РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2009, том 54, № 11, с. 1387-1390
РАДИОФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ ^^^^^^^^ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ И ПЛАЗМЕ
УДК 537.8; 539.21
ВЛИЯНИЕ ТОЛЩИНЫ СТЕКЛЯННОГО ПОКРЫТИЯ НА МАГНИТОИМПЕДАНС АМОРФНЫХ МИКРОПРОВОЛОК
© 2009 г. А. С. Антонов, Н. А. Бузников, А. Л. Дьячков, А. А. Рахманов, В. В. Самсонова, Т. А. Фурманова
Исследовано влияние толщины стеклянного покрытия на магнитоимпеданс аморфных микропроволок на основе кобальта. Микропроволоки с различной толщиной стекла получены путем стравливания стеклянного покрытия раствором плавиковой кислоты. Обнаружено, что при уменьшении толщины покрытия магнитоимпедансное отношение существенно не изменяется, несмотря на уменьшение величины внешнего магнитного поля, при котором импеданс достигает максимума. Экспериментальные результаты объяснены в рамках модели, учитывающей изменение радиального распределения осей анизотропии при уменьшении толщины стеклянного покрытия.
Аморфные микропроволоки, изготовленные методом Тэйлора-Юлитовского, представляют собой жилу из аморфного металлического сплава со стеклянным покрытием размером несколько микрон. Такие микропроволоки имеют необычные магнитные и высокочастотные свойства и используются в датчиках слабого магнитного поля [1]. С точки зрения чувствительности к полю наиболее значимым является эффект гигантского магнито-импеданса (ГМИ), который проявляется в сильном изменении импеданса проводника во внешнем магнитном поле [2]. Природа возникновения этого эффекта в аморфных микропроволоках тесно связана с их магнитной структурой.
Магнитная структура аморфных микропроволок определяется распределением внутренних напряжений, возникающим в них вследствие магнитострик-ционного эффекта [3]. Напряжения возникают в образце при изготовлении. В микропроволоках со стеклянным покрытием присутствуют как закалочные, так и магнитоупругие напряжения, возникающие на границе металл-стекло при остывании расплава из-за различия в коэффициентах теплового расширения аморфного металла и стекла. При этом магнитоупругие напряжения являются доминирующими [4].
Сочетание закалочных и магнитоупругих напряжений приводит к образованию особой доменной структуры. В случае отрицательной константы маг-нитострикции аморфного металла направление легкой оси анизотропии является азимутальным. Во внутренней области направление легкой оси радиальное или продольное, в зависимости от соотношения между магнитоупругой и магнитостатиче-ской энергиями [5]. При этом область с азимутальной анизотропией занимает практически весь объем металлической жилы [6, 7]. Удаление стеклянного покрытия вызывает уменьшение напряжений и изменение распределения осей анизотропии
[3], что может привести к улучшению ее магнито-мягких свойств и возрастанию магнитоимпеданса.
Цель данной работы - исследование магнитоим-педансных характеристик микропроволок с отрицательной константой магнитострикции при стравливании стеклянного покрытия. В эксперименте наблюдалось, что магнитное поле, при котором импеданс достигает максимума, уменьшается с увеличением времени стравливания. Это связано с уменьшением эффективной анизотропии в образце. Однако вопреки ожиданиям магнитоимпедансное отношение существенно не изменяется. Для описания экспериментальных результатов предложена модель, в рамках которой показано, что наблюдаемый эффект может быть объяснен особенностями распределения осей анизотропии по радиусу микропроволоки.
Исследованные микропроволоки имели следующий состав: Со6825Ре4.5811225Б15. Диаметр аморфной части микропроволоки составлял 10 мкм, а толщина стеклянного покрытия исходного образца была равна 1.5 мкм. Для измерения импеданса использовались образцы длиной 7 мм. С целью изменения толщины стекла покрытие стравливали раствором плавиковой кислоты. Зависимость импеданса от внешнего магнитного поля измеряли для образцов, полученных путем стравливания стекла в течение различного времени. Измерения проводили в диапазоне частот от 0.5 до 25 МГц во внешнем постоянном магнитном поле Явн, которое изменялось от -36 до 36 Э.
На рис. 1 показана зависимость импеданса X от внешнего магнитного поля Нвн, измеренная на двух частотах для образцов, полученных после стравливания в течение различного времени ?трав. Отметим, что при ?трав = 120 с практически все стекло стравливалось. Для удобства на рис. 1 значения импеданса приведены к сопротивлению микропроволоки постоянному току Я0. Результаты представлены толь-
г /я0 1.20
г /яо 1.5
(а) 2
Явн, Э
(б)
н,
4
Э
Рис. 1. Измеренная зависимость импеданса X от внешнего магнитного поля Нвн при частоте 0.5 МГц (а) и 2 МГц (б) для образцов, полученных при различном времени стравливания £ррав. Кривые 1-4 соответству-
ют Г
трав
= 0; 7; 60; 120 с.
ко для положительных значении внешнего поля, так как измеренная зависимость импеданса симметрична относительно знака магнитного поля.
Из рис. 1 следует, что внешнее магнитное поле, соответствующее максимуму импеданса, уменьшается с увеличением времени стравливания. Это обстоятельство может быть объяснено снижением
термоупругих напряжении, что приводит к уменьшению анизотропии в микропроволоке. Можно было ожидать, что импеданс будет возрастать вследствие увеличения магнитноИ проницаемости. Однако с уменьшением толщины стеклянного покрытия магнитоимпедансное отношение существенно не изменялось и даже уменьшалось при > 60 с. Отметим, что аналогичные изменения импеданса со временем стравливания наблюдались во всем исследованном диапазоне частот.
Наблюдаемая в эксперименте зависимость импеданса от внешнего поля может быть объяснена изменениями радиального распределения осеИ анизотропии в микропроволоке в процессе стравливания стеклянного покрытия. Рассмотрим следующую качественную модель. Будем предполагать, что в исходноИ микропроволоке анизотропия является азимутальноИ, за исключением малоИ области вблизи оси образца, где ось анизотропии имеет продольное направление. Стравливание стеклянного покрытия приводит к релаксации внутренних напряжениИ и к изменениям распределения осеИ анизотропии в микропроволоке. Полагаем, что эти изменения происходят следующим образом. Поле анизотропии Н1 внешнеИ области с азимутальным направлением легкоИ оси уменьшается, а диаметр продольно-намагниченноИ внутреннеИ области й возрастает с уменьшением толщины стекла. В то же время анизотропия во внешнеИ области становится геликоидальноИ и ось анизотропии отклоняется на угол у по отношению к азимутальному направлению.
Возникновение геликоидальноИ анизотропии может быть связано с влиянием закалочных напряжениИ, возникающих при изготовлении микропроволоки. Кроме того, ось анизотропии может отклоняться от азимутального направления, чтобы компенсировать увеличение магнитостатическоИ энергии, обусловленноИ возрастанием размера продольно-намагниченноИ внутреннеИ области. В частности, разрушение однородного распределения намагниченности и постепенныИ поворот легкоИ оси от азимутального к продольному направлению на концах образца возникают в аморфных проволоках на основе кобальта, полученных методом вытягивания из расплава [8]. Отметим также, что геликоидальная анизотропия наблюдалась в поверхностном слое аморфных микропроволок с малоИ отрицательноИ магнитострикциеИ при помощи магнитооптического эффекта Керра [9].
Расчет импеданса был основан на совместном решении уравнениИ Максвелла и уравнения Лан-дау-Лифшица в предположении об однодоменноИ структуре во внешнеИ и внутреннеИ областях. При вычисление магнитноИ проницаемости мы пренебрегали размагничивающими полями и вкладом об-менноИ энергии. В этом случае тензоры магнитноИ проницаемости для разных областеИ могут быть
ВЛИЯНИЕ ТОЛЩИНЫ СТЕКЛЯННОГО ПОКРЫТИЯ НА МАГНИТОИМПЕДАНС
1389
найдены решением линеаризованного уравнения Ландау-Лифшица [10]. Распределение электрического и магнитного полей определялось из решения уравнений Максвелла с учетом полученных тензоров магнитной проницаемости, а в качестве граничных условий использовались условия непрерывности компонент полей на границе внутренней и внешней областей и на поверхности аморфной части микропроволоки. После этого определялись тензор поверхностного импеданса образца и зависимости импеданса от частоты и внешнего поля. Методика расчета импеданса в проволоке с двумя областями, имеющими различные значения магнитной проницаемости, подробно описана в работе [11].
На рис. 2 показана зависимость импеданса от внешнего магнитного поля, рассчитанная для двух значений частоты возбуждающего тока. Для расчетов были использованы следующие типичные параметры микропроволоки на основе кобальта: намагниченность насыщения М = 600 Гс, поле анизотропии внутренней области Н2 = 2.2 Э, проводимость а = 1016 с-1 и параметр затухания Гильберта к = 0.1. Кривые 1 на соответствуют импедансу исходной микропроволоки, а кривые 2 и 3 качественно описывают изменения импеданса с увеличением времени стравливания стеклянного покрытия. Предполагается, что размер внутренней области и угол оси анизотропии во внешней области у возрастают с уменьшением толщины покрытия.
Вследствие этих изменений в распределении легких осей эффективная магнитная проницаемость микропроволоки существенно не возрастает. В результате магнитоимпедансное отношение остается практически неизменным, несмотря на уменьшение поля анизотропии вблизи поверхности металлической жилы. Отметим, что мы пренебрегли изменением поля анизотропии во внутренней области при уменьшении толщины стеклянного покрытия, так как при малых полях магнитная проницаемость этой области меньше, чем вблизи поверхности, и основное влияние внутренней области на магнитоим-педанс связано с увеличением ее размера.
Из сравнения рис. 1 и рис. 2 видно, что рассчитанные зависимости импеданса от магнитного поля качественно описывают экспериментальные результаты. Количественные расхождения между результатами расчета и эксперимента связаны с приближениями, сделанными в рамках модели. В частности, мы пренебрегали доменной структурой и, как следствие, влиянием движения доменных границ на импеданс, которое может быть существенным в области малых в
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.