WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Диссертационный материал излагается по главам в соответствии с обсуждением указанных вопросов. Каждой проблеме при этом предшествует обзорный материал, описывающий состояние соответствующих исследований.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка цитируемой литературы. Работа составляет 124 страницы, включает рисунка и 6 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

:

Во введении обоснована актуальность темы исследования, приведено краткое описание состояния проблемы, сформулирована цель работы, научная новизна, описана структура диссертации, изложены основные научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу фазовых структурных превращений типа мартенсит-аустенит. Данные превращения возникают в материалах, обладающих эффектом памяти формы. Такие материалы представляют большой интерес для создания МЭМС в связи с экстремально большими значениями относительной деформации (до 10%), которая возникает в них в окрестности структурных переходов типа аустенит-мартенсит [1]. Подобные деформации невозможно достичь при использовании магнитоупругих материалов с гигантской магнитострикцией и сегнетоэлектрических материалов с электрическим управлением. В связи с недостатком теплового способа управления деформациями, связанного с временной задержкой и инерционностью, актуальны исследования сплавов, в которых структурные переходы зависят от электрического либо магнитного поля. С этой точки зрения несомненный интерес представляют такие материалы, как магнитные сплавы Гейслера Ni2+xMn1-xGa, Ni50AlxMn50-x, Co2NbSn, в которых наблюдаются сильная зависимость критических температур структурного перехода от внешнего магнитного поля [2]. Однако феноменологическая теория, использующаяся для описания структурных фазовых переходов в таких материалах, недостаточна для понимания взимовлияния зонного эффекта Яна-Теллера и магнетизма.

В данной главе рассматривается упрощенная модель зонного эффекта Яна-Теллера в проводящем ферромагнетике с двумя вырожденными подзонами с пиковой плотностью состояний коллективизированных электронов. Также проделан анализ зависимости температуры структурного фазового перехода мартенсит-аустенит в ферромагнетике от напряженности магнитного поля. Теоретический анализ фазовых переходов базируется на минимизации свободной энергии, которая включает в себя энергию свободных электронов с учетом зонного взаимодействия Яна-Теллера и магнитную часть F(e, M ) kBT ln1 exp 0( eGe SBM )d kBT, e S (1) 1 N Ee2 M.

2 В рамках развитой модели проделан анализ зависимости температуры структурного фазового перехода мартенсит-аустенит в ферромагнетике от напряженности магнитного поля. Установлен немонотонный характер изменения температуры мартенситного перехода в узкозонном проводнике в зависимости от положения уровня Ферми вблизи пика энергетической плотности состояний узкой спиновой подзоны электронов. Построена фазовая диаграмма структурных превращений (Рис. 1).

T,K T,K А H, Тл Heff,кТл Heff Рис. 1. Диаграмма фазовых превращений мартенсит-аустенит в сильном магнитном поле, рассчитанная на примере модельной пиковой плотности электронных состояний минорных d-электронов вблизи уровня Ферми 1- область устойчивости аустенитной (кубической) фазы 2- область устойчивости мартенситной (тетрагональной) фазы Линия потери устойчивости аустенитной фазы Tm показана ' сплошной линией, а мартенситной Tm - пунктироной. На вставке в увеличенном масштабе показана полевая зависимость этих температур в окрестности точки A, которая соответствует подгоночному значению эффективного обменного поля Heff M для сплава Ni2+xMn1-xFeyGa ( x 0.19, y 0.04).

На основе развитой теории и расчетных данных для электронной плотности состояний в Ni2MnGa проделаны оценочные расчеты изменения температуры мартенситного перехода с магнитным полем Tm, показавшие его удовлетворительное согласие с H экспериментальными данными для сплава Гейслера Ni2+xMn1-xFeyGa1-y.

Вторая глава содержит обзор теоретических и экспериментальных работ, в которых рассмотрены основные принципы зондовой силовой микроскопии. Приводится описание основных типов консольных зондирующих устройств АСМ микроскопии, основанных на кремниевой и гибридной технологии.

Основной акцент делается на обсуждение работ, связанных с магнитносиловой микроскопией. Обсуждаются процесс калибровки магнитного наконечника зонда МСМ и влияние дефектов магнитного покрытия зонда МСМ на магнитное изображение сканируемого образца.

Третья глава посвящена методам управления прогибом консоли кантилевера. Рассматривается создание многозондового кантилевера (картриджа), обеспечивающего возможность индивидуального управления изгибом консоли и индивидуального считывания информации. Создание подобного инструмента позволит увеличить производительность микроскопа и заметно расширить его функциональные возможности для целей микро- и наноэлектроники.

Проведен сравнительный анализ моделей теплового, пьезострикционного и магнитострикционного методов управления изгибом отдельной балки «картриджа».

Управление изгибом отдельной консоли основано на различии коэффициентов расширения слоев консоли при использовании теплового либо пьезоэлектрического эффекта. В работе были рассмотрены три типа управления: тепловой, пьезоэлектрический и магнитострикционный. Наибольшее отклонение от положения равновесия достигается при тепловом способе. Из условия баланса сил теплового расширения и сил упругого растяжения для этого случая определяется удлинение нейтрального слоя 4 Eiti wii (T T0 ) Eiti wi (2) c i1 iОтклонение незакрепленного конца консоли определяется через радиус кривизны, который в свою очередь находится из условия равенства моментов сил теплового расширения и упругого сжатия.

Интегрирование этого уравнения с граничными условиями, z(0) позволяет найти форму изгиба кантилевера в виде dz dy (0) y2 1 y2 cosh(L y) / lT z(y) ylT tanhL / lT lT (3) 2R0 RI 2 coshL / lT В качестве альтернативы тепловому методу можно предложить более быстродействующие методы с использованием пьезоэлектрических и магнитострикционных управляющих слоев.

В пьезоэлектрическом способе управления изгибом деформация зависит от электрического поля E и пьезомодуля d, т.е. t = d E, или t = dV/t. Поэтому для отклонения кантилевера имеем z= 3dV (L/h) 2 (1t/h). Максимальная величина прогиба в данном случае определяется напряжением пробоя диэлектрических слоев.

Аналогичную зависимость можно получить и для магнитострикционного метода управления изгибом консоли кантилевера. Учитывая, что фактор размагничивания в центре магнитной полосы толщиной t составляет N=t/W, где W – ширина магнитной полосы, то аппроксимируя зависимость магнитострикционного удлинения от поля Н линейной зависимостью вплоть до поля насыщения (Н< NМ), получим t = max H/ NM=max HW/Mt.

Так как поле связано с током формулой H=J/2w, где w – ширина токовой шины подмагничивания, то зависимость прогиба консоли можно записать в виде z= (3/2) (max JW/Mw) (L/h) 2 (1-t/h).

Представленные формулы позволяют провести сравнительный анализ методов управления прогибом консоли. По полученным данным был выбран вариант управления изгибом консоли дающий наибольший прогиб (тепловой) и изготовлен тестовый прибор. Для теплового метода управления проведено сравнение рассчитанной зависимости с экспериментальными данными тестирования разработанного макета четырех-зондового кантилевера (Рис. 2), показавшее адекватность разработанной модели.

Рис. 2. Зависимости максимальной стрелы прогиба консоли от тока, полученные при моделировании (сплошная кривая) и экспериментально (пунктирная кривая).

В четвертой главе рассматриваются методы калибровки магнитного наконечника зонда АСМ/МСМ. Обсуждаются основы микромагнитной теории и методов численного микромагнетизма. Также приведены результаты исследования магнитных свойств наконечника зонда МСМ и приводится анализ влияния дефектов зонда на магнитное изображение. Рассматривается зависимость магнитной структуры иглы зонда МСМ и ее разрешающей способности.

В данной главе обсуждается метод калибровки зонда МСМ с использованием поля кольцевой токовой петли. Проведен расчет калибровочных параметров, получаемых путем аппроксимации магнитного вклада в измеряемую жесткость кантилевера от протяженной иглы зонда в поле токовой петли эквивалентным вкладом от точечного магнитного диполя и магнитного «заряда» (Рис. 3) в рамках выбираемой теоретической модели.

Рис. 3. Зависимость магнитной жесткости кантилевера в поле токовой петли от высоты подъема иглы:

Сплошная кривая – расчет для модели конической иглы, пунктирная кривая – для комбинированной модели точечного магнитного диполя и точечного магнитного «заряда».

Рассмотрены три упрощенные модели конусообразной иглы - с заостренным, усеченным и скругленным наконечником. Проведен сравнительный анализ рассчитанных зависимостей эффективных калибровочных параметров от радиуса токовой петли и данных экспериментальных измерений (Рис. 4), который показал, что наилучшее совпадение с экспериментом дает модель однородно намагниченной иглы в виде усеченного конуса. Результаты расчетов могут быть использованы для моделирования изображений магнитносилового микроскопа и численного тестирования магнитных объектов.

Рис. 4. Зависимости рассчитанных калибровочных параметров магнитного зонда от радиуса тестирующей токовой петли: a – величины эффективного точечного магнитного диполя; b – положения точечного диполя внутри зонда; c – величины эффективного точечного магнитного «заряда»; d – положения точечного магнитного «заряда» внутри зонда.

Зачерненными квадратами отмечены точки, соответствующие экспериментальным данным [3].

Также представлены результаты исследования временного изменения магнитных свойств МСМ зондов, подвергнутых как искусственному старению, так и хранившихся в нормальных условиях в течение длительного времени. Проведены численные эксперименты по расчету петель гистерезиса модельных магнитных структур с дефектами в виде немагнитных включений. Расчеты показывают слабое влияние дефектов на магнитные свойства планарной магнитной структуры.

а б Рис. 5. Петли гистерезиса модельных магнитных структур с дефектами (сплошная кривая) и без (пунктирная кривая): а) магнитный наконечник; б) магнитная пленка на балке.

Таким образом, проведенный анализ влияния дефектов на характеристики заостренного магнитного наконечника показал, что наличие дефектов на поверхности острия иглы резко ухудшает магнитные свойства зонда в отличие от покрытия поверхности балки кантилевера, магнитные свойства которого меняются слабо (Рис. 5).

Экспериментальные набюдения подтверждают численные расчеты на основе микромагнитного моделирования.

В пятой главе приводится оценка возможности применения структур обладающих эффектом гигантского магнитосопротивления (ГМС) при создании первичных преобразователей силы поверхностного натяжения для датчиков трения воздушного потока, которые могут найти применение, например, для аэродинамических контрольных испытаний крыла самолета. В первой части главы приводится обзор эффекта ГМС. Приведены характерные величины чувствительности и полей насыщения для материалов, имеющих большое магнитосопротивление.

Также представлен обзор технологии создания ГМС структур. В [4] разработан технологический маршрут изготовления тестовых спинвентильных элементов с применением комбинированных методов травления многослойных структур, включая жидкостной, плазмохимический и ионно-лучевой методы. Проведены пробные травления плазменным и ионно-химическим методами. При плазменном методе травления трудность возникает при снятии защитного слоя фоторезиста после травления из-за его задубливания. Используя указанный маршрут, были изготовлены тестовые структуры спинтуннельного типа с вариацией размеров и формы. Проведены измерения магнитного отклика с применением экваториального эффекта Керра.

Во второй части данной главы описывается конструкция датчика аэродинамического трения на основе ГМС. Приведены принципиальные схемы первичного преобразователя непосредственного измерения и первичного преобразователя с обратной силовой связью. Приводится анализ предельной чувствительности магниторезистивного мостового элемента. Рассматриваются варианты работы мостового соединения как в режиме с заданной величиной тока, так и с заданным напряжением на входе. Приводятся оценки минимального обнаружимого поля для мостовых соединений структур гигантского и тунельного (ТМС) магнитосопротивлений. Проводится анализ чувствительности первичного магнитомеханического преобразователя.

В рабочем состоянии ГМС-элемент помещается в поле смещения магнита и его рабочая точка смещается по полю. Подстройкой мостовой схемы можно добиться нужного положения рабочей точки также при измерении сигнала, создаваемого изменением магнитосопротивления – в середине одного из линейных участков. Если принять, что минимально обнаружимое поле ГМС элемента составляет величину hm, то ему соответствует минимальное изменение магнитосопротивления 1 d(H) hm Sm hm (4) (0) dH 2 Hc Рассчитаем градиент магнитного поля, создаваемый полями рассеяния магнито-насыщенного элемента из магнитожесткого материала с намагниченностью M, и толщиной кромки d. Пусть длина магниточувствительной области Lq и кромка магнита расположена на расстоянии x от центра этой области на высоте t ( t Lq ), как показано на Рис. 6. Сделаем упрощающее предположение, что задняя сторона создает малый градиент в области магниоточувствительного элемента, поэтому примем во внимание только один магнитный полюс с магнитным зарядом m M0d (заряженная линия). Тогда проекция поля xd на элемент в точке x будет H M0 2. Усредненное поле x2 t L / 1 x x'd H M0 dx' Lq L / 2 x'2 tx M d Lq t x Рис. 6. Геометрия расположения магнитного и магниторезистивного элементов имеет вид, как на Рис. 7. Поле имеет почти линейную характеристику в пределах магниточувствительного элемента | x | Lq / 2. Причем, если исключить острые выбросы поля вблизи краев элемента, связанные с сильной неоднородностю полей рассеяния, создаваемых кромкой магнита вблизи краев элемента на расстояниях t Lq, то линейная Lq d область ограничена полем Hq ~ M0 ln.

Pages:     | 1 || 3 |






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