чеканова Л.А. Размерность системы обменно-связанных зерен и магнитные свойства нанокристаллических и аморфных ферромагнетиков// Письма в ЖЭТФ 2000.-Т.72, в.6.- С.440-444.

12. Судзуки К., Фудзимори X., Хасимото X. Аморфные металлы. М: Металлургия, 1987,- 328с.

13. Игнатченко В.А., Исхаков Р.С. Дисперсионное соотношение и спин-волновая спектроскопия аморфных ферромагнетиков // ЖЭТФ. 1978. - Т.75, в. 10. - С. 14381443.

14. Игнатченко В. А., Исхаков Р. С., Чеканова JL А., Чистяков Н. С. Изучение дисперсионного закона для спиновых волн в аморфных пленках методом СВР II ЖЭТФ. 1978. - Т.75, в.2. - С. 876-884.

15. Hasegawa R., Ray R. Low temperature magnetization study of crystalline and glassy FeB alloys // Phys. Rev. В 1979. - V.20, №1,- P.211 - 214.

16. Mc Coll J.R., Murphy D., Cargill III G.S., Mizoguchi T. Spin wave dispersion and temperature dependence of magnetization in amorphous Co-P alloys // Magnetism and Magnet. Mater. 1975, 21st Annu. Conf. Phyladelrhia: N.Y. 1976. - P.313-314.

17. Sostarich M., Dey S. Magnetic and Mossbauer investigation of amorphous (FexNiix)8oB2o alloys // IEEE Trans. On Magn. 1981. - V.MAG-17, №6. - P.2612 - 2614.

18. Tarvin J.A., Shirane G., Birgenau R.J., Chen H.S. High temperature spin dynamics in amorphous ferromgnet // Phys. Rev. В 1978. - V. 16. - P.211 - 214.

19. Huller K., Dietz G. The temperature dependence of magnetization of Fe-P, Co-P, Ni-P alloys // J.Magn. Magn. Mater. 1985.-V.50. -P.250-264.

20. Исхаков P. С., Попов Г.В., Карпенко M.M. Низкотемпературный ход намагниченности в аморфных Со-Р сплавах // ФММ. 1983. -Т.56, в.1.- С.85-93.

21. Исхаков Р. С., Хлебопрос Р.Г. Структурные превращения в аморфных ферромагнитных сплавах переходной металл металлоид. - Красноярск: ИФ. 1980. -61с. (Препринт ИФСО-133Ф АН СССР. Сиб.отд-ние, Ин-т физики им. JI.B. Киренского).

22. Исхаков Р. С., Фиш Г.И., Мальцев В.К., Хлебопрос Р.Г. Определение ближайшего окружения в аморфных сплавах методом ЯМР II ФММ. 1984. - Т.58, в.6.- С.1214-1215.

23. Исхаков Р. С., Бруштунов М.М., Турпанов И.А. Исследование микрокристаллических и аморфных сплавов Co-Zr магнитоструктурными методами // ФММ. 1988. - Т.66, в.З,- С 469-477.3/2

24. Chien C.L., Hasegawa R., Т dependence of hyperfine field and spin wave excitations in ferromagnetic metallic glasses // Phys. Rev. В 1977. - V.16, №5.- P.2115 - 2123.

25. Chien C.L., Hasegawa R., Mossbauer study of glssy alloys (Fe-Mo)g0B2o H J. Appl. Phys. -1978. V.49, №3.- P. 1721 - 1723.

26. Mills D.L., Maradudin A.A Some thermodynamic properties of a semi-infinite heisenberg ferromagnet // J. Phys. Chem. Solids 1967. - V.28. - P. 1855 - 1874.

27. Freeland J.W., Keavney D.J., Storm D.F. et. al. Oscilatory ferromagnetic interlayer coupling of Fe(100) thin films through (111) oriented Ag and Cu spacers // Phys. Rev. В 1996. -V.54, №14,- P.9942 - 9951.

28. Zhang D., Klabunde K.J., Sorensen C.M. et. al. Magnetization temperature dependence in iron nanoparticles // Rev. В 1998. - Y.58, №21,- P.14167 - 14170.

29. Xiao G., Chien C.L., Natan M. Magnetization and its temperature dependence in compositionally modulated amorphous Fe7oB3o/Ag films // J. Appl. Phys. 1987. - Y.61, №8.- P.4314 - 4316.

30. Badia F., Ferrater C., Lousa A. et.al. Magnetic studies of Fe-Y compositionally modulated thin films // J. Appl. Phys. 1990. - V.67, №9,- P.5652 - 5654.

31. Chudnovsky E.M., Saslow W.M., Serota R.A. Ordering in ferromagnets with random anisotropy // Phys. Rev. В 1986. - V.33, №1,- P.251 - 261.

32. Chudnovsky E.M. Magnetic properties of amorphous ferromagnets // J. Appl. Phys. 1988. - V.64,№10.- P.5770 - 5775.

33. Sellmyer D.J., Nafis S. Phase-Transition behaviour in random anisotropy system // Phys. Rev. Lett. 1986. - V.57, №9.- P. 1173 - 1176.

34. Hoffman H. Quantitative calculation of the magnetic ripple of uniaxial thin permalloy films //J. Appl. Phys. 1964. - V.35.- P. 1790 - 1798.

35. B.A. Игнатченко Магнитная структура тонких магнитных пленок и ФМР // ЖЭТФ. -1968. -Т.54, в.1. С. 303-311.38