Спин-переориентационные превращения в сплавах на основе Fe-Ni тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Р Г 5 ОД

На правах рукописи

— 7 <"г>п

с "■оп УДК 537.622.

ВЛАСОВ ВЛАДИМИР ВЕНИАМИНОВИЧ

«СПИН-ПЕРЕОРИЕНТАЦИОННЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В СПЛАВАХ

НА ОСНОВЕ Ее-№.»

Специальность 01.04.07. - физика твердого тела.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.

С.Петербург. 1998 г.

Работа выполнена в Институте физики твердого тела и полупроводников Национальной Академии наук Беларуси

Научный руководитель

кандидат физико-математических наук Сухвало С.В.

Официальные оппоненты

доктор физико-математических наук, профессор Яковлев Ю.М.

кандидат физико-математических наук доцент Петров В Л.

Ведущая организация

Московский институт сталей и сплавов

Защита состоится 03 июня 1998 г. в часов в аудитории 265 второго учебног корпуса на заседании диссертационного совета К 063.38.13 при Санкт-Петербургскс государственном техническом университете по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул. 29.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке СПбГТУ.

Автореферат разослан "_

1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета К 063.38.13

Титовец Ю.Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы диссертации. В связи с широким применением сплавов Ре№Со в промышленности и их традиционном использовании для решения многих задач в материаловедении продолжает оставаться злободневной проблема распознавания факторов, ответственных, с одной стороны, за стабильность заданных свойств в определенном диапазоне температур, с другой стороны, за температурно-управляемое изменение свойств. С такой точки зрения, а также исходя из потребности дальнейшего углубления знаний о фундаментальных проблемах магнетизма важное значение имеет знание физических закономерностей изменения и технологических возможностей модификации свойств магнитных материалов при изменении компонентного состава и температуры.

Несмотря на большое количество экспериментальных и теоретических работ, посвященных исследованию сплавов Ре№, систематическая информация о температурной зависимости свойств отсутствует, имеющиеся экспериментальные результаты достаточно противоречивы, а многие наблюдаемые явления не имеют удовлетворительного объяснения.

Связь работы с крупными научными программами. Работа выполнялась в Институте физики твердого тела и полупроводников НАНБ на основе планов НИР, входивших в республиканскую комплексную программу фундаментальных исследований в области естественных наук "Кристалл 2", на основании заданий по проекту Белорусского Республиканского Фонда Фундаментальных. Исследований и ряда договоров с предприятиями.

Цель и задачи исследования. Целью исследования являлось комплексное экспериментальное исследование температурных зависимостей фундаментальных магнитных характеристик ГЦК-сплавов системы Ре->п с учетом их структурных, электрических и гальваномагнитных свойств, анализа полученных результатов на основе рассмотрения условий устойчивости спин-ориентационно-го состояния магнитного материала и протекания при изменении температуры спонтанных спин-переориентационных превращений. Образцами служили массивные монокристаллы N1, б5%Ре35%М и 25%Ре75%1Ч1, а также тонкие поликристаллические пленки с ГЦК структурой на основе Ре№ сплавов.

Научная новизна полученных результатов. Экспериментально обнаружены закономерности возникновения аномалий магнитных свойств сплавов в определенных диапазонах температур и соответствующие им реакции кристаллической и электронной подсистем, проявляющиеся через специфическое поведение субструктурных, гальваномагнитных и электрических свойств сплавов Ре№Со. Экспериментальное исследование температурного поведения вектора намагниченности и констант кристаллографической магнитной анизотропии на примере монокристаллов позволило распознать сложную серию спин-

переориентационных переходов, лежащих в основе природы закономерностей температурного поведения свойств железо-никелевых сплавов. Комплексное математическое рассмотрение устойчивости сотн-ориентационных фаз на основе минимизации инвариантного полинома энергии магнитной анизотропия как по инвариантам кубической симметрии, так и по параметру порядка позволило изучить с одной стороны устойчивость спиновой конфигурации кубического ферромагнетика в целом, с другой стороны - ее локальных составляющих, а также установить условия и род фазовых переходов между различными спиновыми конфигурациями. Построены таблицы, содержащие сведенш о возможных в кубических магнетиках спиновых конфигурациях, а также данные о соподчиненности по величине энергии составляющих этих конфигураций, представляющие как научный, так и материаловедческий интерес.

Практическая значимость полученных результатов. Ценность полученных результатов состоит в экспериментальной информации и системе теоретически найденных условий устойчивости магнитного фазового состава, которые I комплексе позволяют распознать фазовое состояние магнетика на основания доступных для измерения характеристик, прогнозировать и управляемым образом формировать свойства материала.

Основные положения выносимые на защиту.

1. Результаты комплексного экспериментального исследования кристаллической структуры, структурно-фазового состава, микроструктуры и отдельны* расчетных величин (температуры Дебая, среднеквадратичных атомных смещений), а также электрических, гальваномагнитных и магнитных свойств тонких пленок и массивных образцов сплавов системы РеМСо в диапазоне температур 200-800К.

2. Результаты детального исследования методом крутящих моментов температурного поведения кристаллографической анизотропии, проекций вектора намагниченности и температурного гистерезиса этих характеристик в монокристалле Ре^Нз в кристаллографических плоскостях (100), (110) и (111).

3. Расчетные таблицы, содержащие сведения о возможных спиновых конфигурациях в кубических магнетиках и взаимном соотношении величин энергии составляющих этих конфигураций. Диаграмма устойчивости спиновых конфигураций магнитной системы в целом и матрицы устойчивости локальных составляющих этих конфигураций.

4. Результаты анализа закономерностей температурного поведения свойств у реализующихся спин-переориентационных превращений в исследованны? сплавах Ре№ на основе полученных в работе критериев равновесности и устойчивости спин-ориентационных фазовых состояний.

Апробация результатов диссертации. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на 13-ом Международном Коллоквиуме п<

магнитным пленкам и поверхностям (Глазго, Великобритания 1991), Международной Конференции по Магнетизму (Эдинбург 1991), 19-й Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений (Ташкент 1991), "Научно-технической конференции МТЭ и ТП" (Минск 1990), Всероссийском координационном совещании "ВКСМ-92" (Иркутск 1992).

Опубликованносгь результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в 5 статьях, 5 сборниках тезисов докладов, 2 отчетах по НИР, защищены 1 авторским свидетельством. В работах, написанных в соавторстве, автору диссертации принадлежат результаты и выводы, изложенные в диссертационной работе и автореферате.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов. Работа изложена на 125 страницах, содержит 40 рисунков, 4 таблицы. Список использованных источников включает 172 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении содержится оценка существующего состояния изученности свойств сплавов Fe-Ni-Co, обосновывается важность их дальнейшего изучения для магнетизма и материаловедения, актуальность темы диссертации, формулируются цели и задачи работы, научная новизна и практическая значимость работы, основные защищаемые положения, приводятся сведения об апробации, опубликованное™ результатов, структуре и объеме работы.

В первой главе проанализированы литературные данные по изменению структурных, электрических, гальваномагнитных и магнитных свойств сплавов системы Fe-Ni-Co в. зависимости от температуры и компонентного состава как' в массивном, так и в пленочном состояниях. Оценены также основные теоретические подходы и представления, используемые для понимания и предсказания закономерностей изменения свойств магнитных материалов.

Из анализа литературных данных следует, что степень изученности закономерностей температурной зависимости свойств сплавов системы Fe-Ni-Co остается до настоящего времени недостаточной, а природа этих закономерностей не понятой. Подобная ситуация объясняется как сложностью процессов, происходящих в Fe-Ni-Co сплавах, так излишним упрощением моделей, используемых для их анализа. Ряд косвенных фактов, приведенных в обзоре литературы, свидетельствует о возможности реализации в этих сплавах спин-переориентационных превращений. Существующие теоретические подходы для анализа подобных явлений не в состоянии объяснить все наблюдаемые аномалии. На основании проведенного анализа литературных данных приводиться обоснование постановки задачи диссертационного исследования.

Во второй главе описаны используемые в диссертационной работе технология изготовления образцов и методики измерения свойств исследованных материалов.

В настоящей работе тонкие магнитные пленки получали методом ионно плазменного напыления путем применения составных мишеней. Исходные блоки монокристаллов были выращены методом дуговой плавки. Образцы i виде сфер диаметром с1=2,5мм изготавливали из цельного монокристаллического блока, тщательно проверенного по лауэграммам на отсутствие мозаич ности. После механической обработки сферы монокристаллов подвергали гомогенизирующему отжшу при 1323К в вакууме 6.510"4 н/м2 в течении 6 час« с последующим охлаждением в обесточенной печи.

Компонентный состав определяли с помощью микроанализа на у станов ках "Микроскан-1" и РЭММА-200 с погрешностью не более 1%.

Ренгеноструктурные исследования проводили на рентгеновском дифрак тометре "Дрон-2" в фильтрованном FeKa излучении. Структурно-фазовы{ анализ и визуализацию микроструктуры осуществляли с помощью электроно микроскопических съемок и электронографического анализа на электроногра фе ЭМВ-100ЛМ, электронных микроскопах УМВ-100 и ПРЭМ-200.

Исследование констант магнитной анизотропии и проекций вектора на магниченности осуществляли на вибрационном магнитометре и анизометре снабженных температурными камерами, позволяющими проводить исследова ния в широком диапазоне температур. Точность измерения крутящих момен тов пленочных образцов составляла 5-7%, массивных монокристаллов - 3-5% Обработку экспериментальных кривых крутящего момента проводили мето дом . гармонического анализа по традиционной методике с корректировко] влияния внешнего магнитного поля как по традиционной, так и по специальна разработанной методикам. Магнитостатические характеристики измеряли ин дукционным способом с погрешностью 5-7%.

Одновременные температурные измерения электрических и гапьваномаг нитных характеристик проводили на специализированной установке четырех зондовым методом с погрешностью не более 3%, в вакуумной камере при дав лении остаточных газов 2,610"'' н/м2.

В третьей главе представлены результаты исследования структурных электрических, гальваномагаитных и магнитных характеристик сплавов сис темы Fe-Ni в диапазоне концентрации 20-100%Ni в виде поликристалличесюс пленок и массивных монокристаллов. Дополнительно рассмотрены трехком понентные сплавы 14%Fe56%Ni30%Со и 14%Fe65%NI21%Co, в том числ! легированные Ti и Si, с целью сравнения и возможности обобщения у станов ленных закономерностей.

Рентгенографический и элекгронографический анализы однозначно под твердили неизменность кубической сингонии ГЦК-сплавов в температурим диапазоне 100-600К. Наряду с этим выявлен ряд критических диапазонов тем ператур, в которых, при сохранении кубической структуры, наблюдается ано

мальность поведения структурных и субструктурных свойств, проявляющаяся, в частности, в виде циклического укрупнения микроструктуры, появлении дислокационных петель Франа, имеющих четкую кристаллографическую огранку, в резком возрастании амплитуды среднеквадратичных смещений атомов (различном для разных кристаллографических плоскостей), повышении температуры Дебая, свидетельствующем о повышении частоты колебаний решетки.

Температурные зависимости электрических и гальваномагнитных свойств пленок всех исследованных сплавов также обнаруживают наличие целого ряда аномалий в тех же диапазонах температур. Например, для пермалоевых пленок наблюдается аномалия вблизи 400К, проявляющаяся в смене знака сопротивления Холла Наиболее вероятной причиной этого является спиновая переориентация, приводящая к смене знака эдс Холла

Проведенный комплекс исследования структурных, электрических и гальваномагнитных характеристик показал, что наблюдаемые аномалии вызваны фазовыми превращениями, имеющими изоструктурный характер, напрямую не связанный с фазовыми изменениями электронной и кристаллической систем. При этом обнаружен ряд экспериментальных фактов, свидетельствующих о магнитной природе таких превращений.

. На зависимостях основных магнитостатических характеристик от температуры отжига наблюдается та же серия критических диапазонов температур с аномалиями свойств, которые были характерны для структурных, электрических и других' свойств сплавов. Например, наиболее резко выделяющаяся особенность заключается в скачкообразном изменении коэр-штгивной силы вблизи критической температуры 47 ОК для пермалоевых и 41 ОК для ин-варных пленок (рис.1). Подобные аномалии присущи всем составам сплавов, однако имеются определенные отличия по критическим температурам и характеру изменения.

Зависимость поля анизотропии от температуры отжига (рис.2) в общих чертах корре-зоо 400 500 600 лирует с поведением коэрци-

Рис. 1. Зависимость коэрцитивной силы ГеМ тивной силы. Однако отличия пленок от температуры отжига в зависимости от состава сплава

для данной характеристики более

<14-

0.3-

02.

0.1"

Вс,А/м

/

V

существенны.

Характерные аномалии, свидетельствующие о спиновой переориентации, наблюдаются и на температурных зависимостях дисперсии анизотропии. В частности переход к нулевым значениям при достижении ранее упомянутых критических темпершур можно объяснить переориентацией равновесного направления вектора намагниченности из плоскости пленки в направлении нормали к ней.

Тешерааурно-ксщенгравд-онные зависимости величины проекции вектора намагниченности на направление внешнего поля и константы эффективной магнитной анизотропии железо-никелевых пленок однозначно указывают на спин-пере-ориентационную природу наблюдаемых аномалий. Так, на температурной зависимости величины проекции вектора намагниченности обнаружены максимумы вблизи 410К и 350К для большинства исследованных составов пленок. Поскольку в данном случае речь идет о проекции вектора намагниченности, то подобный эффект напрямую свидетельствует о переориентации равновесного направления вектора намагниченности.

Такой вывод подтверждает и поведение константы эффективной магнитной анизотропии в функции температуры отжига для всех исследованных составов Ре-№ пленок, которое характеризуется наличием явно выраженных максимумов и минимумов при тех же температурах, переход между которыми сопровождается инверсией знака константы анизотропии, что, как известно, объясняют переориентацией оси легкого намагничения между плоскостью пленки и направлением нормали к ней.

С целью более углубленного изучения спин-переориентационных явлении были проведены исследования кристаллографической магнитной анизотропии монокристаллических образцов в зависимости от температуры при нагревании и охлаждении, выполненные в едином режиме изменения температуры и измерения крутящих моментов. Наиболее полные исследования были проведены для монокристаллов Ре№з с помощью измерения и анализа кривых крутящего момента. Примеры откорректированных на влияние внешнего магнитного по-

0-2= Г Нк, А/м 020

йА

б5%Ре35°/оМ

ч

%

;%Ре75°/<Л1

<ш аю

005

о

300 400 500 600

Рий2 Зашамэсгь поля анизотропии ГеЛа теяск от темиераады атаига.

2

тдс

ля кривых крутящего момента, измеренных в плоскости (100), приведены на

рис.3.

Анализ сгага-ориентаци-огаюго состояния магнитной системы монокристалла Ке!ЧГ} в соответствии с известной в литературе методикой учета величин и знаков констант кристаллографической анизотропии Кь К2 и К3 однозначно показал, что в рассмотренных ранее критических диапазонах температур с аномалиями свойств действительно происходят спин-переориентационные фазовые превращения Одаако такой анализ не позволил достаточно адекватно объяснить характер и причины возникновения на-

60 т т

Рис.3. Кривые крутящего момента монокристалла РеМ3 в плоскости (100), вблизи критических температур.

блюдаемых превращений, различия в поведении ряда исследованных характеристик сплава при нагревании и охлаждении, а также некоторые другие особенности свойств.

В четвертой главе проведено математическое рассмотрение устойчивости спин-ориентационного фазового состояния магнетиков кубической сингонии и осуществлен анализ полученных в главе 3 экспериментальных данных на основе найденных условий устойчивости магнитной системы с обсуждением ее температурной эволюции и откликов электронной и кристаллической подсистем на происходящие спин-переориентацнонные изменения.

Анализ устойчивости спиновой конфигурации и ее составляющих был проведен на основе минимизации известного термодинамического потенциала магнитной анизотропии магнетика кубической симметрии, представленного в виде полинома:

Р0=К1х2 + К2у2+К3х4+К4хУ+К5у*+..., (1)

где х2=а12а22+а)2а32+а22аз2 и у2=а12а22а32 - инварианты кубической симметрии соответственно 2-й и 3-й степени; а], а2, а3 - направляющие косинусы вектора спонтанной намагниченности, представляющие три компонента ори-ентационного параметра порядка кубической магнитной системы; К) - коэффициенты полиномиального разложения, соответствующие формально константам кристаллографической магнитной анизотропии. В литературе в каче-

стве констант кристаллографической анизотропии рассмотрены лишь первые три коэффициента разложения.

Полиномиальное разложение типа (1) имеет универсальный характер и достаточно часто используется для анализа фазового состава материалов. Количество членов, согласно симметрии, не ограничивается. Для рассмотрения фазовой устойчивости по второй производной требуется учет не менее гагги полиномиальных членов.

Суть выбранного в настоящей работе подхода состоит в комплексном применении двух способов оценки устойчивости спиновой конфигурации магнитной системы кристалла, на основе минимизации полинома (1) по инвариантам 2-й и 3-й степени и по компонентам параметра порядка.

В первом случае в соответствии с симметрийно-групповыми представлениями определяем устойчивость спиновой конфигурации магнитной системы в целом, обладающей наиболее высокой симметрией и термодинамически допустимыми отклонениями от предельной симметрии.

В случае минимизации по компонентам параметра порядка оцениваем равновесность и устойчивость спин-ориентационных состояний вдоль основных кристаллографических направлений кубической решетки. Такие состояния имеют смысл локальных составляющих магнитной системы в целом.

Выполненная в диссертации минимизация полинома (1) по инвариантам кубической симметрии позволила построить матрицу устойчивости спиновой конфигурации кубического магнетика, найти корни характеристического урав-нения.матрицы устойчивости (Л.^Кз+Кв Д/ (Ку-К^+К»1) , определить уело-

К,3

вия устойчивости магнитной структуры в целом (К3+К5>0 и 4К3К5-К4г>0) и построить диаграмму устойчивости в координатах (КзЛДС,2) (рис.4). С

2-

учетом общеизвестных признаков поверхность 4К3К5-К42=0 на полученной диаграмме является поверхностью фазовых переходов второго рода, а плоскость К3+К5=0 - поверхностью фазовых переходов первого рода.

Рис.4. Диаграмма устойчивости спиновой конфигурации магнитной системы.

Минимизация полинома (1) по переменным х и у равносильна минимизации по компонентам параметра порядка и

позволяет рассмотреть равновесность и устойчивость составляющих спиновой конфигурации магнитной системы. Равновесные решения в этом случае были найдены традиционным способом из уравнений:

{

<ВДх=2х(К1+2К;5х2+К4у2)=0 (2)

аГа/ау=2у(К2+2К6у2+К4Х3)=0

Матрица устойчивости имеет вид:

[Тч+бКзх'+КУ 2К4зу ] 2К4ХУ К2+«К^уг+К4Х2 J

Система (2) может иметь решения и соответствующие им матрицы устойчивости следующего вида:

1- «Ш 1=0 Г К» 0 1

У=« [ 0 Кг

2,3. ШП х^ВДК» Уц= Г -2К, 0 "1

у=0 IО К2+К4Х2 л

■4.5. (О.УЪ х=0 Г К.+Ку2 0 1

у2=-К2/2К5 О -2К2 ]

6-9. (Х.У> К1+2КзХ1+К4у1=0 Г 4КзХ2 2К<ху "I

К2+2К4у2+К4х3=0 I. 2К+ХУ 4К5У1 1

Заметим, что представленные в инвариантной записи равновесные решения типа (0,0), (Х,0) и (Х,У) соответствуют известным кристаллографическим направлениям [100], [110] и [111]. Приведенные соотношения показывают, что наряду с равновесными локальными решениями может существовать целый набор неравновесных решений, которые однако мохут быть устойчивыми. Кроме того из сопоставления полученных результатов следует, что условия устойчивости решений типа (Х,У) аналогичны условиям устойчивости спиновой конфигурации магнитной системы в целом. Устойчивость решений типа (Х,0) и (О,У) связана с устойчивостью спиновой конфигурации системы в целом только по одному инварианту, а устойчивость решения (0,0) вообще не связана с устойчивостью спиновой конфигурации магнитной системы в целом.

Были записаны энергии найденных равновесных решений и соотношениз между ними

Е(х,у)=( КаК^+КэКЛК^ЪЖК^К,!^);

Е(о,о)=0; Р(х,о)—К12/4Кз ; Р<о,у)=-Кг2/4К5

Р(х,у)-Р(о,у)=( 2К5К1- К4К2)2/(4(К42-4К3Ка)Кв);

Р(х,у)-Р(х,оМ 2КзК2- К4К1)2/(4(К42-4К3Кв)К5);

Р(х,о)-Р(о,у)=( КзК22- К?К12)/4КзК;,

Это позволило построить таблицы, содержащие сведения о возможны: для кубического магнетика спиновых конфигурациях.

При этом установлено существование 24 устойчивых спиновых конфигу раций, 6 из которых обладают одним минимумом энергии и симметрией наи высшего порядка. Им соответствует однородная ориентация всех спинов вдол пространственных диагоналей куба (направление типа [111]).

На основании принципа Неймана сделан вывод, что главенствующими фа зовыми изменениями являются переходы между состояниями с высокосим метричными спиновыми конфигурациями. Такие переходы могут происходит с понижением симметрии через устойчивые промежуточные спиновые конфи гурации, не обладающие симметрией наивысшего порядка Их протекали осуществляется за счет изменений на уровне локальных составляющих. Пр] реализации переходов должны выполняться одно или несколько условий:

КвК^+КзКЛк^К^ ; КзКЛ К5К,2=0 ; К2=0 ; 1^=0; К4И).

Приведенные выше соотношения соответствуют случаю, когда внешне поле отсутствует. Для определения влияния внешнего поля на поведение мах нитной системы был проведен дополнительный математический анализ, коте рый позволил корректно учесть это влияние через соответствующие добавки коэффициентам полиномиального разложения энергии магнитокристаллогра фической анизотропии.

Полученная система условий равновесности и устойчивости спиново: конфигурации магнетиков кубической симметрии с учетом коррекции влияни магнитного поля была использована для распознания экспериментально усте новленной температурной эволюции фазового состояния сплава Ре№3, как слабых, так и в насыщающих полях на основе гармонического анализа кривы вращающих моментов.

Поскольку необходимый для рассмотрения устойчивости магнитной системы корректный учет пяти коэффициентов полиномиального разложения невозможно сделать только по измерениям в плоскостях (100) и (111), анализу были подвергнуты кривые вращающих моментов в плоскости (110), где требуемый учет коэффициентов разложения выполним. Результаты эволюции

Tal

1 T,K

297

317

331

353

35В

373

388

403

418

432

443

458

473

488

503

513

528

543

558

573

588

603

618

633

671

673

693

715

733

753

773

791

793

ица 1. Эволюция магнитной структуры монокристалла FeNi3

Спиновая конфигурация магнитной системы в инвариантной записи

Направление минимумов энергии в индексах Мияле-__Р*

ЦИКЛ НАГРЕВА

F(x,yXP<F(o,y)gn<F(x,o)v''<F(o,o)e

И"]; Г1Ю1

F(x,ybp<F(o,y)/<F(x,oV'<F(o,o)c

ÜlUi

т_

F(x,yXn<F(o,y)nn<F(x,o)/<r(o.o)c

[uvw];

F(x,yV<F(o,yV<F(x,o)/<F(o,o)c

[uvw];

110]

F(x,yV<F(o,y);<F(x.o)v?<F(o,o)c

[uvw];

110]

F(x,yV<F(o,y)n°<F(x,o)yp<F(o,o)c

[uvw];

110]

F(x,y)v',<F(o,y)nVF(x.o)Yp<F(o,o)e

[uvw];

110]

F(x,yX.J<F(o,y)n°<F(x,o)vp<F(o>o)c

[uvw];

F(x,y)Y''<F(o,yV<F(x,oV<F(o,o)e

[uvw];

1101

F(x,y)v°<F(o,y)nn<F(x,o)vp<F(o>o)c

Juvw];

110]

F(x,yX°<F(o,y).n<F(x,oV<F(o,o);

[uvwj;

Ш1

F(x,yV<F(o,y)nVF(x,oV<F(o?o)c

[uvw];

110]

X-p<F(o,y);"<F(x, o)c"<F(o, o)v

[ni];

Ш

F(x,yV<<F(o,y)ea<P(x,oV<F(o,o)v

M

100]

Р(х,уУ<Р(о,у)сд<Р(х?о)сп<Р(о,оХ

ШЖ

100]

F(x,y)vp<F(o,y)cn<F(x,o)cn<F(o,o)v

iim

Ш.

F(x,y)vp<F(o,y)eI'<F(x,o)c"<F(o,o)v

miii

ML

M

100]

F(x,yy<F(o,y)c°<F(x7o)cn<F(o,o)v

M

100]

F(x,y)rp<F(q,y)c°<F(x,o)^F(o;o)v

mu.

100]

F(x,y)/<F(Q,y);°<F(x,o);VF(o,o)v

ЩИ;

100]

F(x,y)vp<F(o,y)cn<F(x,o)cn<F(o,o)v

M

100]

F(x,y)vp<F(o,y)cn<F(x,o)en<F(o,o)v

1Ш1,

100]

F(x^y)yP<F(o,y)c''<F(x,o)en<F(o,o)v

mu.

100]

F(x,y)vp<F(o,y)e,'<F(x,o)en<F(o,o)v

иш.

100]

F(x,y)vp<F(o,y)cn<F(x,o)e°<F(o,ojv

[III]; [100]

F(o,y)c°<F(x,o)c°<F(o,o)v<F(x,y)cl

Г.1001

FCo,y)cn<F(x,o)cn<F(o,o)T<F(x,y)cl

ИМ.

F(o,y)c"<F(x,o)cD<F(o,o)v<F(x,y)e1

F(Q,y)cn<F(x,o)cn<F(o,o)v<F(x,y)c;

[1001

F(o,y)c"<F(x,o)cn<F(o,o)v<F(x,y)c1

I1M.

F(x,o%n<F(o,v)cB<F(o,o)Y<F(x,y)c'

Ж

F(x,o)cn<F(o,y)cn<F(o,oX<F(x,y)J

im.

Продолжение таблицы 1.

т,к Спиновая конфигурация магнитной системы в инвариантной записи Направление минимумов энергии в индексах Миллера

ЦИКЛ ОХЛАЖДЕНИЯ

793 Р(о,у)=п<Р(х,о)сп<Р(о,о)у<Р(х,у)ср fiooi

693 Р(одОсп<Р(х,о)с"<Р(0,о)у<Р(х,у)ср [100]

651 Р(х,у)/<Р(о,у)сп<Р(х,0)^(0,0), ГШ] [100]

651 Р(х;у)у[,<Р(о,у)сп<Р(х,о)сп<Р(о,о)у [111] [100]

553 Р(х,у)/<Р(о,у)/<Р(х,о)/<Р(о,о)с [1111 [ПО]

478 Р(х,уХр<Р(о,у)сп<Р(х,о)ур<Р(о,о)с [111] [110]

373 Р(х,у)ур<Р(о,у)сп<Р(х,о)ур<Р(о,о)с nil] [1101

295 Р(х,у^р<Р(о,у)сп<Р(х,о)сп<Р(о,о), [111] [100]

283 Р(Х,У)уР<Р(О,У)сп<Р(Х,О)сп<Р(О,ОХ пи] [1001

273 Р(х,уХ,р<Р(о,у)с0<Р(х,о)сп<Р(о,о)у гш] [100]

258 Р(х,у)>р<Р(о,у)сп<р(х,о)сп<Р(о,о)т [111] [1001

1 243 Р(х,у^<Р(о1у)сп<Р(х,о)ся<Р(о1о)т ГШ] [1001

228 Р(Х,у)/<Р(о;у)сп<Р(х,о)сп<Р(о,оХ [111] [100]

243 Р(х,у)/<Р(о,у)сп<Р(х,о)сп<Р(о,о)у [111] [100]

258 Р(х,у)ур<Р(о,у)сп<Р(х,о)гп<Р(о,о)т [Ш] [1001 1

магнитной системы в слабых полях сведены в таблицу 1. В таблице введет

следующие обозначения:

F(x,y) - термодинамический потенциал составляющей (х,у), Г(о,у) - термодинамический потенциал составляющей (0,у), F(x,o) - термодинамический потенциал составляющей (х,0), F(o,o) - термодинамический потенциал составляющей (0,0). Верхний индекс характеризует равновесность составляющей (р - равно весная, п - неравновесная), а нижний индекс ее устойчивость (у - устойчивая, i - неустойчивая, с - соответствует седловой точке, т.е. устойчива только по од ному инварианту). 1

Отметим наиболее важные особенности выявленной фазовой картины данном сплаве. В большинстве случаев в спиновой конфигурации имеет мест сосуществование двух минимумов энергии, один из которых является ведущш (соответствует наименьшей энергией) и определяет равновесную ориенгацш вектора намагниченности. Наличие второго минимума отражает состояние с сложной доменной структурой и ориентацию части доменов вдоль кристалла графических направлений, отличных от направления оси легкого намагниченш Кроме диапазонов температур со сложной доменной структурой выявлен] также температурные области, в которых магнитное состояние монофазнс

При этом наблюдаются две сипуации: JL В магнетике существует только устойчивая фаза с направлением спинов вдоль оси [111], соответствующая наиболее высокосимметричной спиновой конфигурации. 2. В магнетике существует только устойчивая фаза типа [100] либо [110]. В последнем случае устойчивость спиновой конфигурации магнитной системы нарушена и кубическая магнитная симметрия поддерживается за счет более низкой симметрии фаз [100] и [110].

Из рассмотрения температурной эволюции магнитной структуры следует несовпадение температурного поведения фазового состава при нагревании и охлаждении. Подобный эффект согласуется с аналогичным поведением ряда рассмотренных физических свойств. Он может быть объяснен наличием полярности магнитных фаз и процессов спонтанного изменения спиновой конфигурации магнитной системы, в совокупности обуславливающих различные схемы фазовой эволюции при нагревании и охлаждении.

Исследование фундаментальных магнитных свойств сплавов системы Fe-Ni позволило получить подробную картину закономерностей их температурного изменения. Обнаружена корреляция особенностей таких изменений для каждой из рассмотренных характеристик с реализующимися спин-переориёнта-ционными превращениями в сплавах различных составов. Экспериментально подтверждена термодинамическая предопределеность наблюдаемых явлений и сложная картина изменений свойств и структуры.

В отношении, чувствительности кристаллической структуры к протеканию сшш-переорйентационных превращений можно отметить, что искажения магнитной структуры могут повлечь за собой искажения в кристаллической структуре и смещению атомов относительно узлов кристаллической решетки. Происходящие при этом переходные процессы отражаются на изменении температуры Дебая через возрастающий энгармонизм структуры кристалла. В зависимости от того, по какому из инвариантов магнитной системы происходит потеря устойчивости спиновой конфигурации в целом, соответствующее искажение кристаллической решетки наблюдается в определенной кристаллографической плоскости. В зависимости от активации атомных колебаний в области критических температур и диапазонов фазовых переходов проявляются эффекты укрупнения микроструктуры пленок

Проведенные исследования электрических и гальваномагнитных свойств пленок сплавов системы Fe-Ni показали взаимную корреляцию наблюдаемых аномалий с происходящими в них спин-переориентационными превращениями по температурной координате. Последнее позволяет утверждать, что наблюдаемые аномалии электрических и гальваномагнитных свойств являются следствием таких превращений.

На основании изложенного можно акцентировать практический аспект полученных в работе результатов. Важной стороной этого аспекта является то

обстоятельство, что в сплавах системы Fe-Ni и близких к ним материало! практически весь рассмотренный диапазон температур занят под локализации: перехода от одной монофазной спиновой конфигурации к другой, осуществляемый через серию переходов между составляющими элементами этих конфигураций. Именно такая ситуация очень благоприятна для широкого варьирования локального фазового состояния при изменении компонентного состава и внешних воздействий. Чувствительность локальных фаз к такому варьированию неизмеримо выше и разнообразней чувствительности спиновой конфигурации. Этим объясняется тот факт, что в группе пермаллоевых сплавов материалы с высокими практическими свойствами получены, как известно, только с помощью модифицирующих технологий. Полученные в работе математические соотношения позволяют сделать такие технологии управляемыми и прогнозировать их как для массивных, так и для пленочных образцов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Всестороннее исследование кристаллической структуры, электрических, гальваномагнитных и магнитных свойств сплавов FeNi с ГЦК-решеткой выявило существование серии изоструктурных фазовых переходов типа спиновой переориентации, реализующихся при изменении температуры и компонентного состава материала и приводящих к значительным аномалиям свойств в переходных областях. Критические температуры таких превращений для сплавот близких к пермаллоевым, соответствуют 350К, 470К, 520К и 700К.

2. Экспериментально установлено, что для железо-никелевых сплавов (в частности, FeNI3) константы анизотропии высших порядков (например К3) сравнимы по величине с первой и второй константами анизотропии, что обуславливает необходимость их учета в полиномиальном разложении энергии магнитной анизотропии. Для исследования спин-ориенгационной структуры магнетиков с кубической симметрией впервые использована комплексная минимизация по инвариантам второй и третьей степени и по параметру порядка инвариантного полинома энергии магнитной анизотропии с членами в виде инвариантов до шестой степени и коэффициентами разложения до пятого порядка включительно, что позволило найти условия и построить диаграмму устойчивости спин-ориентационных фаз.

3. Комплексная минимизация инвариантного полинома по инвариантам второй и третьей степени и по параметру порядка позволила раздельно исследовать два уровня устойчивости магнитной структуры: при минимизации пс инвариантам - уровень устойчивости спиновой конфигурации магнитной системы в целом, и при минимизации по компонентам параметра порядка - не уровне локальных составляющих спиновой конфигурации.

4. Выявлено существование ряда устойчивых конфигураций с однородно® ориентацией спинов вдоль пространственных диагоналей [111] кубической

lî

магнитной решетки, обладающих одним минимумом энергии и отвечающих наиболее высокому уровню симметрии. Установлено, что главенствующими этапами спиновой переориентации являются переходы между состояниями с конфигурацией наиболее высокой симметрии. Переходы между локальными составляющими являются вспомогательными звеньями реализации главенствующих переходов.

5. На основании полученных критериев впервые распознана температурная эволюция спин-ориентационных фаз в исследованных железоникелевых сплавах. В монокристалле FeNi3 вблизи 200К реализуется устойчивая высокосимметричная спиновая конфигурация, имеющая единственную равновесную и устойчивую фазу типа [111]. Повышение температуры понижает симметрию спиновой конфигурации, что выражается в нарушении равновесности (вблизи 350К) и устойчивости (вблизи 700К) фазы [111] и появлении равновесных и устойчивых локальных фаз типа [100] и [110]. Область нарушения равновесности фазы [111] сопровождается наибольшими аномалиями свойств.

6. Установлено, что для железо-никелевых сплавов изменение спин-ориента-ционного фазового состояния, так же как и свойств, при возрастании температуры не совпадает с их изменением при снижении температуры, что можно объяснить влиянием закономерностей перехода от одной монофазной высокосимметричной спиновой конфигурации к другой и полярностью спиновых структур.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Сухвало С.В„ Власов В.В. Влияние температуры на кинетические свойства FeNi сплавов. Тез. Докл. Научно-техн. конф. МТЭ и ТП-90, Минск, 1990г.

2. Сухвало C.B., Власов В.В., Макутин Г.В. Особенности изменения термодинамических характеристик при изосгрузаурных спин-переориентацион-ных переходах в сплавах на основе FeNiCo. Тез. Докл. 19 Всесоюзной конф. по физике магнитных явлений. Ташкент. 1991 г. т.З

3. Власов В.В. Исследование рентгеноэлектронных спектров сплавов системы FeNi. Тез. Докл. 9 Всесоюзного совещания по физике и металловедению электротехнических сталей и сплавов. Минск 1991.

4. Сухвало C.B., Власов В.В., Носков А.Н., Демченко А.И., Хохолков Д.Л., Абламейко Н.В. Свойства магнитожесгких пленок сплавов CoWNi. Изв.АН БССР сер.физ.мат. наук. 1991 г. N3, с.44.

5. Макутин Г.В., Сухвало C.B., Власов В.В. Конюшко Л И., Хохолков Д.Л. Зависимость электрических свойств сплавов на основе Ni от температуры. Вестник БГУ, сер.физ.мат.мех. 1992 г. N3, с.27.

6. Сухвало C.B., Власов В.В., и др. Способ получения магнитной пленки дня запоминающих устройств. А.С. (СССР) N1786959 от 8.09.1992 г.

7. Сухвало C.B., Власов В.В. Температурное поведение магнитных харак теристик тонких пленок сплавов системы FeNi. Тез. Докл. Всероссийского ко ординационного совещания по физике магнитных материалов "ВКСМ-92" Иркутск. 1992 г.

8. Власов В.В., Сухвало C.B., Хохолков Д.Л. Температурные изменена микроструктуры и электронной структуры сплавов группы железа. Тез. Докл Всероссийского координационного совещания по физике магнитных материа лов "ВКСМ-92". Иркутск. 1992 г.

9. Соколовский Т.Д., Власов В.В., Сухвало C.B. Динамика решетки сплав; FeNi. Весщ АНБ сер.фгз.мат. навук. 1995 г. N3. с.81.

10. Власов В.В., Гусакова C.B., Сухвало C.B., Шепелевич В.Г. Динамик! решетки и магнитные свойства быстрозатвердевших фольг Mn-Bi //"Неорганические материалы" РАН 1995. т.31. N11 с. 1426-1430.

11. Сухвало C.B., Власов В.В. Ориентационные эффекты в кубически? ферромагнетиках. // Весцд АНБ. Сер.ф1з.мат.навук. 1997. N3. с.82-85.