еще много нерешенных проблем, в частности до сих пор не выработана общая теория магнетизма аморфных металлов. Магнитные явления, протекающие в аморфных металлах, пока еще трудно объяснить с единой точки зрения. В настоящей главе мы кратко остановимся только на вопросах, касающихся высокой магнитной мягкости аморфных металлов и покажем возможности разработки сплавов и способов их термической обработки, основываясь на физике явлений, присущих этим материалам, а также практического их использования.

5.2. ФЕРРОМАГНЕТИЗМ И ФЕРРИМАГНЕТИЗМ АМОРФНЫХ МЕТАЛЛОВ

Как хорошо известно, в основе действия постоянных магнитов, и магнитных сердечников, изготовленных из кристаллических металлических сплавов и химических соединений, лежит явление ферромагнетизма. Прежде всего необходимо отметить, что источником магнетизма является наличие магнитного момента, возникающего благодаря собственному спиновому моменту импульса электрона. Вещества, способные к сильному намагничиванию, именуемые в дальнейшем магнетиками, можно подразделить на так называемые ферромагнетики и ферримагнетики. В ферромагнетиках все магнитные моменты атомов параллельны друг другу, в фер-римагнетиках магнитные моменты атомов антипараллельны и имеют различную величину, так что суммарный момент отличек от нуля. Основной причиной возникновения ферромагнитного состояния спонтанного намагничивания в таких веществах является: внутренняя структура их атомов.

Ферромагнетизм наблюдается в Зй?-переходных металлах (железе, кобальте, никеле), в гадолинии и некоторых других редкоземельных металлах а также в сплавах на их основе и интер-металлидах. Ферримагнетики - это сложные оксиды, содержащие ферромагнитные элементы. Так как все перечисленные вещества являются кристаллическими, можно было бы предположить, что для параллельного упорядочения магнитных моментов необходимо наличие регулярного расположения атомов. Однако в 1947 г. Бреннер [1] наблюдал явление ферромагнетизма в полученной электролитическим осаждением аморфной пленке Со - Р. Позже Губанов [2] теоретически показал, что для упорядоченности магнитных моментов регулярность и симметрия атомных конфигураций необяза-

Это относится к случаю так называемого коллинеарного магнитного порядка, характерного для Зй-металлов. В ферромагнитных РЗМ. наблюдается более сложное, неколлинеарное, магнитное упорядочение магнитных моментов, (например , типа геликоидальной структуры, как в Но или Ег). Прим. ред.

Это необходимое условие (атомы должны иметь внутреннюю недостроенную 3d- или 4f-оболочки), но не достаточное. Второе условие появления ферромагнетизма- это характер обменного взаимодействия между спинами, прн котором обменный интеграл должен быть положительным. Прим. ред.

3 В, ТЬ, Dy, Но, Ег н Тт (атомные Иомера от 65 до 69). В отличие от ферромагнитных Зй-металлов температуры Кюри перечисленных РЗМ значительно ниже комнатной температуры (например, у Dy Тс 85 К). Прим. ред.

тельны. Тем самым было обосновано, что ферромагнетизм может проявляться не только в кристаллах, но и в жидкостях и аморфных твердых телах.

На рис. 5.1 показан наиболее простой случай ферромагнитного состояния: магнитные атомы неупорядоченно расположены в пространстве, но все магнитные моменты выстраиваются взаимно параллельно. Характерно, что в этом случае вектор магнитной поляризации имеет строго фиксированное направление, спонтанная

Рис. 5.1. Простой аморфный ферромагнетик

Рнс. 5.2. Неупорядоченный аморфный ферромагнетик

намагниченность стремится к насыщению. При этом благодаря особенностям обменного взаимодействия между магнитными моментами могут проявляться и взаимодействия других типов, отличные от ферромагнитного. Другой случай представлен на рис. 5.2. Здесь магнитные моменты стремятся взаимно уменьшить друг друга, при этом ферромагнитное состояние совершенно не насыщено. Однако, поскольку угол между магнитными моментами не равен 180°С, возникает возможность для появления спонтанного намагничивания. Такое состояние, как полагают, действительно может иметь место в соединениях типа DyNi, относимых к неупорядоченным ферромагнетикам, или сперомагнетикам [3]. Предполагают, что подобное магнитное состояние возникает, когда наряду с относительно слабым обменным взаимодействием существует локальная магнитная анизотропия, вследствие которой возникает неупорядоченность в расположении магнитных моментов атомов. Например, в соединениях РЗМ магнитная анизотропия возникает за счет того, что из-за сильных нормальных спиновых взаимодействий магнитные моменты ионов отклоняются в разные стороны. В аморфном состоянии, поскольку имеются локальные различия атомных конфигураций, величина магнитной анизотропии и ее направление также должны локально различаться. Вследствие этого параллельность между магнитными моментами, обусловленных обменным взаимодействием, может частично нарушать-

Другими словами, намагниченность. Прим. ред.

2 Например антиферромагнитное взаимодействие, когда обменный интеграл меньше нуля. Прим. ред.

Т. е. магнитных взаимодействий. Прим. ред.

СЯ и в результате конкуренции процессов упорядочения и разупорядочения могут возникать спиновые конфигурации, подобные тем, что показаны на рис. 5.2. Наличие локальной магнитной анизотропии слабо сказывается на величине спонтанной намагниченности, а температура Кюри при этом понижается [4, 5].

В аморфных металлах встречается еще один тип магнитной неупорядоченности, проявляющийся в таких кристаллических материалах, как оксиды (ферриты), а именно ферримагнетизм. Если в аморфном сплаве, содержащем два сорта магнитных атомов, А и В, взаимодействия АА - ВВ положительны, а взаимодействия А~В отрицательны, то возникает состояние, в котором магнитные моменты А и магнитные моменты В противоположны друг другу (рис. 5.3). Когда магнитный момент В больше магнитного момента Л или наоборот, возникает споитан-ный магнетизм, который определяется как ферримагнетизм. На рис. 5.3 магнитные моменты Л и Б ан-типараллельны, но магнитные моменты атомов одного сорта могут быть разориентированы на малые углы 1И поэтому так же, ак и в случае, показанном на рис. 5.2, может возникнуть влияние локальной магнитной анизотропии. Таким образом, в зависимости от локальных колебаний направления магнитного момента ферримагнетики,. как и ферромагнетики, можно назвать неупорядоченными.ферри-магнетиками или спериферримагнетикамп [3]. В качестве примера аморфных ферримагнетиков можно указать на аморфные пленочные сплавы на основе РЗМ с Ее и Со [6, 7], весьма перспективные для применения в устройствах магнитной записи. В магнитном поведении таких сплавов проявляется так называемый компенсационный эффект, характерный для ферримагнетиков вообще [8, 9].

Компенсационный эффект заключается в том, что, когда сумма магнитных моментов атомов сорта Л и сумма магнитных моментов атомов сорта В равны друг другу, спонтанная намагниченность полностью исчезает. Важными факторами здесь являются концен-рации атомов А и В (химический состав сплава) и температура. Состав сплава и температура, при которых имеет место эффект компенсации, называют соответственно компенсирующим составом и температурой компенсации. Варьируя концентрации атомов вблизи компенсирующего состава, можно регулировать величину спонтанной намагниченности, в том числе делать ее достаточно малой. С другой стороны, если между маг-

Рис. 5.3. Аморфный ферримагне-тик

* Ферромагнетики с подобными магнитными структурами определяют так же, как неколлииеарные неупорядоченные ферромагнетики. Прим. ред.

2 Имеется в виду электростатическое взаимодействие обменного типа, энергия которого зависит от пространственной ориентации взаимодействующих спинов. Прим. ред:

нитными моментами А и В имеются существенные различия, то может возникнуть сильная наведенная магнитная анизотропия. Важным обстоятельством при этом является формирование пузырьковой (bubble) доменной структуры в аморфных магнитных тонких пленках.

Из сказанного ясно, что в аморфном состоянии, характеризующимся отсутствием упорядоченности в расположении атомов, может иметь место упорядоченное магнитное состояние, в котором магнитные моменты расположены более или менее параллельно. Это служит причиной возникновения в аморфном состоянии сильного спонтанного намагничивания, т. е. ферро- и ферримагнетизма.

5.3. ФЕРРОМАГНЕТИЗМ АМОРФНЫХ СПЛАВОВ (Fe, Со, Ni) - МЕТАЛЛОИД

В предыдущем разделе было показано, что в аморфных веществах, так же как и в кристаллических, существует ферро- и ферримагнетизм. Магнитномягкие аморфные сплавы, составляющие предмет настоящей главы, представляют собой сплавы железа, кобальта иди никеля с другим металлом или металлоидом. Предполагается, что они являются простыми ферромагнетиками, типа показанного на рис. 5.1. Данный раздел посвящен рассмотрению спонтанного магнетизма как основного проявления магнетизма в этих веществах. Мы остановимся также на обсуждении температуры Кюри и некоторых других магнитных параметров.

Измеряя намагниченность вдоль оси в направлении длины аморфной ленты (в дальнейшем для краткости будем говорить просто ось ленты ), можно наблюдать явление магнитного насыщения и петлю гистерезиса, точно такие же, как и в обычных кристаллических ферромагнетиках. Отсюда следует, что в аморфных металлических лентах внутренняя намагниченность разбита на части - магнитные домены. Предполагают, что намагничивание аморфных металлов происходит путем перемещения границ магнитных доменов и вращения вектора спонтанной намагниченности.

В начале процесса намагничивания величина намагниченности растет пропорционально напряженности внешнего магнитного поля, однако с увеличением поля намагниченность асимптотически стремится к некоторому предельному значению, так что и для аморфные ферромагнетиков выполняется асимптотический закон приближения к насыщению. Для магнитномягких аморфных металлических лент намагниченность насыщения достигается при весьма высоких значениях напряженности внешнего магнитного поля [во многих случаях эти значения составляют (8-=-80) 10 А/м]. Величина спонтанной намагниченности уменьшается с ростом температуры и в точке Кюри (Гс) становится равной нулю. При разработке магнитных материалов необходимо находить такие, у ко-

* Ось этой анизотропии перпендикулярна поверхности ленты. Прим. ред. 2 Эти материалы с так называемыми цилиндрическими магнитными доменами (ЦМД). Прим. ред.

торых при высокой температуре Кюри величина спонтанной намагниченности Ms в области от О К до комнатных температур была бы довольно большой. При этом наиболее важным является вшрос о влиянии химического состава на значения магнитных характеристик (Ms, Гс и др.).

5.3.1. Магнитный момент

Величина спонтанной намагниченности при О К (Mso) связана со средним магнитным моментом атома (измеренным в единицах цв) следующим образом:

M,o==liNdp/A, (5.1)

где Na - число Авогадро; d - плотность; р - постоянная; А - средняя атомная масса для данного состава.

В аморфных сплавах носителями магнетизма являются атомы переходных металлов - железа, кобальта, никеля или хрома, марганца и др., а атомы, стабилизирующие аморфное состояние (металлоиды типа фосфора, бора, углерода, кремния, германия), являются немагнитными. Поэтому ц определяется только величиной магнитного момента магнитных атомов металлов [1/ и их концентрацией с в сплаве: .

(5.2)

где \1п имеет смысл магнитного момента металлоидного атома, его величина принимается равной нулю.

На рис. 5.4 показаны величины магнитных моментов атомов железа и кобальта в аморфных сплавах различного состава [11- 17]. На этом же рисунке показаны значения ц/ кристаллических

Jff WO 10 20 Концентрация компонента,%(от.)

Рис. 5.4. Магнитный момент аморфных сплавов на основе железа (а) и

кобальта (б):

а - кристаллические сплавы:-ре-А1, Fe-Si [11, 12] (значения показаны штриховыми линиями); аморфные сплавы: Fe-В [13]; Fe-Р [13], Fe-Si [14];

химические соединения: FeSi [17], FeaP 17], РсгВ [17], РСгР [17]; б - кристаллические сплавы: Со-А1, Со-Si [11] (значения показаны точками); аморфные сплавы: Со-Р [15, 16]; химические соедниення: CogB, СоаВ [17]

твердых растворов, на основе РЗМ и химических соединений. Из сравнения величины ja/ этих веществ видно, что:

1) в сплаве на основе железа и кобальта щ уменьшается с увеличением концентрации металлоидов; ферромагнетизм не проявляется в аморфных сплавах никеля с металлоидами;

2) в кобальтовых сплавах ~щ сравнительно гладко изменяется с концентрацией металлоида; магнитный момент этих сплавов слабо зависит от характера атомных конфигураций и практически одинаков для кристаллических твердых растворов, химических соединений и аморфных структур; ]1/ сплавов железа, напротив, сильно различается для аморфного и кристаллического состояния, причем эта интересная особенность характерна для многих сплавов на основе железа.

Таким образом, в сплавах железа щ имеет наибольшую вели-

[ магнитные материалы особенно важны, и IB этой связи понятен интерес, проявляемый к их детальному изучению. На рис5.5 представлены зависимости щ аморфных сплавов Ре8о(В1-хХк)2о от концент-

0,1 0,6

2,k

но,г o/t 1}б 0,8 со о,г qii ofii №

Рис. 5.5. Магнитный момент и температура Кюри аморфных сплавов Fe8o(B,-=cX=c)2o (X-Ge, Si, С, Р) \Щ

Рнс. 5.6. Зависимость магнитного момента от концентрации железа, кобальта и никеля в сплавах (магнитный момент показан как число магнетонов Бора на дни атом железа, кобальта влн никеля); концентрации сплавов приведены в

относительных единицах:

/ -(FeNi)8oPioBio [19]; 2-(FeNi)8o В20 [20, 21]; 5 - (FeNi)8o Рго [22]; 4-(FeNi)8oP20 [22]; 5 - (FeCo)8o Рю Вю [ 19]; б - (FeCo)8o Bao [23]; 7 - <FeCo)8oP2o [22]; <S- (CoNi)7g P14 Bg [24]; S- (CoNi)78 SUo B12 [25]; 10-(CoNi)8oP20 [22]; Л - кристаллические Fe-Co, Co-Ni, Fe-Ni

рации X металлоида. Германий и кремний повышают ц/, а углерод

и фосфор, напротив, снижают щ.

Понятно, что аморфные сплавы Fe-В-Si могут быть перспективными для использования их в качестве сердечников трансфор-