CC BY
31Решетневские чтения
УДК 621.317.44
Д. А. Великанов
Институт физики имени Л. В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Россия, Красноярск
СКВИД-МАГНИТОМЕТР ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ
В ИНТЕРВАЛЕ ТЕМПЕРАТУР 4,2-370 К
Описан магнитометр на основе СКВИДа постоянного тока, предназначенный для исследования широкого спектра веществ в слабых магнитных полях. Динамический диапазон прибора составляет 2-1(Г8...5-1(Г2 Гс см .
Среди различных методов магнитных измерений в последнее время наибольшее развитие получила СКВИД-магнитометрия, в основе которой лежат эффекты слабой сверхпроводимости в сверхпроводящих квантовых интерференционных устройствах (СКВИДах) [1]. Прежде всего это связано с рекордно высокой чувствительностью метода, достигающей 5 • 10-33 Дж/Гц (чувствительность по магнитному полю ~10-14 Тл). Примечательно, что чувствительность данного метода не зависит от уровня сигнала, на фоне которого проводятся измерения, это позволяет надежно регистрировать малые изменения намагниченности на фоне большой статической величины.
В качестве чувствительного элемента магнитометра применен интегральный СКВИД 1 постоянного тока, который является высокочувствительным детектором магнитного потока (см. рисунок). Сигнал от исследуемого образца 2 к СКВИДу передается посредством короткозамкнутого сверхпроводящего трансформатора магнитного потока, имеющего две сигнальные катушки 3, включенные градиентометри-чески, и входную катушку 4 СКВИДа. СКВИД через согласующий ЬС-контур, а также катушка 5 модуляции и обратной связи подключены к блоку 6 электроники, в котором производится усиление и обработка полезного сигнала, а также формируются сигналы для катушки 5. Минимальный и максимальный регистрируемый магнитный момент образца составляет соответственно 210-8 и 510-2 Гс-см3.
Блок-схема СКВИД-магнитометра
Криогенная часть состоит из азотного и гелиевого сосудов Дьюара, системы откачных и газовых коммуникаций и криогенной вставки. Магнитное поле создается сверхпроводящим соленоидом 7, работающим в короткозамкнутом режиме. И соленоид, и трансформатор оборудованы тепловыми ключами 8, 9. Источник тока соленоида 1( откалиброван так, чтобы на его цифровом индикаторе были отражены значения поля в эрстедах. Диапазон магнитных полей прибора 0... ±1500 Э, точность установки поля 10-2 Э.
Исследуемый образец помещается в ампулу, которая теплоизолирована от гелиевой ванны с помощью вакуумной рубашки. Температуру образца можно изменять, нагревая либо охлаждая ампулу, в пределах 4,2. 370 К. Для контроля температуры служит дифференциальная термопара Аи/0,07 % Ре - Си, ее первый спай 11 размещен вблизи образца, а второй спай 12 помещен в термостат 13. ТермоЭДС данной термопары носит сильно нелинейный характер, при повышении температуры от 4,2 до 370 К чувствительность термопары уменьшается в 7 раз, поэтому сигнал термопары необходимо линеаризовать. Усиление и линеаризация термоЭДС производятся в электронном блоке 14.
Выходы блоков 6, 14 подключаются к двухкоор-динатному графопостроителю 15 либо контроллеру. Для настройки и визуального контроля за работой прибора задействован многоканальный осциллограф 16.
В ходе работ по созданию магнитометра был применен ряд новшеств [2; 3], которые повысили производительность и улучшили эксплуатационные характеристики прибора. Схемотехническое построение электронного блока 6 обеспечивает малое время (~1 мс) и высокую точность (~0,02 % от динамического диапазона на каждом из пределов измерений) установки нуля выходного сигнала магнитометра [2]. За счет конструктивного решения криостата удается сохранять его теплоизоляционные свойства неизменно высокими, отпадает надобность в периодических ре-монтно-восстановительных работах с сосудом Дьюара для жидкого гелия, повышается эффективность использования сосуда Дьюара для жидкого азота [3].
Благодаря высокой чувствительности, магнитометр позволяет исследовать статические магнитные свойства у широкого спектра веществ: от сильномагнитных ферро- и ферримагнетиков до спиновых стекол, мультислойных пленок и наноструктур. Метод
Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической отрасли
СКВИД-магнитометрии имеет большие перспективы при исследовании магнитных характеристик веществ, содержащих незначительное количество магнитных примесей, а также микрограммовых образцов.
Наконец, высокая чувствительность метода позволяет проводить измерения в очень слабых полях менее 10 Э. В ряде случаев, в частности при исследовании ВТСП, это обстоятельство имеет принципиальное значение.
Библиографические ссылки
1. Кларк Дж. Принципы действия и применение СКВИДов // ТИИЭР. 1989. Т. 77. № 8. С. 118-137.
2. Великанов Д. А. Магнитометр со сверхпроводящим квантовым интерферометрическим датчиком. Патент РФ № 2246119, 10.02.2005.
3. В еликанов Д. А. Криостат. Патент РФ № 2304745, 20.08.2007.
D. A. Velikanov
L. V. Kirensky Institute of Physics SB RAS, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Russia, Krasnoyarsk
SQUID-MAGNETOMETER FOR INVESTIGATING THE MAGNETIC PROPERTIES OF MATERIALS IN THE TEMPERATURE RANGE OF 4.2-370 К
A magnetometer based on DC SQUID is described. It is designed to investigate a wide range of substances in weak magnetic fields. The dynamic range of the device is 210 -8.510 -2 emu.
© Великанов Д. А., 2012
УДК 541.124.16 + 662.612
В. А. Коньков
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск
В. Г. Мягков, В. С. Жигалов Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск Институт физики имени Л. В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук, Россия, Красноярск
Г. Н. Бондаренко Институт физики имени Л. В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук, Россия, Красноярск
ТВЕРДОФАЗНЫЕ РЕАКЦИИ В ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНКАХ Ge/Fe(001): СТРУКТУРНЫЕ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
Представлены экспериментальные исследования твердофазных реакций в пленках Ge/Fe. Первой фазой, формирующейся на интерфейсе Fe/Ge при температуре отжига 300 °С, является фаза в - Fe16Ge. При температуре выше 550 С возникает фаза Fe3Ge с магнитными характеристиками K¡ = 1,3510 эрг/см3 и MS = 1080 Гс.
Ферромагнитные полупроводники на основе Si и Ge являются перспективными материалами для устройств спинтроники, они могут эффективно инжектировать спин поляризационные носители в немагнитный полупроводник. В настоящее время ферромагнитные полупроводники FexGei-x привлекают большее внимание, однако природа формирования ферромагнитных FexGe1-x фаз остается неисследованной [1].
В работе исследуются твердофазные реакции в эпитаксиальных пенках Ge/Fe(001). Исходные пленочные структуры Ge/Fe получены последовательным термическим осаждением слоев Ge и Fe на стеклянную и монокристаллическую подложку Mg0(001) в вакууме 10-6 мм рт. ст. В экспериментах использовались образцы с атомным отношением 1Fe:1Ge общей толщиной 200 нм. Осаждение слоев Fe велось при температуре 250 °С, при которой происходил эпитак-
сиальный рост Бе(001) на поверхности Mg0(001). Слои ве осаждались при комнатной температуре для предотвращения твердофазной реакции между слоями ве и Бе. Исходные образцы ве/Ре(001) подвергались термическому отжигу в температурном диапазоне: на Mg0(001) от 300 °С до 700 °С и на стекле от 300 °С до 550 °С, с шагом 50 °С и выдержкой при каждой температуре 40 минут. Измерения магнитной кристаллографической анизотропии К и намагниченности насыщения М8 проводили методом крутящих моментов в максимальном магнитном поле 18 кЭ.
Зависимости нормализированных величин К и М8 от температуры отжига Т приведены на рис. 1. До температуры 300 °С значения К и М8 не зависят от Т, что доказывает отсутствие перемешивания и формирования соединений на интерфейсе германия с железом.
