ІНСТИТУТ МАГНЕТИЗМУ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК

та МІНІСТЕРСТВА ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Леміш Павло Володимирович

УДК 537.624.9

МЕханізми перемагнічування аморфних стрічок
з гелікоїдальною магнітною анізотропією

01.04.11 – магнетизм

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Запорізькому національному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук, доцент

Жметко Дмитро Миколайович

доцент кафедри фізичного матеріалознавства

Запорізький національний університет

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук

Вовк Андрій Ярославович

Інститут магнетизму НАН України та МОН України

старший науковий співробітник відділу фізики плівок

кандидат фізико-математичних наук

Перекос Анатолій Омелянович

Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України

старший науковий співробітник відділу будови

та властивостей твердих розчинів

Захист відбудеться “25” жовтня 2007 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.248.01 при Інституті магнетизму НАН України та МОН України за адресою: 03142, м. Київ, бульвар Вернадського, 36, конференц-зал Інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України за адресою: 03142, м. Київ, бульвар Вернадського, 36.

Автореферат розісланий “24” вересня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 26.248.01

кандидат фізико-математичних наук Л.Є. Козлова

загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Одним з важливих завдань фізики магнітних середовищ є створення матеріалів з високим значенням магнітної сприйнятливості та розробка методів зменшення магнітних втрат в них у відповідності до вимог практичного застосування в магніто-електронних перетворювачах та магніто-проводах. Майже ідеальними мігнітом’якими матеріалами є стрічки із аморфних і нанокристалічних сплавів на основі кобальту або заліза. Їх широкому використанню сприяє відносно дешевий спосіб виготовлення. В аморфних стрічках з нульовою магнітострикцією мінімальні втрати на вихрові струми досягаються у випадку, коли процес перемагнічування здійснюється однорідним повертанням
спонтанної намагніченості. Проте такий механізм перемагнічування може бути неприйнятним, якщо необхідна висока магнітна проникність.

Раніше було показано [1*], що при імпульсному перемагнічуванні в кристалічних стрічках при збільшенні амплітуди прикладеного поля відбувається перехід від смугової до шаруватої (сендвіч-структура) доменної структури. В останній доменні стінки паралельні головній поверхні стрічки. Цим забезпечується менший час обернення напрямку магнітного потоку та нижчі магнітні втрати. Отже реалізація шаруватої доменної структури в аморфних стрічках з малою товщиною (20-30 мкм) має практичний інтерес. Між тим детальних досліджень з цієї теми бракує, оскільки пряме спостереження такої доменної структури при динамічному перемагнічуванні ускладнене. Крім того, в аморфних стрічках механізм формування шаруватої доменної структури може виявитись принципово іншим, оскільки фізичні параметри кристалічних і аморфних матеріалів значною мірою відрізняються. У зв’язку з цим дана робота, присвячена встановленню фізичних критеріїв контролю магнітних характеристик аморфних стрічок, які забезпечують зменшення втрат на вихрові струми, зменшення часу перемагнічування, та можливість розширення їх робочого частотного інтервалу, є актуальною.

Зв’язок з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась в рамках тематики кафедри фізичного матеріалознавства Запорізького національного університету та в рамках держбюджетної науково-дослідної роботи „Механізми перемагнічування і магнітні властивості аморфних і кристалічних магнітом’яких матеріалів з шаруватою доменною структурою” (№ держреєстрації 0106У008387).

Мета і задачі дослідження. Створити в стрічці аморфного сплаву умови для формування шаруватої доменної структури та експериментально і теоретично дослідити динаміку її перемагнічування.

У відповідності із зазначеною метою були поставлені наступні задачі:–

розробити експериментальну методику визначення залежності координат доменних стінок шаруватої магнітної структури від часу протягом циклу динамічного перемагнічування;

- експериментально дослідити механізми демпфування руху доменних стінок шаруватої магнітної структури та оцінити компоненти повного коефіцієнта демпфування;–

розробити модель, яка описує особливості процесів перемагнічування в середовищі з неоднорідним розподілом осей легкого намагнічування.

Обє’кт дослідження – динаміка руху доменних стінок в аморфних матеріалах з шаруватою доменною структурою та умови формування такої структури при динамічному перемагнічуванні.

Предмет дослідження – механізми перемагнічування аморфних стрічок з модульованою магнітною анізотропією.

Для досягнення достовірності результатів в роботі використаний комплекс експериментальних методів: метод торсійного магнітометра для визначення температурної залежності намагніченості насичення, індукційний метод визначення магнітних характеристик, метод порошкових фігур для дослідження магнітної структури аморфних стрічок, рентгенівська дифракція для контролю мікроструктури стрічки, а також аналітично-розрахункові методи та методи комп’ютерного моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів: –

виявлена можливість формування шаруватої доменної структури в аморфній стрічці із гелікоїдальним розподілом осей легкого намагнічування;–

в рамках моделі шаруватої доменної структури визначена залежність компонент коефіцієнта демпфування від координати доменної стінки (в частотному діапазоні 1.55 kГц);–

розроблена модель інверсії намагніченості в об’ємі стрічки з шаруватою доменною структурою і гелікоїдальною магнітною анізотропією під дією імпульсних полів розсіювання.

Практичне значення. Результати дослідження інверсії намагніченості в магнітних доменах шаруватої доменної структури під дією імпульсних полів розсіювання мають суттєве значення для теорії процесів перемагнічування.

Термомагнітна обробка в схрещених магнітних полях стрічок аморфного сплаву на основі кобальту забезпечує формування шаруватої доменної структури, що призводить до зменшення втрат на вихрові струми і гістерезис та зменшення часу перемагнічування, а також до розширення робочого частотного інтервалу застосування аморфних магнітних стрічок, що є необхідним для створення нового покоління магнітопроводів із аморфних сплавів.

Особистий внесок здобувача. В дисертації викладені результати досліджень, виконаних здобувачем у співробітництві з іншими авторами. Автором особисто підготовлені зразки для досліджень і проведені вимірювання, а також виконана обробка експериментальних даних та їх інтерпретація.

Апробація роботи. Основні результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на наукових конференціях: EMMA’98 (Spain, Zaragoza, 1998), EMMA’2000 (Ukraine, Kyiv, 2000), “Joint European Magnetic Symposia – JEMS’04” (Germany, Dresden, 2004). Крім того, матеріали дисертації доповідались і обговорювались на наукових семінарах кафедри та щорічних наукових конференціях ЗНУ.

Публікації. Основні результати дисертації опубліковано в трьох статтях у провідних фахових наукових журналах та трьох тезах міжнародних конференцій.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, п’ятьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та додатку. Повний обсяг роботи займає 122 сторінки, містить 43 рисунки, список використаних джерел із 115 найменувань та додаток.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність обраної теми, сформульовано мету та задачі досліджень, перераховані методи досліджень, відзначена наукова новизна та практична цінність отриманих результатів.

У першому розділі розглянуті механізми формування магнітних властивостей та практичне використання аморфних і нанокристалічних магнітом’яких сплавів на основі кобальту або заліза, які виготовляються у вигляді стрічок і тонких дротинок. Відзначено, що по відношенню до матеріалів, які виготовляються в формі стрічок, для зменшення енергетичних втрат доцільна реалізація процесів перемагнічування, які в малій степені зазнають негативного впливу поверхні. Одним із варіантів розв’язку даної проблеми є створення умов для формування шаруватої доменної структури, що раніше було здійснено в кристалічних стрічках [1*]. Головну роль у її формуванні в кристалічних стрічках відіграють вихрові струми [1*]. В аморфних стрічках з малою товщиною і більшим питомим опором, в порівнянні із кристалічними стрічками, вплив вихрових струмів послаблюється, а роль впливу поверхні зростає. Тому для формування шаруватої доменної структури в аморфних стрічках мають бути застосовані спеціальні методи впливу на магнітну структуру. Також повинні бути розроблені більш надійні експериментальні методи контролю руху доменних стінок в шаруватій доменній структурі.

У другому розділі описані матеріали та методи досліджень. В роботі досліджувались магнітні властивості стрічки аморфного сплаву Co68Fe4Cr4Si13B11. Константа магнітострикції досліджуваних аморфних стрічок s ~ 10-7, намагніченість насичення 0Ms = .58л, питомий опір = 1.16 мкОмм, ширина w  .5 мм, товщина d 22 мкм та ефективна довжина L 1 м.

Описано режим термомагнітної обробки в полях гелікоїдальної конфігурації. Поле гелікоїдальної конфігурації в аморфній стрічці з віссю гелікоїда перпендикулярною до поверхні стрічки утворювалось як суперпозиція однорідного поля соленоїду (HL = 170 А/м), в якому знаходилась стрічка під час відпалювання, та неоднорідного поля постійного електричного струму (H = jx, х – відстань до серединної площини стрічки), що проходив вздовж стрічки (j .32106 А/м2). Струм одночасно розігрівав стрічку до температури, при якій ефективна термомагнітна обробка. Температура стрічки складала приблизно 220 оС. Час термомагнітної обробки в гелікоїдальному магнітному полі обирався рівним одній годині. Рентгеноструктурні дослідження показали, що термомагнітна обробка не змінила аморфний стан зразків.

В основу визначення магнітних параметрів як в постійних, так і змінних магнітних полях були покладені індукційні методи. Магнітні вимірювання включали вимірювання Е.Р.С. котушки індукції EВ(t), Е.Р.С. котушки поля EН(t) та Е.Р.С. Маттеуччі EM(t), що наводиться між кінцями стрічки, внаслідок зміни циркулярної компоненти намагніченості під дією прикладеного поздов-жнього магнітного поля.

У третьому розділі розроблені аналітично-розрахункові методи, які дозволяють визначити координату доменної стінки в моделі шаруватої доменної структури в стрічці з гелікоїдальним розподілом осей легкого намагнічування із врахуванням відхилення вектора Мs від напрямку локальної осі легкого намагнічування (див. рис. ). Використано наближення нескінченно тонкої стінки, яке є справедливим, оскільки виконується умова “ Т, де – час необхідний для проходження доменною стінкою відстані рівної її товщині, Т – період змінного магнітного поля. В цьому наближенні із закону електромагнітної індукції Фарадея та законів Кірхгофа отримані наступні рівняння:

,

,

де х – координата доменної стінки, d, L і w – товщина, довжина та ширина стрічки, n – кількість витків котушки індукції, m – кількість витків стрічки в кільцевому сердечнику, В і – значення поздовжньої та поперечної компонент індукції, індексами і та і + 1 позначені величини, розділені мінімальним проміжком часу Дф = фі+1 - фі, який фіксується в експерименті.

В входять параметри термомагнітної обробки, і його розв’язок х0() використовується в якості першого наближення для розшукуваної залежності х(). Координата доменної стінки знаходиться з допомогою рівняння , із якого параметри термомагнітної обробки вилучено. Початкове значення х(1) в вибирається так, щоб отримані значення х(і) найкращим чином співпадали із значеннями х0(i).

Рівняння і дозволяють знайти координату доменної стінки шаруватої доменної структури на основі виміряних Е.Р.С. ЕМ та EВ, які викликані зміщенням стінок, та значень компонент індукції, які пов’язані із миттєвим положенням стінок.

Із аналізу петель динамічного перемагнічування, а також залежності середнього значення Е.Р.С. Маттеуччі від частоти випливає, що перемагнічування аморфної стрічки після термомагнітної обробки в гелікоїдальному магнітному полі здійснюється зміщенням доменних стінок в діапазоні частот  .5ч5 кГц. Характерні криві ЕН(), ЕМ() і ЕВ() та відповідні динамічні петлі гістерезису поздовжньої В(Н) (петля В) та поперечної індукції (петля знайдена в наближенні одноріднії магнітної проникності по товщині стрічки) для частотного діапазону f = 1.5ч5Гц, Нm = 14 А/м, приведені на рис. (а) і 2(b). Петлі В(Н) і звужені в області коерцитивної сили. Звуження петель свідчить про малу величину полів вихрових струмів в стрічці в області коерцитивної сили. Як наслідок, протидія приросту магнітного потоку здійснюється, в основному, за рахунок проти-Е.Р.С., що індукується в намагнічуючій котушці. Імпульс зворотної полярності на кривій ЕН(), викликаний цією проти-Е.Р.С. є яскраво вираженим (див. рис. (а)). Протилежний знак тангенса кута нахилу петель В(Н) і поблизу залишкової намагніченості відповідає протилежному знаку приросту поздовжньої та поперечної індукції, що свідчить про домінування процесів повертання в даній області. Поле старту необоротних процесів зміщення чітко видно на обох петлях.

Отримані експериментальні результати добре описуються в моделі шаруватої доменної структури з двома доменними стінками, які рухаються від серединної площини до протилежних поверхонь стрічки (див. криву А на рис. 3). Це узгоджується з тим, що при наявності гелікоїдального розподілу осей легкого намагнічування магнітна проникність максимальна поблизу серединної площини стрічки, де напрямок локальної осі легкого намагнічування співпадає із напрямком прикладеного магнітного поля. Процеси росту доменів оберненої намагніченості в цій області відбуваються з найбільшою швидкістю, що призводить, після їх злиття, до формування двох доменних стінок шаруватої доменної структури. Слід відзначити, що в кристалічних стрічках, в яких домінуючу роль при динамічному перемагнічуванні відіграє скін-ефект, процес зародження фронтів перемагнічування в шаруватій доменні структурі ініціюється біля поверхонь стрічки [1*].

Поблизу середини пробігу доменної стінки спостерігається призупинення її руху в інтервалі часу bc (див. криву А на рис. 3), однак процес перемагнічування продовжується. Для зменшення вільної енергії доменні стінки розбиваються на області з протилежним закручуванням вектора намагніченості, розділені лініями Блоха. Тому можна припустити, що при dx/d  перемагнічування стрічки частково пов’язано із процесами поляризації доменних стінок рухом блохівських ліній. Крім того, якщо в околі точки х ?  мкм в шарі товщиною х ? 1 мкм відсутні замикаючі домени або збільшується значення Мs, то вклад цього шару в перемагнічування стрічки буде значним.

Для знайденої залежності координати доменної стінки від часу з допомогою отриманих в роботі рівнянь оцінений фактичний розподіл осей легкого намагнічування по товщині аморфної стрічки. Напрямок осей легкого намагнічування визначається з виразу tan = dnmwЕМ/(ЕВLx). Реальний розподіл суттєво відрізняється від очікуваного (tan0 = jx/HL) у відповідності з локальною орієнтацією вектора гелікоїдального магнітного поля при термомагнітній обробці. Виявлена відмінність може бути обумовлена неоднорідністю розподілу температури по товщині стрічки під час термомагнітної обробки, що змінює направленість дифузійних процесів, та наявністю в зразку початкової анізотропії до термомагнітної обробки.

Оцінки константи магнітострикції показали, що обраний режим термомагнітної обробки в гелікоїдальному магнітному полі забезпечує позитивне значення s при малих значеннях прикладених механічних напружень та від’ємне значення s при великих значеннях напружень розтягу. До термомагнітної обробки s < 0.

У четвертому розділі досліджені механізми перемагнічування аморфної стрічки з гелікоїдальною магнітною анізотропією при підвищених амплітудах зовнішнього магнітного поля. Результати вимірювань ЕН(), ЕМ() і ЕВ(), а також динамічні петлі гістерезису при Нm = 36 А/м представлені на рис. . Виявлено, що при збільшенні амплітуди магнітного поля (Нm ? 25 А/м) доменні стінки змінюють напрямок свого руху поблизу критичної точки 7 мкм і здійснюють рух до серединної площини стрічки (див. криві (В), (С) і (D) на рис. ). Однак перемагнічування стрічки продовжується в тому ж напрямку.

Зміна напрямку руху фронту перемагнічування, що спостерігається в експерименті, відображає суперпозицію механізмів перемагнічування рухом доменних стінок до поверхні стрічки та зустрічним рухом від поверхні стрічки. При малих значеннях поля домінуючим є рух доменних стінок в напрямку до поверхонь стрічки. При достатньо великих значеннях магнітного поля домінуючим стає рух доменних стінок до серединної площини стрічки, оскільки ймовірність формування доменних стінок поблизу серединної площини стрічки зменшується, внаслідок зменшення об’єму доменів оберненої намагніченості.

Процес формування доменної стінки біля поверхні стрічки обумовлений втратою стійкості орієнтації вектора Мs. Умова втрати стійкості рівноважної орієнтації намагніченості до малих змін Мs =– Мs в стрічці з гелікоїдальним розподілом осей легкого намагнічування має вигляд: h > 2/, де h = 0МsH/Ku – приведене магнітне поле, 0 – рівноважне значення кута між напрямком вектора Мs і віссю стрічки. Звідси випливає, що в серединній площині стрічки, де 0 = 0, нестійкість має місце лише при h > 2. Біля верхньої та нижньої поверхонь стрічки, де 0 ? 0, нестійкість має місце в полях з меншим значенням h. Отже найбільш ймовірним місцем утворення доменної стінки при достатньо високих значеннях магнітного поля є область біля поверхні стрічки.

Дослідження демпфування руху доменних стінок шаруватої доменної структури здійснювали з допомогою динамічного рівняння руху, отриманого у формі, що не потребує інтегрування:

,

де Не.с. = (0.5d – x)EB/(2wKnm) та Не.с. = (0.5d – x)EM/(KL) – компоненти поля вихрових струмів, K – коефіцієнт, який враховує наявність ступінчатого руху доменної стінки і її поляризацію. K знаходиться експериментально шляхом порівняння приростів і в ідеальній (див. рис. ) і реальній шаруватих доменних структурах. Значення критичного поля поблизу серединної площини стрічки H0  0.7 А/м, у відповідності із значенням коерцитивної сили в постійному полі Нс  0.8 А/м [2*].

Використовуючи різні комбінації коефіцієнтів та , з допомогою рівняння можна визначити компоненти коефіцієнта демпфування . Так, якщо прийняти = = 0, поля Не.с. та Не.с. зумовлюють збільшення коефіцієнту . При  = 1 та  = 0 в в явному вигляді враховується тиск на стінку поля Не.с., а збільшення буде пов’язано із дією поля Не.с..

З рівняння для випадку = = 0 повний коефіцієнт демпфування tot можна представити в формі tot = , де – коефіцієнт тертя, який не пов’язаний із вихровими струмами, і – компоненти коефіцієнта демпфування, які визначають протидію поздовжнього і поперечного магнітних полів вихрових струмів, зумовлених зміщенням та поляризацією доменних стінок, відповідно.

Вибираючи = = 1, з знаходимо коефіцієнт 1. В при цьому в явний спосіб враховується тиск на стінку збоку магнітних полів вихрових струмів, обумовлених зміщенням доменної стінки, а вихрові поля, обумовлені поляризацією доменних стінок, відноситься на рахунок 1 = . Отже, коефіцієнт демпфування, обумовлений протидією магнітних полів вихрових струмів, які з’являються внаслідок лише зміщення доменної стінки, знаходиться як різниця = tot – 1.

Залежність координати доменної стінки від часу та залежність коефіцієнта в’язкого тертя від координати доменної стінки, а також напрямок полів розсіювання в області знаходження доменної стінки підтверджують існування шаруватої доменної структури при динамічному перемагнічуванні стрічки, що пройшла термомагнітну обробку в гелікоїдальному магнітному полі.

Знайдено, що повний коефіцієнт tot має мінімальні значення біля середини та поверхні стрічки. В середині пробігу доменної стінки коефіцієнт tot має максимум, що призводить до призупинення стінки ( 200 кг м-2 с-1).

Залежність від координати коефіцієнта, обумовленого вихровими струмами, що виникають при зміщенні доменної стінки, представлена на рис. 5. Поведінка (х) для руху стінки до поверхні стрічки (рис. (a)) має очікуваний характер. При наближенні доменної стінки до поверхні стрічки умови для проходження вихрових струмів погіршуються, і, як наслідок, зменшується лінійно до нуля із збільшенням координати доменної стінки х. Знайдені результати залежності (х) для випадку зміни напрямку руху доменної стінки представлено на рис. (b). Видно, що лінійна частина залежності (х) для прямого і зворотного руху стінки при Нm > 14 A/м практично та ж сама, як і на рис. (a). Збільшення і зменшення коефіцієнту біля серединної площини стрічки може бути пояснено взаємодією (притягуванням) доменних стінок.

Призупинення доменної стінки в області х 7 мкм пояснюється дією полів розсіювання Нs, викликаних наявністю поперечної компоненти намагніченості. Додаткову протидію рухові доменної стінки, зв’язану з полями розсіювання, можна записати у вигляді: і врахувати в рівнянні руху . Знайдені в такий спосіб залежності від часу компонент поля розсіювання Нs і Нs представлені на рис. 6 (криві А та В). Поля розсіювання Нs і Нs з’являється одразу після зародження доменних стінок. Значення полів Нs і Нs мають характер нерегулярних коливань і досягають несподівано великих значень.

Поля Нs і Нs можуть бути викликані асиметрією зміщення доменних стінок по відношенню до серединної площини стрічки: х1 х2(див. рис. 1). В цьому випадку замикання поперечного циркулярного магнітного потоку стає неповним, і, як наслідок, з’являються поля розсіювання. Зміна асиметрії руху
х1 х2 на х1 х2 призводить до зміни знаку компонент Нs і Нs. Основною причиною асиметрії зміщення доменних стінок є неоднорідність структури аморфної стрічки по її товщині. Осциляції напрямку вектора поля розсіювання в інтервалі часу bc, де dx/d ? 0, в нашій моделі відповідають змінам в процесах поляризації доменних стінок х1 та х2, що також порушує замикання поперечного магнітного потоку у випадку значної товщини доменних стінок.

Зв’язок між значеннями Нs і Нs має лінійний характер: Нs = – 1.55Нs – 15.70 (див. рис. ). Знайденому розподілу напрямків поля Нs можна дати наступне пояснення. Для того, щоб зменшити вплив поля розсіювання Нs на процес намагнічування, це поле повинно бути направлене під прямим кутом до осі легкого намагнічування в місці знаходження стінки. В цьому випадку тиск на доменну стінку поля розсіювання буде мінімальним.

Поява в стрічці магнітних полів розсіювання також може стати причиною інверсії вектора намагніченості в доменах шаруватої доменної структури, що призводить до зміни напрямку руху доменної стінки. Наявність магнітних полів розсіювання в об’ємі стрічки підтверджується появою порошкових магнітних ліній на вільній і контактній поверхнях стрічки в полях близьких до насичення. Порівняння виду порошкових магнітних ліній на вільній і контактній поверхнях зразка із сплаву на основі кобальту виявляє їх практично повне співпадання. Ця обставина свідчить про наскрізний характер магнітних областей, на межах яких спостерігаються порошкові магнітні лінії, а також про існування в об’ємі аморфної стрічки значних полів розсіювання.

Аналогічні картини порошкових магнітних фігур спостерігались в роботі [3*]. Нами виявлені тотожність порошкових магнітних ліній на протилежних поверхнях аморфної стрічки та незмінність їхнього характеру при повороті зразка в магнітному полі.

Таким чином, результати досліджень компонент демпфування руху доменних стінок показують, що можна очікувати суттєвого зменшення втрат на вихрові струми, внаслідок швидкого зменшення коефіцієнту e.c. при наближені стінки до поверхні. Але для зменшення повних енергетичних втрат необхідно зменшити поля розсіювання, що з’являються при динамічному перемагнічуванні. Цього можна досягти гомогенізацією мікроструктури по товщині стрічки.

У п’ятому розділі методами комп’ютерного моделювання досліджена залежність енергії доменної стінки шаруватої доменної структури від координати стінки по товщині аморфної стрічки з гелікоїдальною магнітною анізотропією. Також представлена модель інверсії намагніченості в об’ємі стрічки з магнітними доменами під дією імпульсних полів розсіювання, що може приводити до зміни напрямку макроскопічного руху доменних стінок (див. рис. 3).

При розрахунку припускалось, що напрямок вектора намагніченості лежить в площині стрічки і залежить лише від координати вздовж нормалі до поверхні стрічки. Чисельний розв’язок рівняння Ландау-Ліфшица знаходився з допомогою метода скінчених різниць. Застосовано ітераційний метод Зейделя розв’язування систем алгебраїчних рівнянь разом із схемою біжучого рахунку [4*]. При наближенні мінімального інтервалу часу до свого граничного значення, при якому втрачається стійкість схеми, такий підхід дозволяє отримувати розв’язок із швидкістю на два порядки більшою, ніж в явній схемі.

Виявлена значна залежність обмінної енергії доменної стінки від її координати в стрічці з неоднорідним розподілом осей легкого намагнічування, який задається співвідношенням 0 = arctan(jx/HL). В стінці відбувається поворот вектора Мs на кут , де – середня по товщині стінки швидкість повороту осей легкого намагнічування, – товщина стінки, знак „+” відповідає стінці хірального типу (напрямок закручування спінів в доменній стінці співпадає з напрямком повороту осей легкого намагнічуваня гелікоїдальної магнітної анізотропії), знак „–” – стінці антихірального типу (напрямок закручування спінів в доменній стінці протилежний до напрямку повороту осей легкого намагнічуваня). Числовий розрахунок показує, що товщина доменної стінки мало залежить від її координати в стрічці і рівна класичному значенню B = . Швидкість повороту осей легкого намагнічування змінюється по товщині стрічки в значній мірі, що остаточно і визначає залежність обмінної енергії від координати доменної стінки. Енергія анізотропії практично не залежить від координати стінки, оскільки швидкість повороту спінів в стінці набагато більша швидкості повороту осей легкого намагнічування. Ця обставина може бути використана для отримання необхідних статичних і динамічних властивостей стрічки шляхом формування в ній гелікоїдальної магнітної анізотропії. При наближенні до поверхні стрічки швидкість повертання в ній осей легкого намагнічування зменшується. Існує критична координата доменної стінки, в якій енергія стінок з протилежним закручуванням спінів зрівнюється. Це може забезпечити високу сприйнятливість до поляризації доменних стінок.

За допомогою комп’ютерного моделювання отримана картина макроскопічного обернення намагніченості в об’ємі стрічки з магнітними доменами під дією імпульсного поля розсіювання. У відповідності із отриманими в роботі результатами (для Нm36 А/м) імпульс поздовжньої компоненти поля розсіювання приймався в формі трикутника з основою ф = 3.5 мкс і висотою
Нs = – 750 А/м. Відповідні значення компоненти Hs знаходились із співвідношення Нs ? – .65Hs – 13.6. Значення прикладеного поля обиралось рівним На = 14 А/м, що відповідає динамічній коерцитивній силі. Результати моделювання для гелікоїдального розподілу осей легкого намагнічування, в якому напрямок осі легкого намагнічування на поверхні стрічки складає 45о з її поздовжньою віссю, представлено для верхньої половини стрічки (0 < x d/2) на рис. . Доменна стінка під дією прикладеного поля рухається до поверхні стрічки. Із зростанням поля розсіювання початковий розподіл Мs(х), який відповідає нульовому значенню результуючої намагніченості (крива А), переходить до стану насичення (крива В), який досягається в полях Нs  – 80/м, значно більших за поле анізотропії. При зменшенні Нs необоротне повертання Мs як для центрального, так і приповерхневого шарів стрічки завершується під дією поля анізотропії, так що формується обернений до початкового розподіл (крива С) (напрямок процесу на рис. показано стрілками).

Інверсія намагніченості в доменах здійснюється в достатньо широкому інтервалі значень Нs, Нs, ф та На. Вибрані в роботі значення цих величин забезпечують ідеальний варіант інверсії: криві А і С відповідають нульовій результуючій намагніченості стрічки, що забезпечує незмінність енергії стрічки в прикладеному полі, а доменна стінка після інверсії знаходиться в тому ж місці, що і до інверсії.

В стані насичення (крива В) інформація про початковий розподіл Мs зникає, тому кінцевий розподіл із парою стінок антихірального типу (одна в області x < 0 і друга в області x > 0) формується незалежно від типу стінок в початковому стані. Після описаної інверсії намагніченості рух доменних стінок під дією прикладеного поля змінить свій напрямок. При цьому антихіральність стінки, яка формується після інверсії під дією імпульсу полів розсіювання, також сприяє її руху до серединної площини стрічки під дією тиску Р = w / х.

висновки

Робота присвячена дослідженню формування та динаміки шаруватої доменної структури в аморфній стрічці з наведеною гелікоїдальною магнітною анізотропією та аналізу основних характеристик динамічних петель гістерезису. Результати роботи вказують на можливі шляхи покращення магнітних властивостей: збільшення магнітної проникності, зменшення втрат на перемагнічування, зменшення часу перемагнічування. Вивчення умов формування шаруватої доменної структури та її динаміки в аморфних матеріалах сприятиме розширенню меж практичного застосування цих матеріалів і пошуку шляхів зниження магнітних втрат.

В дисертаційній роботі представлений розв’язок актуальної наукової задачі – виявлення механізмів перемагнічування та їх вплив на формування магнітних властивостей аморфних магнітом’яких стрічок з гелікоїдальною попе-речною анізотропією.

1. Розроблено методику визначення координат доменних стінок шаруватої доменної структури, залежності коефіцієнта депфування і полів розсіювання від координати доменної стінки та напрямку локальних осей легкого намагнічування на основі вимірювання миттєвих значень Е.Р.С. котушки поля та котушки індукції і Е.Р.С. Маттеуччі між кінцями аморфної стрічки з гелікоїдальною магнітною анізотропією.

2. Експериментальні результати дослідження динамічного перемагнічування (f = 1.5ч5Гц) аморфної стрічки (сплаву Co68Fe4Cr4Si13B11) з наведеною гелікоїдальною магнітною анізотропією (Кu ~ 10 Дж/м) добре описуються в рамках моделі шаруватої доменної структури: при малих амплітудах поля перемагнічування здійснюється рухом двох доменних стінок від серединної площини стрічки до її поверхонь, що обумовлено неоднорідністю магнітної проникності по товщині стрічки; при переході до стану насичення домінує процес формування фронту перемагнічування біля поверхонь стрічки, що знаходить якісне пояснення в рамках теорії стійкості орієнтації спонтанної намагніченості. На експериментальних петлях динамічного перемагнічування спостерігається чітко виражене поле старту, яке відповідає закінченню формування шаруватої доменної структури.

3. В рамках моделі шаруватої доменної структури показано, що коефіцієнт демпфування руху доменних стінок (e.c.), обумовлений вихровими струмами, має максимум біля серединної площини стрічки та зменшується до нуля із наближенням до поверхні стрічки. Звуження петель динамічного перемагнічування в області коерцитивної сили, що спостерігається в аморфних стрічках з гелікоїдальною магнітною анізотропією, підтверджує суттєве зменшення коефіцієнта e.c. і, відповідно, втрат на вихрові струми. Також показано, що при перемагнічуванні в об’ємі стрічки виникають поля розсіювання. Однак їх протидія рухові доменних стінок незначна, оскільки ці поля направлені приблизно перпендикулярно до локальної осі легкого намагнічування.

4. На базі експериментальних даних побудована модель інверсії намагніченості (в області коерцитивної сили) у доменах шаруватої доменної структури під дією імпульсних полів розсіювання. Необоротний процес повертання векторів спонтанної намагніченості в стрічці з гелікоїдальною магнітною анізотропією завершується формуванням 180-градусних доменних стінок в тих же місцях, де вони знаходились до інверсії. Як наслідок, змінюється напрямок руху доменних стінок під дією прикладеного поля.

ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА

1.* Friedlaender F.G., Smith C.H. Magnetization reversal in soft, square-loop, magnetic materials: Old models and new insights // Proc. International Workshop on Simulation of Magnetization Processes. Austria, Vienna, 1995. – P. .

2.* Zhmetko D. N. Equation of the domain wall motion in amorphous ribbon with helical magnetic anisotropy // J. Magn. Magn. Mater. – 2001. – Vol. . – P. L9-L13.

3.* Amalou F. and Gijs M.A.M. Giant magnetoimpedance of chemically thinned and polished magnetic amorphous ribbons // J. Appl. Phys. – 2001. – Vol.90, № 7. – P. 3466-3470.

4.* Калиткин Н.Н. Численные методы. – М.: Наука, 1978. – 512 с.

СПИСОК ОСНОВНИХ публікацій ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Zhmetko D. N., Lemish P. V. The magnetizing mechanism of the amorphous ribbons with the helical magnetic anisotropy // J. Magn. Magn. Mater. – 1999. – Vol. 196-197. – P. 816-818.

2. Zhmetko D. N., Lemish P. V. Frequensy dependence of EMF Matteucci and domain wall motion in amorphous ribbon // Mater. Sсi. Forum. – 2001. – Vol. 373-376. – Р. 229-232.

3. Zhmetko D.N., Savin V.V., Lemish P.V., Troschenkov Y.N. Domain walls dynamics in the amorphous ribbon with a helical magnetic anisotropy // J. Magn. Magn. Mater. – 2006. – Vol. 299. – P. 176-187.

4. Zhmetko D.N., Savin V.V. and Lemish P.V. Motion and annihilation of domain walls in amorphous ribbon with helical magnetic anisotropy // Joint European Magnetic Symposia. Germany, Dresden, 5–10 September 2004. – P. 219.

АНОТАЦІї

Леміш П.В. Механізми перемагнічування аморфних стрічок з гелікоїдальною магнітною анізотропією. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.11 – магнетизм. – Інститут магнетизму Національної академії наук України та Міністерства освіти і наук України, Київ, 2007.

Робота присвячена дослідженню формування та динаміки шаруватої доменної структури в аморфній стрічці (Co68Fe4Cr4Si13B11, s ~ 10-7) з наведеною гелікоїдальною магнітною анізотропією. Розроблено методику визначення координат доменних стінок шаруватої доменної структури та залежності коефіцієнта демпфування і полів розсіювання від координати доменної стінки на основі вимірювання миттєвих значень Е.Р.С. котушок поля та індукції і Е.Р.С. Маттеуччі. Показано, що експериментальні результати дослідження перемагнічування (f = 1.5ч5Гц) аморфної стрічки добре описуються в рамках моделі шаруватої доменної структури. Побудована модель інверсії намагніченості в доменах шаруватої доменної структури під дією імпульсних полів розсіювання в стрічці з гелікоїдальною магнітною анізотропією, що приводить до зміни напрямку макроскопічного руху доменних стінок.

Ключові слова: шарувата доменна структура, динаміка доменних стінок, гелікоїдальна магнітна анізотропія, магнітні поля вихрових струмів, магнітні поля розсівання, необоротне повертання намагніченості

Лемиш П.В. Механизмы перемагничивания аморфных лент с геликоидальной магнитной анизотропией. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.11 – магнетизм. – Институт магнетизма Национальной академии наук Украины и Министерства образования и науки Украины, Киев, 2007.

Работа посвящена исследованию формирования и динамики слоистой доменной структуры в аморфной ленте (Co68Fe4Cr4Si13B11, s ~ 10-7) с наведенной геликоидальной магнитной анизотропией и анализу основных характеристик динамических петель гистерезиса. Разработана методика определения координат доменных стенок слоистой доменной структуры, а также зависимости коэффициента трения и полей рассеивания от координаты доменной стенки на основе измеренных мгновенных значений Е.Д.С. Маттеуччи и Е.Д.С. катушек поля и индукции. Показано, что экспериментальные результаты исследования динамического перемагничивания (f = 1.5ч5Гц) аморфной ленты с наведенной геликоидальной магнитной анизотропией (Кu ~ 10 Дж/м) хорошо описываются в рамках модели слоистой доменной структуры. При малых амплитудах магнитного поля перемагничивание ленты осуществляется движением двух доменных стенок от серединной плоскости ленты к её поверхностям, что обусловлено неоднородностью магнитной проницаемости по толщине ленты. При достаточно больших значениях магнитного поля доминирует процесс формирования фронта перемагничивания около поверхности ленты, что находит качественное объяснение в рамках теории устойчивости ориентации спонтанной намагниченности.

Детально исследованы механизмы демпфирования доменной стенки. Выявлена значительная роль полей рассеивания в формировании коэффициента демпфирования движения доменных стенок. Эти поля имеют характер нерегулярных колебаний и направлены приблизительно перпендикулярно к оси легкого намагничивания в слое ленты, через который проходит доменная стенка. Коэффициент демпфирования, обусловленный магнитными полями вихревых токов, имеет максимум около серединной плоскости ленты и стремится к нулю при приближении доменной стенки к поверхности ленты.

С помощью компьютерного моделирования показано, что в объеме ленты с геликоидальной магнитной анизотропии и доменной структурой под действием импульсных полей рассеивания может иметь место инверсия намагниченности, что служит дополнительным механизмом обращения направления макроскопического движения доменной стенки.

Выявленное существенное уменьшение коэффициента демпфирования, обусловленного вихревыми токами, указывает на возможность расширения рабочего частотного интервала применения аморфных магнитных лент при условии наличия в них слоистой доменной структуры.

Ключевые слова: слоистая доменная структура, динамика доменных стенок, геликоидальная магнитная анизотропия, магнитные поля вихревых токов, магнитные поля рассеивания, необратимое вращение намагниченности

Lemish P.V. - Magnetizing mechanisms of amorphous ribbons with helical magnetic anisotropy. – Manuscript.

Thesis for a candidate of physical and mathematical science on speciality 01.04.11 – magnetism. – Institute of Magnetism, National Academy of Sciences of Ukraine and Ministry of Education and Science of Ukraine, Kyiv, 2007.

The work is devoted to investigation of forming and dynamics of the sandwich domain structure in an amorphous ribbon (Co68Fe4Cr4Si13B11, s ~ 10-7) with induced helical magnetic anisotropy. Methods of domain wall coordinate determining in the sandwich domain structure as well as determining of damping coefficient and stray field dependence on domain wall coordinate on the basis of EMF instantaneous value measuring of induction coil and field coil, and EMF Matteucci have been developed. It has been shown that experimental results of the ribbon remagnetization study
(f = 1.5ч5 kHz) can be good explained by the model of the sandwich domain structure. The model of magnetization inversion in domains of the sandwich domain structure under the action of stray fields that results in reversal of the domain wall macroscopic motion in the ribbon with the helical magnetic anisotropy has been developed.

Key words: sandwich domain structure, domain wall dynamics, helical magnetic anisotropy, magnetic fields of eddy currents, magnetic stray fields, irreversible rotation of magnetization

Підписано до друку 21.09.2007. Формат 60Ч90/16. Папір офсетний.

Друк різографічний. Умовн. друк. арк. 0,9. Тираж 100 прим. Зам. № 231.

____________________________________

Запорізький національний університет

69600, м. Запоріжжя, МСП-41

вул. Жуковського, 66

Свідоцтво про внесення до Державного реєстру

ДК № 2952 від 30. 08. 2007