МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА И ГИГАНТСКИЙ МАГНИТНЫЙ ИМПЕДАНС МНОГОСЛОЙНЫХ ПЛЕНОЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ОСНОВЕ ПЕРМАЛЛОЯ
|
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 3
Положения, выносимые на защиту 6
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 7
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 17
Список литературы 19
Положения, выносимые на защиту 6
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 7
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 17
Список литературы 19
Актуальность темы исследований
Углубленное понимание процессов статического и динамического перемагничивания наноструктурированных пленочных элементов востребовано как в ряде разделов фундаментальных дисциплин, так и практических приложений. Запрос на создание магнитных сенсорных систем с высокой чувствительностью по отношению к внешнему магнитному полю растет из года в год. Это связано с повышением стандартов жизни, включая распространение биомедицинских приложений и необходимость глубокого мониторинга во время пандемий, глобальных катастроф, текущего контроля факторов окружающей среды и климата. Несмотря на то, что тонкие пленки пермаллоя, особенно сплава Ре20М80 с близкой к нулю константой магнитострикции, известны на протяжении нескольких десятилетий, а работающие приложения основываются на существовании хорошо развитых технологий их получения, существует ряд нерешенных научных и практических задач в случае наноструктурированных сред с высокой динамической магнитной проницаемостью.
Понимание связи особенностей структуры и текстуры, процессов статического и динамического перемагничивания наноструктурированных типа [РеМ/Т1]п/Си/[Т1/РеМ]т с гигантским магнитоимпедансным (ГМИ) эффектом, осажденных на жесткие и гибкие основы, открывает широкие возможности получения функциональных сенсорных элементов с заданными свойствами при эффективном использовании анизотропии формы и магнитостатического взаимодействия, регулируемых геометрией магнитных слоев и прослоек, а также количеством слоев многослойных пленочных элементов.
Особые ожидания в отношении пленочных ГМИ-элементов связаны с разработкой магнитных биодатчиков. Детектирование магнитных маркеров основано на оценке совокупной величины полей рассеяния магнитных наночастиц, введенных в биологический объект. Одной из основополагающих характеристик такого сенсора является чувствительность по отношению к магнитному полю: чем выше чувствительность, тем более низкие концентрации магнитных маркеров можно определять.
Существует определенный опыт создания пленочных ГМИ сенсоров магнитного поля. Большая часть известных исследований и разработок связана с детектированием однородных внешних полей и полей рассеяния крупных объектов (задачи неразрушающего контроля) при отсутствии промежуточной среды. Биомедицинские приложения требуют обеспечения процесса детектирования очень слабых и, как правило, неоднородных магнитных полей в промежуточной среде, что предъявляет повышенные требования к чувствительности сенсорных устройств. Кроме того, возрастает необходимость использования дополнительных покрытий, увеличивающих расстояние между объектом детектирования и сенсорным элементом, а значит и необходимость выбора элемента с максимальной чувствительностью.
Углубленное понимание процессов статического и динамического перемагничивания наноструктурированных пленочных элементов востребовано как в ряде разделов фундаментальных дисциплин, так и практических приложений. Запрос на создание магнитных сенсорных систем с высокой чувствительностью по отношению к внешнему магнитному полю растет из года в год. Это связано с повышением стандартов жизни, включая распространение биомедицинских приложений и необходимость глубокого мониторинга во время пандемий, глобальных катастроф, текущего контроля факторов окружающей среды и климата. Несмотря на то, что тонкие пленки пермаллоя, особенно сплава Ре20М80 с близкой к нулю константой магнитострикции, известны на протяжении нескольких десятилетий, а работающие приложения основываются на существовании хорошо развитых технологий их получения, существует ряд нерешенных научных и практических задач в случае наноструктурированных сред с высокой динамической магнитной проницаемостью.
Понимание связи особенностей структуры и текстуры, процессов статического и динамического перемагничивания наноструктурированных типа [РеМ/Т1]п/Си/[Т1/РеМ]т с гигантским магнитоимпедансным (ГМИ) эффектом, осажденных на жесткие и гибкие основы, открывает широкие возможности получения функциональных сенсорных элементов с заданными свойствами при эффективном использовании анизотропии формы и магнитостатического взаимодействия, регулируемых геометрией магнитных слоев и прослоек, а также количеством слоев многослойных пленочных элементов.
Особые ожидания в отношении пленочных ГМИ-элементов связаны с разработкой магнитных биодатчиков. Детектирование магнитных маркеров основано на оценке совокупной величины полей рассеяния магнитных наночастиц, введенных в биологический объект. Одной из основополагающих характеристик такого сенсора является чувствительность по отношению к магнитному полю: чем выше чувствительность, тем более низкие концентрации магнитных маркеров можно определять.
Существует определенный опыт создания пленочных ГМИ сенсоров магнитного поля. Большая часть известных исследований и разработок связана с детектированием однородных внешних полей и полей рассеяния крупных объектов (задачи неразрушающего контроля) при отсутствии промежуточной среды. Биомедицинские приложения требуют обеспечения процесса детектирования очень слабых и, как правило, неоднородных магнитных полей в промежуточной среде, что предъявляет повышенные требования к чувствительности сенсорных устройств. Кроме того, возрастает необходимость использования дополнительных покрытий, увеличивающих расстояние между объектом детектирования и сенсорным элементом, а значит и необходимость выбора элемента с максимальной чувствительностью.
1. Установлены основные закономерности формирования гистерезисных свойств и магнитного импеданса (МИ) в наноструктурированных магнитных элементах типа [Си/Ре20М80]п/Си/[Ре20М80/Си]т и [Т1/Ре20^180]п/Си/[Ре20^180/Т1]т в форме полосок, осажденных на стеклянные и гибкие полимерные подложки, с варьируемыми толщиной и количеством магнитных субслоёв. Показано, что:
a) в элементах с п=т (симметричная структура) наибольшие значения МИ (Л2/2тах около 200 %) реализуются в интервале толщин субслоёв 50т100 нм;
b) при т<п (несимметричная структура) имеет место монотонное понижение Л2/2тах с уменьшением т, ввиду изменения особенностей магнитостатического взаимодействия и угла отклонения оси анизотропии;
c) симметричная структура и несимметричная структура, в которой т=п-1, могут иметь близкие значения максимальной чувствительности МИ при
соответствующем подборе внешнего магнитного поля и частоты возбуждающего тока.
2. Показано, что уменьшение содержания Fe в магнитных субслоях Fe-Ni от 19 до 11 ат.% ведёт к снижению IZ Zmax элементов с симметричной структурой на подложках из стекла и циклоолефинового сополимера, что является следствием уменьшением динамической магнитной проницаемости и коррелирует с изменением поля ферромагнитного резонанса.
3. Найдено, что с ростом температуры в интервале 25-50 оС в многослойных элементах наблюдается рост IZ Zmax, который связан с релаксацией внутренних упругих напряжений и соответствующим ростом динамической магнитной проницаемости. В большей мере эффект термического воздействия выражен для элементов на стекле с симметричной структурой.
4. Впервые показана возможность протекания процесса низкотемпературной конденсации углерода и создания углеродного покрытия на поверхности пленочных элементов на основе пермаллоя и железа. Установлены особенности кинетики образования углеродного покрытия на поверхности плёнок указанных металлов. Найдено, что такая модификация расширяет область высокой МИ- чувствительности (рабочий интервал) элементов.
5. Дано качественное и количественное описание особенностей МИ в наструктурированных элементах, подвергнутых статическому механическому нагружению. В частности, показано, что при эффективном давлении на поверхность до 40 Па уменьшение величины IZ/Zmax достигает 6 %/Па для элементов на полимерной подложке и 12 %/Па для элементов на стеклянной подложке. Установленная закономерность связывается с изменением магнитоупругого вклада в магнитную анизотропию элементов и рассматривается в контексте применения МИ-элементов в датчиках давления.
6. Продемонстрирована возможность использования наноструктурированных плёночных элементов типа [Cu/FeNi]n/Cu/[FeNi/Cu]n в качестве МИ- биосенсоров. На основе экспериментов с гелем и феррогелем, имитирующими живую ткань, оценена величина полей рассеяния магнитных наночастиц оксида железа, входящих в состав феррогеля, и определена максимальная чувствительность прототипа биодатчика - 1,3 % IZ Zmax на массовый процент концентрации наночастиц.
Рекомендации
Предложенный в рамках данной работы подход к созданию многослойных элементов на основе пермаллоя при осаждении на гибкие или жесткие основы и сравнительный анализ особенностей структуры, статических магнитных свойств 18
и магнитоимпедансного эффекта обеспечивают возможность их использования для создания высокочувствительных детекторов слабых магнитных полей и получения функциональных сред с заданными свойствами при эффективном использовании анизотропии формы и магнитостатического взаимодействия.
Исследованный процесс низкотемпературной конденсации углерода на поверхности пленок железа и пермаллоя можно рассматривать как простой с инструментальной точки зрения метод совершенствования магнитоимпедансных характеристик многослойных пленочных элементов на основе 3d металлов.
Перспективы дальнейшей разработки темы
Следует отметить несколько возможных направлений дальнейших исследований, затрагивающих и фундаментальные, и прикладные аспекты. Представляется перспективным исследование магнитоимпедансных свойств элементов в более узком интервале толщин каждого магнитного слоя, включая структуры с неравными толщинами магнитных слоев. Высокие магнитоимпедансные свойства, полученные для структур с неравным количеством магнитных слоев над и под высокопроводящим, могут быть использованы для дальнейшего расширения рабочего диапазона датчиков слабых магнитных полей.
Полезным может быть создание модели пленочных структур методом конечных элементов, которая бы подтверждала результаты аналитической модели. Дополнительное исследование структурных и магнитных свойств необходимы в случае многослойных структур, полученных на подложках из полимера, для уточнения как магнитострикционного вклада, так и особенностей динамического перемагничивания материала на полимерной основе.
Особый интерес представляет процесс низкотемпературной конденсации углерода на поверхностях 3 d-металлов. Уточнения требуют не только особенности кинетики, но и особенности его протекания на поверхностях наноструктур сложной геометрии, которые встречаются в современных устройствах спинтроники и наноэлектроники.
a) в элементах с п=т (симметричная структура) наибольшие значения МИ (Л2/2тах около 200 %) реализуются в интервале толщин субслоёв 50т100 нм;
b) при т<п (несимметричная структура) имеет место монотонное понижение Л2/2тах с уменьшением т, ввиду изменения особенностей магнитостатического взаимодействия и угла отклонения оси анизотропии;
c) симметричная структура и несимметричная структура, в которой т=п-1, могут иметь близкие значения максимальной чувствительности МИ при
соответствующем подборе внешнего магнитного поля и частоты возбуждающего тока.
2. Показано, что уменьшение содержания Fe в магнитных субслоях Fe-Ni от 19 до 11 ат.% ведёт к снижению IZ Zmax элементов с симметричной структурой на подложках из стекла и циклоолефинового сополимера, что является следствием уменьшением динамической магнитной проницаемости и коррелирует с изменением поля ферромагнитного резонанса.
3. Найдено, что с ростом температуры в интервале 25-50 оС в многослойных элементах наблюдается рост IZ Zmax, который связан с релаксацией внутренних упругих напряжений и соответствующим ростом динамической магнитной проницаемости. В большей мере эффект термического воздействия выражен для элементов на стекле с симметричной структурой.
4. Впервые показана возможность протекания процесса низкотемпературной конденсации углерода и создания углеродного покрытия на поверхности пленочных элементов на основе пермаллоя и железа. Установлены особенности кинетики образования углеродного покрытия на поверхности плёнок указанных металлов. Найдено, что такая модификация расширяет область высокой МИ- чувствительности (рабочий интервал) элементов.
5. Дано качественное и количественное описание особенностей МИ в наструктурированных элементах, подвергнутых статическому механическому нагружению. В частности, показано, что при эффективном давлении на поверхность до 40 Па уменьшение величины IZ/Zmax достигает 6 %/Па для элементов на полимерной подложке и 12 %/Па для элементов на стеклянной подложке. Установленная закономерность связывается с изменением магнитоупругого вклада в магнитную анизотропию элементов и рассматривается в контексте применения МИ-элементов в датчиках давления.
6. Продемонстрирована возможность использования наноструктурированных плёночных элементов типа [Cu/FeNi]n/Cu/[FeNi/Cu]n в качестве МИ- биосенсоров. На основе экспериментов с гелем и феррогелем, имитирующими живую ткань, оценена величина полей рассеяния магнитных наночастиц оксида железа, входящих в состав феррогеля, и определена максимальная чувствительность прототипа биодатчика - 1,3 % IZ Zmax на массовый процент концентрации наночастиц.
Рекомендации
Предложенный в рамках данной работы подход к созданию многослойных элементов на основе пермаллоя при осаждении на гибкие или жесткие основы и сравнительный анализ особенностей структуры, статических магнитных свойств 18
и магнитоимпедансного эффекта обеспечивают возможность их использования для создания высокочувствительных детекторов слабых магнитных полей и получения функциональных сред с заданными свойствами при эффективном использовании анизотропии формы и магнитостатического взаимодействия.
Исследованный процесс низкотемпературной конденсации углерода на поверхности пленок железа и пермаллоя можно рассматривать как простой с инструментальной точки зрения метод совершенствования магнитоимпедансных характеристик многослойных пленочных элементов на основе 3d металлов.
Перспективы дальнейшей разработки темы
Следует отметить несколько возможных направлений дальнейших исследований, затрагивающих и фундаментальные, и прикладные аспекты. Представляется перспективным исследование магнитоимпедансных свойств элементов в более узком интервале толщин каждого магнитного слоя, включая структуры с неравными толщинами магнитных слоев. Высокие магнитоимпедансные свойства, полученные для структур с неравным количеством магнитных слоев над и под высокопроводящим, могут быть использованы для дальнейшего расширения рабочего диапазона датчиков слабых магнитных полей.
Полезным может быть создание модели пленочных структур методом конечных элементов, которая бы подтверждала результаты аналитической модели. Дополнительное исследование структурных и магнитных свойств необходимы в случае многослойных структур, полученных на подложках из полимера, для уточнения как магнитострикционного вклада, так и особенностей динамического перемагничивания материала на полимерной основе.
Особый интерес представляет процесс низкотемпературной конденсации углерода на поверхностях 3 d-металлов. Уточнения требуют не только особенности кинетики, но и особенности его протекания на поверхностях наноструктур сложной геометрии, которые встречаются в современных устройствах спинтроники и наноэлектроники.
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА И ГИГАНТСКИЙ МАГНИТНЫЙ ИМПЕДАНС МНОГОСЛОЙНЫХ ПЛЕНОЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ОСНОВЕ ПЕРМАЛЛОЯ
