t,MIJH

Рис. 5.33. Зависимость константы наведенной магнитной анизотропии Км от температуры и времени t отжига аморфного сплава

(Рео,2СОо,8)70 Si2,5 В27,5 (Гс = 410Х)

[93]

Рис. 5.34. Зависимость константы наведенной магнитной анизотропии Kus аморфного сплава (Feo,2Coo,8)7oSi2,5B27,5 ОТ темпсра-туры отжига Та в магнитном поле [87]

ГО момента, выражаемого формулой 0Та,°с (5.10), дает значение константы од-ноосной магнитной анизотропии Ки-Константа Ки представляет собой энергию, необходимую для поворота вектора намагниченности от оси наиболее легкого к оси наиболее трудното наматничивания.

В практике определения аморфных ферромагнитных сплавов используются оба эти метода. Б зависимости от продолжительности и температуры отжига, скорости охлаждения, химического состава сплава иэмерения дают значения /Си в интервале от 0,01 до 1,0 кДж/м*.

Одноосную анизотропию, характеризуемую определенным значением Ки, можно устранить нагревом до температур выше точки Кюри. Однако, если после этого провести повторную термическую обработку в мапнитном поле с другим направлением, возникает новая ось легкого намагничивания и отвечающая ей одноосная анизотропия с тем же значением Км. На рис. 5.33 показано, как зависит константа одноосной магнитной анизотропии Ки. от температуры отжига и егопродолжительности. Основываясь на этих данных, можно заключить, что: Ки появляется только при температурах ниже точки Кюри; при высо ких температурах Ки легко (т. е. за небольшое время) достигает насыщения, но при низких температурах, когда время релаксации большое, насыщения не происходит; с понижением температуры

f,S f,6 f,7 }а i9 2,0 2,1 2,2 f/Та, /О-/С-

Рис. 5.35. Закон Аррениуса для магнитной анизотропии, наведенной магнитным полем в сплаве (Рео.гСоо.в) 7oSi2,5B27,s (t - среднее время релаксации при температурах отжига То). Закон Аррениуса наблюдается также для энергии магнитного гистерезиса Wh и магнитной проницаемости tt. [87]:

!Гй:1,2эВ, 1,3-10 с-1; 2 -

К :1,4 эВ, 1,9 10 с-; 3 -

ц/.0,75 эВ, 1,1-103 с-

значение Див, соответствующее насыщению, увеличивается [93J. Зависимость величины /Си от температуры отжига Та приведена на рис. 5.34. Видно, что появление анизотропии при температурах ниже точки Кюри связано с термически активируемыми про-цеосами. Причиной этого является диффузия.

Из рис. 5.35 следует, что Ки подчиняется закону Аррениуса.. Здесь же приведены значения энергий активации, определенные: через среднее время релаксации. Полученные значения составляют

1 эВ, что довольно .мало по сравнению с энергией активации возникновения анизотропии Ки в кристаллических магнитных сплавах (твердых растворах), для которых получены величины 2-3 эВ. На рис. 5.36 приведены зависимости Ки от концентрации магнитных атомов в сплавах. .Приведенные значения Ки получены либо при изотермическом отжиге в магнитном поле, либо при очень медленном охлаждении в магнитном поле. Видно, что Ки изменяется по кривой с максимумом, причем при х = 0 или х= \ значения Ки малы, а максимум лежит в области составов а; 0,5.

Неель и Танигути [94, 95] предложили теоретическую модель наведения одноосной магнитной анизотропии Ки для кристаллических твердых растворов. Мы попытаемся применить эту модель к аморфным сплавам. В основе модели Нее-ля - Танигути лежат следующие предпосылки. В ферромагнитных сплавах величина квазидиполь-ного взаимодействия между парами магнитных атомов зависит от сорта атомов, образующих эти пары*. При высокой темпера-

Учитывая атомное строение аморфных сплавов, очевидно, лучше говорить не о диффузии как о процессе, связанном не с переносом массы, а о взаимных смещениях атомов на расстояния, не Превышающие диаметра атома. Прим. ред.

В отношении состава сплава 2, очевидно, допущена ошибка - в первоисточнике [91] приведен состав (Fei xCox)78Si,oBi2. Прим. ред.

В случае квазидипольных взаимодействий, в отличие от классических -Дипольных взаимодействий, рассматривается преимущественно взаимодействия между ближайшими мaнитиыми атомамц, причем величина и знак этого взаимодействия отличается для пар атомов разного сорта. Если взаимодействие между однотипными атомами сильнее, чем взаимодействие между разнородными атомами, как это принято в модели Нееля - Танигути, то эффект наведения одноосной магнитной анизотропии связывают именно с парами однотипных магнитных атомов. Прим. ред.

Рис. 5.36. Зависимость константы наведенной магнитной анизотропии Ки. от концентрации X в аморфных сплавах-

[90, 91]: /-(Fei КУ8оВ2о; (Fei Coj.),8 Вю Siij; (Fe, Co),5 Вю Sij5

туре вследствие диффузии, проходящей во внещнем магнитном поле, энергия системы диполей стремится к минимуму, в результате чего возникает новая анизотропная конфигурация атомных пар. Число анизотропных конфигураций атомных пар разных сортов определяется законом распределения Больцмана. С понижением температуры такое упорядоченное состояние все в большей мере фиксируется (замораживается). Таким образом возникает одноосная магнитная анизотропия с осью легкого намагничивания, совпадающей с направлением магнитного поля при термической обработке.

Расчетами [63] показано, что предельная энергия магнитной анизотропии Ей в случае, когда кристаллическая структура в возможно большей степени переходит в упорядоченное состояние, равна

= - (аIk Та) (M,tIMso)4M,j /M,o)2x2 (\ - х) cos е,

(5.12)

где k - постоянная Больцмана; а - постоянная квазидипольного взаимодействия атомных пар, Мт, Mst и Мо -величины намагниченности насыщения соответственно при температуре измерения, температуре отжига и при абсолютном нуле; х-объемная доля одного нз компонентов бинарного оплава; 9 - упол между векторном намагниченности Mst при температуре измерения и направле- нием магнитного поля при отжиге. Константа одноосной магнитной анизотропии Ки равна сомножителю при costs.

Возможность применения равенства (5.12) к аморфным сплавам следует из сравнения расчетов с данными экспериментов. Во-первых, ось легкого намагничивания, поданным экспериментов, обычно совпадает с нацравлемием магнитного поля при отжиге. В то же время согласно (5.12), энергия £ становится минимальной при 6 = 9. Во-вторых, ясно, что для сплава данного состава

Ки - [(Ms7-/M,o) (Msr /М,о)2]/Г ,

(5.13)

Если теперь вернуться к рис. 5.34, где связь между экспериментально опоеделенными величинами, входящими в (5.13), показана прямой линией, то можно увидеть, что и в этом случае согласие с экспериментом довольно хорошее.

В третьих, при постоянной температуре отжига связь между Ки и составом сплава должна описываться выражением

Ku/\iMsT/Mso) {MsTjM,o)] ~x(l-x)

(5.14)

Обратившись к эиспериментальным результатам, приведенным на

Описанный процесс перестройки атомов получил название натравленного упорядочения, в отличие от изотропного упорядочения, связанного с химическим взаимодействием. В данном случае речь идет о парном направленном упорядочении., Яр1Ш. ред.

2 Имеется в виду /Си , т. е. предельное значение Ки. Прим. ред.

рис. 5.36, можно отметить хорошее их совпадение* с (5.14). Это теоретическое рассмотрение согласуется также с данными работы [92], полученными методом крутящего момента.

Из вышесказанного понятно, что появление в аморфных сплавах магнитной анизотропии, наведенной магнитным полем, в общих чертах можно довольно хорошо объяснить, исходя из представлений об анизотропии, обусловленной анизотропным распределением атомных пар. В кристаллах для образования новых атомных пар, как видно из рис. 5,37, а, необходимо, чтобы соседние атомы обмеця-лись местами. В аморфных же металлах, как показано на рис. 5.37,6, новые анизотропные конфигурации атомных пар могут образовы-

неупорядоченный твердб/й pamSop

cm I

Напрадлеиное ymppdoveme

Рис. 5.37. Модели анизотропных

конфигураций атомных пар: а - кристаллические сплавы [96]; б - аморфные сплавы [91]; I - изотропные конфигурации; Я - анизотропные

О© /

ваться при смещении атомов относительно средних положений Естественно предположить наличие анизотропии структуры целых групп атомов. Если в результате движения атомов (своего рода диффузии) аморфная структура сохраняется, то Ки может обратима возникать и уничтожаться, что и наблюдалось экспериментально. Таким образам, основываясь на теоретической модели Нееля -Та-нигутиотом, чтодипольное взаимодействие является движущей силой возникновения анизотропии в распределении атомных пар,

В отношении сплавов системы (Fei j,Coa:)78SiioBi2 это не совсем так. Сами авторы [91] отмечали, что экспериментальные данные хорошо совпадают с кривой х2(1-л:) только в узком интервале концентраций 0-<д:-<0,3. Вне этого интервала расхождение между теорией и экспериментом велико. Кроме того, при х = 0 и х=1 значения Ки не равны нулю. Это указывает иа то, что помимо парного упорядочения, вклад в Ки дает также моноатомное упорядочение ((подробнее см. [90], а также обзор [9]*). Прим. ред.

можно объяснить некоторые закономерности появления в аморфных структурах магнитной анизотропии, наведенной магнитным полем, и н©которые свойства ,конста1Нты Ки, связанной с этой анизотропией.

5.5.4. Стабилизация доменов

Теперь нужно вернуться назад к вопросу, оставшемуся невыясненным в разделе 5.5.2, а именно, почему при отжиге без приложения магнитного поля происходит ухудшение свойств магнитномягких аморфных металлов? Прежде всего необходимо подчеркнуть следующие закономерности.

L После такого отжига на петле гистерезиса заметны значительные скачки Баркгаузена, а коэрцитивная сила.при этом довольно велика (см. рис. 5.29 и 5.30).

2. При зак-алке в воду от температур, лежащих выше точки Квдри, скачжи Баркгаузена исчезают, а коэрцитивная сила уменьшается. Другими словами, ,явления, отмеченные в п. 1, проявляются только при отжиге ниже температуры Кюри (или при медленном охлаждении после отжига выше температуры Кюри).

3. Отжиг и охлаждение в магнитном поле повышает Вт и снижает Не.

4. Повышение Вт и понижение Не происходит обратимо по отношению к отжигу выше или ниже температуры Кюри или же по отношению к отжигу в отсутствии или с приложением магнитного поля.

Как видно, здесь много общего с тем, что мы отмечали в связи с возникновением магнитной одноосной анизотропии, наведенной отжигом в магнитном поле. Для объяснения такого поведения аморфных металлов при отжиге выдвигается предположение о закреплении границ! магнитных доменов [91]. В работе [98] сделана попытка интерпретировать некоторые магнитные эффекты в аморф-ныхсплавах систем Fe-N и Fe-Сна основе общих представлений, развитых в.дальнейшем Танигути [97] для объяснения сходных эф-

в тексте оригинала автор пользуется двумя сходными оо смыслу терминами для обозначения понятия закрепление границ доменов . В первом случае это английское слово pinning, во втором - это японское слово, допускающее определенную произвольность русской трактовки. При переводе показалось целесообразным разделить эти два термина, учитывая суть вопроса. Там, где речь идет о закреплении границ доменов разного рода дефектами, использованы термины закрепление или пиннинг . Там, где речь идет о закреплении границ доменов вследствие направленного упорядочения, использован термин стабилизация границ доменов или стабилизация доменов , как это принято в отечественной литературе (см. например, [9]*). Прим. ред.

2 Эти эффекты получили название эффектов магнитного последействия. К ним относятся: обратимый временной спад начальной проницаемости, образование перетянутых петель гистерезиса (змеевидные петли), постоянство магнитной проницаемости в малых полях и др. Все они обусловлены одним механизмом - стабилизацией границ доменов вследствие направленного упорядочения. Прим. ред.

фектов в перминварах - сплавах, для которых характернызм1еевид-ные петли В-Н гистерезиса и постоянная магнитная проницаемость. В основе этих представлений лежит положение о том, чгю в ферромагнетиках даже в том случае, когда внешнее магнитное поле равно нулю, появляются анизотропные конфигурации атомных пар. Их появление происходит за счет диффузии, описанной в предыдущем разделе, движущей силой которой является внутреннее магнитное поле. Это поле связано с доменной структурой и поэтому существует даже тогда, когда внешнее магнитное поле отсутствует. Поскольку направление внутреннего магнитного поля (спонтанной намагниченности) для разных доменов неодинаково, то возникает соответствующее распределение атомных пар в разных доменах. Следуя этому положению, можно сказать, что существуют условия, когда одноосная магнитная анизотропия имеет па-правление, характерное для каждого домена, иными словами, в образце можно .создать магнитную анизотропию, локально различающуюся по направлению.

Кроме того, внутри самих границ доменов новые атомные конфигурации также стабилизируется в соответствии с направлением векторов магнитных моментов атомов в граничном слое. Вследствие этого потенциальная энергия границ доменов понижается и они тем самым стабилизуются в своих положениях. Стабилизация границ доменов представляет собой не что иное, как повышение коэр-цитивности. Вот почему при отжиге в отсутствии магнитного поля свойства магнитномягких материалов ухудшаются. С привлечением этих же представлений можно объяснить все четыре вышеуказанные характерные особенности доведения аморфных ферромагнитных металлов [99].

Таким образом, можно сказать, что повышение коэрцитивной силы происходит только при отжиге ниже температуры Кюри, так как причиной этого является наличие квазидипольного магнитного взаимодействия. Отжиг в магнитном поле ограпичивает рост коэрцитивной силы, поскольку в этом случае никаких границ доменов не существует и, следовательно, не >!Ожет происходить их стабилизация.

В качестве иллюстрации этому приведем рис. 5.38 и 5.39,где показано, как изменяется величина коэрцитивной силы и потери на гистерезис в зависимости от температуры отжига и состава сплава. Если закрепление доменных стенок, связанное с уменьшением их потенциальной энергии, происходит за счет локальной наведенной магнитной анизотропии, то изменение коэрцитивной силы должно быть связано с Ки следующим образом:

Не KalMs.

(5.15)

Из сопоставления рисунков 5.38 и 5.39 можно заметить, что по-тери на гистерезис Wh тесно связаны с /(и: как Wh, так и Ки оди-

Кристаллические сплавы системы Fe--Ni (65% Ni-35% Fe) и Fe-Со- Ni (например, 47% Ni -23% Со-30% Fe). Прим. ред.

2 В доменах с антипараллельным направлением векторов Ms, естественно, локальная магнитная анизотропия имеет одно и то же направление. Прим. ред.