книги из ГПНТБ / Сухвало, С. В. Структура и свойства магнитных пленок железо-никель-кобальтовых сплавов

Характерные пермпнвариые свойства в наибольшей степе­ ни проявляются после длительного (около 24 час) отжига при температуре ниже точки Кюри в диапазоне 670—770 °К. Та­ кие условия обработки приводят к малым изменениям прони­ цаемости и почти безгистерезисному перемагничиванию в слабых полях; в средних полях петля гистерезиса приобретает

Нi

Рис. 93. Концентрационные зависимости максимальной (а) и начальной (б) магнитных проницаемостей отожженных сплавов Fe—Ni—Со [403—405]

2 7 0

типичную перетянутую форму. В сильных полях перетянутость исчезает, а начальная кривая намагничивания часто выходит за пределы петли гистерезиса. При повышении тем­ пературы перетяиутость петли гистерезиса также исчезает. Это превращение наблюдается в довольно узком интервале температур между 770 и 870 °К н сопровождается увеличени­ ем остаточной индукции (перед ее падением вблизи точки Кюри) и исчезновением прямолинейных участков в начале кривой намагничивания.

После быстрого охлаждения от температуры выше темпе­ ратуры Кюри перминварные сплавы имеют петлю гистерези­ са как в слабых, так и в сильных полях; начальная кривая намагничивания не выходит за пределы петли гистерезиса.

Наконец, весьма характерное влияние на свойства перминварных сплавов оказывает отжиг в магнитном поле, при­ водящий к возникновению прямоугольностн петли гистерези­ са. Самую высокую восприимчивость к термомагнитной обра­ ботке обнаруживают перминварные сплавы. На основании этого факта полагают, что между процессами, обусловливаю­ щими возникновение прямоугольных и перетянутых петель гистерезиса, имеется близкая связь. Однако до последнего времени причину появления прямоугольных и перетянутых петель объясняют в основном с разных точек зрения.

Магнитная анизотропия и магнйтострикция сплавов си­ стемы Fe—Ni—Со. Кристаллографическая анизотропия спла­ вов железо-никель-кобальтовой системы, в том числе двойных сплавов железа с никелем и кобальтом и никеля с кобаль­ том, была исследована Ши [419, 420], Клайсом [421], МакКиханом [422] и др. Ими было обнаружено влияние степени упорядочения атомов сплава на его константу анизотропии. Значения К при 300 °К приведены на рис. 94. Составы с ну­ левой анизотропией лежат вблизи 70% Ni — 30% Fe для же­ лезо-никелевых сплавов, вблизи 45% Со — 55% Fe — для железо-кобальтовых сплаврв и вблизи никелевого угла диа­ граммы — для кобальт-ннкелевых сплавов. Ход нулевой изо­ линии К 1 для тройных сплавов, показанный на рис. 94, опре­ делен Мак-Киханом недостаточно точно. Подробное исследо­ вание зависимости констант магнитной анизотропии от соста­ ва в двойных железо-никелевых, а также большой области тройных железо-никель-кобальтовых монокристаллов прове­ дено II. М. Пузеем [423—426]. В указанных работах опреде­ лены величины и знак энергии анизотропии для ряда сплавов в области гранецентрированной фазы, а также исследовано влияние процессов упорядочения на температурную зависи­ мость констант анизотропии.

Результаты FI. М. Пузея вместе с некоторыми данными Мак-Кихаиа и других авторов показаны на рис. 95. Согласно

271

этим результатам, гранецентрнрованную фазу системы Fe— Ni—Со можно разделить на три области: две области с поло­ жительной константой анизотропии и одну с отрицательной.

Упорядочение сплава может изменять знак и величину констант анизотропии, в особенности у сплавов вблизи Ni3Fe. При учете влияния процессов упорядочения количество спла­ вов с магнитоизотропнымп свойствами, т. е. с К i= 0, увеличи­ вается, так как в зависимости от упорядочения атомов в спла­ вах критическая концентрация границ между положи­ тельными и отрицательными областями анизотропии будет изменяться. В работе [425] отмечено, что в процессе упоря­ дочения анизотропия изменяется таким образом, что возра­ стает ее отрицательная компонента. Это означает, что про­ цесс упорядочения приводит к уменьшению положительной и увеличению отрицательной анизотропии. Данный эффект — общий для всех известных ферромагнитных упорядочиваю­ щихся сплавов.

Магнитострикция, являясь исключительно важной харак­ теристикой ферромагнитного материала, до настоящего вре­ мени мало изучена, особенно в монокристаллах. Такое поло-

Fe, %

104dft/CH3

Рис. 94. Константы магнитной анизотропии для некоторых сплавов системы Fe—Ni—Со при 290 °К по данным Мак-Кихана [422]

272

жеиие в определенной мере существует и в системе сплавов

Fe—Ni—Со.

Fl3BecTHO, что Ауверс [427] измерил объемную • магнитострикцпю пятнадцати тройных сплавов и на основании своих данных и данных [428, 429] для двойных сплавов построил диаграмму концентрационной зависимости магнитострикции (рис. 96). Как следует из данной диаграммы, при величине магнитного поля 1100 э объемная магнитострикция всех спла­ вов системы положительна. Наиболее подробными и точными могут считаться данные о поперечной и объемной магнито­ стрикции железо-никелевых и никель-кобальтовых сплавов, приведенные в работах Масняма [428], Вильямса [429] и др.

энергии сплавов железо-никель-кобальтовой системы показы­ вает своеобразное изменение их магнитострикции в зависи­ мости от состава и температуры. Сложный характер зависи­ мости магнитострикции поликристаллов рассматриваемых сплавов от состава, поля и температуры в известной степени обусловлен своеобразием магнитострикции соответствующих монокристаллов вдоль кристаллографических направлений. К сожалению, результаты по измерению магнитострикции

т

Рис. 95. Концентрационная зависимость константы магнитной анизотропии гранецентрированных монокристаллов сплавов системы Fe—Ni—Со [423— 426]

Hi

АО

r2\

Рис. 96. Концентрационная зависимость объемной магннтострнкцнн трон­ ных сплавов при величине поля 1100 э [427—429]. Цифры на кривых указы­ вают величину объемной магннтострнкцнн, умноженную на 10°

Рис. 97. Зависимость продольной магннтострнкцнн железо-никелевых спла­ вов [428], содержащих 41,5 (/), 69,5 (2), 3,15 (3), 31,3 (4), 0 (5), 82,5 (б)

и 99,2% (7) никеля, от напряженности магнитного поля

274

кель-кобальтовых сплавов к упорядочению, то оказывается, что в системе этих сплавов существует непрерывная область сплавов с особыми свойствами. Эта область ограничена ли­ ниями: с одной стороны, A'iyir= 0 и /Cineyn=0, с другой, ?чоо= 0 и А,1П = 0. Такое расширение составов с высокой магнитной про­

этой области концентраций в системе железо-никель-кобаль- товых сплавов неизвестно.

В литературе отсутствуют также сведения о зависимости А,юо и Яш сплавов системы Fe—Ni—Со от изменения величи­ ны магнитного поля и температуры. На основании такого рода данных, имеющихся для монокристаллов чистых компо­

Рис. 99. Зависимость продольной магннтострикции железо-кобальтовых сплавов с содержанием кобальта 50 (/), 70 (2), 30 (3), 80 (4), 20 (5), 10 (б)

п 90% (7) от напряженности магнитного поля [429]

рактера изменения магнитоупругнх констант в зависимости от магнитного поля, температуры и других параметров, серь­

этот круг вопросов приобретает особое значение в связи с ис­ следованием свойств ферромагнитных пленок. В частности, зависимости ?чю и Я,ш от магнитного поля и температуры непременно должны учитываться при исследовании процессов формирования тонких ферромагнитных пленок, поскольку эти зависимости непосредственно связаны с характером изме­ нения внутренних напряжений в пленках при изменении условий кристаллизации. Кроме того, известно, что величина и знак констант кристаллографической анизотропии и магнитострикции вносят существенный вклад в величину и харак­ тер дисперсии осей наведенной анизотропии поликристаллических ферромагнитных пленок и ряда других характеристик и, таким образом, определяют совокупность свойств реальных пленок.

Кратко рассмотренные результаты по изучению некото­ рых важнейших характеристик сплавов системы Fe—Ni—Со, прошедших равновесную кристаллизацию, могут служить критерием при анализе свойств тонких пленок как унаследо-

Рис. 100. Зависимость продольной магннтострикции насыщения монокри­ сталлов железо-никелевых сплавов в кристаллографических направлениях.

[100] (/), [ПО] (2) и [111] (3) от содержания в них никеля [430]

277

юо zoo зоо m 500 ц,э

Рис. 101. Зависимость продольной (а) и поперечной (б) магнитострнкцнн монокристаллов никеля в кристаллографических направлениях [100] (/), [ПО] (2) и [111] (3) от напряженности магнитного поля [428]

Рис. 102. Зависимость магнитострнкцнн монокристаллов железа в кристал­ лографических направлениях [100] (/), [ПО] (2) и [111] (3) от интенсивно­ сти намагниченности [428]

ванных от исходных массивных материалов, так и сугубо спе­ цифических, порожденных в основном неравновесностыо про­ цесса кристаллизации.

§2. Магнитостатические характеристики железо-никель-кобальтовых пленок

Намагниченность насыщения. Известны работы, в кото­ рых изучалась намагниченность насыщения пленок отдель­ ных составов сплавов системы Fe—Ni—Со, в частности пермаллоевых. Результаты этих работ свидетельствуют о том, что намагниченность насыщения тонких пленок, изготовлен­ ных в условиях сверхвысокого вакуума, совпадает по величи­ не с намагниченностью насыщения массивных образцов спла­ вов вплоть до толщин, равных 300—100 А. Ухудшение ва­ куума при кристаллизации может изменять величину намаг­ ниченности насыщения, при этом в наибольшей степени вблизи границ структурных превращений и ряде других кон­ центрационных областей, в особенности с высоким содержа­ нием железа, обладающего наибольшим сродством к кисло­ роду и прочим остаточным газам.

На рис. 103 показана диаграмма концентрационной зависимости намагниченности насыщения пленок железо-ни- кель-кобальтовой системы. Намагниченность насыщения из­ мерялась методом вращающих моментов в поле 5000 э. Из рисунка видно, что в направлении от никелевого угла кон­ центрационной диаграммы к краевой системе Fe—Со наблю­ дается постепенный рост величины намагниченности насыще­ ния пленок. Наибольшая она в пленках бинарной системы

Fe—Со.

Ход изолиний намагниченности насыщения исследованных пленок подтверждает расположение границ существования твердых растворов в системе Fe—Ni—Со, найденное с по­ мощью рентгеноструктурного анализа. На рис. 103 можно, например, наблюдать искажение плавного хода изолиний на­ магниченности насыщения у границы структурного а^у-пре- вращения.

Намагниченность насыщения сплавов железо-ннкель-ко- бальтовой системы измерена Элменом и Масумото [403—405] в полях 1500 э, что недостаточно для полного насыщения массивных ферромагнитных образцов. Результаты измерения этого параметра в полях 15000 э методом Штеблейна [432] показаны на рис. 104 [433].

Данные измерений показывают, что в пределах существо­ вания твердых растворов значения намагниченности насыще­ ния пленок и массивных образцов сплавов находятся в до­

279