Досліджено криві намагніченості і комплексна магнітна проникність на частоті 50 МГц композитів (Co 40Fe 40B 20) Х (С) 100-Х, (Co 84Nb 14Ta 2) Х (C) 100-Х, (Co 45Fe 45Zr 10) Х (C) 100-Х, (Ni) Х (C) 100-Х, (Co) Х (C) 100-Х. Зразки отримані методом іонно-променевого розпилення. Виявлено зв'язок між магнитостатическое і Магнітодинамічний властивостями гетерогенних систем

Анотація наукової статті з нанотехнологій, автор наукової роботи - Алешніков А. А., Калінін Ю. Є., Крячко А. В., Ситников А. В.


Magnetic properties OF nanocomposites ferromagnet-CARBON

Investigated the magnetization curves and complex magnetic permeability at 50 MHz composites (Co 40Fe 40B 20) X (C) 100-X, (Co 84Nb 14Ta 2) X (C) 100-X, (Co 45Fe 45Zr 10) X (C) 100-X, (Ni) X (C) 100-X, (Co) X (C) 100-X. The samples were obtained by ion-beam sputtering. The relationship between magneto static and magneto dynamic properties of heterogeneous systems


Область наук:

  • нанотехнології

  • Рік видавництва: 2012


    Журнал: Вісник Воронезького державного технічного університету


    Наукова стаття на тему 'Магнітні властивості нанокомпозитів ферромагнетик-вуглець'

    Текст наукової роботи на тему «Магнітні властивості нанокомпозитів ферромагнетик-вуглець»

    ?УДК 539.216.2: 536.425.001.57

    МАГНІТНІ ВЛАСТИВОСТІ Нанокомпозити феромагнетика-ВУГЛЕЦЬ А.А. Алешніков, Ю.Є. Калінін, А.В. Крячко, А.В. Ситников

    Досліджено криві намагніченості і комплексна магнітна проникність на частоті 50 МГц

    композитів (С04оРе4оВ2о) Х (С) 100-Х, (Со84ИЬ14Та2) Х (С) 100-Х, (№) х (С) 100-Х, (З) Х (С) 100-Х. зразки

    отримані методом іонно-променевого розпилення. Виявлено зв'язок між магнитостатическое і Магнітодинамічний властивостями гетерогенних систем

    Ключові слова: нанокомпозити, магнітні властивості, поріг протікання, магнітна проникність

    Вступ

    Останнім часом великий інтерес фізиків і матеріалознавців залучають магнітні властивості гетерогенних наносистем, в яких одна фаза є феромагнітної, а інша немагнітної. При використанні таких матеріалів в високочастотних електромагнітних полях необхідно, щоб вони мали високий питомим електричним опором (р). Зазвичай для підвищення р в магнітних композитах як немагнітної фази використовують діелектрик [1-5]. Гетерогенна структура, у якій магнітні металеві гранули діаметром кілька нанометрів оточені діелектриком, має високий питомий електричний опір, які залежать від співвідношення провідної і ізолюючої фаз [68]. Як феромагнітної фази композитів використовують або перехідні метали Со, Ге, N1 або сплави на їх основі [9-14]. Основною умовою формування гетерогенної структури при спільному осадженні двох компонентів є їх взаємна не- розчинність. При цьому на підкладці утворюються зародки металевої та діелектричної фаз композиту. В результаті процесів самоорганізації формується або изотропное, або анізотропне розподіл гранул металевої фази [15]. Гетерогенна структура деяких композитів формує високу перпендикулярну магнітну

    анизотропию, що негативно позначається на високочастотних магнітних властивостях

    нанокомпозит-тов [9, 16-19]. Одним із способів

    придушення перпендикулярного магнітного анізотропії є напилення композиту в середовищі, що містить актівниегази. В результаті утворюються оксидні або нітрідние оболонки на поверхні металевих наногранул, які перешкоджають

    Алешніков Олександр Олександрович - ВГТУ, аспірант, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Калінін Юрій Єгорович - ВГТУ, д-р фіз.-мат. наук, професор, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. Крячко Олександр Володимирович - ВГТУ, студент, тел. 8-950-760-81-53

    Ситников Олександр Вікторович - ВГТУ, д-р фіз.-мат. наук, доцент, e-mail: sitnikov04 @ mail. ru

    формування перколяційні сітки.

    Отже, пригнічується ріст столбчатой ​​структури плівки. Однак, така структура знаходиться до порога протікання і проявляє суперпаромагнітние властивості з низькими значеннями намагніченості насичення і магнітної проникності [20,21].

    В роботі [22] показана можливість формування гранульованої структури феромагнітних частинок кобальту в матриці аморфного вуглецю, який є

    полупроводником.

    У пропонованій роботі розглянуті магнітостатіческіе і Магнітодинамічний властивості деяких композитів з феромагнітних частинок на основі перехідних матеріалів з аморфною і кристалічною структурою в матриці аморфного вуглецю.

    Зразки та методика експерименту

    Плівки углеродосодержащих гетерогенних систем були отримані іонно-променевим розпиленням складовою мішені на сіталловие підкладки [23]. Били синтезовані композити (Со40Ре40Б20) х (С) 100-х, (Co) х (C) loo-х, (№) х (С) 100-х і

    (Со45Ге ^ г10) Х (С) 100-Х в широкому діапазоні концентрацій металевої фази. Осадження композитів здійснювалося як в середовищі чистого аргону, так і в змішаному середовищі аргону з додаванням водню.

    Елементний склад плівок проводили енергодисперсійного рентгенівської приставкою Oxford INCA Energy 250 на скануючому електронному мікроскопі JEOL JSM-6380 LV. Криві намагнічування були отримані на вібраційному магнітометри. Концентраційні залежності комплексної магнітної

    проникності на частоті 50 МГц виміряні резонансним методом.

    Для дослідження структури зразків осадження проводилося на поверхню

    монокристалів солі NaCl. Товщина плівок становила ~ 1000 A. Виявлено, що всі досліджувані системи є гетерогенними. Як приклад, на малюнку 1 представлена ​​мікрофотографія і електронна дифракція

    композиту (Со4оГе4оВ2о) 7о, 7 (С) 293. Розмір

    металевих гранул становить 3-4 нм. Аналіз даних по електронній дифракції показує відсутність кристалічної структури як металевою, так і діелектричної фаз композиту (Со4оГе4оВ2о) х (С) юо-х.

    Мал. 1. Мікрофотографія і електронна дифракція композиту (Со4оГе4оВ2о) 7о>7 (С) 29>3

    Результати експерименту та їх обговорення

    На малюнку 2 представлені криві намагнічування нанокомпозиту (Со4оГе4оВ2о) 68 (С) 32 в початковому стані і після термічної обробки. Видно, що в початковому стані М (Н) має злам (рис. 2а). Це може бути пов'язано з відхиленням вектора намагніченості в перпендикулярному відносно площини плівки напрямку. Причина виникнення деякого кута між вектором М і площиною поверхні підкладки є структурні неоднорідності розподілу металевих наногранул в об'ємі зразка, сформовані в процесі росту плівки. Подібні структурні зміни спостерігалися в композитах (Со45Ре4 ^ г1о) Х (А1203) 1оо_Х [15]. Крім того порівняння двох кривих намагніченості виміряних в площині плівки в ортогональних напрямках виявило відсутність магнітної анізотропії в площині підкладки. Після відпалу вид залежностей М (Н) істотно змінюється (рис. 2Ь). Відсутня злам на кривій

    намагніченості і спостерігається відмінність в кривих, виміряних вздовж і перпендикулярно осі зразка в площині плівки. Це свідчить про відсутність перпендикулярної складової намагніченості і формуванні анізотропії магнітних характеристик в площині плівки. Т акже після відпалу зменшилася величина коерцитивної сили.

    Такі зміни магнітних властивостей композиту вплинули на концентраційні

    Н, Е

    Н, Е

    Мал. 2. Криві намагнічування нанокомпозиту (Со4оГе4оВ2о) 68 (С) 32: а - в початковому стані, Ь - після відпалу при температурі 3ОО оС протягом 3О хвилин, виміряні вздовж (1) і перпен-дікулярно осі зразка в площині плівки (2)

    залежності дійсної (т /) і уявної (Т7 /) частин комплексної магнітної проникності композиту (Со4оГе4оВ2о) х (С) 1оо_х, виміряні на частоті 5о МГц (рис. 3). Видно, що в зразках, підданих термічній обробці, після порога протікання значення т і т зросли більш ніж на порядок. Невисока величина поля анізотропії (На) порядку 5-7 Е дозволило досягти значень | л / до 2ООО одиниць.

    Криві намагніченості композиту (Со45Ге4 ^ г1о) 58 9 (С) 411 в початковому стані і після термічної обробки представлені на рис. 4. У початковому стані характеристика М (Н) не має злам (рис. 4а). Це свідчить про те, що вектор намагнічування розташований в площині плівки. Отже, структура плівок композиту (Со45Ге4 ^ г1о) Х (С) 1оо_Х характеризується більшим ступенем ізотропності, ніж (Со4оГе4оВ2о) х (С) 1ОО-х. Після відпалу вид залежностей М (Н) істотно не змінюється (рис. 4Ь). Однак можна відзначити, що після термічної обробки в площині плівки сформувалася магнітна анізотропія з легкої віссю намагнічування уздовж осі зразка. Оцінка величини На по виходу кривої намагнічування в насичення дає значення близько 7-8 Е. Коерцитивна сили зменшилася з 6,5 Е до 1,5 Е.

    м'м "

    Мал. 3. Концентраційні залежності дійсної (криві 1,3) і уявної (криві 2,4) частин комплексної магнітної проникності на частоті 5о МГ ц композиту (Со4оГе4оВ2о) х (С) 1ОО-х в початковому стані (криві 1,2) і після відпалу при температурі 3ОО оС протягом 3О хвилин (криві 3,4)

    Такі зміни магнітних властивостей композиту вплинули на концентраційні залежності М- (х) і М- ^ х) композиту

    (Со45Ге4 ^ г1о) Х (С) 1оо_Х, виміряні на частоті 5о МГц (рис.5). Аналіз отриманих залежностей показав, що в зразках, підданих термічній обробці, після порога протікання значення | М і | М

    Н, Е

    Н, Е

    Мал. 4. Криві намагнічування нанокомпозиту (Со45Ге452г1о) 589 (С) 411 в початковому стані (а) і після відпалу при температурі 2ОО оС протягом 3О хвилин (Ь), виміряні вздовж (1) і перпендикулярно осі зразка в площині плівки (2)

    Х, ат. %

    Мал. 5. Концентраційні залежності дійсної (криві 1,3) і уявної (криві 2,4) частин комплексної магнітної проникності на частоті 5о МГц композиту (Со45Ге452г1о) Х (С) 1ОО-Х в початковому стані (криві 1,2) і після відпалу при температурі 2оооС протягом 3О хвилин (криві 3,4)

    зросли в кілька разів. Невисока величина На дозволила досягти значення м / до 12оо одиниць.

    Такі криві намагніченості характерні і для композиту (З) Х (С) 1ОО-Х (рис. 6). Однак треба зазначити, що термічна обробка значно меншою мірою вплинула на залежності М (Н). Така зміна кривих намагніченості можливо пов'язано зі структурою металевих гранул. Сплави Со45Ре4 ^ г1о і Со4оГе4оВ2о схильні до аморфізації і в композитах

    (С ° 45Ге45 ^ г1о) х (^ 1 ° 2) 1ОО-х, (Со4оГе4оВ2о) х (8102) 1ОО-х металеві гранули мають аморфну ​​структуру [24]. Можна припустити, що в гетерогенних системах (Со45Ге4 ^ г1о) Х (С) 1оо_Х і

    (Со4оГе4оВ2о) х (С) 1ОО-х металева фаза знаходиться в аморфному стані. У разі Зі структура гранул залишається кристалічної, тому термічний відпал на композит (З) Х (С) 1ОО-Х чинить менший вплив.

    Аналіз концентраційних залежностей | т (х) і М // (х) композиту (З) Х (С) 1ОО-Х, виміряні на частоті 5о МГц (рис.7), показав, що в зразках підданих термічній обробці, склад яких знаходиться після порога протікання, значення т і т зросли незначно, що повністю узгоджується зі змінами кривих М (Н).

    У разі композиту (№) Х (С) 1оо_Х криві намагнічування мають значну коерцитивної силу (Нс) (близько 5о Е) (рис.8), що відрізняє їх від гетерогенних структур розглянутих раніше. Відпал при 2ОО оС протягом 3О хв не привів до істотної зміни величини Нс. Такі магнітостатіческіе властивості зумовили низькі значення т (х) і ^ (х) після порога перколяції (рис.9). Дані залежності комплексної магнітної проникності можливі, якщо амплітуда високочастотного вимірювального поля нижче коерцитивності зразків.

    Н, Е

    Н, Е

    Мал. 6. Криві намагнічування нанокомпозиту (З) 67 (С) 33 в початковому стані (а) і після відпалу при температурі 3ОО оС протягом 3О хвилин (Ь), виміряні вздовж (1) і перпендикулярно осі зразка в площині плівки (2)

    Н, Е

    Н, Е

    Мал. 8. Криві намагнічування нанокомпозиту (№) 88 (С) 12 в початковому стані (а) і після відпалу при температурі 2ОО оС протягом 3О хвилин (Ь), виміряні вздовж (1) і перпендикулярно осі зразка в площині плівки (2)

    900

    800

    700

    600

    500

    400

    300

    200

    100

    0

    60

    Г 1 П.П.

    / \ 0

    А ° Г

    зі А Ьі

    ЛСР 4

    ° 2

    70

    Х, ат. %

    Мал. 7. Концентраційні залежності дійсної (криві 1,3) і уявної (криві 2,4) частин комплексної магнітної проникності на частоті 5о МГц композиту (З) Х (С) 1ОО-Х в початковому стані (криві 1,2) і після відпалу при температурі 3ОО оС протягом 3О хвилин (криві 3,4)

    Х, ат. %

    Мал. 9. Концентраційні залежності дійсної (криві 1,3) і уявної (криві 2,4) частин комплексної магнітної проникності на частоті 5о МГц композиту (№) Х (С) 1ОО-Х в початковому стані (криві 1,2) і після відпалу при температурі 2ОО оС протягом 3О хвилин (криві 3,4)

    Істотно інші залежності

    намагніченості спостерігаються для композиту (Со8фИЬ14Та2) 69,5 (С) 31,5 (рис. Ю). Видно, що криві мають злам на залежності М (Н). Це може бути пов'язано з відхиленням вектора намагніченості в перпендикулярному відносно площини плівки напрямку. На відміну від системи

    (Со40Ре40В20) х (С) 100_х напрямок вектора М майже ортогонально площині підкладки, що свідчить про великий величиною перпендикулярного магнітного анізотропії.

    Причиною цього може бути столбчатая структура плівки, що сформувалася в процесі її росту. Така магнітна структура композиту обумовлює

    Н, Е

    Н, Е

    Мал. 1о. Криві намагнічування композиту (Со84№14Та2) 69 5 (С) 315 в початковому стані (а) і після відпалу при температурі 2ОО оС протягом 3О хв (Ь), виміряні вздовж (1) і перпендикулярно осі зразка в площині плівки (2)

    низькі значення дійсної і уявної частин комплексної магнітної проникності на концентраційних залежностях (див рис.11). Відпал істотно не позначається на магнитостатических і динамічні характеристики.

    Х, ат. %

    Мал. 11. Концентраційні залежності дійсної (криві 1,3) і уявної (криві 2,4) частин комплексної магнітної проникності на частоті 5о МГц композиту (Со84№14Та2) Х (С) 1ОО-Х; в початковому стані (криві 1,2) і після відпалу при температурі 2ОО оС протягом 3О хвилин (криві 3,4)

    висновок

    Проведені дослідження

    магнитостатических і магнітодинамічних властивостей гетерогенних систем метал-вуглець

    показали, що композити (Co) x (C) 100-x

    (Co4oFe4oB2o) x (C) l00-X (Co45Fe45Zr10} X (C) 100-X після порога перколяції мають хороші магнитомягкие властивості. Термічна обробка цих композитів зменшує коерцитивної силу, збільшує

    магнітну проникність і значно збільшує значення комплексної магнітної

    проникності на частоті 50 МГ ц.

    Композит (Ni) X (C) 100-X після порога

    перколяції має значну величину

    коерцитивної сили, що є причиною низьких значень комплексної магнітної проникності на частоті 50 МГц.

    У композиті (Co84Nb14Ta2) X (C) 100-X виявлена ​​значна перпендикулярна магнітна

    анізотропія, що може бути пов'язано зі

    структурними особливостями гетерогенної структури.

    Робота виконана за підтримки гранту РФФД 11-02-90437-Укр_ф_а

    література

    1. Ohnuma S. H., Fujimori H., Mitani S., and

    Masumoto T. High frequency magnetic properties in metal-nonmetal granular films // J. Appl. Phys.- 1996.-V.79.-P.5130-5135.

    2. Bloemen P. J. H. and Rulkens B. On the frequency dependence of the magnetic permeability of FeHfO thin films // J. Appl. Phys.-1998 V.84.P6778-6781.

    3. Shihui Ge, Yang Xiaolin, Kim Kwang Youn, Xi Li, Kou Xiaoming, Yao Dongsheng, Li Binsheng, and Wang Xinwei Study on mechanism of soft magnetic properties for high-frequency application in Ni75Fe25-SiO2 granular films // Phys. Stat. Sol. A.-2005.-V.202.-N.10.-P.2021-2027.

    4. Sohn J. C., Byun D. J., and Lim S. H. Theoretical and experimental permeability spectra of nano-granular Co-Fe-Al-O films for GHz magnetoelastic device applications // Phys. Stat. Sol. A.-2004.-V.201.-N.8.-P.1946-1950.

    5. Buznikov N.A., Iakubov I.T., Rakhmanov A.L., Sboychakov A.O.High-frequency magnetic permeability of nanocomposite film // J. Magn. and Magn. Mater.-2005-V.293.-P.938-946.

    6. Ohnuma S., Kobayashi N., Masumoto T., Mitani S., and Fujimori H., Magnetostrictrion and soft magnetic properties of (Co1-xFex) -Al-O granular films with high electrical resistivity // J. Appl. Phys.-1999 V.85. P.4574-4576.

    7. Xu Y., and Yan X. Microstructure and magnetic properties of percolating (Ni-Fe) x (SiO2) 1-x granular films // J. Mat. Rsch.-1996.-V. 11-P.2506-2509.

    8. Hayakawa Y., Hasegawa N., Makino A., Mitani S., and Fujimori H. Microstructure and magnetoresistance of Fe-Hf-O films with high electrical resistivity // J. Magn. Magn. Mater.-1996 V. 154.-P.175-182.

    9. H. Ohnuma, K. Hono, H. Onoder, S. Ohnuma, H.

    Fujimori, J.S. Pedersen Microstructures and magnetic properties of Co-Al-O granular thin films // J. Appl. Phys.-2000-V.87-N2-P.817-823.

    10. Wu L.Z., Ding J., Jiang H.B., Chen L.F., Ong C.K. Particle size influence to the microwave properties of iron based magnetic particulate composites // J. Magn. and Magn. Mat .- (2005) -V.285-P.233-239.

    11. Ramprasad R., Zurcher P., Petras M., Miller M., Renaud P. Magnetic properties of metallic ferromagnetic nanoparticle composites // Appl. Phys.-2004-V.96.-N.11.-P.519-529.

    12. Chen C., Kitakami O., and Shimada Y., Particle size effects and surface anisotropy in Fe-based granular films // J. Appl. Phys., - 1998- V. 84, -P. 2184-2189.

    13. Lianwen Deng, Zekun Feng, Jianjun Jiang, Huahui He Percolation and microwave characteristics of CoFeB-SiO2 nano-granular films // J. Magn. and Magn. Mater.-2007-V.309.-P.285-289.

    14. F. Yildiz, S. Kazan, B. Aktas, S.I. Tarapov, L. Tagirov, B. Granovsky Ferromagnetic resonance studies on (Co40Fe40B20) x (SiO2) i-x granular magnetic films // J. Magn. and Magn. Mater.-2006-V.305.-P.24-27.

    15. Гриднев С.А., Калінін Ю.Є., Ситников А.В., Ситников А.В Нелінійні явища в нано- та мікрогетерогенних системах. - М .: БИНОМ. Лабораторія знань, 2012.- 352 с.

    16. Ohnuma S., Fujimori H., and Masumoto T., Xiong X. Y., Ping D. H., and Hono K. FeCo-Zr-O nanogranular soft-magnetic thin films with a high magnetic flux density // Appl. Phys. Lett.-2003-V.82.-N.6.-P.946-948.

    17. Ситников А.В. механізми наведеної

    магнітної анізотропії в гранульованих

    нанокомпозитах (Co40Fe40B20) X (SiO2) 100-X // Альтерна-

    тивная енергетика та екологія. - 2008. - № 8. - С. 31-37.

    18. Стогній О.В. Ситников А.В. Анізотропія аморфних наногранулірованних композитів CoTaNb-SiOn і CoFeB-SiOn // Фізика твердого тела.-2010.- Т. 52. -Вип. 12.- С. 2356-2364.

    19. Ситников А.В. Магнітні властивості і

    особливості формування структури

    наногранулірованних композитів метал-діелектрик // Матеріалознавство. - 2010 - № 3 - С. 134-137.

    20. Fedotova J., Kasiuk J., Przewoznik J., Kapusta Cz., Svito J., Kalinin Yu., Sitnikov A. Effect of oxid shells on magnetic and magnetotransport characteristics of oxidized FeCoZr nanogranules in Al2O3 // J. of Alloys and Compounds

    - 2011 - Vol. 509. - P. 9869-9875.

    21. Saad A.M., Mazanik A.V., Kalinin Yu.E., Fedotova J.A., Fedotov A.K., Wrotek S., Sitnikov A.V., Svito J. Structure and electrical properties of CoFeZr-Aluminium oxide nanocomposite films // Rev. Adv. Mater. Sci. - 2004 -v.8. - p.152-157.

    22. Луцев Л.В., Звонарьова Т.К., Лебедєв В.М. Електронний транспорт в гранульованих плівках аморфного вуглецю з наночастинками кобальту // ПЖТФ.

    - 2001. - Т.27.- вип. 15. - С.84-89.

    23. Калінін Ю.Є., Пономаренко А.Т., Ситников А.В., Стогній О.В. Гранульовані нанокомпозити метал-діелектрик з аморфною структурою // Фізика і хімія обробки матеріалів. - 2001 - № 5 - C. 14-20.

    24. Калінін Ю.Є., Ситников А.В., Стогній О.В. Фізичні властивості нанокомпозитів метал-діелектрик з аморфною структурою // Альтернатив-ва енергетика та екологія - 2007 - № 6. - С.145-148.

    Воронезький державний технічний університет

    MAGNETIC PROPERTIES OF NANOCOMPOSITES FERROMAGNET-CARBON

    A.A. Aleshnikov, Yu.E. Kalinun, A.V. Kryachko, A.V. Sitnikov

    Investigated the magnetization curves and complex magnetic permeability at 50 MHz composites (Co40Fe40B20) X (C) 100-x, (Co84Nbi4Ta2) x (C) 100-x, (Co45Fe45Zr ^) x (C) 100-x, (Ni) x (C) 100-x, (Co) x (C) №x- The samples were obtained by ion-beam sputtering. The relationship between magneto static and magneto dynamic properties of heterogeneous systems

    Key words: nan composites, magnetic properties, percolation threshold, magnetic permeability


    Ключові слова: нанокомпозитів /МАГНІТНІ ВЛАСТИВОСТІ /ПОРІГ ПЕРЕБІГУ /МАГНИТНАЯ ПРОНИКНІСТЬ /NAN COMPOSITES /MAGNETIC PROPERTIES /PERCOLATION THRESHOLD /MAGNETIC PERMEABILITY

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити