CC BY
8ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ГРАНУЛИРОВАННЫХ НАНОКОМПОЗИТОВ
(C°40Fe40B20)x(SiO2)l00-x
В.А. Калаев, Ю.Е. Калинин, A.B. Ситников
Воронежский государственный технический университет Московский пр., 14, Воронеж, 394026, Россия Тел.: (0732) 46-66-47; факс: (0732) 46-32-77; e-mail: kalinin@ns1.vstu.ac.ru
Concentration dependences for actual (|) and imaginary (|j") parts of a complex magnetic permeability of (Co40 Fe40 B20 )x(SiO2)100x nanocompounds obtained by ion-beam deposition of combined targets. It was shown that in the curves of the magnetic permeability versus the metallic phase composition, the (|) and (|''), as far as the percolation threshold goes, are not affected. Beyond the threshold, the growth of and was observed relating to the transition from a supermagnetic condition to ferromagnetic one. A strong dependence of magnetic properties on subsequent thermal and thermomagnetic processes was observed.
Нанокомпозиты представляют собой почти идеальные системы для исследования их физических свойств, поскольку в них относительно просто можно изменять концентрацию ферромагнитной фазы и управлять параметрами пленок. В частности композиты с ферромагнитными гранулами обладают гигантским магнитосоп-ротивлением [1-3], достигающим ~13 % при комнатной температуре [4], а также аномальным эффектом Холла [5-6], высокими значениями магниторефрактивного эффекта [7] и эффекта Керра [8]. Исследования магнитных свойств нанокомпозитов с ферромагнитными гранулами в диэлектрической матрице показали [9], что если объемная доля металла мала, гранулы однодоменны и проявляют суперпарамагнитные свойства, а если объемная доля металла такова, что гранулы образуют связанную фрактальную сетку, то композит является магнитомяг-ким ферромагнетиком. Одна из возможных областей использования наногранулированных композитов — магнитомягкие материалы сердечников магнитных головок, применяемых в аппаратуре записи и воспроизведения информации, для которых наиболее важны их высокочастотные магнитные свойства.
В настоящей работе исследовались зависимости действительной (ц') и мнимой (ц'') частей комплексной магнитной проницаемости от состава металлической фазы композитов системы (Со40Ге40В20)х^Ю2)100-х резонансным методом с ориентацией переменного измерительного поля частотой ~25 МГц в плоскости пленки параллельно продольной оси образца по методике, опи-
санной в [10]. Исследованные в работе композиты были получены ионно-лучевым распылением составных мишеней, представляющих собой сплавную металлическую основу сплава Со40Ге40В20, на поверхности которой было размещено несколько пластин кварца [11]. Изменение числа пластин позволяло варьировать состав напыляемых композитов (соотношение металлической и диэлектрической фаз) в широких пределах. Благодаря конструктивным особенностям оригинальной установки распыление мишени осуществлялось при достаточно низком давлении аргона (5 • 10-4 Торр), что обеспечивало чистоту напыляемой пленки и крайне низкое содержание аргона в образцах. Композит осаждался на ситалловые подложки при температуре подложки не более 393 К. Толщина полученных образцов составляла 5-15 мкм. Далее подложки разрезали на полоски длиной 60 мм и шириной 2,95 мм. Относительная погрешность в определении ц' и ц'' составила 8 %. Низкочастотные магнитные свойства измерялись на вибрационном магнитометре.
В исходном состоянии нанокомпозитов (Со40Ге40В20)х^Ю2)100-х в диапазоне концентраций от 33 до 43 ат. % металлической фазы значения ц' и ц'' не изменяются (рис. 1, кривые 1 и 4 соответственно), что связано с суперпарамагнитным состоянием пленок, когда концентрация металлической фазы такова, что энергия взаимодействия гранул друг с другом меньше тепловой энергии кТ, т. е. магнитный момент гранул не закреплен [12].
Поскольку магнитный момент каждой из гранул ориентирован вдоль оси легкого намаг-
Водород в металлах и сплавах
х, ат. %
Рис. 1. Зависимости ц' (кривые 1, 2, 3) и ц'' (кривые 4, 5, 6) нанокомпозитов (Со40Ре40В20)х^Ю2)100_х от содержания металлической фазы при частоте 25 МГц: 2, 5 — исходное состояние; 3, 6 — после 30 мин отжига при 350 °С; 1, 4 — после 30 мин отжига в перпендикулярном магнитном поле при 250 °С
ничивания случайным образом, намагниченность образца в целом равна нулю. При наложении внешнего магнитного поля магнитные моменты гранул ориентируются по полю независимо от ориентации образца (рис. 2).
При дальнейшем увеличении концентрации металлической фазы (х > 43 ат. %) наблюдается рост ц' и ц'' (см. рис. 1), связанный с уменьшением расстояния между гранулами. Начинают проявляться эффекты магнитных диполь-диполь-ного и обменного взаимодействий между гранулами. Это приводит к переходу в магнитоупо-рядоченное состояние областей (магнитных кластеров), содержащих несколько гранул. При последующем повышении концентрации металлической фазы магнитные кластеры растут. При х = 49 ат. % металлической фазы в материале происходит перколяционный переход, и в образце формируется бесконечный магнитный кластер, ц растет еще больше, что подтверждается измерениями электросопротивления [13].
-4,0 ■ 105 -2,0 ■ 105 0 2,0 ■ 105 4,0 ■ 105
Н, А/м
Рис. 2. Кривые намагничивания при 20 °С гранулированного композита (Со40Ре40В20)40^Ю2)60 в исходном состоянии: ■ — Н || оси образца; О — Н ± оси образца
Рост магнитной проницаемости за порогом перколяции связан с формированием фрактальной структуры из ферромагнитных проводящих каналов в диэлектрической матрице с преимущественным направлением магнитных моментов и увеличением намагниченности образца вслед- я ствие присоединения к бесконечному кластеру ^ новых ферромагнитных гранул. При увеличении * концентрации ферромагнитной фазы выше | 57 ат. % композит представляет собой уже ^
и
«объемный» аморфный ферромагнитный сплав 'Е ГеСоВ с включениями диэлектрической фазы, что ^ способствует формированию доменной магнит- | ной структуры и некоторому снижению ц и ц . й
Для изучения влияния структурной релак- § сации на ц' и ц'' при различном структурном со- с« стоянии композиты подвергались термической и термомагнитной обработке в постоянном магнитном поле Н ~ 16000 А/м, приложенном перпендикулярно продольной оси образца, при 250 °С в течение 30 мин. Следует отметить, что поведение ц и ц до и после отжига в окрестности пер-коляционного фазового перехода не меняются, т. е. отсутствуют механизмы, влияющие на поля локальной магнитной анизотропии.
В композитах, расположенных за порогом перколяции, изотермический отжиг приводит к тому, что вследствие анизотропии формы образцов (~60 х 2,95 х 0,01 мм3) устанавливается магнитная структура с осью легкого намагничивания, лежащей вдоль продольной оси образца. В результате такой перестройки магнитной структуры наблюдается резкий спад ц' и ц'' после х = 46 ат. % (см. рис. 1, кривые 3 и 6), что связано с ориентацией высокочастотного измерительного поля параллельно продольной оси образца. При такой схеме измерения поворот вектора намагниченности практически отсутствует, а из-за высокой частоты процессы смещения доменных границ не оказывают влияния на магнитную проницаемость и наблюдаются низкие значения ц и ц .
При термомагнитном отжиге помимо анизотропии формы образца на магнитную структуру ферромагнитных композитов оказывает влияние анизотропия, наведенная перпендикулярным 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 при термомагнитной обработке оказывается недостаточным для формирования наведенной магнитной анизотропии, и при концентрации металлической фазы х <52 ат. % значения ц и ц не отличаются от значений после обычной термической обработки.
Для составов композитов с концентрацией металлической фазы х >52 ат. % магнитная анизотропия, наведенная перпендикулярным магнитным полем, начинает конкурировать с ани-
В. А. Калаев, Ю. Е. Калинин, А. В. Ситников
Высокочастотные магнитные свойства гранулированных нанокомпозитов (Co40Fe40B20)x(SiO2)]
Рис. 3. Кривые намагничивания при 20 °С гранулированного композита (Со40Ре40В20)64^Ю2)36 после термомагнитной обработки при 350 °С в течение 30 мин в постоянном магнитном поле Н ~ 16000 А/м: ■ — Н || оси образца; О — Н ± оси образца
зотропией формы и приводит к росту ц' и ц''. Следует отметить, что при формировании «сплошной» магнитной среды с включениями гранул диэлектрической фазы значения магнитной проницаемости после термомагнитного отжига заметно увеличиваются по сравнению с исходным состоянием. При этом ось легкого намагничивания композитов еще остается ориентированной вдоль продольной оси образца (рис. 3).
Таким образом, высокочастотная комплексная магнитная проницаемость в исследованных нанокомпозитах (Со40Ге40В20)х^Ю2)100-х определяется концентрацией ферромагнитной фазы и магнитной структурой, формируемой в процессе получения и последующей термической или термомагнитной обработки.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 03-02-96486) и МО РФ на поддержку ведущих научно-педагогических коллективов.
Список литературы
1. Gerber A., Milner A., Groisman B., Kar-povsky M., Gladkikh A. // Phys. Rev. B. 1997. Vol. 55, No. 10. P. 6446-6452.
2. Honda S., Okada T., Nawate M. // J. of Magnetism and Magnetic Materials. 1997. Vol. 165. P. 153-156.
3. Yakushiji K., Mitani S., Takanashi K. // J. of Magnetism and Magnetic Materials. 2000. Vol. 212. P. 75-81.
4. Kobayashi N., Ohnuma S., Masumoto T., Fujimori H. // J. Appl. Phys. 2001. Vol. 90, No. 8. P. 4159-4162.
5. Аронзон Б. А., Варфоломеев A. E., Ликаль-тер А. А., Рыльков В. В., Седова М. В. // Физика твердого тела. 1999. Т. 41. Вып. 6. С. 944-951.
6. Denardin J. C., Pakhomov A. B., Knobel M., Liu H., Zhang X. X. // J. Phys.: Condens. Matter. 2000. Vol. 12. P. 3397-3399.
7. Быков И. В., Ганьшина E.A., Грановский А. Б., Гущин В. С. // Физика твердого тела. 2000. Т. 42, №3. C. 487-491.
8. Кимель А. В., Писарев Р. В., Ржевский А. А., Калинин Ю. E., Ситников А. В., Стог-ней О. В., Бентивегна Ф., Рэсинг Т. // Физика твердого тела. 2003. Т. 45, № 2. С. 269-272.
9. Mitani S. Co-(N, O)-based granular thin films and their soft magnetic properties // J. Alloys Compounds. 1995. Vol. 222. P. 167-172.
10. Калаев В. А., Калинин Ю. E., Нечаев В. Н., Ситников А. В. // Вестник Воронежского государственного технического университета. Сер. Материаловедение. 2003. Вып. 1.13. С. 38-42.
11. Ситников А. В. // Выездная секция международ. семинара по проблемам магнетизма в магнитных пленках, малых частицах и наност-руктурных объектах. Астрахань, 2003. С. 75-79.
12. Вонсовский С. В. Магнетизм. М.: Наука, 1971.
13. Калинин Ю. E., Пономаренко А. Т., Ситников А. В., Стогней О. В. //Физика и химия обработки материалов. 2001. № 5. С. 14-20.
