Контрольные вопросы
1.Основные отличия электросопротивления аморфных металлических сплавов от электросопротивления кристаллических аналогов (экспериментальные данные).
2.В чем суть корреляции Муиджи.
3.Что происходит с электросопротивлением аморфных металлических сплавов при кристаллизации. Описать методику определения температуры кристаллизации аморфных сплавов по температурным зависимостям электросопротивления.
4.Методика исследования температурной зависимости электросопротивления аморфных сплавов.
9
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2 Влияние кристаллизации на величину коэрцитивной силы аморфного материала
Цель: Провести измерения магнитных характеристик тонких аморфных пленок с помощью вибрационного магнетометра.
Изучить изменение коэрцитивной силы, происходящее при кристаллизации аморфного ферромагнитного сплава.
1.Теоретические сведения
В1960 году Советский физик А.И.Губанов теоретически обосновал возможность формирования в аморфном сплаве, содержащем атомы ферромагнитного элемента, магнитоупорядоченного состояния – ферромагнетизма. До этого момента были серьѐзные сомнения в возможности существования магнитоупорядоченных фаз в материале с дисперсией межатомных расстояний. Экспериментальное подтверждение того, что в аморфных сплавах возможен ферромагнетизм было получено в 1965 году, когда удалось создать аморфные сплавы в системах Co-P и Ni-P.
Аморфные ферромагнетики, точно так же как и кристаллические, в отсутствии внешнего поля разбиваются на магнитные домены с тем, чтобы снизить суммарную внутреннюю энергию.
Вэтом смысле, нет никакой качественной разницы между кристаллическими и аморфными материалами. С другой стороны, существуют количественные различия в магнитных характеристиках аморфных и кристаллических сплавов, обусловленные структурными особенностями этих материалов.
Известно, что перемагничивание ферромагнитных материалов определяется двумя процессами. Во-первых, процессами вращения вектора намагниченности. Это происходит в том случае, когда в материале отсутствуют «зародыши» перемагничивания, то есть «зародыши» доменов, чья намагниченность противоположна направлению намагниченности основного объема материала. Во-вторых, процессами образования таких «зародышей» и их последующим ростом, то есть увеличением размеров
10
доменов, чья намагниченность параллельна направлению внешнего магнитного поля, перемагничивающего материал. Соответственно, магнитный гистерезис может быть обусловлен двумя причинами: необратимыми процессами вращения магнитных моментов (то есть задержкой образования «зародышей» перемагничивания) или задержкой смещения доменных границ (доменных стенок) при увеличении доменов, формирующихся из существующих «зародышей».
Если рассматривать разницу между перемагничиванием кристаллического материала и аморфного, то основной механизм, связанный с имеющимися различиями между аморфной и кристаллическй структурой и обуславливающий различия в величине коэрцитивной силы материалов – это движение доменных стенок.
Конечно, существует гистерезис, связанный с вращением (переориентацией) магнитных моментов в объеме материала (фактически при этом происходит образование «зародыша» будующего домена). Этот гистерезис обусловлен наличием кристаллографической анизотропии у ферромагнитных материалов: чем выше анизотропия, тем большее внешнее магнитное поле необходимо приложить для того, чтобы переориентировать магнитный момент. Очевидно, что переход к аморфной структуре (в которой кристаллографическая анизотропия отсутствует по определению) должен снижать величину коэрцитивности. Однако, перемагничивание только за счѐт вращения магнитных моментов реализуется лишь в определѐнных типах магнетиков. Такими материалами являются нанокристаллические и нанокомпозитные ферромагнетики, тонкие (менее тысячи ангстрем) ферромагнитные пленки, ультрадисперсные порошки, коллоидные ферромагнитные микропримеси внутри неферромагнитной матрицы. В обычных поликристаллических или аморфных ферромагнетиках (считающихся «объемными») задержка в появлении «зародышей» перемагничивания в той или иной степени всегда имеет место и основное различие в величине коэрцитивной силы материала определяется вторым механизмом.
11
При перемещении доменной стенки внутри ферромагнетика под действием внешнего магнитного поля она взаимодействует со структурными дефектами и это взаимодействие препятствует движению доменной границы. Чем больше величина силы, с которой граница домена взаимодействует с дефектом (сила пиннинга), тем, соответственно, выше должна быть напряженность магнитного поля, необходимая для преодоления этого взаимодействия и обеспечения дальнейшего перемещения доменной стенки. Подавляющее количество кристаллических материалов являются поликристаллами (получить монокристаллический ферромагнетик можно, но это дорого и такая структура не будет долговечной). Границы зѐрен в поликристаллах это протяжѐнные дефекты, которые при перемагничивании ферромагнетиков играют роль эффективных центров пиннинга. Очевидно, что чем выше плотность границ зѐрен, тем, в общем случае, выше сила пиннинга и, соответственно, выше требуемая величина внешнего магнитного поля. Поскольку коэрцитивная сила (НС) ферромагнетика определяется, как напряжѐнность внешнего магнитного поля, необходимого для полного размагничивания предварительно намагниченного до насыщения материала, то ясно, что НС будет пропорциональна усредненной силе пиннинга.
Аморфные сплавы характеризуются отсутствием дальнего порядка, структурной однородностью, изотропностью и, как следствие этого, отсутствием границ зѐрен как таковых. Следовательно, в этих материалах в принципе нет столь же эффективных центров пиннинга, как в кристаллических ферромагнетиках. Конечно, аморфные сплавы характеризуются высокой плотностью структурных дефектов (поры, оборванные связи, искажѐнные межатомные связи, неоднородности плотности и т.п.) однако средняя сила взаимодействия доменной стенки с такими дефектами значительно меньше, чем сила взаимодействия с границами зѐрен в поликристаллах. Всѐ это и определяет более низкие значения коэрцитивной силы у аморфных сплавов по сравнению с кристаллическими аналогами. Учѐт же всего комплекса физических свойств аморфных ферромагнитных сплавов делает их
12
чрезвычайно перспективными для использования в качестве магнитомягких материалов.
2. Исследование кривой намагничивания тонких пленок
Основными параметрами любого ферромагнитного материала является коэрцитивная сила, остаточная намагниченность (Ir) и намагниченность насыщения (IS). Абсолютные значения этих параметров, характеризующие свойства материала и не зависящие никоим образом от формы образца, можно получить на специальных стандартизированных установках и образцах торроидальной формы. Однако в исследовательской практике часто необходимо знать не абсолютное значение ка- кого-либо параметра, а его изменение при различных внешних воздействиях (температура, давление, электромагнитное излучение различных частот и т.п.). Кроме того, исследуемые образцы имеют, как правило, неправильную форму, могут быть в виде порошков, тонких плѐнок и т.п. Поэтому широкое распространение получили методики позволяющие измерять образцы любой формы и любого вида, с последующим пересчетом получаемых значений с помощью определенных коэффициентов. Одна из таких методик, широко применяемая для исследования тонких магнитных пленок, использует закон электромагнитной индукции, а комплекс оборудования, на котором происходят измерения, носит название вибрационный магнетометр.
3. Экспериментальная часть
Вибрационный магнетометр это измерительная установка, позволяющая проводить измерения магнитных характеристик твердых тел с помощью магнитоэлектрического метода.
Магнитоэлектрический метод измерений основан на ис-
пользовании закона электромагнитной индукции, суть которо-
13