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Dnnne Nickelschichten mit sehr groer Koerzitivkraft und hohem Energieprodukt.

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Diinne Nickelschichten mit sehr groBer Koerzitivki aft
und hohem Energieprodukt
Von W . Ruske
Mit 4 Abbildungen
Inhaltslibersicht
Die magnetischen Eigenschaften zylindrischer Nk-Cu-Mehrfachschichten
wurden in Abhangigkeit von axialen Drucken untersucht. Hierbei zeigte
sich, daB bei geeignet gewahlter Probenbehandlung in den Nickelschichten
Koerzitivkrafte von 1000 und mehr Oe und auf das Ni-Volumen bezogene
maximale Energieprodukte von 3,5 . lo6 G . Oe auftreten konnen. Diese
sehr hohen H,- und (BH),,,-Werte wurden bisher aber nur an diinnen getemperten Schichten ( d N i M 150 bis 700 d, 1,5 h bei 200' C im Vakuum getempert) gefunden. Der gegenseitige EinfluB der Ni-Schichten auf die GroDe
der Koerzitivkraft tritt bei Anwendung von auBeren Drucken weniger deutlich in Erscheinung ; denn Mehrfachschichtsysteme mit diinner Cu-Zwischenlage (dcu 2 d N i ) erreichen auch Koerzitivkrafte von nahezu 1000 Oe.
1. Einleitung
Ferromagnetische dunne Schichten weisen gegenuber dem massiven Material im allgemeinenhohere Koerzitivkriifte auf, die teils durch Formanisotropie, teils durch Kristallanisotropie erklart werden 9.
Auch Spannungen
konnen in den diinnen Schichten zur Erhohung der Koerzitivkrafte beitragenl). Im folgenden wird ,uber Untersuchungen berichtet, die das Ziel
verfolgten, durch geeignete Verformung der Proben ein Maximum an Koerzitivkraft und hohe maximale Energieprodukte zu erreichen. Zu diesem Zwecke
wurden die Ni-Schichten, die analog einer friiheren &beit*) als Mehrfachschicht,systeme auf durchbohrte zylindrische Cu-Stiibe (AuDendurchmesser:
6 mm, Innendurchmesser : 4,7 mm) elektrolytisch niedergeschlagen worden
waren, Drucken in axialer Richtung unterworfen. Die Messung der magnetischen Kennwerte erfolgte im Bereich ,,niedriger" Koerzitivkrafte
(Ha 5 350 Oe) wie friiher4) mit einem registrierenden Fluxmeter6), mit dem
eine st,atische Hystereseschleife in wenigen Minuten aufgenommen werden
') L. Reimer, Z. Naturforschg. 118, 649 (1966).
2,
3,
")
L. Reimer, Z. Naturforschg. 128, 1014 (1967).
L. E.Collins u. 0. S. Heavens, Philos. Mag. 45,283 (1954).
W.Ruske, Ann. Physik (7)2,274 (1968).
H.Gengnagel, Internat. medtechn. Konferenz, Budapest Kov. 1958,Konferenzbericht z. Z. im Drurk.
5,
324
Annalen der Physik. 7. Folge. Band 3. 7959
kann. Die hohen Koerzitivkriifte ( H , 2 350 Oe) wurden mittels eines empfindlichen Koerzimeters (mit Schwingspule) gemessen. Die niichsten beiden Abschnitte bringen eine Auswahl der bisher erzielten Ergebnisse.
2. Druckabhangigkeit der Koerzitivkraft bei elastischer Verformung der Probeii
Werden die durchbohrten, abgedrehten und polierten Cu-Trager keiner
thermischen Vorbehandlung unterworfen, so ergeben sich bei Druckanwendung
in axialer Richtung Anderungen der Koerzitivkraft. wie sie in Abb. 1 fur funf
vemchiedene Schichtdicken
angegeben sind. Die dargestellten Kurven lassen sich
reversibel durchlaufen, d. h.
bei nicht thermisch vorbehandelter
Cu -Unterlage
werden das Kupfer und die
Ni-Schichten im untersuchten Druckbereich nur elastisch verformt. Zusammen
mit weiteren hier nicht angefiihrten Messungen bei anderen Schichtdicken ergab sich,
daB die groBten Zunahmen
der Koerzitivkraft in fol6 [Kp/mmz/genden SchichtdickenbereiAbb. 1. Abhiingigkeit der Koerzitivkraft vom Druck
chen auftreten : Bei den unbei elastischer Verformung der Proben fur funf getemperten Proben im Beverschiedene
Ni-Schichtdicken
(dcu 2 10 d N i ;
ungetemperte Proben, - - - - getempertc reich von 100 bis w600A
( A H , = 30 bis 3 5 0 e bei
Proben)
u = 6 kp/mm2) und bei den
getemperten Proben (l,5 h bei 200" C im Vakuum getempert) im Bereich
von 100 bis w 3000 A ( A H , = 35 bis 40 Oe bei u = 6 kp/mm2). Rechnet
man den Druck in relative Langenanderungen urn, so erhiilt man, auf lo/,
relative Langeniinderung bezogen, in diesen Schichtdickenbereichen Zunahmen
der Koerzitivkraft von w 70 bzw. 85 Oe6).
3. Druckabhangigkeit der Koerzitivkraft bei plastischer Verformung der Proben
Zur Erzielung groI3er Koerzitivkrafte wurden unter anderem auch die
Cu-Unterlagen vor dem Auftragen der Schichten bei 700" C 11/,h gegluht
und damn anschlieaend abgeschreckt. Die auf diesen weichen Unterlagen
niedergeschlagenen Schichtsysteme lassen sich in axialer Richtung leicht um
einige Prozent stauchen. Dies geschah in einer besonderen Druckvorrichtung.
wobei ein Fiihrungsstab im Inneren der Cu-Rohrchen ein Verbiegen der
Proben weitgehend verhinderte. Schon bei sehr kleinen Drucken wurden die
Proben (zumindest die Cu-Trager) plastisch verformt.
E, Bei der Umrechnung wurde der E-Modul von massivem Kupfer (E w 13000
kp/mm2) benutzt.
W . Ruske: Dunne Nickelschiehten mil sehr groper Koerzilivkrafl
325
Abb. 2 zeigt, da13 bei plastischer Verformung Koerzitivkrafte (unmittelbar
nach Wegnahme des Druckes gemessen) von 1000Oe zu erreichen sind,
nach den bisherieen Messungen aber nur bei diinnen Schichten (dNi w 100
bis '700 A) und dua, auch
nur bei getemperten
Proben. Die Koerzitivkrafte dieser Schichten
nehmen bei kleinen Verformungsgraden,
auf
lo/oo
relative Liingengnderung bezogen, um
70 bis 100Oe zu. Im
Rahmen der MeBgenauigkeit stimmen diese
Anfangssteigungen mit
der mittleren Steigurig
derentsprechenden Kurveil in Abb. 1'iiberein.
7
2
3
4
5
6
Der groBe Unterschied
( d 1 / Z ) p n s f . C%Jim Verhalten der getemperten und ungetemperAbb. 2. Abhiingigkeit der Koerzitivkraft von der bleibenten Proben im Bereich den relativen Liingeniinderung bei plastisclier Verformung
der diinnen Schichten der Proben (dcu 10 dN1;
ungetemperte Proben,
_ _ _ - getemperte Proben)
wird zur Zeit genauer
untersucht .
I
~~
Bei den friiher mitgeteilten4) Messungen ohne auBeren Druck sanken die
Koerzitivkriifte der Mehrfachschichtsysteme stark ab, sobald die Cu-Zwischenlagen dunner als die lOfache Ni-Schichtdicke gewiihlt wurden. Gestauchte
Proben jedoch zeigen eine wesentlich geringere gegenseitige Beeinflussung
der Ni-Schichten. Selbst wenn die Cu-Zwischenlagen dunner als die NiSchichten sind, werden Koerzitivksiifte von nahezu 1000 Oe erreicht (z. B.
860 Oe bei d N , = 525 und dcu = 300 A).
a
Durch Druckanwendung bei Nickel (negative Magnetostriktion) wird eine
Vorzugsrichtung in Druckrichtung, in unserem Falle also in der MeBrichtung
der Proben, geschaffen. Dadurch ergeben sich relative Remanenzen von
nahezu 1OOyo.Die in Abb. 3 gegeniibergestellten
Hystereseschleifen -7540ot
zeigen deutlich, daB durch eine
Stauchung der Schichten ein um
den Faktor 30 groBeres maximales
Energieprodukt erreicht werden Abb. 3. Hysteresesrhleifen einer getemperten
kann. Das auf das Ni-Volumen be- Probe a) vor und b) nach der Stauchung
zogene maximale Energieprodukt (dN1= 630& dcu = 800A; Hma, = 3500Oe)
konnte bis auf den Wert 3,5 .106G.0e
gesteigert werden. Diese hohen Werte wurden bisher aber nur an getemperten
Proben im Bereich von ungefahr 150 bis 700 Ni-Schichtdicke gefunden. Bei
Mehrfachschichtsystemen mit diinnen Cu-Zwischenlagen (dCa 2 d N i ) ergaben
-
dennachsten drei Monaten urn weitere 6 bis 7%
abgesunken. I n den nachxwo 0--X-0dNis
sten drei Jahren wird H ,
-0-OI---*
5
2
5
i
- extrapoliert - nur
800
Q-----oo 13oA)
noch um ungefiihr 5%
I &-A-4---- -Asinken. Bei den unge600
----A----~
temperten Proben er2
geben sich geringere proP
r30
4oo O
zentuale ,
H,-Abnahmen.~
- 7 5 2 5 $
Da die hohen Remanen=A 8w
2mZen und die nahezu reohteckige Form der HyskI
10
ro2 h
7200
t
e
-
------_-- --_
--
- -_--
----
--
---
-
Herrn Prof. Dr. M. S t e e n b e c k danke ich herzlich fur wertvolle Hinweise
und Ratschliige, Herrn Dr. W. A n d r a fur fordernde Diskussionen und die
Anreguiig zu diesen Untersuchungen.
J e n a , Institut fur Magnetische Werkstoffe der Deutwheii Akademie der
Wissenschaften zu Berlin.
Bei der Redaktion eingegangen am 14. Januar 1959.
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