CC BY
13_ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА_
2003 Физика Вып. 1
Эффект Баркгаузена и порог перколяции в гранулированных нанокомпозитах металл-диэлектрик с аморфной структурой
Е. К. Белоногов'^, Ю. Е. Калинин!, А. В. Ситников!, Н. Е. Скрябина*, Л. В. Спивак*, А. А. Шадрин*
| Воронежский технический университет
* Пермский государственный университет, 614990, Пермь, ул. Букирева, 15
Исследован порог перколяции в гранулированной композиции (Со^Ре^ВгоМАЬОз^оо-х-Обнаружена концентрационная зависимость интегральной ЭДС Баркгаузена. На этой основе предложен новый метод определения порога перколяции в композитах, содержащих металлы, обладающие ферромагнитными свойствами.
Введение
В настоящее время заметный научный и практический интерес представляют исследования свойств конденсированных сред, размеры структурных составляющих которых соизмеримы с межатомными расстояниями.
К этой группе материалов относятся нанокомпозиты, в которых металлические гранулы размером несколько нанометров находятся в диэлектрической матрице. Этим, в первую очередь, обусловлено явление гигантского магнитосопротивления, которое наблюдается в некоторых таких материалах. Кроме того, нанокомпозиты такого рода характеризуются рядом других необычных магнитных, электрических, оптических и магнитооптических свойств, к числу которых можно отнести возможность изменения удельного электрического сопротивления в широких пределах, усиление оптических нелинейностей, корреляцию между магниторезистивными и нелинейно-оптическими свойствами, высокую величину магнитореф-рактивного эффекта, а также высокую степень поглощения электромагнитного излучения в ВЧ и СВЧ диапазонах (см. [1-3]).
Большинство аномалий физических свойств (магнитных, оптических, магнитооптических и других) наблюдается в таких композитах при концентрации металлической фазы вблизи порога перколяции (хс), когда металлические наночастицы формируют проводящую кластерную структуру в
диэлектрической матрице. Методы определения порога перколяции достаточно традиционны и заключаются, как правило, в построении зависимости электросопротивления или диэлектрической постоянной композита от состава, толщины или другого управляющего параметра.
Экспериментальные и теоретические работы, посвященные магнитным свойствам композитов ферромагнитный металл-диэлектрик, показывают, что составы, находящиеся до порога перколяции, при комнатной температуре обладают суперпарамагнитными свойствами.
Наноразмерная металлическая гранула рассматривается как ферромагнитная частица, имеющая собственный магнитный момент, равный сумме магнитных моментов атомов, входящих в ее состав. Если энергия магнитостатического взаимодействия между гранулами меньше кТ, то корреляция между векторами намагниченности частиц отсутствует и композит обладает суперпарамагнитными свойствами. При формировании бесконечной сетки соприкасающихся гранул создаются условия для обменного взаимодействия между атомами соседних гранул, и материал приобретает ферромагнитные свойства.
Однако, в существующих в настоящее время моделях, рассматривающих магнитное поведение композитов ферромагнитный металл - диэлектрик, не находит отражения влияние состава металлической и диэлектрической фаз на их свойства. Экспериментальных работ, посвященных этой проблеме, чрезвычайно мало.
© Е. К. Белоногов, Ю. Е. Калинин, А. В. Ситников, Н. Е. Скрябина, Л. В. Спивак, А. А. Шадрин, 2003
26
Эффект Баркгаузена и порог перколяции
27
В связи с этим представляло интерес исследование в этих объектах эффекта Баркгаузена с учетом тех принципиальных аппаратурных изменений, которые нашли свое отражение в измерительной технике нового поколения. Результативность такого подхода была показана при исследовании ряда магнитомягких аморфных сплавов, полученных методом спиннингова-ния [4-5].
Методика исследования
Для получения композиционных наноструктур металлический сплав - диэлектрик был применен метод ионно-лучевого распыления. Для напыления аморфных нанокомпозитов использовалась составная мишень состава Со^РездВго с закрепленными на ее поверхности пластинами из алюмооксида толщиной ~ 2 мм и шириной ~ 9 мм, расположенными перпендикулярно продольной оси сплавной мишени. Неравномерное расстояние между диэлектрическими пластинами позволяло плавно изменять соотношение объемов распыляемых магнитных и диэлектрических фаз композитов вдоль оси составной мишени и получать непрерывный спектр составов в одном технологическом цикле напыления.
Для измерения удельного электрического сопротивления от состава на постоянном токе использовался потенциометрический метод.
Эффект Баркгаузена измеряли с помощью специальной установки, в которой накладной магнит создавал магнитное поле в объеме образца. Датчик Баркгаузена представлял собой измерительную катушку, улавливающую магнитный поток от скачков Баркгаузена и преобразующую его в электродвижущую силу эффекта Баркгаузена, еБ- Частота переключения магнитного поля составляла 50 Гц. Направление приложенного магнитного поля совпадало с направлением оси композита. Перемагничивание в объеме образца было однородным. Регистрацию отдельных скачков Баркгаузена и другие измерения проводили с помощью осциллографа. Экспериментальные данные обрабатывали по специальной программе. Структура полученных аморфных композитов была исследована с помощью электронно-микроскопического анализа.
Экспериментальные результаты
Электронно-микроскопическое исследование композитов, полученных при одновременном напылении металлических сплавов на основе Со41Рез9В2о и диэлектрика А1203 из составной мишени, показало, что во всех случаях образуется фрагментированная структура металлических аморфных гранул в диэлектрической матрице (рис. 2). Размеры гранул изменяются в пределах
2-8 нм, причем, с увеличением содержания металлической фазы средний размер гранул возрастает. Микродифракционные исследования композитов показали, что структура ферромагнитных гранул и диэлектрической матрицы аморфная. Основным условием ее формирования являются несмачиваемость и нерастворимость компонентов друг в друге. При этом поверхностная энергия металлической (ферромагнитной) фазы должна быть больше, чем поверхностная энергия материала матрицы (диэлектрика), и гораздо больше, чем энергия взаимодействия компонентов между собой. Для используемых составов это условие соблюдается, что позволило сформировать композиты разных составов в одном технологическом цикле и увеличить достоверность полученных результатов по изучению физических свойств.
р(1. Отш
•)-1-1-.-г-г--г -—-----1---,
20 3(1 «I 50 60
Л, %
Рис. 1. Зависимости удельного электрического сопротивления от атомной доли металла при комнатной температуре композитов (Со^Ре39В2а)х(А120}) „иих, осажден-
ных в течение 420 мин на неподвижную в од о охлаждаемую подложку в исходном состоянии (кривая I), после отжига в течение 30 мин при Т = 400 °С (кривая 2) и при Т = 500 °С (кривая 3)
На рис. 1 представлены зависимости удельного электрического сопротивления от атомной доли металла при комнатной температуре композитов (Со41Рез9В2о)х(А120з)1оо-Х) осажденных в течение 420 мин на неподвижную водоохлаждаемую подложку. В исходном состоянии при изменении величины х от 25 до 64 % проводимость системы меняется примерно на 3 порядка. Полученная зависимость наблюдается для многих гетерогенных систем металл - диэлектрик, а сильный рост удельного электрического сопротивления с увеличением концентрации диэлектрика связывается с неметаллическим
28
Е. К. Белоногое, Ю. Е. Калинин, А. В. Ситников и др.
Рис. 3. Вид отдельного скачка Баркгаузена в композите, содержащем 51,19 ат. % металлических атомов
Рис. 4. Вид отдельного скачка Баркгаузена в композите, содержащем 55,38 ат. % металлических атомов
типом проводимости композита. Характерной противления сплавов, находящихся до порога
особенностью данной зависимости является протекания, и к его уменьшению - за порогом
отклонение от монотонного поведения для перколяции.
составов вблизи порога перколяции, что особенно Увеличение удельного электрического
заметно после термической обработки в вакууме сопротивления композитов, находящихся до
в течение 30 мин при Т= 400 °С и при Г= 500 °С порога перколяции, связано со структурном
(кривые 2 и 3). При этом термообработка компо- релаксацией аморфной диэлектрической матрицы
зитов приводит к увеличению электрического со- и с увеличением расстояния между гранулами.
В Г
Рис. 2. Микроструктура композитов (Те40Со40В2о) А120з), напыленных на неподвижную охлаждаемую подложку: А - (Ре40Со4аВ](1)25 + (А120з)75; Б - (Ее40Сом^2(1)30 + (А12Оз)70; В -(Ге40Со,0В20)49 + (А1203)51; Г- (Ее411Со41)В2а)6(1+ (А12Оз)40
Эффект Баркгаузена и порог перколяции
29
Уменьшение удельного электрического сопротивления композитов, находящихся за порогом протекания, связано со структурной релаксацией бесконечной сетки гранул аморфной металлической фазы [2]. По точке пересечения концентрационных зависимостей электрического сопротивления композитов в исходном состоянии и термообработанных можно определить порог перколяции, который для данного композита составил х = 44 ат. %.
Изменение температуры отжига
сопровождается увеличением относительного изменения удельного электрического
сопротивления и незначительным смещением положения порога перколяции в сторону больших концентраций металлической фазы. Так, при увеличении температуры отжига композитов (Со4,Рез9В2оМА12Оз)|оо-* от 400 до 500 °С порог перколяции смещается от 44 до 45 ат. %.
На рис. 3-4 показана структура скачков Баркгаузена в ферромагнитных композитах. Она практически мало зависит от концентрации металлической составляющей в композите за порогом перколяции, хотя и имеет свои особенности, выходящие за рамки настоящего сообщения. Такая структура скачков Баркгаузена характерна для однодоменного ферромагнетика, перемагничивание которого происходит одним гигантским скачком Баркгаузена. Скорее всего, в данном случае мы имеем дело с резким изменением ориентации вектора спонтанной намагниченности однодоменного материала.
Зависимость интегральной величина ЭДС Баркгаузена за 30-50 циклов перемагничивания от содержания металлических атомов приведена на рис. 5. Видна вполне однозначная корреляция между данными по измерению электросопротивления и ЭДС Баркгаузена.
Таким образом, в результате проведенного исследования обнаружена неожиданная, на первый взгляд, корреляция между порогом перколяции и ЭДС Баркгаузена в композитах, содержащих ферромагнитные металлы.
В связи с этим интересно заметить, что порог перколяции в задаче связей по своему физическому смыслу, применительно к измерению электросопротивления, представляет собой смену механизма проводимости, например, переход от прыжкового, туннельного к металлическому.
Для континуальной задачи, которая ближе к аморфной структуре исследуемых композитов, такое разделение довольно условно. Однако другие подходы пока отсутствуют. В этом плане возникновение доменной структуры с легким перемагничиванием вектора спонтанной намагниченности при определенной концентрации металлических атомов представляет практически не изученный новый тип перколяционной ситуации.
еБ, mV
50
40 • 30 ■ 20 •
30 40 50 60
Me, %
Рис. 5. Интегральные значения ЭДС
Баркгаузена в зависимости от атомной
концентрации металлических атомов в
композите
Выводы
1. На композитах с различной концентрацией металлических ферромагнитных атомов обнаружен концентрационный порог в значениях ЭДС Баркгаузена. Он связан с переходом от суперпарамагнитного состояния вещества к ферромагнитному.
2. Показана корреляция между влиянием концентрации металлических атомов на электросопротивление образцов и значениями ЭДС Баркгаузена.
3. Установлен новый тип перколяционной ситуации в содержащих ферромагнитные металлы сложных композитах.
4. Предложен новый метод определения порога перколяции в аморфных ферромагнитных композитах, основанный на измерении эффекта Баркгаузена.
Список литературы
1. Калинин Ю. Е., Кущев С. Б., Неретин П. В., Ситников А. В., Стогней О. В. II Журн. прикл. хим. 2000. Т. 73, Вып. 3. С. 439.
2. Стогней О. В., Калинин Ю. Е., Ситников А. В., Золотухин И. В., Слюсарев В. А. I/ Физика металлов и металловедение. 2001. Т. 91, № 1. С. 24.
3. Kalinin Yu. Е., Sitnikov А. V., Stognei О. V., Zolotukhinl. V., Neretin P. V. //Material Science and Engineering. 2001. Vol. 304. P. 941.
4. Скрябина H. E., Спивак JJ. В., Кинев А. С., Барской Б. И., Вылежнев В. П., Савельева Т. Ю. II Письма в ЖТФ. 2000. Т. 26, вып. 21. С. 26.
5. Скрябина Н. Е., Спивак Л. В., Кинев А. С, Пименова И. В. II Материаловедение. 2001. № 6. С. 29.
