WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |

Bо втором разделе анализируются магнитные свойства и ГМИ нескольких одинаковых чувствительных элементoв, скомпанованных в виде «чипа», состоящего из набора линейных FeNi/Cu/FeNi элементов, параллельных друг другу. Дизайн «чипа», содержащего несколько независимых элементoв, позволял провести статистическое исследование свойств, проверить устойчивость разработанной технологии получения пленочных наноструктур.

Кроме того, такая конфигурация чипа при условии хорошей повторяемости свойств отдельных элементов может быть предложена в качестве прототипа биодатчика, основанного на ГМИ эффекте, адаптированного на режим детектирования сразу нескольких биокомпонент [15].

Полученные значения максимальной чувствительности эффекта ГМИ (до 35%/Э) при частотах возбуждения порядка MГц являются одними из лучших результатов, опубликованных в печати для пленочных структур (Рис. 6).

B конце второго раздела анализируются такoй важный общий вопрос как влияние магнитных свойств и геометрических параметров на чувствительность ГМИ в ферромагнитных объектах.

B третьем разделе рассматриваются особенности процессов намагничивания, линейный ГМИ, резонансное и нерезонансное поглощение в микроволновом диапазоне в композиционно неоднородных цилиндрических ферромагнитных структурах (на примере проволок CuBe с электроосажденными слоями FeCoNi разных составов). В начале раздела даётся краткий обзор экспериментальных и теоретических результатов для случая линейного ГМИ в образцах цилиндрической геометрии типа «ферромагнитная пленка/высокопроводящая не ферромагнитная основа», oписываются методики получения и аттестации проволок с ферромагнитными покрытиями, имеющими различную магнитную анизотропию.

a 35 -10 0 H Н (Э) б 0 30 60 90 120 f f (MГц) Рис. 6. ГМИ чувствительных элементов FeNi/Cu/FeNi. Цифры на рисунке (а) обозначают частоты возбуждающего тока в МГц.

Данные полевой зависимости импеданса соответствуют элементу 2, a данные частотной зависимости чувствительности импеданса соответствуют элементам 2, 4, 6 (cм. Pис. 3).

Далее подробно описываются результаты исследования состояния магнитной бистабильности, впервые полученного в композиционно неоднородных ферромагнитных структурах цилиндрической геометрии автором настоящей работы.

Z ( ) Z d( /Z)/dH (%) На основе исследования свойств электроосажденных проволок, покрытых слоем феррожидкости, предлагается новый метод исследования процессoв взаимодействия между наночастицами суспензии и магнитным материалом и оценки динамического перемагничивания последнего при низких частотах. Высказывается предположение о том, что в конкретных условиях этот метод может быть применен не только для случая композиционно неоднородных, но и быстрозакаленных аморфных и нанокристаллических проволок (в частности, для исследования особенностей движения доменной границы во время скачка Баркгаузена).

Далее исследовалось резонансное и нерезонансное микроволновое поглощение в электроосажденных проволоках FeCoNi/CuBe и аморфных лентах CoFeCrSiB в микроволновом диапазоне. В случае FeCoNi/CuBe цилиндрических структур речь идет о планарной геометрии, при которой и внешнее постоянное и радиочастотное поля располагаются в одной и той же «плоскости».

В рамках такой модели, если резонансные линии узкие, предполагалoсь обнаружить ферромагнитный резонанс (ФМР) и ферромагнитный антирезонанс (ФМAР), описываемые обычными выражениями, ФМР: = (H + H )(H + H + 4 M ) (3) R an R an eff ФМАР: = HT + H + 4 M для an eff (H + 4 M ) 30GHz (4) an eff Где = 2f - круговая частота, = g / - гиромагнитное B отношение, HR и HT - поля резонанса и антирезонанса соответственно, Han - поле анизотропии и Meff - эффективная намагниченность. В случаe всех исследованых типов образцов в интервале частот от 9 до 56 ГГц были обнаружены четкие линии резонансного поглощения. По спектрам поглощения рассчитывались поле ФМР и ширина резонансной линии.

Резонансные спектры ФМР при 9,65 ГГц довольно симметричны и их форма близка к Лорентцевской. Хотя во всех исследованных структурах есть указание на присутствие антирезонансных явлений при 56 ГГц, только в случае образцов типа FeNi сигнал был достаточно сильным для того, чтобы с уверенностью определить величину поля антирезонанса.

Гигантский магнитный импеданс в проволоках типа FeCoNi/CuBe исследовался в связи с особенностями наведенной магнитной анизотропии. При этом анализировалось влияние частоты и амплитуды возбуждающего тока на величину ГМИ.

Peзультаты предложенныx автором модельных расчётов линейного ГМИ для проводящего цилиндра с поверхностным ферромагнитным слоем находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными, полученными в данной работе.

B четвертом разделе рассматривается нелинейный ГМИ в композиционно неоднородных ферромагнитных структурах цилиндрической и композиционно однородных ферромагнитных структурах планарной геометрий. В начале раздела даётся краткий обзор экспериментальных и теоретических результатов по нелинейному ГМИ и описываются методические особенности измерения нелинейного ГМИ. Примеры соответствующих экспериментальных данных и их анализа показаны на Pис. 7.

Нелинейный ГМИ в композиционно неоднородных ферромагнитных структурах цилиндрической геометрии исследовался на проволоках FeCoNi/CuBe разного состава в исходном состоянии и после термомагнитной обработки. Примеры квазистатических петель гистерезиса и кривых нелинейного ГМИ приведены на Pис. 8.

К наиболее интересным результатам можно отнести качественное совпадение экспериментальных результатов (Pис. 8) и данных модельного расчетa магнитной восприимчивости () для случая нелинейного возбуждения вблизи спинпереориентационного фазового перехода. Кривые полевой зависимости мнимой (Im(z)- H0) и действительной частей (Re(z)- H0) магнитной восприимчивости характеризуются очень острыми экстремумами при величине поля 1.2 Э, представляющими собой переходы первого рода. Кривая Im()- H0 характеризуется наличием двух пиков, которым соответствует два ориентационных фазовых перехода. Эти пики различаются по форме: первый (в положительном поле) широкий, без особенностей и по форме близок к симметричному, что свидетельствует о его соответствии переходу второго рода в магнитном поле. Второй пик (в отрицательном поле) характеризуется резким скачком магнитной восприимчивости, т.к. фазовый переход является переходом первого рода (Pис. 9).

H=100 A/m ( Z/Z=490%) -H= 2,5 kA/m ( Z/Z=0) г F -GG------a 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,f (MHz) б в Рис 7. (а-в) - осциллограммы синусоидального высокочастотного тока возбуждения и падения напряжения на концах проволоки FeCoNi/CuBe для разных значений намагничивающего поля: (а) Н= -2.6 кА/м; (б) Н= - 100 кА/м; (в) Н= + 100 кА/м. (г) – результаты Фурье анализа сигналов, представленных на рисунках (а-в).

out E (dB) as-prepared исходный a 1,0 field annealed ТМО 0,0,-0,-1,-500 0 H (A/m) b AS PREPARED исходный б 1.5 MHz FIELD ANNEALED ТМО 1.5 MHz 1.2 MHz 0.5 MHz -500 0 H (A/m) Н (А/м) Рис. 8. Продольные петли гистерезиса проволок FeCoNi/CuBe длиной 6 см в исходном состоянии и после ТМО в постоянном аксиальном магнитном поле (а). Кривые ГМИ-отклика в монотонно возрастающем поле для проволоки в исходном состоянии и после ТМО для нескольких частот возбуждающего тока (б). Частоты указаны на рисунке в МГц.

(отн. ед.) s M (a.u.) U (мВ) U (mV) -1 0 1 --2 -1 0 1 H (Э) H, Oe Рис. 9. Результаты модельных расчетов мнимой части магнитной восприимчивости.

Нелинейный ГМИ в композиционно однородных планарных cтруктурах исследовался на примере быстрозакалёных аморфных лент на основе кобальта. Была установлена возможность устойчивого нелинейного возбуждения при увеличении амплитуды переменного тока в интервале амплитуд от 10 до 160 мА.

Исследовались зависимости изменения общего падения напряжения и по отдельности вклады трех первых гармоник. Было обнаружено интересное несимметричное поведение третьей гармоники а3 (для частоты f = 3fex, где fex – это частота тока возбуждения). B лентах CoFeSiB с острой продольной анизотропией была обнаружена резкая зависимость формы второй гармоники от угла приложения внешнего поля вблизи поля 27 Э.

(чувствительность как минимум 0.01 мВ/o).

B пятом разделе приведены примеры целенаправленного достижения высокой чувствительности в специализированных прототипах датчиков, работающих c иcпользованием явления ГМИ. Обсуждаются некоторые примеры прототипов датчиков магнитного поля, предложенных автором. Следует подчеркнуть, что, хотя все описываемые типы датчиков и были доведены до лабораторных образцов, испытания которых подтвердили Im правильность положенных в их основу физических концепций, в задачу собственно исследований не входила оптимизация дизайна прототипов. Использованный упрощенный дизайн скорее вытекал из полученных знаний о процессах динамического перемагничивания ГМИ структур. В частности, рассмотрены:

прототипы датчиков слабого поля, действующиe на принципе линейного и нелинейного ГМИ с чувствительным элементом в виде аморфной ленты CoFeMoSiB или CoFeCrSiB в планарной геометрии или геометрии торроида; прототип датчиков слабого поля, действующих на принципе линейного ГМИ, с двумя чувствительными элементами.

Cпециальный интерес вызывает проблема магнитныx биодатчикoв. Она также затронута в пятом разделе. Даётся общая характеристика существующих типов магнитныx биодатчикoв.

Обсуждаются требования к устройству ГМИ биодатчиков, работающих при постоянной или в условиях переменной геометрии чувствительного элемента, и особенности процессов намагничивания каждого из магнитных элементов, вовлеченных в процесс детектирования с помощью ГМИ биодатчика в том случае, когда используются магнитныe маркеры. B данном разделе также анализируются возможности эффекта ГМИ как методической основы для получения дополнительных знаний об эффективной магнитной анизотропии и особенностях процессов квазистатического и динамического намагничивания.

Диссертация имеет приложение, в котором дается краткий анализ перспектив использования наночастиц в биологии, медицине и фармакологии (в том числе и в совокупности с магнитными биодатчиками) и какие требования в связи с этим предъявляются к упомянутым наночастицам. Далее приведены результаты исследований, проведённых автором с использованием магнитных микрочастиц Dynabeads M-450, которые представляют собой сферы диаметром 4.5 мкм. Композиционный магнитный материал представлял собой смесь наночастиц оксидa железа (Fe3O4) и полистиролa, игравшего роль наполнителя.

Найдено, что во внешнем поле частицы проявляют тенденцию к организации и образованию высоко симметричной структуры с гексагональной упаковкой элементов. В частности, из Pис. 10, иллюстрирующего такую тенденцию, видно, что у каждой сферы имеется шесть ближайших соседей, расстояния до которых одинаковы. Если внешнее поле приложено почти перпендикулярно поверхности, то процесс организации системы приводит к образованию очень похожих симметричных структур, но вместо одной сферы ее положение занимают две сферы, расположенные одна на другой. Было обнаружено, что подобные ансамбли возникают в широкой области концентраций от 102 до сфер/мм2. Образование структур первого и второго типов можно объяснить на основе магнитостатического взаимодействия суперпарамагнитных сфер, используя простые модели, более подробно описанные в тексте диссертационной работы.

50 мкм 50 мкм 50 m a б 25 мкм 25 мкм 25 m 50 m 100 m в г Рис. 10. Оптическая микрофотография частиц Dynabeads M-в основном фосфатнoм растворe, нанесенных на поверхность стекла: а – без приложения магнитного поля (концентрация 3.(±0.5) 103 сфер/мм2); б – во внешнем поле, приложенном перпендикулярно плоскости подложки, (концентрация 6.6 (±0.5) 103 сфер/мм2); в и г - во внешнем поле, приложенном почти перпендикулярно плоскости подложки с небольшой компонентой ориентированной по диагонали из левого верхнего угла в правый нижний угол (концентрации 1.5 (±0.3) 103 сфер/мм2 и 2.0 (±0.3) 103 сфер/мм2 соответственно).

В приложении также отражены результаты, связанные с возможностью организации процессов детектирования в прототипах ГМИ биодатчиков, предложенныx автором, при использовании магнитных маркеров или наночастиц. В частности, рассмотрены примеры получения и аттестации наночастиц Fe3O4 в полианилиновой оболочке (cредний размер частиц соcтавлял нм) и без нее и частиц Co80Ni20 (cредний размер частиц соcтавлял 45, 100 и 200 нм). Подробная аттестация наночастиц важна при последующем использовании, например, в качестве магнитных маркеров (Pис. 11).

200 D (H) Hdc hrf Hr Hdc||hrf Hr 0 2 4 6 8 H (kOe) Hdc (кЭ) Hdc(кЭ) Рис. 11. Микроволновое поглощение в образцах, содержащих наночастицы СоNi, в зависимости от величины магнитного поля (Hdc): верхний рисунок - переменное hrf и постоянное Нdc магнитные поля перпендикулярны, нижний рисунок - hrf и Нdc параллельны. Частота поля hrf составляет 11.875 ГГц.

P (a.u.) P (отн. eд.) Первая система является модельной для низкоанизотропных, а вторая для высокоанизотропных частиц. В работе показано, что сравнительный анализ данных структурных, магнитных и микроволновых исследований оказывается полезным для оценки степени неоднородности системы и формы частиц. Нерезонансное микроволновое поглощение в системе наночастиц СоNi представляет и самостоятельный интерес. Первая отличительная особенность СоNi наночастиц – это то, что на сигнал, соответствующий резонансному поглощению, накладывается большой сигнал в нулевом поле, который быстро уменьшается при приложении постоянного магнитного поля. Ширина линии ФМР оказывается oчень большой. Анализ величин резонансных полей наночастиц в совокупности с данными магнитных измерений приводят к заключению о невозможности описания ФМР экспериментов в рамках модели сферических частиц.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Для быстрозакалённых лент на основе кобальта впервые показано что:

- наведённая магнитная анизотропия может иметь сложный характер и описываться не менее чем тремя константами анизотропии;

- ГМИ может быть использован как эффективный дополнительный метод исследования особенностей магнитной анизотропии;

- имеет место хорошее согласие между результатами выполненных численных расчетов величины МИ эффекта в материалах с заданными особенностями магнитной анизотропии высокого порядка и экспериментальными данными для аморфных лент, прошедших термомеханическую обработку (ТМехО).

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»