Магнитооптические твердотельные индикаторные среды и их применение тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ
|
Чигиринский, Сергей Анатольевич
АВТОР
|
||||
|
кандидата физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Тверь
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2007
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.07
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
На правах рукописи
ЧИГИРИНСКИЙ Сергей Анатольевич
МАГНИТООПТИЧЕСКИЕ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ИНДИКАТОРНЫЕ СРЕДЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
01 04 07 — физика конденсированного состояния
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Тверь - 2007
003175265
Работа выполнена на кафедре прикладной физики Тверского государственного университета
Научный руководитель
кандидат физико-математических наук, профессор Гречишкин Р М
Официальные оппоненты
доктор технических наук, профессор Корзунин Г С
кандидат физико-математических наук, доцент Корпусов О М
Ведущая организация
Институт радиотехники и электроники РАН
Защита состоится -"(Ч У^Ю З-оВх-Х_2007 г в -16 часов на
заседании диссертационного совета К 212 263 04 в Тверском государственном университете по адресу 170002, г Тверь, Садовый пер , 35, ауд 226
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Тверского государственного университета
Автореферат разослан ЛЧ 2007 г
Ученый секретарь л
диссертационного совета Л~\9~ Ляхова М Б
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Метрология магнитных полей наряду с традиционными задачами оценки значений однородного поля в одной или нескольких точках пространства включает в себя задачу исследования неоднородного распределения вектора магнитной индукции В последнем случае объём полезной информации определяется не только характеристиками отдельно взятого датчика, но и количеством точек измерения и их распределением в пространстве Контроль распределения магнитного поля приобретает особое значение при разработке устройств, основной характеристикой которых является поле заданной конфигурации - магнитные головки, носители информации, магнитные сигналограммы, электроприводы, магнитные системы на постоянных магнитах, микро- и наноэлектромеханические системы (МЭМС и НЭМС), а также при решении обратных задач магнитометрии - определения внутренней структуры источника по его внешнему полю Визуализация распределений неоднородных статических магнитных полей, локализованных или резко изменяющихся в областях пространства с характерными размерами порядка единиц микрон, относится к наиболее сложным проблемам магнитных измерений Самостоятельный интерес представляет разработка эффективных методов определения значений поля на визуализированных силовых (векторных) линиях или на изолиниях его пространственных составляющих
Оценивая проблему визуализации микрораспределений магнитного поля в исторической перспективе, нельзя не отметить ранние ключевые работы 1930-х гг по созданию метода выявления магнитной доменной структуры с помощью порошковых осадков [1,2] При всей своей кажущейся простоте этот метод дал мощный импульс для развития не только теории доменной структуры, но и физики магнетизма в целом
В последующие годы были разработаны новые способы выявления и анализа магнитных микроструктур [2, 3], к числу которых относятся магнитная силовая микроскопия, электронная голография, лоренцева микроскопия, растровая электронная микроскопия с поляризационным анализом, магнитооптическая микроскопия Керра и Фарадея, сканирующая микроскопия на основе СКВИД и миниатюрных элементов Холла и др В этой связи можно отметить два характерных момента Во-первых, число задач исследования магнитных структур постоянно возрастает
почти в геометрической прогрессии, при одновременном значительном повышении требований к объему и качеству получаемой информации Однако признаков возникновения некой единой и универсальной (пусть и дорогостоящей) методики не наблюдается Наоборот, все чаще физически разные методы используются в комплементарных комбинациях Второй особенностью является то, что практически половина из всех разработанных за 70 лет методик была создана за одно-два последних десятилетия, как следствие, опыт работы с ними ещё невелик, а их возможности изучены недостаточно
К числу таких новых методик относится визуализация и топографирование микрораспределений магнитного поля с помощью магнитооптических пленок К числу первых сообщений на эту тему можно отнести работу Алерса 1957 г [4], которая не получила, однако, заметного развития вплоть до 1980-х гг, когда было обнаружено, что пленки ферритов-гранатов могут быть эффективно использованы дня исследований
высокотемпературной сверхпроводимости [5, 6] Работы по изучению сверхпроводников получили развитие и интенсивно продолжаются и в настоящее время Кроме того, в последние годы сфера применений магнитооптических пленок стала активно расширяться и находить новые приложения в современном материаловедении и различных технологиях
Вместе с тем следует отметить, что в исследовательской практике получили в основном распространение лишь несколько типов "планарных" и одноосных магнитооптических пленок на основе висмутзамещённых ферритов-гранатов, что ни в коей мере не исчерпывает разнообразных возможностей, предоставляемых этими и другими современными магнитооптическими материалами В свою очередь, разработка материала активной среды и датчика на его основе требует определения необходимой для этого совокупности физических свойств и поиска компромисса между часто противоречивыми требованиями и ограничивающими факторами Недостаточно разработаны частные методики применения магнитооптических индикаторных пленок для решения специфических исследовательских задач (в условиях воздействия внешних квазистатических и переменных магнитных полей и механических нагрузок, изменений температуры изучаемых объектов и др) и процедуры градуировки этих преобразователей для получения количественной информации Не найдены эффективные заменители дорогостоящим монокристаллическим пленкам на основе ферритов-гранатов
Таким образом, актуальность работы определяется практическими потребностями сенсорной техники в новых активных средах и способах реализации магнитных преобразователей на их основе
Цель работы — экспериментальное исследование твердотельных магнитооптических сред для визуализации, топографирования и количественной оценки пространственно-распределенных магнитных полей и выработка рекомендаций по их применению в различных отраслях науки и техники
Решались следующие задачи:
• провести сравнительный анализ магнитных свойств и условий работы одноосных и квазиизотропных (с минимизированными константами естественной и наведенной анизотропии) магнитооптических индикаторных пленок
• Исследовать магнитные свойства и возможности использования термомагнитных (с резкой зависимостью магнитных свойств от температуры) магнитооптических пленок в качестве индикаторных сред для визуализации и топографирования пространственно - распределённых магнитных полей
• Применительно к задачам магнитной дефектоскопии разработать методику использования индикаторных пленок для вихретокового контроля дефектов ферромагнитных и неферромагнитных материалов
• Применить разработанные устройства магнитной визуализации и количественной оценки распределений магнитного поля для исследований технически ценных миниатюрных источников магнитного поля
Научная новизна и результаты, выносимые на защиту:
• проведен сравнительный анализ функциональных возможностей топографирования пространственных распределений магнитного поля с помощью одноосных и планарных индикаторных пленок и выработаны рекомендации по их использованию,
• на основе цифрового анализа угловой зависимости интенсивности изображений доменов разной ориентации разработана методика расшифровки собственной доменной структуры плёнок ферритов-гранатов с преимущественными направлениями намагничивания, лежащими в плоскости образца,
• предложен и реализован метод топографирования магнитных полей с помощью импульсной термомагнитной записи информации на магнитооптические высококоэрцитивные плёнки,
• предложена и реализована методика неразрушакяцего контроля с помощью стробоскопической магнитооптической визуализации распределений поля вихревых токов в токопроводящих неферромагнитных материалах,
• продемонстрированы оригинальные примеры практического применения метода магнитооптической визуализации для анализа технически ценных материалов и компонентов опытных образцов МЭМСиНЭМС.
Практическая значимость. Практическая значимость работы обусловлена интенсивным развитием магнитных технологий и быстрым внедрением их в современное производство Непрерывно совершенствуются все виды магнитных носителей и устройств для записи и хранения информации Миниатюрные магнитные элементы служат основой для создания разнообразных датчиков и приводов (микроэлектромеханических систем - МЭМС) Создаются новые виды магнитных материалов -наноструктурированных, композитных, многослойных Индикаторные магнитные среды необходимы как для проведения физических исследований и создании технологий получения новых магнитных материалов (решение задач физического материаловедения), так и при разработке различных магнитных устройств (магнитная запись, сенсорная техника, МЭМС и НЭМС, магнитоэлектроника и др ) Интенсивное развитие этих направлений обусловливает непрерывный и возрастающий интерес к магнитным индикаторным средам
Апробация работы. Результаты работы были представлены на Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ломоносов - 2002" (Москва, МГУ, 2002), 18th International Workshop on High Performance Magnets and their Application HPMA-2004 (Annecy, France, 2004), 5th European Magnetic Sensors and Actuators Conference EMSA (Cardiff, United Kingdom, 2004), XIX Международной школе-семинаре "Новые магнитные материалы в микроэлектронике" (Москва, 2004), XII Региональных Каргинских чтениях (Тверь, 2005), П1 Московском международном симпозиуме по магнетизму МИСМ-2005 (Москва, 2005), Magnetic Nanostructures for Micro-Electromechanical Systems and Spintromc Applications (Villa San Giovanni, Italy, 2006), The 17th International Conference on Magnetism (ICM) (Kyoto, Japan, 2006),
XVI Международной конференции "Магниты и магнитные материалы" (Суздаль, 2006), UK Magnetics seminar on Permanent Magnets (Birmingham, United Kingdom, 2006), Workshop "Nanodesign, Technology and Computer Simulations m Science and Engineering" (Bayreuth, Germany, 2007), XIX Международной конференции "Материалы с особыми физическими свойствами и магнитные системы" (Суздаль, 2007)
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы использовались в ряде научно-исследовательских работ, проведенных на кафедре прикладной физики Тверского государственного университета - «Разработка технологии и исследование образцов микроактюаторов на основе композитных материалов с эффектом памяти формы» (контракт с ИРЭ РАН (г Москва) в рамках работы по государственному контракту № 02 513 11 3008, 2007 г), «Фундаментальные экспериментальные и теоретические исследования нелинейных свойств полупроводниковых, магнитных и сегнетоактивных материалов для микро- и наноэлектроники» (ведомственная целевая программа «Развитие научного потенциала высшей школы», контракт РНП 2 1 1 3674 2006-2007 г), «Разработка и контроль магнитных систем для ядерного магнитного каротажа и релаксометрии» (хоздоговор с АОЗТ НПФ «Каротаж» (г Тверь) №7/05 от 1 апреля 2005 г, 2005-2007 г )
Публикации и вклад автора. Основные результаты исследований опубликованы в 12 статьях, из них одна в издании, рекомендованном ВАК, одна включена в самостоятельную главу монографии, изданной за рубежом, и семь статей опубликовано в трудах международных конференций Авторство всех разделов диссертации принадлежит соискателю В диссертации использовались компьютерные программы усреднения и выравнивания фона изображений, разработанные научным сотрудником кафедры прикладной физики С С Сошиным Образцы использованных в работе магнитооптических плёнок ферритов-гранатов плёнок предоставлены М Ю Гусевым и Н С Неустроевым (НИИ материаловедения, г Зеленоград)
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и библиографии, изложена на 122 страницах текста и содержит 51 рисунок Библиография включает 117 наименований
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении приведена общая характеристика работы -обоснована актуальность выбранной темы, сформулирована цель и задачи исследований, отражена новизна и практическое значение полученных результатов, приведены сведения о связи работы с научно-техническими программами, ее апробации на научных конференциях, отмечен личный вклад соискателя
Первая глава посвящена литературному обзору невизуальных и визуальных методов контроля пространственно распределенных статических магнитных полей Обращается внимание на интенсивное развитие "невизуальных" сканирующих методов с "точечными" преобразователями на основе СКВИД [7], на элементах Холла [8], магниторезисторах и др Несмотря на впечатляющие успехи в создании элементов с субмикронными чувствительными зонами [8], техника сканирования остаётся весьма сложной и требует дорогостоящей аппаратуры Трудно преодолим принципиальный недостаток сканирующих систем (в том числе силовой магнитной микроскопии) - длительность процесса измерений, что фактически ограничивает сферу применений статическими испытаниями
Из всех методов исследования пространственно распределенных неоднородных магнитных полей наибольший практический интерес представляют методы визуального контроля, дающие полную картину поля в некоторой плоскости Необходимое условие визуализации состоит в существовании магнитоактивного элемента - индикатора пространственного распределения поля Индикаторами могут быть магнитные частицы (их скопления качественно выявляют экстремумы поля), магнитные домены, геометрические размеры и пространственная ориентация которых отображают распределение поля, а также жидкие кристаллы холестерического типа (оптическая анизотропия определяется значением внешнего магнитного поля) В обзоре подробно рассматриваются эти и другие методы, использующие визуализацию полей с помощью магнитотактильных бактерий [9], магнитных жидкостей, подвергаемых импульсному расплавлению [10] и др
Результаты анализа сведены в таблицу, характеризующую достоинства и недостатки известных методов Представленные данные показывают, что твердотельные магнитооптические индикаторные среды имеют много ценных качеств, благодаря чему они занимают прочное положение в арсенале средств
визуализации и топографирования микрораспределений магнитного поля
Во второй главе, посвященной методике эксперимента, описываются исследуемые образцы, цифровая дифференциальная поляризационно-оптическая установка, описываются режимы ее работы, условия получения оптимального магнитооптического контраста, алгоритмы обработки изображений, приспособления для проведения экспериментов при изменяющихся внешних условиях - нагреве, охлаждении, изменении ориентации образца, воздействии внешнего постоянного и (или) переменного магнитного магнитного поля и др
При анализе магнитооптического контраста проводится аналогия с известными дискретными устройствами типа оптического затвора и модулятора Выбор оптимальной оптической схемы системы зависит среди прочих факторов от коэффициента экстинкции поляризационных приборов (для идеальной скрещенной пары поляризатор-анализатор = 0) Полученное выражение для значения контраста между двумя 180-градусными доменами имеет вид
С =
_/+-/__ (i - 5)sm 2Рsm 2 V
/+ -/_ (1 - £,)(1 - eos 2(3 eos 2V) + 22, твечает условие Vfé + /0)fécos28 + /0sm25)
а максимуму контраста отвечает условие
/
■ arceos
ít + 'o
где 3 - угол раскрещивания
В третьей главе представлены результаты сравнительного исследования доменной структуры и магнитных свойств одноосных и квазиизотропных монокристаллических В1-содержащих феррит-гранатовых пленок (В1ФГ)
Индикаторные висмутсодержащие монокристаллические плёнки ферритов-гранатов (В1 ФГ пленки) представляют собой прозрачные монокристаллические слои, выращиваемые методом жидкофазной эпитаксии на немагнитной подложке Магнитные и магнитооптические свойства В1 ФГ пленок можно регулировать в широких пределах путем изменений состава, условий получения и последующей обработки. Оптимальным индикаторным материалом является висмутсодержащий феррит-гранат Вгх
Ре5.7 МуОи, где К - комбинация редкоземельных элементов, М -ва, А1 и микродобавки элементов с незаполненной ¿¿-оболочкой Рабочий слой В1ФГ толщиной 1 10 мкм выращивается на жесткой плоской прозрачной пластине (подложке) немагнитного гадолиний-галлиевого граната Сс1з0а5012 толщиной порядка 0,5 мм На рабочую поверхность преобразователя наносится зеркальный слой серебра или алюминия Отражение поляризованного света от зеркального слоя обеспечивает удвоение фарадеевского вращения Для защиты от повреждений на зеркальный слой наносится износостойкое покрытие
В1 ФГ пленки обладают аномально большим удельным вращением плоскости поляризации света и высокой прозрачностью Магнитооптические свойства В1 ФГ определяются в основном содержанием висмута Параметром, определяющим величину оптического сигнала, является магнитооптическая добротность 4* = 29Р/а, где а - коэффициент оптического поглощения Зависимость имеет широкий максимум и
практически не меняется в диапазоне значений х ~0,8 1,1
Важнейшей характеристикой индикаторных В1 ФГ пленок является их магнитная анизотропия Положение направлений легкого намагничивания в плёнке определяется минимумом анизотропной части свободной энергии, включающей в себя энергию кубической анизотропии Ес, одноосной анизотропии Еи, энергии взаимодействия магнетика с внешним магнитным полем Ет = -(М Н) и энергии магнетика в собственном размагничивающем поле Ел = -(МНа)/2, где Нс1 - собственное размагничивающее поле
В зависимости от характера эффективной магнитной анизотропии можно выделить два основных типа В1 ФГ пленок -одноосный (с одним преимущественным направлением намагничивания вдоль нормали к плоскости образца), и планарный, или плоскостной (с лёгкими направлениями намагничивания в плоскости образца) Классификацию пленок можно проводить с помощью соотношения
а)
где О. - коэффициент, характеризующий материал и называемый фактором качества, Ки - константа одноосной анизотропии, ц0М%/2 - максимальная плотность энергии по отношению к анизотропии формы Смысл отношения (1) состоит в том, что при 0> 1 В1 ФГ пленка является одноосной и направление легкой оси
намагничивания ортогонально плоскости образца, и, соответственно, при Q< 1 магнитные моменты будут иметь склонность к ориентации в плоскости образца вследствие эффекта размагничивающего поля, значения которого минимальны при ориентации векторов намагниченности в плоскости.
Для наглядного сравнения особенностей и функциональных возможностей одноосных и планарных магнитооптических индикаторных пленок с их помощью была визуализирована магнитная домена структура (ДС) на одном и том же участке образца монокристалла SmCo5 и на разных расстояниях от его поверхности.
На рис. 1 и 2 представлены изображения полей рассеяния 180-градусных доменов на базисной плоскости монокристалла SmCo5 полученные с помощью одноосной и планарной магнитооптических индикаторных пленок (МОИП), а на рис. 3 представлено распределение интенсивности света вдоль одной и той линии АВ, соответствующей одному и тому же участку образца. Рис. 3 наглядно демонстрирует качественно различное поведение одноосной и планарной МОИП. Одноосная МОИП по существу работает как бинаризатор изображения, в то время, как интенсивность изображения для планарной МОИП является непрерывной монотонной функцией координат в соответствии с плавными изменениям значений измеряемого поля. В результате некоторые изображения на планарной плёнке могут выглядеть размытыми, создавая иллюзию расфокусировки микроскопа.
Для планарных МОИП, так же как и при обычных прямых наблюдениях доменной структуры с помощью эффекта Фарадея, можно путём изменения угла раскрещивания поляризатор-анализатор создавать режим наблюдения типа "контраст доменной границы" (DW contrast) и контраст доменов (domain contrast) (рис. 4).
Рис. 1. Визуализация полей рассеяния 180-градусных доменов на базисной плоскости монокристалла 8тСо5 с помощью одноосной
МОИП на расстояниях 30 (а), 60 (Ъ), 100 (с), 120 (d), 140 (е) и 180 мкм (f) от поверхности образца
Рис. 2. Визуализация доменной структуры монокристалла 8шСо5 с помощью планарной ВкФГ плёнки на расстояниях 10 (а), 40 (Ь), 60 (с) и 100 мкм (ё) от поверхности образца.
Яркость, относ, ед.
- vj
<М.,1М,|ММ|М1<|1М1 1 Ы 1 | ММ|ММ,М
О 25 50 75 100 125 150 175 200 L, мкм
Рис. 3. Распределение яркости изображений, полученных при помощи одноосной и планарной В1:ФГ плёнок для одной и той же области магнитного поля (вдоль отрезков АВ, рис. 1 и 2, соответственно).
Рис. 4. Магнитная ДС на базисной плоскости монокристалла 8тСо5, полученная с помощью планарной МОИП и наблюдаемая в скрещенных поляризаторах (а) и раскрещенных на 4° (Ь) (режим контраста ДГ и контраста доменов, соответственно)
На рис. 5 представлен пример визуализации магнитной структуры образца посредством одноосной МОИП с
цилиндрическими магнитными доменами (ЦМД), демонстрирующий высокую чувствительность одноосных МОИП (регистрируются поля рассеяния порядка 10 мкТ).
Рис. 6. Одноосная МОИП с цилиндрическими магнитными доменами, модулированными полем пермаллоевых участков квадратной формы на Si подложке (а) и стандартным текстом (Times 5 pt font), отпечатанным лазерным принтером на канцелярской бумаге (Ь).
Кривые намагничивания одноосных МОИП хорошо описываются в рамках классического расчёта по Коу и Энцу [12]. Модель [12] объясняет, почему у плёнок с малой приведённой толщиной кривые намагничивания являются нелинейными и возрастают с полем более круто, чем у более толстых образцов. В пределе одноосных плёнок бесконечной толщины (массивный кристалл) кривая намагничивания за счёт процессов смещения вдоль оси лёгкого намагничивания является линейной и совпадает с кривой намагничивания (процесс однородного вращения по Стонеру- -Вольфарту) идеальной планарной плёнки в её трудном направлении (вдоль нормали к плоскости).
Наличие собственной ДС одноосных плёнок накладывает ограничение на их разрешающую способность. На рис. 7 дано сравнение изображений одного и того же участка магнитного диска, полученных с помощью планарной и одноосной МОИП. Видно, что одноосная МОИП даёт высококонтрастную и хорошо распознаваемую картину, но при этом часть деталей изображения утрачена или искажена.
Безгистерезисный характер намагничивания и перемагничивания планарных МОИП, свойственный процессам вращения вектора намагничивания, благоприятен для метрологических применений МОИП. Собственная ДС в обычных условиях освещения в фарадеевской геометрии не наблюдается,
что дало некоторым исследователям повод считать, что планарные МОИП не обладают доменной структурой.
Рис. 7. МО изображения дорожек данных гибкого диска, выявленные планарной (а) и одноосной МОИП (Ь).
Для исследования этого вопроса в работе было сконструировано приспособление и разработана схема съёмок, поясняемая рис. 8. Вращение столика 2 вокруг своей оси эквивалентно закономерному изменению угла падения света на образец, что приводит к появлению фарадеевской составляющей намагниченности. Ввиду больших значений магнитооптической добротности ¥ = 2-Эр/а, "невидимые" домены, имеющие вектор намагниченности в плоскости образца, легко выявляются даже при небольших углах р (рис. 8(с)). Это даёт возможность быстро и корректно расшифровывать ориентацию векторов доменов в плоскости образца. Кроме того, эта же схема наблюдений и измерений полезна для учёта влияния горизонтальных компонент поля на градуировку планарных МОИП при количественных измерениях распределений поля.
В' А'
шУ
д в О ЭО 1В0 270 а
Рис. 8. (а) Схема установки для изучения распределения планарной компоненты намагниченности посредством эффекта Фарадея. 1 -основной поворотный столик микроскопа, 2 - второй поворотный столик с образцом, наклоненным на тот же угол. (Ь) Угловое изменение интенсивности света четырех доменов А, В, С, Б,
измеренное при повороте столика 2 на 360°. (с) Изображение, полученное по методу Фарадея и интерпретация ДС планарной МОИП.
Собственная ДС планарных МОИП обычно не является серьёзным недостатком, т.к. в большинстве случаев она имеет малый контраст и становится заметной в особых случаях значительного контрастирования изображения (рис. 9).
Рис. 9. Нормальное (а) и переконтрастированное (Ь) изображение магнитной карты, визуализированное планарной МОИП.
В работе также исследовались три другие разновидности одноосных плёнок: 1) тонкие металлические одноосные высококоэрцитивные плёнки на основе ТЬ-Ее-Со, 2) низкокоэрцитивные плёнки на основе соединений редкоземельных элементов с переходными металлами, 3) то же, что (2), но с точкой компенсации вблизи рабочей (комнатной) температуры.
Плёнки этих типов широко исследовались и изучались в эпоху материалов с цилиндрическими магнитными доменами и магнитооптических дисков, поэтому технология их получения была в своё время хорошо отработана, а свойства изучены достаточно подробно. Выбор этих плёнок был сделан в попытке найти альтернативные технологии получения МОИП, т.к. феррит-гранатовые МОИП содержат дорогое сырьё и требуют сложной технологии приготовления.
На рис. 9 и 10 представлены изображения, характеризующие поведение металлических плёнок с низкой и высокой коэрцитивной силой. Изображения на одноосной низкокоэрцитивной металлической МОИП близки к таковым для феррит-гранатовых МОИП, за исключением более слабого контраста. Этот недостаток мало существенен, т.к. современный арсенал программ обработки изображений легко позволяет повысить контраст программными средствами.
Изображение для высококоэрцитивной плёнки ТЬ-Бе-Со (рис. 10) получено методом термомагнитной записи с помощью импульса света от ксеноновой лампы длительностью около 10 мс. Коэрцитивное поле этой плёнки, являющейся аналогом плёнок для магнитооптических дисков, очень велико (порядка 0,8 Т), поэтому реально существующие в лабораториях поля не способны нарушить её состояние. Намагничивание и отображение поля объекта происходит во время импульса в течение некоторого короткого промежутка времени, при котором температура плёнки становится несколько ниже температуры Кюри, а коэрцитивное поле достаточно мало для обеспечения термомагнитной записи информации, после чего значения коэрцитивности быстро возрастают, "замораживая" зарегистрированное состояние. Оценки показывают, что порог реагирования, как правило, меньше, чем порог обычных низкокоэрцитивных плёнок.
Рис. 9. (а) Характерная собственная ДС одноосной низкокоэрцитивной аморфной пленки Эс1-Со на стеклянной подложке. (Ь) ДС монокристалла 8шСо5, визуализированная посредством данной пленки.
Рис. 10. ДС монокристалла 8тСо5, выявленная методом термомагнитной записи на высоко-коэрцитивной аморфной плёнке ТЬ-Ре-Со с просветляющим и защитным покрытием
В четвёртой главе описывается разработка стробоскопической магнитооптической системы, предназначенной для визуализации распределений поля вихревых токов, возбужденных внешним источником в токопроводящих неферромагнитных листовых металлах Достоинством твердотельных индикаторных сред является их способность работать в динамических режимах Для феррит-гранатовых планарных МОИП установленный верхний предел рабочих частот превышает 1 ГГц, для одноосных МОИП этот предел ниже из-за эффектов резонанса доменных границ, но в любом случае не ниже десятков и сотен МГц Таким образом, частотный диапазон феррит-гранатовых МОИП с большим запасом удовлетворяет требованиям их эксплуатации в звуковом и ультразвуковом диапазоне, что открывает новые перспективы их применения в дефектоскопии Стробоскопический режим позволяет использовать для регистрации измерительного сигнала не дорогостоящие высокоскоростные видеокамеры, а обычные ПЗС матрицы массового производства
На рис 11 представлена схема вихретоковой установки для стробоскопических визуальных наблюдений структуры дефектов электропроводящих листовых материалов Установка ориентирована на контроль листовых авиационных материалов, изготавливаемых из легких сплавов Для создания достаточно большого (076 мм) поля зрения в качестве источника излучения использовалась матрица из 24 сверхярких красных светодиодов фирмы КцщЬпц^й (США) Намагничивающее устройство в виде приставного электромагнита изготовлено по схемам ИФМ УРО РАН (Екатеринбург)
На рис. 12 представлены результаты визуализации двух рядом расположенных заклепок диаметром 4 мм При визуальном контроле было видно, что от одного из отверстий отходит тонкая трещина (вертикально вверх) Съемки были произведены для двух направлений внешнего намагничивающего поля - вдоль и поперёк трещины Из рис 12 видно, что при направлении поля вихревых токов перпендикулярно трещине, ее выявляемость заметно усиливается Опыты с другими образцами с искусственными дефектами в виде щелей разной толщины подтвердили работоспособность устройства
Рис. П. Схема вихретоковой установки для стробоскопических визуальных наблюдений структуры дефектов электропроводящих листовых материалов
Рис. 12. Визуализация поля вихревых токов дефектного (с вертикальной трещиной, А) и нормального отверстия 05 мм (В) в алюминиевом листе толщиной 1 мм при внешнем возбуждении вдоль оси у (левый кадр) и оси х (правый кадр)
Пятая глава посвящена описанию примеров практического применения метода магнитооптической визуализации и топографирования для анализа различных материалов и устройств. Рассматриваются примеры визуализации стандартной и плотной (субмикронного масштаба) магнитной записи, промышленных и лабораторных образцов постоянных магнитов, магнитомягких материалов, компонентов МЭМС и НЭМС для диамагнитной левитации биологических частиц и др.
Ниже описываются результаты анализа поля тонких профилированных плёнок постоянных магнитов Ш-Бе-В, нанесённых путём магнетронного распыления на профилированную подложку из монокристаллического кремния.
На рис. 13 представлено расчётное распределение создаваемого внешнего поля для разных конфигураций плёнки.
Рис. 13. Расчётное распределение В2/Вг вдоль оси У на расстояниях 1, 2, 4 и 8 мкм от поверхности профилированных плёнок Ш-Бе-В. [(а), (Ь)] - многополюсное намагничивание вдоль ±2, [(с), (с!)] -однонаправленное намагничивание вдоль направления +2, [(е), (1)] — однонаправленное намагничивание вдоль +У. й = 3.5 мкм, р = 20 мкм, к = 10 мкм и / = 100 мкм.
На рис. 14 представлено поперечное сечение реального образца профилированной структуры Иё-Ре-В на кремнии.
Рис. 14. Сечение плёночного постоянного магнита ЫсГеВ, осажденного на профилированную подложку (сканирующая электронная микроскопия).
Экспериментальное распределение Ву, реконструированное из полутоновых изображений, полученных с помощью планарной МОИП на расстоянии 4 мкм от поверхности однонаправленно намагниченного образца представлено на рис. 15.
(а)
(Ь)
Рис. 15. Распределение нормальной компоненты поля Ш и 2Б периодических плёночных структур ЫсЛ-Бе-В, найденное после обработки полутоновых изображения на планарной МОИП. (а) плёнка напылена на профилированную (шаг 10 мкм) подложку. (Ь) 2D распределение, полученное термомагнитной лазерной записью на плоскую подложку.
ВЫВОДЫ
1. Проведён сравнительный анализ ДС и магнитных свойств одноосных (0> 1) и планарных (<2<1) феррит-гранатовых плёнок при их использовании для топографирования магнитного поля. Одноосные плёнки просты в изготовлении, обладают высокой чувствительностью, удобны для экспресс-анализа. Недостатки -нелинейность преобразования и гистерезисные эффекты, низкая разрешающая способность, сложность получения количественных оценок. Планарные плёнки обладают высокой линейностью и разрешающей способностью, удобны для получения количественных данных. Недостаток - сложный процесс изготовления, требующий высокой квалификации персонала.
2. Разработана методика расшифровки собственной ДС плёнок ферритов-гранатов с планарной анизотропией, основанная на цифровом анализе угловой зависимости интенсивности изображений доменов разной ориентации. В отличие от высказывавшихся в литературе мнений об отсутствии у планарных плёнок собственной ДС показано, что для них характерна вырожденная (ориентированная в плоскости с
подавлением доменов нормальной ориентации) "кубическая" ДС, определяемая наличием некомпенсированных кубических вкладов в эффективную анизотропию образца
3 Предложен и реализован метод топографирования магнитных полей с помощью импульсной термомагнитной записи информации на магнитооптические одноосные высококоэрцитивные пленки Метод может обладать особо высокой чувствительностью (до ~ 10 мкТ) благодаря резкому снижению коэрцитивного поля пленок вблизи температуры Кюри
4 Продемонстрирована возможность и целесообразность использования в качестве индикаторных сред тонких низкокоэрцитивных металлических плёнок на основе соединений редкоземельных элементов с переходными металлами Такие пленки могут производиться в больших количествах, в том числе на гибких полимерных подложках, по известным технологическим схемам, разработанным в прошлые годы для производства магнитооптических дисков Уступая по значениям керровского вращения толстым (1-5 10 мкм) фарадеевским (9 F~Spl) плёнкам ферритов-гранатов, металлические плёнки превосходят последние в области малых I. Уменьшение I играет важную роль для повышения вертикальной разрешающей способности метода в целом
5 Предложена и реализована методика неразрушающего контроля с помощью стробоскопической магнитооптической визуализации распределений поля вихревых токов в токопроводящих неферромагнитных материалах
6 Приведены оригинальные примеры практического применения метода магнитооптической визуализации для анализа технически ценных материалов и компонентов опытных образцов МЭМС и НЭМС, в частности, профилированных пленочных постоянных магнитов для устройств типа лаборатория на чипе
Основные положения диссертационной работы опубликованы в
работах
1 High resolution magneto-optic field mapping of immature magnets with indicator films — application to magnetic microsystems / RM Grechishkin, S S Soshin, SE Ilyashenko, SA Chigirinsky, H Hauser, Y Didosyan // Proc 18th Intern Workshop High Pert Magn Applic. HPMA 2004 Vol 2 Annecy, France 2004 P 945948
2 Qualitative and Quantitative Observation of Magnetic Flux Microdistribution Using Indicator / R.M. Grechishkin, S E Ilyashenko, V.V Koledov, M Yu Goosev, N S Neustroev, Yu. Kozlov, S A Chigirinsky, D S Yulenkov // Proc 5th European Magnetic Sensors and Actuators Conference EMSA 2004 Cardiff, United Kingdom 2004 M-P2
3 Macro- and Microumformity of Hard and Soft Magnetic Materials / RM Grechishkm, VV Koledov, SE Ilyashenko, LE Afanasieva, S A Chigmnsky, IG Samborsky, S S Soshin // Proc 5th European Magnetic Sensors and Actuators Conference EMSA 2004 Cardiff, United Kingdom 2004 T-P 13
4 Макро- и микронеоднородность магнитотвердых и магнитомягких материалов микроэлектроники / Р М Гречишкин, И Г Самборский, С Е Ильяшенко, JIЕ Афанасьева, С А Чигиринский, А Б Залетов // Сб тр XIX Международной школы-семинара "Новые Магнитные Материалы Микроэлектроники" М МГУ 2004 С 521-523
5 Количественная оценка пространственных микрораспределений магнитного поля с помощью магнитооптических индикаторных пленок / С С Сошин, С Е Ильяшенко, МЮ Гусев, НС Неустроев, ДА Быков, А Б Залётов, С А Чигиринский // Вестник ТвГУ. Серия Физика 2004 № 4(6) С 94-99
6 Сошин С С , Ильяшенко С Е, Чигиринский С А, Залетов А Б Магнитооптический контроль распределений намагниченности и рабочего поля миниатюрных многополюсных роторов // Вестник ТвГУ Серия Физика 2004 №4(6) С 100-105
7 Ильяшенко С Е, Залетов А Б , Быков Д А, Чигиринский С А Структура и свойства тонкопленочных постоянных магнитов Nd-Fe-B, полученных методом магнетронного распыления // Вестник ТвГУ. Серия Физика 2005 №9(15) С 66-70
8 Martensite and magnetic domain structure in ferromagnetic shape memory smgle- and polycrystals / R M Grechishkm, T A Lograsso, D L Schlagel, V.V Koledov, A.B. Zalyotov, S A. Chigmnsky // Proc Third Moscow Intern Symp Magnetism Moscow MSU, 2005 P.207-211
9 Permanent magnet microumformity and magnetic flux distribution ш magnetic microactuators and systems / R M Grechishkin, S A Chigmnsky, H Raisigel, H Rostaing, А В Zalyotov // Proc Third Moscow Intern Symp Magnetism. Moscow MSU, 2005 P 212216
10 Grechishkm R., Chigmnsky S , Gusev M, Cugat О , Dempsey N Magnetic Imaging Films In В Azzerboni et al (eds) // Magnetic Nanostructures m Modern Technology, Springer, 2007, pp 195224
11 Calculations and measurements of the magnetic field of patterned permanent magnetic films for lab-on-chip applications / S Chigmnsky, M Kustov, N Dempsey, С Ndao, A Walther, R Grechishkm//Proc SPAS 2007 V 11 P 101-105
12 Магнитооптические твердотельные индикаторные среды и их применение / Р М Гречишкин, М Ю Гусев, С А Чигиринский, С Е Ильяшенко, JI Е Афанасьева, Н О Мамкина // Горный информационно-аналитический бюллетень (ГИАБ) 2007 № ОВ2 С 99-110
СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1 Hubert A, Schafer R Magnetic Domains The Analysis of Magnetic Microstractures New York Springer, 1998
2 Freeman M R, Choi В С Advances in magnetic microscopy Science 2001 V 294 P 1484-1488
3 Dahlberg E D. and Proksch R, Magnetic microscopies the new addition J Magn Magn Mater 1999 V 200 P 720-728
4 Alers P В Structure of the Intermediate State in Superconducting Lead. Phys Rev 1957 V 105 P 104-108
5 Червоненкис А Я, Кубраков H Ф Магнитооптическая визуализация и топографирование магнитных полей // Письма в ЖТФ 1982 Т 8 С 696-699
6 Magneto-optical studies of current distributions in high-rc superconductors / С Jooss, J Albrecht, H Kuhn, S Leonhardt, H Kronmuller // Rep Prog Phys 2002 V 65 P 651-788
7 Veauvy С, Hasselbach К, Mailly D Micro-SQUID microscopy of vortices in a perforated superconducting A1 film // Phys Rev 2004
V B70 214513
8 Dinner R В , Beasley M R, Moler К A Cryogenic scanning Hall-probe microscope with centimeter scan range and submicron resolution //Rev Sci Instr 2005 V 76 103702
9 Harasko G, Pfiitzner W, Futschik К Domain analysis by means of magnetotactic bacteria//IEEE Trans Magn 1995 V 31 P 938-949
10 Recording of optical information on magnetic suspension / Y A Monosov,
V S Doev, A F Kabytchenkov, V V Koledov, A D Piurbeev, A A Tulaikova, V G Shavrov, and V A Shakhunov//IEEE Trans Magn 1983 V 19(3) P 1474-1476
11 High resolution sensitive magnetooptic ferrite garnet films with planar amsotropy / R M Grechishkin, M Yu Goosev, S E Ilyashenko, NS Neustroev //J Magn Magn Mater 1996 V 157-158 P 305-306
12 Kooy С, Enz U Experimental and theoretical study of the domain configuration on thin layers of BaFe12019 // Philips Res Repts 1960
V 15 P 7-29
Подписано в печать 9 10 2007 Уел печ л 1,5 Тираж 100 экз Заказ № 489
Тверской государственный университет Физико-технический факультет 170002 г Тверь, Садовый пер 35
ВВЕДЕНИЕ.
Глава 1. МЕТОДЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ И КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ МИКРОРАСПРЕДЕЛЕНИЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ (обзор литературы).
1.1. Метод порошковых осадков.
1.1.1. Механизм образования порошковых осадков.
1.1.2. Разрешающая способность.
1.1.3. Плотность порошковых осадков у поверхности образцов.
1.1.4. Получение магнитной жидкости.
1.1.5. Магнитооптические эффекты в магнитной жидкости.
1.1.6. Сухие порошковые осадки.
1.1.7. Магниточувствительные бактерии.
1.1.8. Микрокапсулированные магнетитовые коллоиды.
1.2. Сканирующие системы на основе микродатчиков.
1.2.1. Датчики Холла.
1.2.2. СКВИД преобразователи.
1.2.3. Датчики на основе гигантского магнитосопротивления.
1.3. Ранние работы по методу магнитооптических индикаторных пленок.
1.4. Общая сводка данных.
Глава 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА.
2.1. Магнитооптический гистериограф.
2.2. Магнитооптический контраст и дифференциальная микроскопия.
2.2.1. Магнитооптические эффекты и поляризационный контраст
2.2.2. Дифференциальная микроскопия.
2.2.3. Экспериментальная установка.
Глава 3. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА И ДОМЕННАЯ СТРУКТУРА МАГНИТОПТИЧЕСКИХ ИНДИКАТОРНЫХ ПЛЁНОК.
3.1. Магнитные свойства эпитаксиальных плёнок ферритов-гранатов.
3.2. Кривые намагничивания феррит-гранатовых эпитаксиальных монокристаллических плёнок.
3.2.1. Одноосные плёнки
3.2.2. Кривые намагничивания квазиизотропных планарных") плёнок.
3.3. Сравнительный анализ одноосных и планарных МОИП.
3.4. Собственная доменная структура планарных плёнок.
3.5. Магнитооптические индикаторные плёнки из соединений редкоземельных элементов с металлами группы железа.
Глава 4. СТРОБОСКОПИЧЕСКИЙ МЕТОД НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ И МАГНИТООПТИЧЕСКАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ.
4.1. Вихретоковый контроль.
4.1.1. Условия работы МОИП.
4.1.2. Стробоскопический принцип.
4.2. Магнитооптический контроль макро- и микрооднородности магнитных материалов.
Глава 5. ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДА МОИП.
5.1. Количественная оценка пространственных распределений магнитного поля с помощью МОИП.
5.2. Магнитооптический контроль миниатюрных постоянных магнитов.
5.2.1. Расчёт магнитного поля основных геометрических форм постоянных магнитов.
5.2.1.1. Поле осесимметричных систем.
5.2.1.2. Тетрагональные магниты.
5.2.2. Магнитооптический контроль распределения намагниченности и рабочего поля миниатюрных многополюсных роторов.
5.2.3. Структура и свойства тонкоплёночных постоянных магнитов.
ВЫВОДЫ.
Актуальность темы. Метрология магнитных полей наряду с традиционными задачами оценки значений однородного поля в одной или нескольких точках пространства включает в себя задачу исследования неоднородного распределения вектора магнитной индукции. В последнем случае объём полезной информации определяется не только характеристиками отдельно взятого датчика, но и количеством точек измерения и их распределением в пространстве. Контроль распределения магнитного поля приобретает особое значение при разработке устройств, основной характеристикой которых является поле заданной конфигурации - магнитные головки, носители информации, магнитные сигналограммы, электроприводы, магнитные системы на постоянных магнитах, микро- и наноэлектромеханические системы (МЭМС и НЭМС), а также при решении обратных задач магнитометрии - определения внутренней структуры источника по его внешнему полю. Визуализация распределений неоднородных статических магнитных полей, локализованных или резко изменяющихся в областях пространства с характерными размерами порядка единиц микрон, относится к наиболее сложным проблемам магнитных измерений. Самостоятельный интерес представляет разработка эффективных методов определения значений поля на визуализированных силовых (векторных) линиях или на изолиниях его пространственных составляющих.
Оценивая проблему визуализации микрораспределений магнитного поля в исторической перспективе, нельзя не отметить ранние ключевые работы 1930-х гг. по созданию метода выявления магнитной доменной структуры с помощью порошковых осадков [1, 2]. При всей своей кажущейся простоте этот метод дал мощный импульс для развития не только теории доменной структуры, но и физики магнетизма в целом.
В последующие годы были разработаны новые способы выявления и анализа магнитных микроструктур [2, 3], к числу которых относятся магнитная силовая микроскопия, электронная голография, лоренцева микроскопия, растровая электронная микроскопия с поляризационным анализом, магнитооптическая микроскопия Керра и Фарадея, сканирующая микроскопия на основе СКВИД и миниатюрных элементов Холла и др. В этой связи можно отметить два характерных момента. Во-цервых, число задач исследования магнитных структур постоянно возрастает почти в геометрической прогрессии, при одновременном значительном повышении требований к объёму и качеству получаемой информации. Однако признаков возникновения некой единой и универсальной (пусть и дорогостоящей) методики не наблюдается. Наоборот, всё чаще физически разные методы используются в комплементарных комбинациях. Второй особенностью является то, что практически половина из всех разработанных за 70 лет методик была создана за одно-два последних десятилетия; как следствие, опыт работы с ними ещё невелик, а их возможности изучены недостаточно.
К числу таких новых методик относится визуализация и топографирова-ние микрораспределений магнитного поля с помощью магнитооптических плёнок. К числу первых сообщений на эту тему можно отнести работу Алерса 1957 г. [4], которая не получила, однако, заметного развития вплоть до 1980-х гг., когда было обнаружено, что плёнки ферритов-гранатов могут быть эффективно использованы для исследований высокотемпературной сверхпроводимости [5, 6]. Работы по изучению сверхпроводников получили развитие и интенсивно продолжаются и в настоящее время. Кроме того, в последние годы сфера применений магнитооптических плёнок стала активно расширяться и находить новые приложения в современном материаловедении и различных технологиях.
Вместе с тем следует отметить, что в исследовательской практике получили в основном распространение лишь несколько типов "планарных" и одноосных магнитооптических плёнок на основе висмутзамещённых ферритов-гранатов, что ни в коей мере не исчерпывает разнообразных возможностей, предоставляемых этими и другими современными магнитооптическими материалами. В свою очередь, разработка материала активной среды и датчика на его основе требует определения необходимой для этого совокупности физических свойств и поиска компромисса между часто противоречивыми требованиями и ограничивающими факторами. Недостаточно разработаны частные методики применения магнитооптических индикаторных плёнок для решения специфических исследовательских задач (в условиях воздействия внешних квазистатических и переменных магнитных полей и механических нагрузок, изменений температуры изучаемых объектов и др.) и процедуры градуировки этих преобразователей для получения количественной информации. Не найдены эффективные заменители дорогостоящим монокристаллическим плёнкам на основе ферритов-гранатов.
Таким образом, актуальность работы определяется практическими потребностями сенсорной техники в новых активных средах и способах реализации магнитных преобразователей на их основе.
Цель работы — экспериментальное исследование твердотельных магнитооптических сред для визуализации, топографирования и количественной оценки пространственно-распределённых магнитных полей и выработка рекомендаций по их применению в различных отраслях науки и техники.
Решались следующие задачи:
• провести сравнительный анализ магнитных свойств и условий работы одноосных и квазиизотропных (с минимизированными константами естественной и наведённой анизотропии) магнитооптических индикаторных пленок.
• Исследовать магнитные свойства и возможности использования термомагнитных (с резкой зависимостью магнитных свойств от температуры) магнитооптических плёнок в качестве индикаторных сред для визуализации и топографирования пространственно - распределённых магнитных полей.
• Применительно к задачам магнитной дефектоскопии разработать методику использования индикаторных плёнок для вихретокового контроля дефектов ферромагнитных и неферромагнитных материалов.
• Применить разработанные устройства магнитной визуализации и количественной оценки распределений магнитного поля для исследований технически ценных миниатюрных источников магнитного поля.
Научная новизна и результаты, выносимые на защиту;
• проведён сравнительный анализ функциональных возможностей топографирования пространственных распределений магнитного поля с помощью одноосных и планарных индикаторных плёнок и выработаны рекомендации по их использованию;
• на основе цифрового анализа угловой зависимости интенсивности изображений доменов разной ориентации разработана методика расшифровки собственной доменной структуры плёнок ферритов-гранатов с преимущественными направлениями намагничивания, лежащими в плоскости образца;
• предложен и реализован метод топографирования магнитных полей с помощью импульсной термомагнитной записи информации на магнитооптические высококоэрцитивные плёнки;
• предложена и реализована методика неразрушающего контроля с помощью стробоскопической магнитооптической визуализации распределений поля вихревых токов в токопроводящих неферромагнитных материалах;
• продемонстрированы оригинальные примеры практического применения метода магнитооптической визуализации для анализа технически ценных материалов и компонентов опытных образцов МЭМС и НЭМС.
Практическая значимость. Практическая значимость работы обусловлена интенсивным развитием магнитных технологий и быстрым внедрением их в современное производство. Непрерывно совершенствуются все виды магнитных носителей и устройств для записи и хранения информации. Миниатюрные магнитные элементы служат основой для создания разнообразных датчиков и приводов (микроэлектромеханических систем - МЭМС). Создаются новые виды магнитных материалов - наноструктурированных, композитных, многослойных. Индикаторные магнитные среды необходимы как для проведения физических исследований и создании технологий получения новых магнитных материалов (решение задач физического материаловедения), так и при разработке различных магнитных устройств (магнитная запись, сенсорная техника, МЭМС и НЭМС, магнитоэлектроника и др.). Интенсивное развитие этих направлений обусловливает непрерывный и возрастающий интерес к магнитным индикаторным средам.
Апробация работы. Результаты работы были представлены на Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ломоносов - 2002" (Москва, МГУ, 2002), 18th International Workshop on High Performance Magnets and their Application HPMA-2004 (Annecy, France, 2004), 5th European Magnetic Sensors and Actuators Conference EMSA (Cardiff, United Kingdom, 2004), XIX Международной школе-семинаре "Новые магнитные материалы в микроэлектронике" (Москва, 2004), XII Региональных Каргинских чтениях (Тверь, 2005), III Московском международном симпозиуме по магнетизму МИСМ-2005 (Москва, 2005), Magnetic Nanostructures for Micro-Electromechanical Systems and Spintronic Applications (Villa San Giovanni, Italy, 2006), The 17th International Conference on Magnetism (ICM) (Kyoto, Japan, 2006), XVI Международной конференции "Магниты и магнитные материалы" (Суздаль, 2006), UK Magnetics seminar on Permanent Magnets (Birmingham, United Kingdom, 2006), Workshop "Nanodesign, Technology and Computer Simulations in Science and Engineering" (Bayreuth, Germany, 2007), XIX Международной конференции "Материалы с особыми физическими свойствами и магнитные системы" (Суздаль, 2007).
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы использовались в ряде научно-исследовательских работ, проведенных на кафедре прикладной физики Тверского государственного университета - «Разработка технологии и исследование образцов микроактюаторов на основе композитных материалов с эффектом памяти формы» (контракт с ИРЭ РАН (г. Москва) в рамках работы по государственному контракту № 02.513.11.3008, 2007 г), «Фундаментальные экспериментальные и теоретические исследования нелинейных свойств полупроводниковых, магнитных и сегнетоактивных материалов для микро- и наноэлектроники» (ведомственная целевая программа «Развитие научного потенциала высшей школы», контракт РНП 2.1.1.3674 2006-2007 г), «Разработка и контроль магнитных систем для ядерного магнитного каротажа и релаксометрии» (хоздоговор с АОЗТ НПФ «Каротаж» (г. Тверь) №7/05 от 1 апреля 2005 г., 2005-2007 г.)
Публикации и вклад автора. Основные результаты исследований опубликованы в 12 статьях, из них одна в издании, рекомендованном ВАК, одна включена в самостоятельную главу монографии, изданной за рубежом, и семь статей опубликовано в трудах международных конференций. Авторство всех разделов диссертации принадлежит соискателю. В диссертации использовались компьютерные программы усреднения и выравнивания фона изображений, разработанные научным сотрудником кафедры прикладной физики С.С. Сошиным. Образцы использованных в работе магнитооптических плёнок ферритов-гранатов плёнок предоставлены М.Ю. Гусевым и Н.С. Неустроевым (НИИ материаловедения, г. Зеленоград).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов
РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. Проведён сравнительный анализ ДС и магнитных свойств одноосных (Q> 1) и планарных (Q< 1) феррит-гранатовых плёнок при их использовании для топографирования магнитного поля. Одноосные плёнки просты в изготовлении, обладают высокой чувствительностью, удобны для экспресс-анализа. Недостатки - нелинейность преобразования и гистерезисные эффекты, низкая разрешающая способность, сложность получения количественных оценок. Планарные плёнки обладают высокой линейностью и разрешающей способностью, удобны для получения количественных данных. Недостаток - сложный процесс изготовления, требующий высокой квалификации персонала.
2. Разработана методика расшифровки собственной ДС плёнок ферритов-гранатов с планарной анизотропией, основанная на цифровом анализе угловой зависимости интенсивности изображений доменов разной ориентации. В отличие от высказывавшихся в литературе мнений об отсутствии у планарных плёнок собственной ДС показано, что для них характерна вырожденная (ориентированная в плоскости с подавлением доменов нормальной ориентации) "кубическая" ДС, определяемая наличием нескомпенсированных кубических вкладов в эффективную анизотропию образца.
3. Предложен и реализован метод топографирования магнитных полей с помощью импульсной термомагнитной записи информации на магнитооптические одноосные высококоэрцитивные плёнки. Метод может обладать особо высокой чувствительностью (до ~ 10 мкТ) благодаря резкому снижению коэрцитивного поля плёнок вблизи температуры Кюри.
4. Продемонстрирована возможность и целесообразность использования в качестве индикаторных сред тонких низкокоэрцитивных металлических плёнок на основе соединений редкоземельных элементов с переходными металлами. Такие плёнки могут производиться в больших количествах, в том числе на гибких полимерных подложках, по известным технологическим схемам, разработанным в прошлые годы для производства магнитооптических дисков. Уступая по значениям керровского вращения толстым (/~ 5. 10 мкм) фарадеевским (QF ~ &РГ) плёнкам ферритов-гранатов, металлические плёнки превосходят последние в области малых /. Уменьшение / играет важную роль для повышения вертикальной разрешающей способности метода в целом.
5. Предложена и реализована методика неразрушающего контроля с помощью стробоскопической магнитооптической визуализации распределений поля вихревых токов в токопроводящих неферромагнитных материалах.
6. Приведены оригинальные примеры практического применения метода магнитооптической визуализации для анализа технически ценных материалов и компонентов опытных образцов МЭМС и НЭМС, в частности, профилированных плёночных постоянных магнитов для устройств типа лаборатория на чипе.
1. Carey R., 1.aac E.D. Magnetic domains and techniques for their observation. New York-London: Academic Press. 1966.
2. Craik D.J., Tebble R.S. Ferromagnetism and ferromagnetic domains. Amsterdam: North-Holland Publ. Co. 1965.
3. Бозорт P. Ферромагнетизм. M.: ИЛ. 1956.
4. Киттель Ч. Физическая теория ферромагнитных областей самопроизвольной намагниченности // Физика ферромагнитных областей. М.: ИЛ. 1951.
5. Физика ферромагнитных областей // Сб. статей. / Под ред. С.В. Вонсовского. М.: ИЛ. 1951.
6. Garrod J.R. Methods of improving the sensitivity of the Bitter technique // Proc. Phy. Soc. 1962. V. 79. P. 1252-1262.
7. Gustard R. The ferromagnetic domain structure in hematite // Proc. Roy. Soc. 1966. V. 297A. P. 269-280.
8. Бергман B.O. О возникновении порошковых фигур //Магнитная структура ферромагнетиков. М.: ИЛ. 1959.
9. Шварце В. Электронно-микроскопическое исследование магнитных порошковых фигур // Магнитная структура ферромагнетиков. / Под ред. С.В. Вонсовского. М.: ИЛ. 1959.
10. Ю.Крайк Д. Изучение порошковых фигур с помощью электронного микроскопа // Магнитная структура ферромагнетиков. М.: ИЛ. 1959.
11. Кандаурова Г.С., Шур Я.С. О доменной структуре кристаллов магнетоплюмбита // Иссл. в обл. теор. и практ. магнетизма. ИФМАН СССР. Свердловск. 1967.
12. Магнитостатические свойства коллоидов магнетита /Е.Е. Бибик, Б.Я. Матыгуллин, Ю.Л. Райхер, М.И. Шлиомис // Магнитная гидродинамика. 1973. № 1.С. 68-72.
13. De Blois R.W., Graham C.D. Domain observation on iron whiskers // J. Appl. Phys. 1958. V. 29. N. 6. P. 931-939.
14. Вильяме X., Бозорт Р., Шокли В. Порошковые фигуры ферромагнитных областей на монокристаллах кремнистого железа // Физика ферромагнитных областей. М.: ИЛ. 1951.
15. Кандаурова Г.С., Оноприенко Л.Г., Розенберг Е.А. Магнитное поле и порошковые осадки над базисной плоскостью магнитоодноосного кристалла // Физика металлов и металловедение. 1972. Т. 33. Вып. 3. С. 593-601.
16. Фертман В.Е. Магнитные жидкости. Справ, пособие. Мн.: Выш.шк. 1988. С. 184.
17. Kaiser R., Miskolczy G. Some applications of ferrofluid magnetic colloids // IEEE Trans. Magn. 1970. V. 6. P. 694-698.
18. Kaiser R., Miskolczy G. Magnetic properties of stable dispersions of subdomain magnetite particles // J. Appl. Phys. 1970. V. 41. P. 1064-1072.
19. Khalafalla S.E., Reimers G.W. Preparation of dilution-stable aqueous magnetic fluids // IEEE Trans. Magn. 1980.V. 16. P. 178-183.
20. Hartmann U. and Mende H.H. The stray-field induced birefringence of ferrofluids applied to the study of magnetic domains // J. Magn. Magn. Mater. 1984. V.41.P. 244-246.
21. Jones G.A., Lacey E.T.M., and Puchalska I.B. Bitter patterns in polarized light: a probe for microfields // J. Appl. Phys. 1982. V. 53. P. 7870-7872.
22. Андре В. Магнитные порошковые фигуры на кобальте при высоких температурах //Магнитная структура ферромагнетиков. М.: Изд-во иностр. лит. 1959.
23. Rice P. and Moreland J. A new look at the Bitter method of magnetic imaging // Rev. Sci. Instr. 1991. V. 62. P. 844-845.
24. Hutchinson R.I., Lavin P.A., and Moon J.R. A new technique for the study of ferromagnetic domain boundaries // Rev. Sci. Instr. 1965. V. 42., P. 885-886.
25. Sakurai T. and Shimada Y. Application of the gas evaporation method to observation of magnetic domains //Japan. Journ. Appl. Phys. 1992. Pt. 1. V. 31. P. 1905-1908.
26. Bezryadin A. and Pannetier B. Role of edge superconducting states in trapping of multi-quanta vortices by microholes. Application of the bitter decoration technique // J. Low Temp. Phys. 1996. V. 102. P. 73-94.
27. Szewczyk A., Piotrowski K., and Szymczak R. A new method for the study of magnetic domains at temperatures below 35 К // J. Phys. D: Appl.Phys. 1983. V. 16. P. 687-696.
28. Hubert A. and Schafer R. Magnetic domains. The Analysis of Magnetic Microstructures // Springer. Berlin. 1998.
29. Harasko G., Pfutzner W., Futschik K. Domain analysis by means of magnetotactic bacteria // IEEE Trans. Magn. 1995. V. 31. P. 938-949.
30. Magnetic force microscopy of the submicron magnetic assembly in a magnetotactic bacterium /R.B. Proksch, Т.Е. Schaffer, B.M. Moskowitz, E.D. Dahlberg, D.A. Bazylinski, and R.B. Frankel //Appl. Phys. Let. 1995. V. 66(19). P. 2582-2584.
31. Bahaj A.S., James P.A.B. and Moeschler F.D. Continous cultivation and recovery of magnetotactic bacteria //IEEE Trans. Magn. 1997. V. 33(5). P. 42634265.
32. Magnetic viruses via nano-capsid templates / C. Liu, S-H. Chung, Q. Jin, A. Sutton, F. Yan, A. Hoffmann, B.K. Kay, S.D. Bader, L. Makowski, and L. Chen // J. Magn. Magn. Mater. 2006. V. 302 (1). P. 47-51.
33. Futschik K., Pfutzner H., Doblander A., P. Schonhuber, T. Dobeneck and N. Petersen. Why not use magnetotactic bacteria for domain analysis? //Phys. Scr. 1989. V. 40. P. 518-521.
34. Ardizzone V.A. Viewing film for dc magnetic fields, www.magnerite.com.
35. Средства измерений параметров магнитного поля / Ю.В. Афанасьев, Н.В. Студенцов, В.Н. Хореев, Е.Н. Чечурина, А.П. Щёлкин. JL: Энергия. 1979.
36. Chang A.M., Hallen H.D. and at al. Scanning Hall probe microscopy // Appl. Phys. Let. 1992. V.61 (16). P. 1974-1976.
37. Fabrication of a vector Hall sensor for magnetic microscopy /D. Gregusova, V. Cambel, J. Fedor, and at al. //Appl. Phys. Let. 2003. V. 82. N. 21. P. 3704-3706.
38. Hall nano-probes fabricated by focused ion beam / A. Candini, G.C. Gazzadi, A. di Bona, M. Affronte, D. Ercolani, G. Biasiol, L. Sorba // IOP. Pub. Nanotech. 2006. V. 17. P. 2105-2109.
39. Bending S.J., Oral A. Hall effect in a highly inhomogeneous magnetic field distribution // Appl. Phys. Let. 1997. V 81 (8). P. 3721-3725.
40. Effect of probe geometry on the Hall response in an inhomogeneous magnetic field: a numerical study / S. Liu, H. Guillou, A.D. Kent, G.W. Stupian, M.S. Leung // J. Appl. Phys. 1998. V. 83. N. 11. P. 6161-6165.
41. Paasi J., Kalliohaka Т., Korpela A., Soderlund L., Hermann P.F., Kvitkovic J., Majoros M. Homogeneity studies of multifilamentary BSCCO tapes by three-axis Hall sensor magnetometry //IEEE Trans. Appl. Supercond. 1999. V. 9. P. 1598-1601.
42. Dinner R.B., Beasley M.R., Moler K.A. Cryogenic scanning Hall-probe microscope with centimeter scan range and submicron resolution // Rev. Sci. Instr. 2005. V. 76. 103702.
43. Schott Ch., Manic D., Popovic R.S. Microsystem for high-accuracy 3-D magnetic-field measurements //Sens. & Actuat. 1998. V. A67. P. 133-137.
44. Roumenin C., Dimitrov K., Ivanov A. Integrated vector sensor and magnetic compass using a novel 3D Hall structure // Sens. Actuat. A. 2001. V. 92. P. 119-122.
45. WeinstockH., NisenoffM. Defect detection with a SQUID magnetometer // Rev. Prog. Quant. Nondestr. Eval. 1985. V. 6. P. 660-704.
46. Clarke J. High-Tc SQUIDs //Curr. Opin. Solid State Mater. Sci. 1997. V. 2. P. 3-10.
47. SQUID and magneto-optic investigations of flux turbulence in the critical state / M.R. Koblischka, Т.Н. Johansen, M. Baziljevich, and M. Murakami // J. Supercond.: Incorp. Novel Magn. 2002. V. 15(2). P. 153-157.
48. SQUID and magneto-optic investigations of flux turbulence in the critical state / M.R. Koblischka, Т.Н. Johansen, M. Baziljevich, M. Murakami // J. Supercond.: Incorp. Novel Magn. 2002. V. 15. P. 153-157.
49. Bruno A.C., Barbosa C.H., Scavarda L.F. Electric current injection NDE using a SQUID magnetometer // Res. Nondestr. Eval. Springer-Verlag New York. 1996. P. 165-175.
50. Kirtley J.R., Ketchen M.B., Stawiasz K.G., Sun J.Z., Gallagher W.J., Blanton S.H., Wind S.J. High resolution scanning SQUID microscope //Appl. Phys. Lett. 1995. V. 66. P.l 138-1140.
51. Lekkala J.O., Malmivuo J.A.V. Multiplexed SQUID vectormagnetometer for biomagnetic research // J. Phys. E: Instrum. 1984. V. 17. P. 504-512.
52. Imaging of magnetically recorded data using a novel scanning magnetic microscope / R.J. Prance, T.D. Clark, H. Prance, and G. Howells // J. Magn. Magn. Mater. 1984. V. 193. P. 437-440.
53. Second-harmonic magnetoresistive imaging to authenticate and recover data from magnetic storage media / D.P. Pappas, A.V. Nazarov, D. Stavenson at al. // J. Electr. Imaging. 2005. V. 14 (1). 013015.
54. Hayashi S., Saha S. and Hamaguchi H. A new class of magnetic fluids: bmimFeCl4. and nbmim[FeCl4] ionic liquids // IEEE Trans. Magn. 2006. V. 42(1). P. 12-14.
55. Liu C., Chung S.-H., Jin Q., Sutton A., Yan F., Hoffmann A., Kay B.K., Bader S.D., Malowski L., Chen L. Magnetic viruses via nano-capsid templates //J. Magn. Magn. Mater. 2006. V. 302. P. 47-51.
56. Alers P.B. Structure of the intermediate state in superconducting lead //Phys. Rev. 1957. V. 105. P. 104-108.
57. M.R. Koblischka and R.J. Wijngaarden. Magnetooptical investigations of superconductors //Supercond. Sci. Technol. 1995. V. 8. P. 199-213.
58. Magneto-optical studies of current distributions in high-Tc superconductors / C. Jooss, J. Albrecht, H. Kuhn, S. Leonhardt, H. Kronmiiller //Rep. Prog. Phys. 2002. V. 65. P. 651-788.
59. Dillon J.F. Domain and domain walls. Magnetism, vol. III. / Ed. G.T. Rado, H. Suhl. New York, London. 1963. P. 415-464.
60. Dahlberg E.D. and Proksch R., Magnetic microscopies: the new addition //J. Magn. Magn. Mater. 1999. V. 200. P. 720-728.
61. Freeman M.R. and Choi B.C. Advances in magnetic microscopy // Science. 2001. V.294. P. 1484-1488.
62. Кринчик Г.С. Физика магнитных явлений. М.: МГУ, 1976.
63. Савацкий Е., Хорн Д. Установка для непосредственной регистрации магнитооптической активности и магнитного гистерезиса // ПНИ. 1971. № 1.
64. Червинский М.М., Глаголев С.Ф., Архангельский В.Б. Методы и средства измерений магнитных характеристик пленок. JL: Энергоатомиздат, 1990.
65. Определение основных магнитных параметров пленок при использовании линейных магнитооптических эффектов / М.М. Червинский, В.А. Панов, Н.В. Малых, В.Б. Архангельский, С.Ф. Глаголев //ЖТФ. 1985. Т. 55. С. 1377-1381.
66. Zvezdin А.К., Kotov V.A. Modern Magnetooptics and Magnetooptical Materials/ЮР Publ., 1997.
67. Fowler C.A. and Fryer E.M. Magnetic domains in cobalt by the longitudinal Kerr effect // Phys. Rev. 1954. Y.95. P.564-565.
68. Rave W., Hubert A. Refinement of the quantitative magnetooptic domain observation technique //IEEE Trans. Magn. 1990. V.26. P.2813-2815.
69. 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.
70. Shirae K.and Sugiyama K. A CCD image sensor and a microcomputer make magnetic domain observation clear and convenient // J. Appl. Phys. 1982. V. 53. P.8380-8382.
71. Бейтс Р., Мак-Доннелл М. Восстановление и реконструкция изображений. М.: Мир, 1989.
72. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1970.
73. Shurkliff W.A. Polarized Light // Harvard University Press. 1962.
74. Лисовский Ф.В., Мансветова Е.Г., Чун Ман Пак. Влияние ионов рутения на магнитную анизотропию и восприимчивость эпитаксиальных плёнок состава (YPrBi)3Fe50i2 // ФТТ. Том 35. С. 2848-2851.
75. Элементы и устройства на ЦМД: Справочник / А. М. Балбашов, Ф.В.Лисовский, В.К.Раев и др.; Под ред. Н.Н. Евтихиева, Б.Н.Наумова. М.: Радио и Связь, 1987. 488 с.
76. Eschenfelder А. Н. Magnetic Bubble Technology. Berlin-Heidelberg-New York: Springer Verlag, 1980. 320 p.
77. Лисовский Ф.В., Антонов Л.И. Магнетизм и магнитные материалы. Терминологический справочник. М.: «Вагриус», 1997.
78. Рандошкин В.В. Новый стробоскопический метод визуализации дефектов в проводящих материалах с помощью магнитооптического магнитовизора // Дефектоскопия. 1994. Т.П. С. 34-42.
79. Pinassaud J., Joubert P.-Y., Lemistre M. Quantitative magneto-optic imager for non-destructive evaluation // Proc. SPIE. 2005. V. 5768. P. 196-203.
80. Andrews D.R., Wallis L.J. Light emitting diode as a short-duration stroboscope — application to visualization of ultrasound // J. Phys.: Sci. Instrum. 1997. V. 10. P. 95.
81. Application of line-sampling multiframe stroboscopy for dynamic observation of magnetic domains in Si steels / R. Shimizu, H. Mase, T. Ikuta, M. Yabumoto, Y. Matsuo, T. Nozawa //J. Appl. Phys. 1985. V. 58(4). P. 16061609.
82. Freeman M.R., Hiebert W.K. Stroboscopic microscopy of magnetic dynamics. In: B. Hillebrands, K. Ounadjela (eds.) // Spin dynamics in confined magnetic structures I. Springer-Verlag Berlin Heidelberg. 2002.
83. Колотов O.C., Лобачев М.И., Погожев B.A. Стробоскопическая магнито-оптическая установка для изучения импульсного перемагничивания магнитных пленок //ПТЭ. 1973. №1. С. 218-220.
84. Stotz J.A.H., Freeman M.R. A stroboscopic scanning solid immersion lens microscope // Rev. Sci. Instrum. 1997. V. 68 (12). P. 4468-4477.
85. Passon B. Stroboscopical observations of ferromagnetic domains by magnetization in alternating fields up to 20 kHz //Z. Angew. Phys. 1968. V. 25. P. 56-61.
86. High resolution sensitive magnetooptic ferrite garnet films with planar anisotropy / R.M. Grechishkin, M.Yu. Goosev, S.E. Ilyashenko, N.S. Neustroev //J. Magn. Magn. Mater. 1996. V. 157-158. P. 305-306.
87. Growth and characterization of (100) garnets for imaging /R.W. Hansen, L.E. Helseth, A. Solovyev, E. Il'yashenko, and Т.Н. Johansen // J. Magn. Magn. Mater. 272-276, 2247-2249 (2004).
88. Growth and Characterization of Magnetooptic Garnet Films with Planar Uniaxial Anisotropy / V.J. Fratello, I. Mnushkina, S.J. Licht, and R.R. Abbott // Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 2005. V. 834. P. J6.2.1-J6.2.12.
89. High resolution sensitive magnetooptic ferrite garnet films with planar anisotropy / R.M. Grechishkin, M.Yu. Goosev, S.E. Ilyashenko, and N.S. Neustroev // J. Magn. Magn. Mater. 1996. V. 157-158. P. 305-306.
90. Helseth L.E. Model for imaging magnetic fields using a magnetooptic indicator // J. Magn. Magn. Mater. 2002. V. 247. P. 230-236.
91. Magnetic domain structure of wires studied by using the magneto-optical indicator film method / Yu. Kabanov, A. Zhukov, V. Chulkova, and J. Gonzales // Appl. Phys. Lett. 2005. V. 87. 142507 1-3.
92. Балабанов Д.Е., Никнтов С.А. Исследование магнитных полей рассеяния малых линейных размеров магнитооптическими методами // Физика твердого тела. 2000. Т. 42. С. 862-865.
93. Faraday rotation spectra of bismuth-substituted ferrite garnet films with in-plane magnetization / L.E. Helseth, R.W. Hansen, E.I. Il'yashenko, M. Baziljevich, and Т.Н. Johansen // Phys. Rev. 2001. V. В 64. 174406.
94. Optimizing the NIST magnetic imaging reference sample / P. Rice, S.E. Russek, J. Hoinville, and M.H. Kelley //IEEE Trans. Magn. 1997. V. 33. P. 4065-4067.
95. Rice P., Hallett B. and Moreland J. Comparison of magnetic fields of thin-film heads and their corresponding bit patterns using magnetic force microscopy // IEEE Trans. Magn. 1994. V. 30. P. 4248-4250.
96. Медников A.M., Башкин M.O., Выборнова JI.H. Повышение магнитооптического контраста магнитных доменов //ЖТФ. 1987. Т. 57. С. 993-995.
97. Hagedorn F.B. Instability of an isolated straight magnetic domain wall //J. Appl. Phys. 1970. V.41(3). P.l 161-1162
98. Кубраков Н.Ф. Метод магнитооптической визуализации и топографирования пространственно-неоднородных магнитных полей // Труды ИОФАН. 1992. Т. 35. С. 136-164.
99. Корзунин Г.С. Магнитные методы определения кристаллографической текстуры. Екатеринбург, УрО РАН, 1995.
100. Магнитооптическая визуализация распределений магнитных полей от пленочных редкоземельных магнитов / Н.Ф. Кубраков, А .Я. Червоненкис, Г.Я. Меркулова, B.J1. Федоров, Ю.Р. Шильников //Журнал технической физики. 1984. Т. 54. С. 1163-1167.
101. Pan С.Т., Shen S.C. Magnetically actuated bi-directional microactuators with permalloy and Fe/Pt hard magnet // J. Magn. Magn. Mater. 2005. V. 285. P. 422-432.
102. Yu. Kabanov, A. Zhukov, V. Zhukova, and J. Gonzalez, Magnetic domain structure of wires studied by using the magneto-optical indicator film method, Appl. Phys. Lett. 87, 142507 (2005).
103. M.J. Turchinskaya, L.A Bendersky, A.J. Shapiro, K.S. Chang, I. Takeuchi, and A.L. Roytburd, Rapid constructing magnetic phase diagrams by magneto-optical imaging of composition spread films, J. Mater. Sci. 19(9), 25462548 (2004).
