Материал: Методические указания к лабораторным работам по специальным вопросам микро- и нанотехнологий. Стогней О.В., Косилов А.Т

Рис. 1. Зависимость коэрцитивной силы НС от размера зерна для различных магнитомягких сплавов. Нанокристаллические спла-

вы: ▲ - Ti-Nb-Si-B, - Fe-Cu-Nb-Si-B, - Fe-Cu-V-Si-B, ■ - Fe-Zr- B, - Fe-Cu-Zr. Поликристаллические сплавы: ○ - Fe-Si, □ - низконикелевый пермаллой, ▼ - высоконикелевый пермаллой.

Рис. 2. Зависимость коэрцитивной силы НС от средних размеров частиц для порошков Fe (1), Co (2) и феррита Fe2O3 (3)

34

На зависимости имеется два участка. Первый участок (размер зерна 1–100 нм) это участок с резким возрастанием значений Нс при увеличении размера зерна, причем, Нс ~ D6. Второй участок соответствует уменьшению коэрцитивной силы по закону НС ~ 1/D, при последовательном увеличении размера зерна (D) от 100 нм и выше. Такая немонотонная зависимость может быть обусловлена только тем, что в разных диапазонах размеров зерен реализуются разные механизмы перемагничивания материала.

Зависимость Нс от размера зерна в диапазоне значений превышающих 100 нм («ниспадающий» участок) хорошо известна для поликристаллических ферромагнитных сплавов. Основным механизмом перемагничивания таких сплавов является движение доменных стенок и поэтому величина Нс определяется интенсивностью пиннинга доменных границ (интенсивностью их закрепления) на центрах пиннинга. Наиболее эффективными центрами пиннинга являются границы зерен, поэтому если плотность межзеренных границ высока (а это возможно в том случае, когда размеры зерна маленькие), то и центров, на которых происходит пиннинг (закрепление стенки), будет много. Межзѐренные границы формируют некое подобие «сетки» в объеме материала и для еѐ преодоления доменным границам необходима дополнительная энергия, которая может быть получена от внешнего магнитного поля. Раз необходима дополнительная энергия для преодоления «сетки» из границ зерн, значит, требуется более высокая напряженность магнитного поля, перемагничивающего магнетик. Иными словами, коэрцитивная сила материала со средним размером зерна 100 нм принимает сравнительно высокие значения.

Увеличение размеров зерен приводит к тому, что плотность межзѐренных границ уменьшается (образно, можно говорить о том, что «ячейки сетки» делаются больше). Соответственно и число центров пиннинга на пути движения доменных стенок будет меньше. Таким образом, для снижения величины Нс необходимо обеспечить формирование зерен максимально

35

большого размера - до единиц мм, а в идеале - получить монокристалл. Низкие значения Нс в этом случае будут обусловлены тем, что в материале реализуется низкая плотность дефектов - границ зѐрен. При перемагничивании такого материала доменные стенки на своѐм пути будут встречать относительно низкое число центров пиннинга. Соответственно и коэрцитивная сила такого материала будет низкой. Итак, увеличение размера зерен в ферромагнетике приводит к снижению плотности дефектов (межзѐренных границ), снижению интегральной силы пиннинга и снижению значений Нс. При уменьшении размеров зѐрен - наоборот, возрастает плотность центров пиннинга (т.е. увеличивается объѐмная доля межзѐренных границ), что приводит к росту значений Нс.

Максимальные значения Нс соответствуют такому размеру зерен, при котором они (зерна) переходят в однодоменное состоянию и происходит смена основного механизма перемагничивания материала.

Упрощенно можно считать, что зерна ферромагнитного поликристалла становятся однодоменными в том случае, когда их размер оказывается соизмерим (или меньше), чем равновесная ширина доменной стенки. В этом случае все элементарные магнитные моменты отдельного зерна (частицы) будут ориентированы вдоль определенного направления, формируя, таким образом, единый (макроскопический) магнитный момент зерна. В отсутствии внешнего магнитного поля это направление задается магнитной анизотропией зерна – момент ориентируется вдоль оси легкого намагничивания. Перемагничивание такого однодоменного зерна осуществляется только за счѐт необратимого вращения суммарного магнитного момента. Однако, перемагничивание однодоменных частиц всѐ равно требует затрат энергии, поскольку необходимо преодолевать анизотропию зерна. В общем случае энергия анизотропии (Ea) однодоменного зерна (частицы) определяется объемом этой частицы (V) и константой анизотропии ka

Величина коэрцитивной силы материала, состоящего из однодоменных зерен, будет пропорциональна энергии анизотропии этих зѐрен. Понятно, что максимальная коэрцитивная сила будет у материала, содержащего однодоменные зѐрна максимального размера. Уменьшение размера зѐрен будет приводить к уменьшению энергии анизотропии и, следовательно, к уменьшению величины Нс (см. рис.1).

На самом деле ситуация более сложная, поскольку в эксперименте Нс зависит от размера как D6, а объѐм (в рассмотренном выше объяснении) даѐт только кубическую зависимость. Наблюдающееся резкое снижение НС при уменьшении размера зерен объясняется в рамках модели межзеренного обменного взаимодействия. При уменьшении размера зѐрен обменное взаимодействие, приводящее к скоррелированности магнитных моментов в ферромагнетиках, начинает эффективно влиять на ориентацию моментов не только внутри каждого зерна, но и в пределах группы соседних зерен. Такие зерна оказываются обменно-связанными, а их магнитные моменты скоррелированными. Перемагничивание такой обменносвязанной группы зерен осуществляется с помощью того же механизма (вращение магнитных моментов), но эти зерна перемагничиваются синхронно, как единое целое. Самое главное, что для такой обменно-связанной группы зѐрен величина магнитной анизотропии, которую, собственно, и необходимо преодолевать при перемагничивании, уменьшается. Иными словами, магнитное поведение такой системы будет определяться не константой анизотропии Kа, являющейся характеристикой материала, а некой усредненной по группе зерен константой эффективной магнитной анизотропии <К>, имеющей более низкую величину по сравнению с константой Kа. Именно такой механизм приводит к резкой зависимости НС от размера зерна.

37

Практическое задание

Экспериментально получить кривые перемагничивания четырех образцов нанокристаллического сплава Fe-MgO, отличающихся друг от друга размером зерна (концентрацией железа). Перемагничивание образцов осуществлять в интервале значений – 3 кЭ + 3 кЭ. Методика измерения подробно описана в лабораторной работе №2.

По полученным зависимостям определить значения коэрцитивной силы исследованных образцов.

Построить зависимость Нс от концентрации железа. Проанализировать полученную зависимость. Сформулировать выводы.

Контрольные вопросы

1.Объяснить принцип работы вибрационного магнетомет-

ра.

2.Механизмы перемагничивания ферромагнитного материала.

3.Объяснить, почему в монокристаллическом ферромагнетике коэрцитивная сила меньше, чем в ферромагнетике такого же элементного состава, но с поликристаллической структурой.

4.Нарисовать зависимость коэрцитивной силы поликристаллического ферромагнетика от размера зерна. Объяснить вид зависимости.

5.Почему механическая обработка ферромагнитного материала (например, ковка или нагартовка) как правило приводит

кросту коэрцитивной силы?

6.Что такое однодоменная частица (однодоменное зерно)?

7.Почему в нанокристаллических ферромагнетиках с размером зерна 10-20 нм коэрцитивная сила принимает сравнительно невысокие значения, по сравнению с крупнозернистыми материалами?

38