Локальное ферромагнитное упорядочение в кристаллах типа висмута
В последниедесятилетия активно исследуется магнитопластический эффект (МПЭ) в немагнитныхкристаллах. Суть эффекта заключается в том, что однородное постоянное магнитноеполе (МП) инициирует депиннинг дислокаций. Авторами было обнаружено [1], чтодлительное воздействие сосредоточенной нагрузки с одновременным приложениемслабого постоянного магнитного поля (МП) частично подавляет двойникование вкристаллах висмута. Наиболее ярко это выражается в уменьшении длины клиновидныхдвойников. При этом существенно интенсифицируется конкурирующий видпластической деформации – скольжение [2].
В обзоре [3]отмечается, что силовое действие МП на дислокационную линию на несколькопорядков меньше уровня стартовых напряжений. Поэтому движущей силой дляперемещения дислокации по кристаллу является случайная мозаика полей внутреннихнапряжений, а МП лишь снижает высоту барьеров, преодолеваемых дислокациями.Несколько групп исследователей, работающих в этом направлении, придерживаютсятеории спин-зависимого депиннинга дислокаций. Суть этой теории сводится к тому,что МП порождает эволюцию спинового состояния в системедислокация-парамагнитный центр, приводящую к снятию спинового запрета напротекание внутрикристаллической химической реакции, что и приводит коткреплению дислокаций от парамагнитного точечного дефекта.
B работе [4]указывается, что в исходно диамагнитных веществах может возникатьвысокотемпературное магнитное упорядочение островкового типа(«квазиферромагнетизм»). В этом случае можно ожидать силового взаимодействиямежду ферромагнитными островками и дислокациями, понижающего высотупотенциальных барьеров для дислокаций, движущихся в поле упругих напряжений,создаваемых индентором. Идея опыта по экспериментальной проверке данной моделифизического механизма МПЭ состояла в следующем. Нами было обнаружено, что вобразцах сурьмы МП индуцировало эффект последействия. Иначе говоря,предварительное воздействие на образец импульса МП (до приложениясосредоточенной нагрузки) приводит к снижению средней длины и увеличению числаклиновидных двойников. (Эффект последействия имеет место также и в случаескольжения [3]). Если островковое ферромагнитное упорядочение действительноответственно за МПЭ в исходно диамагнитных кристаллах, то этот эффект долженисчезать, или, по крайней мере, значительно снижаться после «размагничивания»образца. Такое размагничивание мы осуществляли по стандартной методике,принятой в радиотехнике.
Клиновидные двойникисистемы {110} получались путем вдавливания стандартной алмазнойпирамиды в плоскость спайности (111) кристаллов сурьмы. Исследования проводилисьс помощью микротвердомера ПМТ-3 с использованием специального устройства,изготовленного из неферромагнитных металлов, для нагружения образца в условияхприложения к нему МП. Вектор магнитной индукции лежал в плоскости спайности(111) кристаллов висмута. Для размагничивания образцы помещались внутрьсоленоида (не соприкасаясь) обмотка которого содержала 1800 витков длянапряжения электросети 220 В. Затем образцы плавно удалялись на расстояние 1мот соленоида, после чего соленоид выключался. Промежуток времени послеокончания воздействия импульса постоянного однородно МП был одинаков для всехобразцов (размагничиваемых и не размагничиваемых). После снятия нагрузкипроводилось фотографирование ансамбля клиновидных двойников у отпечаткаалмазного индентора.
/>
/> Рис.1. Ансамбль клиновидных двойников заклинившихся у отпечатка индентора без воздействия МП Рис.2. Ансамбль клиновидных двойников заклинившихся у отпечатка индентора после воздействия импульса МП
/>
/>
Из изучениямикрофотографий можно сделать вывод о том, что воздействие импульса постоянногооднородного МП приводит к снижению средней длины клиновидных двойников ирезкому росту числа двойников малой длины. Следовательно, МП снижает трансляциюдвойникующих дислокаций вдоль готовых границ раздела двойник-матрица, но в тожевремя стимулирует работу источников двойникующих дислокаций. «Размагничивание»образцов приводит к практически полному исчезновению эффекта – число и длинадвойников в «размагниченных» кристаллах приближаются к значениям, которые имеютместо без воздействия постоянного однородного МП. Таким образом, локальноеферромагнитное упорядочение может быть ответственно за МПЭ в диамагнитныхкристаллах. Недавно [1] было показано, что в диамагнитно разбавленных сплавах Mn2-xZnxSbпри больших концентрациях цинка, замещающего марганец в матрице Mn2Sb,наблюдается эффект фазового магнитного расслоения, т.е. существование двухнеоднородных магнитных состояний при структурной однородности.
/>
/>
В сплавах реализуетсяоднородная тетрагональная кристаллическая структура типа Cu2Sb (пространственная группа Р4/nmm,C 38). Однако данные магнитометрии демонстрируют необычный ходтемпературного поведения намагниченности – при резком уменьшении в области300-350 К сохраняется значительная остаточная намагниченность до ~ 550 К.(рис. 1). Анализ экспериментальных данных рентгенографии и магнитометриипозволил сделать вывод о существовании в сплавах двухфазного магнитногосостояния: 1) с ферромагнитным упорядочением атомов MnI (MnIIзамещен Zn); 2) с ферримагнитным упорядочениематомов MnI и незамещенных цинком атомов MnII,аналогичным реализующемуся в Mn2Sb. Температуры магнитного разупорядоченияназванных магнитных фаз различны (Т1≈320 К, Т2≈550К) в силу различных атомных магнитных моментов образующих их атомов MnIи MnII и соответствующих межатомных расстояний. При этомвысокотемпературная фаза 2 представляет собой кластеры, рассеянные в виде«капель» в основной матрице 1. Так как количество фазы 2 в исследованныхсплавах значительно, возникают соприкасающиеся кластерные образования, чтоприводит к возникновению протяженных областей с когерентным магнитным порядком.Это дает возможность, в частности, идентифицировать и характеризовать такиеобласти методом нейтронографии [2]. Отметим, что проведенные ЯГР-измерениятакже подтверждают эффект фазового магнитного расслоения в сплавах Mn2-xZnxSb[3].
В настоящем сообщенииприводятся полученные нами результаты по влиянию сильных импульсных магнитныхполей на диамагнитноразбавленный сплав Mn1,2Zn0,8Sb.
Поликристаллическийобразец для измерений был получен методом прямого сплавления порошков исходныхкомпонентов в вакуумированных до 10-3 мм.рт. ст. кварцевых ампулах по технологии, апробированной ранее при синтезеантимонидов марганца, и аттестован рентгенографически как однофазный соструктурой типа Cu2Sb.
Измерения полевыхзависимостей намагниченности в ИМП проводились на основе индукционной методикипри помощи импульсного магнитометра с длительностью полупериода импульса 1.5миллисек [4].
Полевые зависимостиудельной намагниченности сплава при различных температурах приведены на рис. 2.Зависимость σ=f(H) при Т=78 К имеет характер кривойнамагничивания типичного ферромагнетика, основу которого в нашем случаепредставляет ферромагнитная матрица атомов MnI (фаза 1). Выход намагнитное насыщение сплава происходит при достаточно больших полях H ≥ 50 кЭ, что свидетельствует о сильной одноосноймагнитокристаллической анизотропии в нем по аналогии с эквиатомным составом MnZnSb[5].
/>
/>
При Т=360 Кферромагнитная матрица разупорядочена. Остаточная намагниченность определяетсявысокотемпературной кластерной фазой 2, образуемой магнитоактивными атомами MnI и MnII сантипараллельно направленными магнитными моментами. Намагниченность этой фазылинейно увеличивается с полем, магнитное насыщение не достигается вплоть до H=180 кЭ. Такая полевая зависимостьхарактерна для систем магнитных моментов с неупорядоченной периодическойструктурой, таких как кластерные фазы, спиновые стекла и другие [6].
Таким образом, полученныерезультаты находятся в соответствии с экспериментальной моделью фазовогомагнитного расслоения в диамагнитно разбавленных сплавах Mn2(Zn)Sb,описанной в [1].
Работа поддержанаБелорусским республиканским фондом фундаментальных исследований (проектФ07К-054).Высококоэрцитивные пленки сплавов наоснове кобальта привлекают внимание многих исследователей, занимающихсяизучением магнитных сред для хранения и обработки информации [1]. Несмотря назначительное количество работ, посвященных изучению магнитных свойств покрытий,полученных в основном вакуумными методами, межкристаллитное магнитноевзаимодействие, его связь с процессами перемагничивания изучены недостаточно,хотя такие исследования имеют большое практическое и научное значение [2]. Внастоящей работе проведено исследование взаимосвязи структурных характеристик,магнитной неоднородности и межкристаллитного магнитного взаимодействия в покрытияхСо-W (4 ¸ 6 ат.% W) и Со-Р (2¸5 ат.% Р), полученных электрохимическим осаждением приразличных температурах (Со-W) иразличной концентрации гипофосфита натрия в электролите (Со-Р). Пленки Со-Wсостоят из кристаллитов ГПУ кобальта различного типа: цилиндрического стекстурой [00.1] или пластинчатого с текстурой [10.0]. Доля кристаллитов тогоили иного типа зависит от условий электролиза, а сами кристаллиты распределяютсяпо поверхности подложки практически равномерно, прорастая в основном на всютолщину покрытия [3]. Пленки Со-Р состоят из кристаллитов ГПУ фазы спреимущественной ориентацией [00.1]. При осаждении из электролита сконцентрацией гипофосфита натрия 5 г/л покрытия состоят из агрегатов размером~700 нм, объединяющих более мелкие кристаллиты размером 10 нм. Кристаллитыориентированы преимущественно вдоль направления [00.1], одновременнонаблюдается и текстура [10.0] [4].
Для анализа были выбранытакие структурно-чувствительные характеристики, как полевая зависимостьнеобратимой восприимчивости cdirr=dId/dH, где Id-остаточная намагниченность образцапосле выключения отрицательного поля (предварительно образец был намагничен донасыщения положительным полем) и кривая dМ(Н)=Id(H)-(1-2Ir(H)), где Ir – остаточная намагниченность, полученная при последовательномнамагничивании образца из размагниченного состояния. dМ-кривая (как и взаимное расположениекривых необратимой восприимчивости, полученных при намагничивании иразмагничивании) характеризует тип взаимодействия магнитных составляющихпокрытия (кристаллитов) (dМ(H) 0 — обменное взаимодействие или процессы смещения доменных границ) [2].
На кривых полевойзависимости восприимчивости cdirr(H), снятых на покрытиях Со-W со смешанной текстурой (осажденныхпри 26оС и 33оС) наблюдается два пика: первый-в полях ~ 32 кА/м, а второй — в полях ~ 48 кА/м, причем повышениетемпературы электролита приводит к относительному росту первого пика (Рис.).Дальнейшее повышение температуры электролита (свыше 33оС) приводит кросту только одного пика в области полей ~ 32 кА/м (кривые 4 и 5). Покрытие,полученное при Т=18°С,характеризуется одиночным пиком при ~ 16 кА/м. На кривых cdirr(H) покрытий Со-Р наиболее заметны два пика: в полях ~ 48 и 128кА/м; первый заметно острее и выше второго. У образцов Со — 3ат.%Р происходитсдвиг первого пика в сторону больших полей (~64 кА/м), а второй пик исчезает.Покрытия Со-3.5 ат.% Р на кривой cdirr(H) имеют один довольно высокий и узкий пик в полях ~160 кА/м.Дальнейшее увеличение содержания фосфора в образцах вызывает снижение величиныпиков в области полей ~ 160 кА/м и некоторый рост пиков в полях ~ 80 кА/м.
/>
Рис.6. Кривые cdirr(H) покрытий Со-W (pH 6.4, h = 1мкм), полученных при различной температуре электролита, oС: 1-18, 2-26, 3-33, 4-37, 5-40.
Во всех исследованныхпокрытиях Со-W и Со-Р величина dМ(H)irr(Н) в покрытиях Со-Р и Со-W можно связать с присутствием в покрытии, наряду с основнойтекстурой [00.1] и текстуры [10.0]. Следует учитывать также, что исследуемыепокрытия состоят из кристаллитов, между которыми существует магнитостатическоевзаимодействие, которое в случае пленок Co-W с текстурой[00.1] обусловлено в основном вкладом элементов субструктуры сферической формы[7] и которое объясняет отличие процессов перемагничивания в реальных магнитныхматериалах от предсказанных теоретическими моделями [8,9]. Так, в покрытиях сосмешанной текстурой [00.1]+[10.0] (cлабой текстурой [001]) пик cdirr(H), соответствующий перемагничиваниюкристаллитов с текстурой [00.1] лежит правее пика cdirr(H), соответствующегоперемагничиванию кристаллитов с текстурой [10.0]. Изменение структурныххарактеристик (текстуры, микроструктуры) при изменении концентрации в растворегипофосфита натрия (пленки Со-Р) или температуры электролита (20-30оC, пленки Со-W) приводит лишь к росту или падению величины того или иногопика, но не вызывает их существенного сдвига на оси полей. Т.е. наличиемагнитостатического взаимодействия элементов микроструктуры в плоскости образцовв этом случае приводит к вовлечению в процесс перемагничивания интегральногомагнитного момента кристаллитов как единого целого, а не только его плоскостнойсоставляющей, что с учетом хаотического распределения осей «С» кристаллитов вплоскости образцов и обусловливает расположение пика cdirr(H), соответствующегоперемагничиванию кристаллитов с текстурой [10.0], в области меньших полей.
Подтверждением влияния межкристаллитного взаимодействия напроцессы перемагничивания может служить и тот факт, что характер зависимостинеобратимой восприимчивости от поля cdirr(Н) для образцов Со-2 ат.% Р и Со-3ат.% Р различен [6], хотя увеличение числа кристаллитов с ориентацией [00.1]относительно невелико. В этом случае с повышением концентрации гипофосфитанатрия в электролите происходит не только усиление текстуры [00.1] в покрытиях,но и разрушение крупных зерен-агрегатов (размером ~700 нм), сопровождающеесяболее равномерным распределением мелких кристаллитов (размером ~ 10 нм) сориентацией [10.0] и [00.1], образованием межзеренных границ с малойнамагниченностью и увеличением магнитостатического взаимодействия между ними.
Различие магнитногоповедения пленок с текстурой [00.1] и [10.0], проявляется и при отжиге исследованныхпокрытий. Термообработка покрытий Co-W при относительно невысокихтемпературах (~0.1Тпл) способствует снижению концентрации иперераспределению дефектов кристаллического строения и переходу образцов вболее равновесное состояние, когда элементы субструктуры практически сливаютсяв единое целое. Такое совершенствование столбчатой структуры (уменьшениемагнитного разделения элементов субструктуры) вследствие снижения концентрациидефектов, разложения гидроокиси приводит к уменьшению вклада элементовсубструктуры в результирующее магнитостатическое взаимодействие пленок стекстурой [00.1] (при незначительном вкладе взаимодействия столбчатыхкристаллитов). У образцов с текстурой [10.0] и преимущественно пластинчатымстроением кристаллитов совершенствование структуры в процессе отжига неприводит к существенному изменению характера их микроструктуры, чем иобусловлено практически неизменное магнитное разделение кристаллитов.
В пленках сплавов Со-Рсовершенствование текстуры [00.1] с ростом температуры отжига сопровождаетсяпостепенным усилением магнитостатического взаимодействия между кристаллитами,при этом характер изменения кривых dId/dH после отжига отражает более однородное магнитноесостояние отожженных образцов. В этом случае отжиг дефектов, в частностидефектов упаковки, увеличивает в кристаллитах объем ГПУ фазы с ориентацией[00.1]. Возможен также незначительный вклад роста зародышей, благоприятноориентированных по отношению к основной текстуре электрокристаллизации. Выходфосфора и дефектов кристаллического строения на границы зерен усиливают ихмагнитное разделение. В процессе отжига образца с наиболее совершенной исходнойтекстурой [00.1] (I002/I100 = 20, Со-3.5 ат.%Р)практически не изменяется степень ее совершенства и изолированности кристаллитов,так как большая их часть имеет основную ориентацию [001] и более низкуюконцентрацию дефектов упаковки.
Литература
/>1. В.М Рыжковский,В.И Митюк. ДокладыНАНБ 50, 5, 53 (2006)./>
2. В.М Рыжковский, В.С.Гончаров, В.И Митюк, В.П. Глазков, В.А. Соменков. (в наст. сборнике).
3. В.И Митюк, В.МРыжковский, Т.М. Ткаченко./> Тезисы республиканской конференции «Современные научные проблемы физики конденсированных сред и астрономии», Брест, 19-20 апреля 2007 г.
4. А.Ф. Вуль, Б.М.Тодрис. Импульсный магнитометр для измерений в сильных магнитных полях поддавлением.-Препринт ДонФТИ-88-23. Донецкий ФТИ. 27, (1988).
5. S. Mori,T. Kanomata, H. Yamauchi, S. Sakatsume, T. Kaneko/>. J. Appl. Phys. 32,S32-3, 273 (1993).
6. J. Smit,G. Nieuwenhuys, L. Jongh. Sol. St. Communica