Магнитное последействие и доменная структура высококоэрцитивных редкоземельных магнетиков тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ МАГНИТНОГО ГИСТЕРЕЗИСА И МАГНИТНОЕ ПОСЛЕДЕЙСТВИЕ В ВЫСОКОКОЭРЦИТИВНЫХ МАГНЕТИКАХ (обзор литературы).

1.1. Процессы необратимого вращения векторов намагниченности.

1.1.1. Однородное вращение.

1.1.2. Неоднородное вращение.

1.2. Влияние структурных дефектов на поле зарождения магнитной неоднородности.

1.3. Процессы необратимого смещения доменных границ.

1.4. Магнитное последействие.

Глава 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА.

2.1. Объекты иследований.

2.1.1. Монокристаллы квазибинарных интерметаллидов.

2.1.2. Тонкие пленки ТЬ-Ре-Со и Со-Рс1.

2.1.3. Подготовка образцов для наблюдений доменной структуры.

2.2. Магнитные измерения.

2.2.1. Холловский магнитометр.

2.2.2. Генератор импульсного магнитного поля.

2.2.3. Магнитооптический гистериограф.

2.3. Наблюдение доменной структуры.

2.3.1. Магнитооптический контраст.

2.3.2. Дифференциальная поляризационная микроскопия и цифровая обработка изображений.

Глава 3. ПРОЦЕСС ПЕРЕМАГНИЧИВАНИЯ ВЫСОКОКОЭРЦИТИВНЫХ АМОРФНЫХ ПЛЕНОК ТЬ-Ре-Со

3.1. Аморфные пленки ТЬ-Ге-Со.

3.2. Магнитное последействие в аморфных пленках Со-Рс1.

3.3. Анализ результатов.

3.4. Фрактальное моделирование процесса последействия

Глава 4. ЗАПАЗДЫВАЮЩИЕ СКАЧКИ БАРКГАУЗЕНА В КРИСТАЛЛАХ

GdCo4Cu

4.1. Проведение эксперимента.

4.2. Запаздывающие большие скачки Баркгаузена в кристаллах GdCo4Cu.

4.3. Наблюдение доменной структуры.

Глава 5. УГЛОВАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ПРОЦЕССА ПЕРЕМАГНИЧИВАНИЯ ОДНООСНЫХ ВЫСОКОКОЭРЦИТИВНЫХ МНОГО ДОМЕННЫХ МАГНЕТИКОВ

5.1. Расчет угловой зависимости коэрцитивной силы.

5.2. Влияние формы образца.

5.3. Влияние анизотропии.

5.4. Сравнение с экспериментом.

5.5. Влияние текстуры.

ВЫВОДЫ.

Актуальность темы. Неравновесные явления в неупорядоченных неоднородных шстемах, к которым относится большое количество технически ценных моно- и толикристаллических материалов, в настоящее время интенсивно исследуются, примерами неоднородных материалов, удобных для экспериментального ^следования высокочувствительными магнитными и электрическими методами, шляются реальные полидоменные магнетики и сегнетоэлектрики. Области ^однородности у них - доменные границы, имеющие множество детастабильных состояний, отделённых друг от друга и от основного )авновесного состояния энергетическими барьерами из-за дефектов сристалл и ческой решётки. При отличных от нуля температурах эволюция к )Сновному состоянию может осуществляться по термоактивационному механизму с экспоненциально большими характерными временами релаксации, внешнее магнитное или электрическое поле уменьшает барьеры и ускоряет юрестройку доменной структуры. Долговременность процесса релаксации, как гравило, приводит к тому, что за ограниченное время измерения материал не юстигает состояния, соответствующего истинному термодинамическому »авновесию, и для определения его равновесных характеристик необходимы фавильные представления о спектре энергетических барьеров и симптотическом поведении релаксации.

Высококоэрцитивные магнетики разных типов (монокристаллические и юрошковые постоянные магниты из редкоземельных (РЗ) сплавов на основе lm-Co, Sm-Co-Cu-Fe-Zr, Fe-Nd-B, быстрозакалённые фольги, аморфные и ганокристаллические плёнки) обладают одним общим свойством начительной магнитной вязкостью (последействием). К настоящему времени акоплен обширный экспериментальный и теоретический материал по [агнитной вязкости редкоземельных высококоэрцитивных магнетиков в виде [онокристаллов, порошковых образцов, тонких плёнок (см., например, [1-5]). В езультате установлены основные закономерности и разработаны некоторые юдели процесса релаксации намагниченности высококоэрцитивных [агнетиков при воздействии внешних полей. Полученные результаты находят рактическое применение при прогнозировании поведения ысококоэрцитивных материалов в условиях эксплуатации (см., например, [6]) и для разработки современных методов компьютерного моделирования процессов намагничивания и перемагничивания [7].

Вместе с тем, разработка количественной теории магнитной вязкости весьма далека от завершения. Магнитное последействие в конечном итоге определяется процессами взаимодействия дефектов магнитного упорядочения (доменных границ) с дефектами кристаллической решётки, поэтому теория магнитной вязкости неразрывно связана со сложнейшей проблемой построения количественной теории высококоэрцитивного состояния магнетиков, для чего необходимо получение экспериментальных данных как о структуре дефектов кристаллической решётки, так и о их влиянии на магнитную структуру. Однако, прямые экспериментальные исследования необходимых деталей тонкой структуры дефектов реальных высококоэрцитивных материалов при существующем уровне развития экспериментальных методик не всегда возможны, или они оказываются трудно реализуемыми из-за сложности и дороговизны оборудования. Важная информация о протекании процесса последействия может быть получена при наблюдении и анализе доменной структуры. Однако эта сторона вопроса оставалась до последнего времени мало изученной, по-видимому, из-за специфических трудностей наблюдения доменной структуры высококоэрцитивных магнетиков в условиях сильного внешнего магнитного поля.

В связи с этим поставленная в данной работе задача исследования доменной структуры высококоэрцитивных магнетиков, проявляющих значительную магнитную вязкость, приобретает особую актуальность Наблюдения доменной структуры дают информацию, непосредственно используемую во многих модельных расчётах. Накопление экспериментальных данных о реальном поведении доменной структуры в процессе магнитного последействия не только расширяет представления о действительных механизмах протекания процессов вязкой ререстройки доменной структуры и развивает теорию процессов намагничивания и перемагничивания, но и позволяет более полно выявить физическую природу процессов медленной релаксации других классов неоднородных систем.

Цель и задачи исследования. Целью работы явилось исследование доменной структуры высококоэрцитивных магнетиков на примере одноосных соединений редкоземельных элементов с переходными металлами (кобальтом, железом), в которых наиболее ярко проявляется эффект магнитного последействия, и выявление на этой основе таких закономерностей, которые могут быть присущи всему классу одноосных высококоэрцитивных материалов.

В работе ставились задачи:

- усовершенствовать методики наблюдения и анализа доменной структуры применительно к исследованиям магнитной вязкости высококоэрцитивных магнетиков;

- создать комбинированную магнитооптическую установку, обеспечивающую работу как в режиме гистериографа (оптического микромагнитометра [8]), так и в режиме цифровой регистрации и обработки поляризационно-оптических изображений;

- получить экспериментальные данные о процессах последействия в массивных монокристаллах высококоэрцитивных соединений на основе редкоземельных металлов и кобальта и тонких аморфных пленках на основе соединения тербий-железо-кобальт и кобальт-палладий;

- исследовать угловые зависимости петель гистерезиса;

- провести компьютерное моделирование процесса эволюции фрактальных доменных структур.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту

- определен характер перестройки доменной структуры в процессе магнитного последействия в высококоэрцитивных пленочных и массивных редкоземельных соединениях:

- установлена применимость теории Е. Фатуццо для описания эффектов магнитного последействия в высококоэрцитивных магнетиках;

- обнаружены запаздывающие большие скачки Баркгаузена в высококоэрцитивных кристаллах с размерами, намного превышающими критический размер однодоменности;

- получены количественные геометрические характеристики, описывающие процесс вязкой перестройки доменной структуры высококоэрцитивных магнетиков;.

- с использованием фрактальных алгоритмов проведено компьютерное моделирование процесса магнитного последействия, дающее генерацию реалистичных конфигураций доменных структур;

- получены соотношения, описывающие угловые изменения коэрцитивной силы и формы петель гистерезиса однородных многодоменных одноосных магнетиков, перемагничивающихся по механизму задержки смещения доменных границ.

Практическая ценность работы. Созданная в работе магнитооптическая установка отличается крайней простотой и достаточно высокой эффективностью. Накопленный при её создании опыт, схемные решения, алгоритмы обработки поляризационно-оптических изображений могут быть использованы в научно-исследовательских вузовских и отраслевых лабораториях не только при исследовании магнитных доменных структур, но и других оптически активных объектов. Результаты исследования магнитного последействия высококоэрцитивных редкоземельных сплавов имеют непосредственное отношение к практическим разработкам материалов для постоянных магнитов в связи с проблемой обеспечения температурно-временной стабильности их рабочего магнитного потока. Результаты исследования магнитного последействия в,тонких пленках Tb-Fe-Co и Co-Pd имеют прямое отношение к имеющим большое практическое значение оценкам предельно достижимых плотностей записи информации на магнитооптических дисках и её температурно-временной стабильности.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на:

1. 6th European Magnetic Materials and Applications Conference EMMA'95, Austria, Wien, 1995;

2. First International Workshop Simulation of Magnetization Processes, Wien, Austria, 1995;

3. Magneto Optical Recording International Symposium MORIS'96;

4. XIV Intern. Workshop on Rare-Earth Magnets and Their Applic., Sao Paolo, Brazil, 1996;

5. XII Международная конференция по постоянным магнитам, Суздаль, 1997;

6. XVI Международная школа-семинар "Новые магнитные материалы микроэлектроники", Москва, 1998;

7. 7th European Magnetic Materials and Applications Conference EMMA'98, Spam, Zaragoza, 1998.

Публикации и вклад автора. Основные результаты исследований опубликованы в 22 работах. Авторство всех разделов диссертации принадлежит соискателю. Разработка программного обеспечения для обработки вводимых в компьютер измерительных данных и регистрации и специальной обработки толяризационно-оптических изображений проводилась совместно с спирантами С.С. Сошиным и A.C. Шиповым.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, > глав, выводов и библиографии. Диссертация изложена на 108 страницах лашинописного текста и содержит 49 рисунков. Библиография включает 102 1аименования. Общий объем диссертации 108 страниц.

выводы

1. Ввиду чрезвычайно резкой зависимости скорости вязкого перемагничивания от значений размагничивающего поля и температуры для получения достоверных данных о форме кривых магнитного последействия в высококоэрцитивных магнетиках с квадратной петлей гистерезиса необходимы специальные меры по стабилизации источника поля и термостатированию образцов.

2. Вязкое перемагничивание тонких высококоэрцитивных пленок ТЬ-Бе-Со и Со-Рс1 происходит путем образования зародышей перемагничивания по всему объему образца и их последующего всестороннего роста до слияния с друг с другом. Возникающие при этом изменения скорости перемагничивания по сравнению с процессом неограниченного роста удовлетворительно описываются теорией Е.Фатуццо, развитой для полидоменных сегнетоэлектриков.

3. Экспериментально исследован процесс магнитного последействия в массивных монокристаллах высококоэрцитивных квазибинарных соединений на основе редкоземельных металлов и кобальта. Синтезированы образцы сплавов вида РЗМСо5.хСих и определены условия их обработки, при которых процесс перемагничивания осуществляется вязким смещением доменных границ или одним большим скачком Баркгаузена. С помощью специальных экспериментов впервые обнаружены запаздывающие большие скачки Баркгаузена с временами релаксации порядка 10.10"1 на образцах, размеры которые намного больше критического размера однодоменности. Результаты качественно объясняются моделью Филиппова-Лебедева роста зародышей перемагничивания в кристалле с неоднородным распределением полей трогания.

4. Проведены расчеты угловых зависимостей петель гистерезиса высококоэрцитивных одноосных магнетиков. Показано, что форма образца сильно влияет на угловые зависимости коэрцитивной силы и кривые магнитного последействия. При несовершенной текстуре коэрцитивная сила при \|/ = 7г/2 не обращается в нуль, кроме того, ее значения оказываются зависящими от магнитной предистории образца.

1. Королев А.В., Дякин В.В. Коэрцитивная сила монокристалла с узкими доменными границами // ФММ. 1980. Т.49. С. 79-84.

2. Givord D., Tenand P., Viadieu Т. Magnetic viscosity in different Nd-Fe-B magnets//J. Appl. Phys. 1987. V.61(8). P.3454-3456.

3. Gaunt P. Magnetic viscosity and thermal activation energy // J. Appl. Phys. 1986. V.59(12). P.4129-4132.

4. Street R., Day R.K., Dunlop J.B. Magnetic viscosity in NdFeB and SmCof alloys //J. Magn. Magn. Mat. 1987. V. 106-112. P. 106-112.

5. Chantrell R.W., Lyberatos A., El-Hilo M., O'Grady K. Models of slow relaxation in particulate and thin film materials (invited) // J. Appl. Phys. 1994. V. 76(10).1. P.6407-6412.

6. Richter H.J., Ranjan R.Y. Relaxation effects in thin film media and their consequences//J. Magn. Magn. Mat. 1999. V.193. P.213-219.

7. Lyberatos A. Monte Carlo simulation of the effects of the local variation of the coercivity in MO media//J. Magn. Magn. Mat. 1998. V.186. P.248-262.

8. Кринчик Г.С. Физика магнитных явлений. М.: МГУ, 1976.

9. Вонсовский С.В. Магнетизм. М.: Наука, 1971.

10. Вонсовский С.В., Шур Я.С. Ферромагнетизм. M.-J1., Гостехиздат, 1948.

11. Лисовский Ф.В., Антонов Л.И. Магнетизм и магнитные материалы. Терминологический справочник. М.: «Вагриус», 1997.

12. Brown W.F. Micromagnetics. New York-London. 1963.

13. Кандаурова Г.С., Оноприенко Л.Г. Доменная структура магнетиков. Основные вопросы микромагнетики. Свердловск: УрГУ, 1986.

14. Кондорский Е.И. Природа высокой коэрцитивной силы мелкодисперсных ферромагнетиков и теория однодоменной структуры. // Изв. АН СССР, сер физ. 1954. XVI. №4. С. 389-411.

15. Кондорский Е.И. Микромагнетизм и перемагничивание квазиоднодоменны.х частиц. Изв. АН СССР. Сер.физ. 1978. Т.42(8). С. 1638-1645.

16. Frei Е.Н., Shtrikman S., Treves D. // Phys.Rev. 1957. V.106. P. 446.

17. Aharom A., Strikman S. // Phys.Rev. 1958: V.109. P. 1522.

18. De Blois R.W. Ferromagnetic domain studies in highly perfect metal platelets and whiskers // General Elec.Comp. 1967. AF 19. V.628. P. 5804.

19. Muller M.W. Domain formation in a ferromagnetic plate // J. Appl. Phys. 1967. V.38(6). P.2413-2417.

20. Aharoni A. Theoretical search for domain nucleation // Rev. Mod. Phys. 1962. V.34. P.227-238.

21. Brown W.F. Rigorous calculation of the nucleation field in a ferromagnetic film or plate//Phys. Rev. 1961. V.124. P.1348-1353.

22. Aharoni A. Perfect and imperfect particles // IEEE Trans. Magn. 1986. V.22(5). P.478-483.

23. Филиппов Б.Н. О поле зародышеобразования ферромагнитных одноосных монокристаллов // ФММ. 1966. - Т. 22. - С. 343-350.

24. Abragam С., Aharoni А. // Phys. Rev. 1960. V. 120. P. 1576.

25. Aharoni A. Reduction in coercive force caused by a certain type of imperfection // Phys. Rev. 1960. V. 120. P. 127-130.

26. Aharoni A. Theoretical search for domain nucleation // Rev. Mod. Phys. 1962. V. 34. P.227.

27. Kersten M. Investigation of reversible and irreversible wall displacements between antiparallel domains // Phys. Zeits. 1938. V.39. P.860.

28. Кондорский Е.И. К теории коэрцитивной силы мягких сталей. ДАН СССР.1949. T.LXVIII. С. 37-40.

29. Dijkstra L.J., Wert С. Effect of inclusions on coercive force of iron // Phys. Rev.1950. V.79(6). P.979-985.

30. Мишин Д.Д. Влияние дефектов кристаллической решетки на свойства магнитных материалов. Свердловск: УрГУ. 1969.

31. П. Мишин Д.Д., Гречишкин P.M., Марьин Г.А. Дислокационная теорияпроцессов перемагничивания магнетиков//Тр. Межд. конф. по магнетизму МКМ-73. М.: Наука, 1974. Т. 2. С. 97-101.

32. Vicena F. // Czech. J. Phys. 1955. V. 5. P. 480.

33. Бернер P., Кронмюллер Г. Пластическая деформация монокристаллов. М.: Мир, 1969.

34. Rieder G. Abh. Brauschw. Wiss. Ges. 1959. V.l 1. P.20

35. Рудяк B.M. Процессы переключения в нелинейных кристаллах. М.: Наука, 1986.

36. Phillips G.N., O'Grady K., Chantrell R.W. An analysis of magnetic viscosity in MO films I: experimental // J.Magn.Magn.Mater. 1996. V. 155. P.364-366.

37. El-Hilo M., O'Grady K., Chantrell R.W. Time dependence effects and reptation measurements // IEEE Trans. Magn. 1993. V. 29. No 6. P. 3664-3666.

38. Ю. Lyberatos A., Chantrell R.W. Thermal fluctuations in a pair of magnetostaticallycoupled particles//J.Appl.Phys. 1993. V.73. No 10. P. 6501-6503.

39. Lyberatos A., Berkov D.V., Chantrell R.W. A method for the numerical simulation of the thermal magnetization fluctuations in micromagnetics // J.Phys.: Condens. Matter. 1993. V.5. P. 8911-8920.

40. Lyberatos A., Chantrell R.W. Thermally activated magnetization reversal in the micromagnetic approach// J.Phys.D: Appl. Phys. 1996. V. 29. P. 2332-2342.

41. Lyberatos A., Earl J., Chantrell R.W. Model of thermally activated magnetization reversal in thin films of amorphous rare-earth-transition-mrtal alloys // Phys. Rev.B. 1996. V. 53. No 9. P. 5493-5504.

42. Lyberatos A. Monte-Carlo simulation of the effects of the local variation of the coercivity in magneto-optic media // J.Magn.Magn.Mater. 1998. V. 186. P. 248262.

43. Lyberatos A. Magnetic viscosity in the high frequency regime // J.Magn.Magn.Mater. 1999. V. 191. P. 380-387.

44. Brown S.D., R.Street, R.W.Chantrell, P.W.Haycock, K.O'Grady. Time dependence and mechanisms of magnetization reversal in TbFeCo films // J.Appl.Phys. 1996. V. 79. No 5. P.2594-2600.

45. Street R., Woolley J.C. A study of magnetic viscosity // Proc. Phys. Soc. 1949. V.A62. P.562-572.

46. Villas-Boas V., Gonzalez J.M., Cebollada F., Rossignol M.F., Taylor D.W., Givord D. Magnetic viscosity and coercivity analysis in mechanically alloyed and melt-spun NdDyFeB magnets// J. Magn. Magn. Mater. 1998. V.185. P. 180-186.

47. Nishio H. Magnetic aftereffect in SmCos sintered magnets machined to small size //IEEE Trans. Magn. 1989. V.25. P.4409-4412.

48. Pastushenkov Yu. G., Afanasieva L.E. and Grechishkin R.M. Surface domain structure and local demagnetizing field in Nd-Fe-B permanent magnets. // Phys. stat. sol. (a). 1994. V. 142. K41-K45.

49. Гречишкин P.M., Леонович И.Г., Мишин Д.Д., Цирков А.И. Способ получения постоянных магнитов. Авт. свид. СССР № 574779.

50. Смирнов Ю.М., Гречишкин P.M., Смирнов И.Ю. Способ получения монокристаллов сферической формы. Авт. Свид. СССР 1136499.

51. Grechishkin R.M. Domain structure studied of magnetization reversal in highperformance permanent magnets // Wiss. Z. Hfv Dresden. 1989. V. 50. P. 51-62.

52. Гречишкин P.M., Бирюков B.C., Ашметков А.С. Гигантские скачки Баркгаузена в кристаллах гадолиний-кобальт-медь // Изв. АН СССР. Сер. физ. 1981. Т. 45. С. 1683-1686.

53. Ермоленко А.С., Королев А.В. Особенности магнитного гистерезиса в монокристаллах соединений RC05 // ФММ. 1973. Т. 36. С. 52-59.

54. Ермоленко А.С., Королев А.В. Шур Я.С. Монокристаллы SmCo5 с магнитной энергией 32 миллиона гаусс.эрстед // Письма ЖЭТФ. 1973. Т. 1 7. С. 499-501.

55. Ganshina Е., Guschin V., Romanov I., Tselev A. Magneto-optical properties of Co-Pd alloy films with perpendicular magnetic abisotropy // J. Magn. Magn. Mater. 1998. V. 185. P. 256-264.

56. Несбитт E., Верник Дж. Постоянные магниты на основе редкоземельных элементов (Под ред. Вонсовского С.В.). М., Мир, 1977.

57. Панченко Е.В., Скаков Ю.А., Кример Б.И., Арсентьев П.П., Попов К.В., Цвилинг М.Я. Лаборатория металлографии. М. Металлургия, 1965.

58. Лозинский М.Г. Тепловая микроскопия материалов. М.: Металлургия, 1976. С. 12-17.

59. Craik D.J. The measurement of magnetization using Hall probes // J. Phys. E: Sci. Instr. 1968. V.l. P. 1193-1196.

60. Афанасьев Ю.В., Студенцов H.B., Хорев B.H., Чечурина Е.Н., Щелкин А.П. Средства измерений параметров магнитного поля. Л.: Энергия, 1979.

61. Карасик В.Г. Физика и техника сильных магнитных полей. М.: Наука, -1964.

62. Паркинсон Д., Малхолл Б. Получение сильных магнитных полей. М,: Атомиздат, - 1971. - С. 199.

63. Лагутин А.С., Ожогин В.И. Сильные импульсные магнитные поля в физическом эксперименте. М.: Энергоатомиздат, 1988.

64. Разорёнов Г.В., Васьковский Ф.А., Гречишкин P.M. Малогабаритный генератор мощных импульсов. Приб. техн. экспер. 1976. N.2. С.96-97.

65. Зевске Г.В., Ионкин Т.А., Страхов С.В. Основы теории цепей. М.: Энергоатомиздат, 1989.

66. Савацкий Е., Хорн Д. Установка для непосредственной регистрации магнитооптической активности и магнитного гистерезиса// ПНИ. 1971. № 1. С.

67. Червинский М.М., Глаголев С.Ф., Архангельский В.Б. Методы и средства измерений магнитных характеристик пленок. Л.: Энергоатомиздат, 1990.

68. Fowler С.A. and Fryer Е.М. Magnetic domains in cobalt by the longitudinal Kerr effect//Phys. Rev. 1954. V.95. P.564-565.

69. Rave W., Hubert A. Refinement of the quantitative magnetooptic domain observation technique // IEEE Trans. Magn. 1990. V.26. P.2813-2815.

70. Schmidt F., Rave W., Hubert A. Enhancement of magneto-optical domain observation by digital image processing // IEEE Trans. Magn. 1985. V. MAG-21, No 5. P. 1596- 1598.73