CC BY
11ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
2005 Физика Вып. 1
Эффект Баркгаузена в аморфных нанокомпозитах металл-диэлектрик (Co4iFe39 В20)х(А12О3)
100-х и (CO45Fe45Zr10)x(Al2O3)i00-x
Л. В. Спивак'1, Ю. Е. Калининь, А. В. Ситниковь
а Пермский государственный университет, 614990, Пермь, ул. Букирева, 15
ь Воронежский государственный технический университет, 394026, Воронеж, Московский просп., 14
Исследован спектр шумов Баркгаузена в нанокомпозитах различного состава с аморфной структурой. Определен концентрационный порог магнитного упорядочения в исследованных композитах. Обнаружено увеличение числа скачков Баркгаузена после отжига композитов в магнитном поле.
Введение
Впервые наногранулированные композиты металл-диэлектрик были получены в конце 60 - начале 70-х гг. прошлого столетия. С фундаментальной точки зрения наногранулированные среды оказались интересными объектами, обладающими туннельным электронным транспортом, ярко выраженными размерными эффектами и сложными магнитными свойствами, обусловленными одно-доменностью ферро-магнитных наногранул, изолированных друг от друга диэлектриком. Однако нам не известны работы, в которых магнитные свойства нанокомпозитов изучались посредством эффекта Баркгаузена (ЭБ), успешно зарекомендовавшим себя при изучении других магнитных материалов.
Первые же исследования в этом направлении на аморфных нанокомпозитах системы (Со^Бе^ВгоМАЬОзЭюо-х показали (см.[1-2]), что в гранулированных нанокомпозитах металл-
диэлектрик зависимость интегральной ЭДС эффекта Баркгаузена (ЭБ) от концентрации металлических атомов имеет некоторый концентрационный порог. Установлена определенная корреляция между ЭБ и концентрационным порогом перколя-ции электропроводности в этом сплаве. Эти исследования были продолжены с использованием более совершенной экспериментальной базы,
позволяющей фиксировать спектр шумов Баркгау-
зена и проводить анализ скачков Баркгаузена (СБ) с применением нового программного обеспечения. Полученные результаты и составляют предмет настоящего исследования.
Методика исследования
Для получения композиционных наноструктур металлический сплав - диэлектрик был применен метод ионно-лучевого распыления, детали методики изложены в [2]. Образцы для исследования представляли собой пластинки ситалла шириной 2 мм и длиной 50 мм с нанесенных на них слоем композита толщиной в несколько микрон.
Для измерения удельного электрического сопротивления композитов на постоянном токе использовался потенциометрический метод.
Эффект Баркгаузена измеряли с помощью специальной установки, основным конструктивным элементом которой являлся накладной магнит для создания однородного магнитного поля (150 А/м) в объеме образца. Датчик представлял собой измерительную катушку, улавливающую магнитный поток от скачков Баркгаузена и преобразующую его в электродвижущую силу эффекта Баркгаузена, еБ. Использовали два типа датчика. В одном из них ось измерительной катушки была расположена нормально к поверхности образца, в другом - параллельно ее поверхности. Частота переключения магнитного поля составляла 50 Гц. Перемагничи-вание в объеме образца было однородным. Сигнал
© Л. В. Спивак, Ю. Е. Калинин, А. В. Ситников, 2005
27
с измерительных катушек поступал на усилитель с частотным фильтром, пропускающим сигналы с частотой выше 1000 Гц. Сигнал на выходе усилителя регистрировали виртуальным осциллографом РСБ-641 и обрабатывали с помощью специальной программы. Виртуальный осциллограф позволял регистрировать единичные СБ, а программное обеспечение эксперимента - проводить спектраль-но-амплитудный анализ спектров шумов Баркгау-зена.
Отжиг образцов без магнитного поля проводили при 400 °С с выдержкой при этой температуре 10 мин и последующего охлаждения на воздухе. Для отжига образцов в магнитном поле использовали установку, основу которой составлял электромагнит, позволяющий в зазоре между полюсами магнита создавать магнитное поле 0.4 Тл. Отжиг в магнитном поле состоял из нагрева до 300 °С, выдержки 10 мин и последующего охлаждения до 60 °С.
Нагревающее устройство сконструировано таким образом, чтобы компенсировать в рабочем пространстве переменное магнитное поле от тока, которым осуществляли нагрев образцов. По данным косвенных измерений индукция магнитного поля составляла 0.4 Тл. Направление поля было нормальным к плоскости композита.
Экспериментальные результаты и их обсуждение
Изучена зависимость удельного электроспро-тивления (р) от атомной доли (*) металлической фазы в композите (Со^Безд В2о)х(А120з)то-х • Видно, что р в зависимости от состава сплава изменяется на несколько порядков и за порогом перколя-ции (а 44 аг.%) остается практически постоянным.
6, тУ
X,
Рис. 1. Влияние концентрации металлической фазы на ЭДС Баркгаузена композита (Со ^ / Ге39 Вм)х(А 120з) юо-х
Интегральная ЭДС Баркгаузена (е) также зависит от концентрации (см. рис. 1) металлической фазы, однако, остается равной нулю вплоть до
концентрации, совпадающей или близкой (« 44 ат.%) к концентрационному порогу перколяции в этом сплаве. Обращает на себя внимание осциллирующий характер зависимости ев(х) выше концентрационного порога. Это может свидетельствовать о неоднородности магнитной структуры композита.
X, аі.%
Рис. 2. Влияние концентрации металлической фазы на число скачков Баркгаузена в композите (Со„Бе39 В2(1)х(А1203),оо.х (измерения нормально поверхности образца)
X, а1%
Рис.З. Влияние концентрации металлической фазы на число скачков Баркгаузена в композите (Со4¡Ре^ В2о)х(А120з) юо.х (измерения параллельно поверхности образца)
Измерения электросопротивления и скачков Баркгаузена фиксируют различные физические структурные особенности строения композита. На этом основании можно предположить, что при измерении электросопротивления в проводимости композита участвуют все металлические гранулы, а при измерении ЭБ, по-видимому, процесс пере-магничивания осуществляется только за счет кластеров, которые состоят преимущественно из ферромагнитных элементов, кобальта и железа. Таким образом, эффект Баркгаузена оказывается более чувствительным к флуктуациям структуры материала.
Если построить зависимость числа скач-
30 40 50 60
X, аЬУо
Рис. 4. Влияние концентрации металлической фазы на число скачков Баркгаузена в композите (Со^е^гю ) х(А1203)юп.х (измерения нормально поверхности образца)
ков Баркгаузена за фиксированное число циклов перемагничивания, в нашем случае около 30 циклов, то мы наблюдаем при таких измерениях скачков (двумя типами датчиков) типичные зависимости, представленные на рис. 2 и 3. Осциллирующий характер таких зависимостей за концентрационным порогом магнитного упорядо-
X, а1%
чения сохраняется. Для данного композита Рис. 5. Влияние концентрации металлической фазы на число скачков Баркгаузена в композите (Со45Ре451г,0)х (¿ЬО^/оо-х (измерения параллельно поверхности образца)
влияния на концентрационный порог магнитного упорядочения способа измерения СБ не обнаружено.
Исследование композита (Со45ре452г10)х (АЬ03) 100-х выявило наличие как общих, так и специфических элементов в поведении исследованных нами композитов при измерении ЭБ. Перколяци-онному порогу для этого сплава отвечает х « 42 ат.%. Однако неоднородность магнитного упорядочения (см. рис. 4 и 5) выражена в заметно большей степени, чем В композите (Со41Ре39
В2о)х(А12Оз)юо-х- По данным анализа спектра шумов Баркгаузена наблюдаются два концентрационных порога магнитного упорядочения: один при измерении СБ датчиком, ось которого нормальна плоскости образца (он близок к перколяционному порогу при измерении электросопротивления); другой при измерении датчиком, ось которого параллельна плоскости образца составляющей СБ (х «58 ат.%). Это необычное явление можно связать с наличием магнитной текстуры в композите этого типа. Типично появление серии СБ при концентрациях металлических атомов, меньших концентрационного порога магнитного упорядочения. Можно полагать, что такие аномалии обусловлены наличием в структуре композита достаточно больших по объему кластеров, состоящих преимущественно из атомов ферромагнитных элементов.
Как известно, отжиг наногранулированных композитов сопровождается коагуляцией гранул (или кластеров) и переходом их в кристаллическое состояние, что в конечном итоге должно приводить к изменению всего комплекса свойств материала. Проделанные в этом направлении эксперименты показали, что отжиг при 400 °С не оказывает значимого влияния на спектры шумов Баркгаузена композитов с приблизительно одинаковым количеством металлических атомов. Однако отжиг в магнитном поле (см. таблицу) существенно влияет на эти характеристики.
В частности, для композита (Со4,Ре.39 В20)х (А12Оз)юо-х при х = 63.7 ат.% число СБ после такой обработки увеличивается более чем в 6 раз. Для других составов, отличающихся по концентрации металлических атомов всего на несколько процентов, это влияние выражено в меньшей степени. Тенденция к увеличению числа СБ при отжиге в магнитном поле отмечается и для композита (Со45ре45гг10)х (А1203)10о-х (см. таблицу). Причем, как для одного композита, так и для другого, с уменьшением количества металлической фазы влияние отжига в магнитном поле на число СБ уменьшается.
Предположительно, это связано с изменением ориентации векторов намагниченности металлических частиц. Если температура отжига превышает температуру Кюри, а именно эта ситуация реализована в наших экспериментах, то при охлаждении в магнитном поле происходит преимущественная ориентация вектора спонтанной намагниченности по полю, что и приводит в последующем к возрастанию числа СБ.
Исследование процессов намагничивания композитов, а также хорошая аппроксимация полученных результатов функцией Ланжевена свидетельствуют об отсутствии взаимодействия гранул
Чжм сшткт Бщжгаузена 'Ш ЗО цшат тремагничтшшя в зависимости от структурного состояния
тмптитт и концентрации меттлтеской фалы.
Композит Количество металлической фазы х, ат.% Число скачков Баркгаузена
Исходное состояние После отжига в магнитном поле
(С%£е#2г|Д(А 63 Л 42 98
62.5 34 66
59.8 2 8
(С©4|РЄи) ВздХ((АЬО})|<Ю'* 63.7 250 1567
61.3 156 250
58.3 108 126
друг є другом и об отсутствии взаимодействия их ттипшх моментов в композитах до составов, менших порога перколяции. Проведенный в [3] анализ свидетельствует о том, что в данном случае эти композиты находятся в весуперпарамагнитном состоянии, Однако результаты измерения ЭБ показывают, что в композитах (Со^Ре^ггкз)* (ЛІгОз)і(х^ доперкодяшюнного состава имеются образцы с взаимодействующими друг с другом магнитными моментами отдельных гранул. Интересно, что данные об измерении магнитной проницаемости, и данные по концентрационной зависимости числа СБ свидетельствуют, что
концентрационный порог магнитного упорядочения наблюдается при несколько меньшей доле металлической фазы, чем это можно зафиксировать при измерении электропроводности. Причина ЭТОГО понятна, поскольку для взаимодействия магнитных моментов металлических гранул механический контакт между ними не обязателен. При измерении электропроводности наличие механическою контакта между определенным числом гранул является весьма существенным фактором при нахождении порога перколяции.
Объем композита, участвующий в процессе пе-ремнгничивания, имеет в нашем случае порядок
0.2 тт\ Размер гранул по данным электронно-микроскопического анализа не превышает 10 нм. Следовательно, в процессе перемагничивания за порогом перколяции одновременно участвует не менее Ю11 10й гранул. Возникает необычная с
точки зрения привычных представлений ситуация. Синхронное поведение вектора спонтанной намагниченности отдельных наночастиц свидетельствует о появлении малоизвестной перколяционной ситуации, связанной не с изменением типа электрической проводимости, как это обычно при-пято считать (см,, например [4, 5], а с возникновением некоторого механизма, обеспечивающего коллективный и самосогласованный отклик огромного числа практически неподвижных частиц на воздействие внешнего магнитного поля. При этом вектор спонтанной намагниченности каждой
частицы вращается синфазно с изменением направления намагничивающего поля и весь конгломерат ферромагнитных наночастиц ведет себя как один макроскопически значимый магнитный домен.
Весь спектр значений СБ за порогом перколяции носит явно выраженный стохастический характер и совершенно не коррелирует с плавным ходом изменения электросопротивления. Магнитная структура композита в целом имеет тенденцию к усилению в ней ЭБ, в данном случае - способности к согласованному вращению вектора спонтанной намагниченности гранул во внешнем магнитном поле с увеличением числа и суммарного объема металлических гранул, участвующих в процессе перемагничивания. Дискретный характер этого процесса связан, по-видимому, с изменением условий формирования гранулированной металлической фазы при увеличении концентрации металлических атомов в композите.
Закономерным следствием полученных результатов является предположение о том, что природа скачков Баркгаузена в нашем случае не связана со скачкообразным смещением границ магнитных доменов, а имеет более сложную природу. Переход композита в это новое состояние вещества совершается в весьма узком и достаточно точно определяемом концентрационном интервале. Тот факт, что концентрация металлической фазы, при которой наблюдается возникновение магнитного упорядочения, зависит от способа измерения СБ, свидетельствует, как мы полагаем, о наличии пространственной неоднородности распределения магнитных моментов в объеме данного композита. При этом композиты, расположенные за порогом перколяции и обладающие магнитным упорядочением, в свою очередь, можно разделить на две группы: с фрактальной структурой из ферромагнитных проводящих каналов в диэлектрической матрице (с концентрацией металлической фазы меньшей ~ 58 %) и с "объемной" аморфной ферромагнитной фазой сплава РеСоВ с включениями диэлектрической фазы (с концентрацией металли-
ческой фазы большей -58%). В композитах первой группы вследствие анизотропии формы образцов (-60x2x0.01 мм3) устанавливается магнитная структура с осью легкого намагничивания, лежащей в плоскости образца вдоль его продольной оси. Наличие магнитной анизотропии приводит к фиксированию двух концентрационных значений порога магнитного упорядочения в композите (С045ре452г1о)х(А12Оз)1оо.х: одного при измерении нормальной составляющей СБ; другого при измерении тангенциальной составляющей СБ.
При термомагнитном отжиге помимо анизотропии формы образца на магнитную структуру ферромагнитных композитов оказывает влияние анизотропия, наведенная магнитным полем. Конкуренция этих двух факторов приводит к формированию неоднородной магнитной структуры, зависящей от концентрации магнитной фазы. Для композитов с гранулированной и фрактальной структурой гранул внешнее магнитное поле, применяемое при термомагнитной обработке, оказывается недостаточным для формирования наведенной магнитной анизотропии и при концентрации металлической фазы х < 58 % значения числа СБ не отличаются от таковых после обычной термической обработки.
Для составов композитов х > 62 % металлической фазы магнитная анизотропия, наведенная магнитным полем, начинает конкурировать с анизотропией формы и приводит к росту величин СБ. Следует отметить, что при формировании “сплошной” магнитной среды с включениями гранул диэлектрической фазы число СБ после термомагнитного отжига заметно увеличивает свои значения по сравнению с исходным состоянием.
Выводы
1.На композитах с различной концентрацией и типом металлической фазы обнаружен концентра ционный прог порог магнитного упорядочения.
Он связан с переходом от парамагнитного состояния композита к ферромагнитному.
2. Установлена корреляция между влиянием концентрации металлических атомов на электросопротивление композитов и параметрами спектров скачков Баркгаузена. Причем, концентрационный порог магнитного упорядочения на несколько процентов ниже порога перколяции.
3 В композите, содержащем в металлической фазе цирконий, обнаружена ориентационная зависимость концентрационного порога магнитного упорядочения.
4 Отжиг в магнитном поле может увеличить число скачков Баркгаузена в несколько раз по сравнению с исходным состоянием или просто отжигом без магнитного поля. Этот эффект возрастает с ростом числа металлических атомов в композите и зависит от его состава.
Список литературы
1. Kalinin Yu. E., Sitnikov A. V., Skryabina N. E. at al. II Technical Physics Leiters 2002. Vol. 29, N 5. P.361.
2. Белоногов E. K., Калинин Ю. E., Ситников Ф. В. и др. II Вестн. Перм. ун-та. 2003. Вып. 1. Физика. С. 26.
3. Стогней О. В., Калинин Ю. E., Ситников А. В. и др. II Физика металлов и металловедение. 2001. Т. 91, № 1.С. 24.
4. Kalinin Yu. E., Sitnikov A. V., Stognei О. V. et al. ции онный порог магнитного упорядочения. Он ции онный порог магнитного упорядочения. Он // Material Science and Engineering. 2001. Vol. 304-306. P. 941.
5. Калинин IO. E., Пономарь A. Т., Ситников A. В. и др. // Физика и химия обработки материалов. 2001. №5. С. 14.
