IX. Микромагнетизм нанокристаллических ферромагнетиков

 

До сих пор мы рассматривали микромагнитные структуры кристаллических систем, подразумевая кристаллы, в основном, большого размера, больше чем размер домена. В главе VIII мы видели, что частицы малого размера могут быть однодоменными. При этом подразумевалось, что частицы являются магнитно- изолированными. Каковы будут магнитные свойства и микромагнитная структура поликристалла с малым размером зерна? Аморфного магнетика? В главе V мы отмечали, что эффект Баркгаузена и коэрцитивная сила ферромагнетика могут быть связаны с наличием дефектов, препятствующих свободному движению доменных границ. Если это так, то не будут ли границы зерен в поликристалле, и, тем более, в нанокристалле при их очень высокой плотности еще больше тормозить движение доменных стенок, резко повышая коэрцитивную силу?

Действительно, исторически системы с малоразмерными частицами обсуждались в основном как магнитожесткие материалы (см.,например, [1]). Применение нанокристаллических микроструктур на базе сплавов NdFeB, PrFeB, SmCo и т.д. для жестких магнитов исследуется и в настоящее время (например, [2-4]). Соответственно, магнитомягкие свойства - низкую коэрцитивность и высокую магнитную проницаемостью, старались получить в материалах с размером зерна как можно большим (см, например, [5]).

Ситуация начала изменяться с развитием исследований аморфных магнитомягких материалов [6] и особенно после того, как было обнаружено, что нанокристаллические материалы с ультрамалым размером зерна обладают превосходными магнитомягкими свойствами [7,8] в сочетании с высокой намагниченностью насыщения порядка M_s ≈1.2 Тл. Исследования показали [8,9], что, действительно, коэрцитивность растет с уменьшением размера зерна, но только до D~100 нм. При дальнейшем уменьшении D - коэрцитивность падает, в хороших магнитомягких материалах, называемых ультрамагнитомягкими, ниже 1 Э при размере зерна меньше 10 нм, рис. 9.1а. Соответственно, магнитная проницаемость растет в нанокристаллических ультрамагнитомягких ферромагнетиках, достигая 10⁵ при D≈1нм, рис. 9.1б. Для получения ультрамагнитомягких материалов используются различные методы осаждения тонких пленок, а также методы резкого охлаждения жидкого расплава, например, на холодном вращающемся диске.

 

Теория Герцера

Согласно теории Герцера, магнитные свойства ансамбля малоразмерных зерен зависят от соотношения энергии локальной магнитной анизотропии и ферромагнитной обменной энергии. В крупнозернистых образцах вектор намагниченности ориентируется вдоль оси легкого намагничения (ОНЛ), т.е. намагниченность определяется магнито-кристаллической анизотропией К₁ кристаллитов. С уменьшением размеров зерен относительный вклад обменного взаимодействия становится все выше, возникает скоррелированность в ориентации магнитных моментов зерен и, в конечном счете, они ориентируются параллельно друг другу.

Где находится грань между размерами зерен с хаотической и строго параллельной ориентацией магнитных моментов? Этот критический размер зерна определяется расстоянием действия обменных сил (в принятой терминологии - обменная длина - exchange length). О величине обменной длины можно судить по толщине доменной границы. Действительно, толщина доменной границы, δ, определяется балансом между анизотропией и обменной энергией. Рассмотрение в главе VI приводит к оценке (6.21), δ = p(A/K₁)^1/2 = pd₀, где A = JS²/a - плотность обменной энергии. Величина d₀ = δ/π принята за обменную длину. Для Fe, J = 2.16 10^-21 Дж, S =1, а = 2.86 10^-10м, К₁ = 4.6 10⁴ Дж/м³, имеем А = 7.5 10^-12 Дж/м и δ = 1.28 10^{-8 м = 12.8 нм и δ}₀ = 4.08 нм.

 

Модель хаотической анизотропии.

(Random Anisotropy Model).

Эта модель была предложена Альбеном и др [10]. Идея схематично прорисована на рис. 9.2. Имеется ансамбль ферромагнитно связанных зерен размера D с магнитокристаллической хаотично ориентированной анизотропией К₁. Эффективная анизотропия, определяющая процесс намагничения, образуется усреднением по N = (δ₀/D)³ зернам в объеме V = (δ₀)³, определяемом обменной длиной. Для конечного числа зерен N, всегда будет некоторое направление, которое намагничивается легче других и которое определяется статистическими флуктуациями. Как следствие, результирующая плотность энергии анизотропии <K> определяется средней амплитудой флуктуаций энергии анизотропии N зерен, т.е.

<K>=K₁/√N=K₁(D/δ₀)^3/2. (9.1)

В свою очередь обменная длина δ₀ будет определяться в этих самосогласованных условиях уже средней анизотропией <K>, а не K₁, т.е.

δ₀ = (А/<K>)^1/2. (9.2)

Ренормализация δ₀ есть следствие конкуренции анизотропии и обменной энергии: по мере того, как магнитокристаллическая анизотропия подавляется обменной энергией, расстояние, на котором обменная энергия доминирует, возрастает и локальная анизотропия усредняется более эффективно. Эта тенденция приводит к увеличению обменной длины до характерных значений в 30-40 нм.

Комбинация (9.1) и (9.2), в конечном счете, дает зависимость <K> ~ D⁶, т.е.

<K> = (K₁⁴/ A³)D⁶, (9.3)

которая выполняется при размерах зерен D< δ₀. Поскольку использовались лишь статистические аргументы, данный вывод не зависит от того, является ли анизотропия одноосной или другого типа, скажем кубической.

Как будет видно из следующей главы коэрцитивная сила и магнитная проницаемость в кристаллах связаны с анизотропией выражениями

H_c = p_c (K₁/I_s), (9.4а)

μ = p_μ (I_s²/μ₀K₁), (9.4б)

где p_c и p_μ коэффициенты, зависящие от симметрии решетки кристалла и механизма намагничения (смещения доменных стенок или вращения намагниченности). В условиях мелкозернистой структуры с подавлением магнитокристаллической анизотропии выражения (9.4), с учетом (9.3) преобразуются в следующий вид:

H_c = p_c (<K>/I_s) ≈ p_c (K₁⁴D⁶)/(I_sA³), (9.5а)

μ = p_μ (I_s²/μ₀ <K>) ≈ p_μ (I_s² A³)/(μ₀ K₁⁴D⁶), (9.5б)

Таким образом, высокая чувствительность эффективной анизотропии к размеру зерна (9.3), передается параметрам магнитомягких свойств нанокристаллических материалов. Как видно из рис.9.1, экспериментальные данные как по H_c, так и по 1/μ, согласуются с зависимостью ~D⁶ до размеров зерна ≈ 40 нм. Подгонка зависимостей (9.5) с использованием параметров материала α-Fe-20 ат% Si к экспериментальным данным в этой области дает p_c = 0.13 и p_μ = 0.5. Эти параметры достаточно хорошо согласуются с параметрами для частиц с кубической решеткой, ориентированной хаотично: p_c = 0.64 и p_μ = 0.33 [11].

Если размеры зерна примерно совпадают с обменной длиной, то магнитные свойства будут определяться выражениями (9.4). Так для α-FeSi и p_c = 0.64, p_m = 0.33 для кубической структуры оценка дает H_c» 35 A/cm (≈0.5Э) и m» 70, что близко к экспериментально наблюдаемым значениям в максимуме H_c и минимуме m.

Если же размер зерен превышает ширину доменной границы δ = pd₀ = p(A/K₁)^1/2 , то процесс намагничения определяется связыванием (пиннингом –pinning) доменных границ на границах зерен. В этом случае,

H_c = p_c (АK₁)^1/2 /(I_sD), (9.6а)

μ = p_μ (I_s²D)/(μ₀ AK₁)^1/2, (9.6б)

с типичными факторами p_c ≈ 6 (3) и p_μ = 0.1 (0.2) для 180⁰ (90⁰) – доменных границ в ансамбле хаотично ориентированных зерен с кубической решеткой. Закон 1/D для Н_с и для 1/μ хорошо установлен экспериментально для поликристаллов Ni-Fe и MnZn (см. также, рис. 9.3).

 

⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: