2. Ферромагнетики

К ферромагнетикам относятся железо, никель, кобальт, их соеди­нения и сплавы, а также некоторые сплавы марганца, серебра, алюминия и др. При относительно низких температурах ферромагнитны некоторые редкоземельные элементы (гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий и тулий).

Все ферромагнетики характеризуются:

1. кристаллическим строением;

2. большим положительным значением магнитной восприимчи­вости (магнитной проницаемости), а также существенной и нели­нейной ее зависимостью от напряженности поля и температуры;

3. способностью намагничиваться до насыщения при обычных температурах даже в слабых полях;

4. гистерезисом — зависимостью магнитных свойств от пред­шествующего магнитного состояния («магнитной предыстории»);

точкой Кюри, т. е. температурой, выше которой материал теряет ферромагнитные свойства. [2]

1.3. Аморфные ферромагнетики

Ферромагнетизм аморфных тел, так же как и кристаллических, связан прежде всего с присутствием в них железа, кобальта или никеля — переходных металлов (ПМ) с незаполненной 3d-оболочкой. Если подобные металлы содержатся в нормальных металлах в малых коли­чествах (менее 1 ат.%), то наблюдается так называемый парамагне­тизм Паули, при котором магнитная восприимчивость не зависит от температуры. При больших концентрациях атомы переходных метал­лов имеют локальный момент и восприимчивость зависит от темпера­туры. При существенно больших концентрациях (порядка 20 - 40 ат.% ПМ) обменное взаимодействие между локальными магнитными момен­тами при достаточно низких температурах приводит к появлению спонтанной намагниченности, т.е. ферромагнетизма.

Носителями локальных магнитных моментов являются 3d -элект­роны, которые в энергетическом спектре переходных металлов обра­зуют узкую зону (3d-зону). В общем случае для объяснения ферромаг­нетизма следует исходить из зонной структуры переходных металлов, включающей 3d- и 4s- электроны, и учитывать все существенные взаи­модействия, в особенности обменные взаимодействия между электро­нами. Такой подход оказался возможным в случае кристаллических ферромагнетиков и привел к созданию так называемой зонной модели ферромагнетизма.

Аморфные ферромагнитные вещества

Первые образцы аморфных ферромагнетиков были получены в 1964 г. Григсоном и др. путем термического напыления тонких пленок железа в вакууме. Так как при этом подложка находилась при комнатной температуре, аморф­ная фаза была стабильна только в пленках малых толщин (порядка нескольких десятков ангстрем). Можно полагать, что стабильности аморфного состояния таких пленок способствовали остаточные включения газов. В 1965 г, Беглей и Тернбалл приготовили тонкие аморфные ферромагнитные пленки сплавов Со – Р и Ni - Р, а Мейдер и Новик — сплава Со - Au методом напыления на сильно охлажденную подложку. В 1966 г. были получены новые образцы аморф­ных ферромагнетиков: сплава Со - Au, железа и сплава Fe - Pd.

Примерно к 1970 г. были установлены важнейшие технологические параметры, от которых зависят свойства аморфных пленок при из­готовлении их различными методами. Благодаря контролю за этими параметрами стало возможным получение образцов с воспроизводи­мыми свойствами и сравнение результатов, подученных разными ав­торами.

В настоящее время аморфные ферромагнитные пленки могут быть получены из чистых кобальта и железа (чистый никель пока не удает­ся получать в аморфном состоянии. Аморфные ферромагнитные сплавы, количество которых очень велико, могут быть разби­ты на следующие важнейшие группы:

1. Переходный металл — переходный металл (ПМ — ПМ), например

Fe - Ni , Fe - Си, Ni – Cr;

2. Переходный металл - нормальный металл (ПМ - НМ), например

(Со, Fe, Ni) - Au, (Со, Ni ) - Ag, (Fe, Ni ) — Pd, (Fe, Ni) - Pt;

3. Переходный металл- — аморфизатор (ПМ - А), например (Со,

Fe, Ni) - (В, Р, С, Si, Ge);

4. Переходный металл - редкоземельный металл (ПМ - РЗМ),

например (Со , Fe, Ni ) — (Gd, Tb, Er, Но, Nd, (V, Sm, Y, Dy, Lu,

Tm, Yb); такие сплавы являются аморфными ферримагнетиками.

Одно из существенных преимуществ аморфных сплавов по сравне­нию с кристаллическими состоит в том, что различные компоненты имеют очень широкую «о концентрации непрерывную область взаимной

растворимости. Поэтому в аморфном состоянии удается получать од­нородные образцы таких составов, которые по термодинамическим причинам в кристаллическом состоянии не реализуются (в этом слу­чае образуется гетерогенная смесь фаз, имеющих различный химичес­кий состав и разную структуру). Например, в системах переходный металл — металлоид и переходный металл - редкоземельный металл однородные кристаллические твердые растворы образуются лишь при определенных (дискретных) стехиометрических соотношениях компо­нентов. Благодаря значительному расширению области взаимной рас­творимости элементов в аморфном состоянии физические (в том чис­ле механические) и химические свойства сплавов можно варьировать в очень широких пределах.

Большие возможности варьирования свойств обеспечиваются разумной термообработкой, с помощью которой можно создать бесконеч­но много промежуточных состояний между аморфным и кристалличес­ким. Температурная стабильность подобных состояний сплавов зави­сит от вида и концентрации отдельных компонентов и находится в пределах от нескольких Кельвинов до нескольких сотен градусов Цельсия.

Средний атомный магнитный момент и точка Кюри

Важнейшими физическими величинами, определяющими различ­ные магнитные свойства ферромагнетиков, являются средний атом­ный магнитный момент ц и точка Кюри Т_с.

Чистые переходные металлы

Простейшими аморфными ферромагнетиками являются чистые переходные металлы - кобальт, железо (и никель), получаемые в очень высоком вакууме путем термического напыления на охлаждаемую жидким гелием подложку. В таких однокомпонентных аморфных систе­мах имеет место только позиционный беспорядок, в то время как в аморфных сплавах наряду с позиционным беспорядком существует так­же и химический беспорядок, который имеется и в неупорядоченных кристаллических сплавах. Оба вида беспорядка одинаково важны с точки зрения их влияния на величину среднего атомного магнитного момента и точку Кюри.

Удовлетворительное объяснение влияния позиционного беспоряд­ка на величины µ и Т_с , которое было бы основано на зонной модели, к настоящему времени еще не получено. Беннеманн попытался связать изменение магнитных моментов с уменьшением плотности вещества в аморфном состоянии и соответствующим смещением уров­ня Ферми, Зонную структуру удалось в значительной мере определить непосредственно для случая существования ближнего порядка. При этом учи­тывалось изменение позиционного ближнего порядка (изменение чис­ла ближайших соседей и среднего расстояния между ними), возникаю­щее вследствие структурных флуктуаций. Такие флуктуации приводят к расширению зон и появлению так называемых хвостов, с которыми связана чувствительность эффективной обменной энергии к расстоя­нию между атомами. Описание простого эксперимента, предпринятого для объяснения величины магнитного момента и точки Кюри только на основе структурных флуктуации в рамках модели Хаббарда. [3]