close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Акустические нелинейные эффекты при исследовании динамики доменных стенок в ферроидных материалах

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
УДК: 538.95
Любимова Юлия Валерьевна
Акустические нелинейные эффекты при исследовании динамики доменных
стенок в ферроидных материалах
Специальность: 01.04.07 - физика конденсированного состояния
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Санкт-Петербург – 2018
2
Работа выполнена на факультете лазерной фотоники и оптоэлектроники
федерального государственного автономного образовательного учреждения
высшего образования «Санкт-Петербургский национальный исследовательский
университет информационных технологий, механики и оптики».
Научный руководитель: Романов Алексей Евгеньевич
доктор физико-математических наук, доцент, ведущий профессор, декан
факультета лазерной фотоники и оптоэлектроники федерального государственного
автономного образовательного учреждения высшего образования «СанктПетербургский национальный исследовательский университет информационных
технологий, механики и оптики»
Официальные оппоненты:
Беляев Сергей Павлович
доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Кафедры теории
упругости федерального государственного бюджетного образовательного
учреждения высшего образования «Санкт-Петербургский государственный
университет»
Виноградов Алексей Юрьевич
кандидат физико-математических наук, зам. директора Научно-исследовательского
института перспективных технологий федерального государственного бюджетного
образовательного
учреждения
высшего
образования
«Тольяттинский
государственный университет».
Ведущая организация:
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего
образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический
университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)».
Защита состоится «20» декабря 2018 г. в 17:00 часов на заседании объединенного
совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на
соискание ученой степени доктора наук Д 999.069.02, созданного на базе
Российского государственного педагогического университета им. А.И. Герцена,
Санкт-Петербургского
национального
исследовательского
университета
информационных технологий, механики и оптики, по адресу: 191186, СанктПетербург, наб. реки Мойки, 48, корп. 3, ауд. 52
С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Российского
государственного педагогического университета им. А.И. Герцена, (191186, СанктПетербург, наб. реки Мойки, 48, корп. 5) и на сайте университета по адресу:
Автореферат разослан «___» __________ 2018 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Анисимова Надежда Ивановна
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы
Практически все важные прикладные свойства ферроидных и
мультиферроидных материалов определяются свойствами доменных стенок, a
детальные исследования свойств доменных стенок и поиск их новых необычных
свойств являются важными фундаментальными задачами. В настоящее время
отмечается интенсивное развитие инженерии доменных стенок: науки о принципах
и путях создания регулярных стабильных доменных структур для записи и
хранения информации. В инженерии доменных стенок обращается внимание и на
необычные свойства самих доменных стенок, в частности, высокая проводимость
двойниковых границ в нестехиометрическом диэлектрике триоксиде вольфрама
(WO3), магнитоэлектрическая связь в манганите гольмия (HoMnO3) являются
примерами таких необычных свойств доменных структур. В большинстве случаев
особенности доменных структур формируются в результате их взаимодействия с
иными дефектами кристаллической решётки, закреплением участков доменных
стенок (декорированием) этими дефектами.
Движение доменных стенок в различных ферроидных материалах, как и
движение некоторых других дефектов, например, дислокаций, является
кооперативным, гетерогенным в пространстве и прерывистым во времени,
зачастую представляемым в виде лавинообразных процессов со степенным
распределением амплитуд. Многие системы подвижных дефектов (включая
доменные стенки в ферроидных и мультиферроидных материалах) принадлежат к
одному и тому же классу систем, для которого статистика лавинообразных
процессов является универсальной. Несмотря на значительный прогресс в
описании динамики доменных стенок, несколько ключевых вопросов,
фундаментальных для инженерии доменных стенок, являются предметом
интенсивных исследований и дискуссий. Существуют две конкурирующие
физические концепции динамики доменных стенок – депиннинг (открепление)
[D.S. Fisher, Physics Reports, Vol. 301 (1998) 113] и «джэмминг» (самоблокировка)
[M.-C. Miguel et al., Phys. Rev. Lett. Vol. 89 (2002) 165501]. Моделирование режимов
депиннинга
и
джэмминга
демонстрирует
принципиальное
отличие
функционального вида отклика системы от внешнего воздействия в диапазоне
критических внешних воздействий (например, деформация - приложенное
напряжение) [P.D. Ispánovity et al., Phys. Rev. Lett., Vol. 112 (2014) 235501]. Однако,
на настоящий момент отсутствуют детальные экспериментальные работы,
интерпретирующие наблюдаемые результаты при помощи модели джэмминга.
Ещё одним практически важным вызовом является возможность
предсказания наступления критического состояния, например, системы доменных
стенок, по так называемым предварительным шумам. Представляется важным и
необходимым поиск иных методов контроля поведения и свойств ферроидных
4
материалов, исходя из характерного для них эффекта масштабирования различных
свойств. Проблема влияния температуры на движение двойниковых и межфазных
границ в мультиферроидных мартенситных кристаллах является одной из
основных, определяющих применимость данных материалов в качестве активных
рабочих элементов, управляемых магнитным полем. Современные теоретические
представления, в частности, на основе теории среднего поля, оставляют открытым
вопрос о влиянии температуры на наступление критического состояния.
Антиферромагнетики являются перспективными материалами, благодаря их
многообещающим
применениям
в
спинтронике.
Антиферромагнетики
характеризуются гораздо более быстрой динамикой спинов, чем ферромагнитные
материалы: теоретические оценки показывают, что доменные стенки в
антиферромагнитной фазе могут достигать скоростей переключения на порядок
выше, чем в ферромагнетиках. Однако, исследование динамики доменных стенок в
антиферромагнетиках до сих пор остается сложной экспериментальной задачей.
Все вышеописанные проблемы взаимосвязаны и, более того, играют
существенную роль в конструировании доменных структур. Таким образом,
методы и технологии инженерии доменных стенок требуют фундаментальных
знаний различных аспектов структуры и динамики доменных стенок.
Цель работы
Основная цель работы – это экспериментальное исследование, разработка
моделей и модификация существующих теоретических представлений для
эффектов, обусловленных колебательным движением доменных стенок и
наблюдаемых в ферроидных материалах. Для выполнения поставленной цели
решались следующие задачи:
- исследование магнитоупругих свойств и акустических эффектов, обусловленных
динамикой доменных стенок в антиферромагнитных материалах на примере
геликоидальной
антиферромагнитной
структуры
поликристаллического
диспрозия;
- выявление физических условий для наблюдения процессов депиннинга и
джэмминга доменных стенок в ферроидных материалах в области критических
значений внешних воздействий;
- поиск и интерпретация эффектов масштабирования в динамике доменных стенок
в диапазоне обратимых колебательных смещений доменных структур в
сегнетоэластических материалах.
Практическая значимость работы
Практический интерес
растущим использованием
доменными структурами для
управления акустическими
к исследованию доменных структур обусловлен
кристаллов с прецизионными периодическими
преобразования длины волны лазерного излучения,
и нелинейно-оптическими свойствами, создания
5
волноводов и интегральных оптоэлектронных компонент. В последнее время все
большее значение приобретает концепция элементов памяти, основанная на
использовании доменных границ, в том числе и магнитных доменных границ, что
представляет интерес для спинтроники.
Научная новизна
В диссертации были исследованы магнитные, упругие и неупругие свойства
поликристаллического диспрозия (Dy), сегнетоэластического алюмината лантана
(LaAlO3) и сплава с эффектом памяти формы Ni49Fe18Ga27Co6. В работе были
изучены и предложены интерпретации следующих эффектов: термический
гистерезис обратимого эффекта Виллари и масштабирование магнитоупругого
гистерезиса и обобщенной коэрцитивной силы в поликристаллическом диспрозии
в антиферромагнитной фазе. Предложенные интерпретации позволяют
предположить, что механизмы, ответственные за динамику доменных стенок в
поликристаллическом диспрозии будут сохраняться и для других редкоземельных
элементов и сплавов на их основе. Были выявлены три режима подвижности
двойниковых границ в сегнетоэластическом алюминате лантана и наблюдались
процессы депиннинга и джэмминга в одном материале. Обнаружен и исследован
эффект масштабной инвариантности температурной зависимости обратимых
деформаций с температурной зависимостью макроскопического критического
напряжения движения двойниковых границ в кристаллах Ni49Fe18Ga27Co6.
Предложена интерпретация эффекта масштабной инвариантности на основе
представления о самоподобном характере движения двойниковых границ и
дислокаций. Одинаковые показатели степени амплитудных зависимостей
нелинейной компоненты внутреннего трения для сегнетоэластических материалов
LaAlO3 и Ni49Fe18Ga27Co6 могут указывать на универсальность микропластического
гистерезиса в сегнетоэластиках.
Достоверность полученных результатов
Использование дополнительных экспериментальных методов исследования и
согласованность полученных результатов с известными теоретическими и
экспериментальными данными свидетельствует о достоверности проведенных
исследований. Интерпретация результатов измерений упругих, неупругих и
магнитных характеристик в исследуемых материалах и разработка физических
моделей выполнена на основании известных представлений о динамике доменных
структур в ферроидных материалах.
Методы исследования
В работе были использованы следующие методики исследований:
- механическая спектроскопия, являющаяся одним из наиболее эффективных
методов исследования нелинейного неупругого поведения твердых тел. Основой
6
данной методики является исследование поглощения энергии механических
колебаний и сопутствующие поглощению изменения упругих свойств твердых тел;
- механомагнитная спектроскопия – метод обнаружения обратимого эффекта
Виллари (или обратимой обратной магнитострикции) на ультразвуковых частотах.
В этом методе используется классический трехкомпонентный резонансный
пьезоэлектрический ультразвуковой составной осциллятор с дополнительным
каналом для регистрации периодического магнитного потока, индуцированного в
образце периодическими напряжениями/деформациями.
В работе дополнительно использовались СКВИД магнетометр MPMS XL-7
SQUID для изучения магнитной восприимчивости на переменном токе в диспрозии
и испытательное оборудование Instron 1342 для деформации образцов с эффектом
памяти формы Ni49Fe18Ga27Co6.
Основные положения, выносимые на защиту:
1) Ряд новых явлений в динамике доменных структур в антиферромагнитной
фазе диспрозия обусловлен взаимодействием дефектов с доменными стенками:
- термический гистерезис в геликоидальной антиферромагнитной фазе диспрозия
связан с ферромагнитной фазой, стабилизированной в антиферромагнитной
структуре дефектами решетки, обладающими интенсивными полями деформации,
такими как дислокации решетки;
- масштабно инвариантное поведение магнитоупругого гистерезиса и обобщенной
коэрцитивной силы аналогично для ферромагнитной и геликоидальной
антиферромагнитной фаз диспрозия. Это наблюдение объясняется сходством
механизмов, препятствующих движению доменных стенок.
2) Переход динамики доменных стенок в сегнетоэластическом кристалле
алюмината лантана осуществляется из режима депиннинга (открепления) в режим
масштабно-инвариантного
движения,
контролируемого
взаимодействием
доменных стенок, – джэмминга (самоблокировки). Показано, что данные режимы
могут наблюдаться в одном материале, но в различных температурных диапазонах.
3) Эффект масштабной инвариантности температурных зависимостей микрои макроскопических напряжений раздвойникования в сплаве Ni49Fe18Ga27Co6
является универсальным для случаев дислокационной и двойниковой
пластичности. Интерпретация эффекта масштабной инвариантности основана на
представлении о самоподобном характере движения двойниковых границ и
дислокаций, которая показывает неприменимость классической теории Зеегера для
объяснения температурной зависимости критических напряжений дислокационной
пластичности и раздвойникования.
Апробация работы
Результаты диссертации доложены на следующих международных и
всероссийских конференциях:
7
1. Международная конференция ФизикА.СПб, Санкт-Петербург, Россия, 2017.
2. Международный симпозиум "Перспективные материалы и технологии", Витебск,
Республика Беларусь, 2017.
3. VI Всероссийский конгресс молодых ученых, Санкт-Петербург, Россия, 2017.
4. LVII Международная конференция "Актуальные проблемы прочности",
Севастополь, Россия, 2016.
5. XХII Петербургские чтения по проблемам прочности, Санкт-Петербург, Россия,
2016.
6. V Всероссийский конгресс молодых ученых Санкт-Петербург, Россия, 2016.
7. Международная конференция «The Fifth International Conference on Ferromagnetic
Shape Memory Alloys» Сендай, Япония, 2016.
Публикации
По теме диссертационной работы опубликовано 8 публикаций, из них 5
статей в научных журналах, входящих в перечень ВАК или приравненных к
перечню ВАК, а также опубликованы труды конференций. Список работ
представлен в конце автореферата.
Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка используемой
литературы. Она содержит 129 страниц текста, включая 43 формулы (с
нумерацией), 53 рисунка. Список использованной литературы включает 119
наименований.
Личный вклад автора состоит в непосредственном участии в
экспериментальном исследовании упругих, неупругих и магнитных характеристик
в ферроидных материалах, проведении анализа результатов и участии в разработке
феноменологических моделей, представленных в диссертации. Интерпретация
экспериментальных данных проведена совместно с соавторами. Все
представленные на защиту результаты диссертационной работы получены автором
лично или при его определяющем участии.
8
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во Введении представлено обоснование актуальности работы,
сформулированы цели, научная новизна проведенных исследований и обоснована
практическая значимость работы.
В первой главе «Обзор литературы» приводится обзор исследований,
посвященных доменной инженерии, который включает в себя: обзор
экспериментальных и теоретических работ, раскрывающих проблему динамики
доменных стенок в геликоидальной антиферромагнитной фазе в диспрозии, а также
работ, посвященных изучению его упругих, неупругих и магнитных свойств; обзор
исследований, в которых затрагивается проблема распознавания процессов
депиннинга и джэмминга (взаимной блокировки доменных стенок) в динамике
доменных стенок в сегнетоэластических материалах, в частности, в алюминате
лантана (LaAlO3); работы, поднимающие вопрос о происхождении температурной
зависимости подвижности двойниковых границ в сплавах с эффектом памяти
формы.
Инженерия доменной структуры требует детальной информации о
фундаментальных аспектах взаимодействия и динамике доменных стенок. Однако,
в настоящий момент существует ряд нерешенных вопросов, все еще ожидающих
интерпретации, например, проблема происхождения термического гистерезиса
магнитных,
упругих
и
других
характеристик
в
геликоидальной
антиферромагнитной фазе в диспрозии, измеренных при охлаждении в
ферромагнитную фазу и последующем нагреве из нее. Происхождение
температурной зависимости напряжения раздвойникования в магнитных
материалах с эффектом памяти формы до сих пор является открытым вопросом.
Помимо этого, анализ существующих теоретических работ указывает, что в
реальных системах могут реализовываться как сценарий депиннинга, так и
сценарий взаимной блокировки дислокаций, джэмминга.
Приведенный обзор литературы позволяет сформулировать цель
диссертации: это экспериментальное исследование и интерпретация эффектов,
обусловленных колебательным движением доменных стенок в ферроидных
материалах, в частности, в поликристаллическом диспрозии, монокристалле
алюмината лантана LaAlO3 и сплаве с эффектом памяти формы Ni49Fe18Ga27Co6.
Во второй главе «Методики исследований и материалы» описаны
экспериментальные методики и материалы, исследуемые в работе. В первом разделе
главы приведено описание метода ультразвуковой механической спектроскопии,
основанной на ультразвуковых измерениях линейных и нелинейных акустических
эффектов при использовании методики трехкомпонентного пьезоэлектрического
составного осциллятора [S. Kustov et al., Mater. Sci. Engn. A, Vol. 442 (2006) 532537] на частоте около 90 кГц. Во втором разделе описана механомагнитная
спектроскопия – метод исследования магнитоупругих характеристик материалов,
основанный на измерении обратимого эффекта Виллари (ОЭВ) или обратимой
9
обратной магнитострикции. В этом методе используется модифицированный
составной ультразвуковой пьезоэлектрический осциллятор [S. Kustov et al., Appl.
Phys. Lett., Vol. 89 (2006) 061917] с дополнительным каналом для регистрации
плотности магнитного потока, индуцированного в образце периодическими
напряжениями/деформациями:
() = 0 sin  + ′0 cos ,
(1)
где 0 и ′0 - действительная и мнимая компоненты амплитуды магнитного потока,
соответственно. В работе рассматривается только действительная часть амплитуды
ОЭВ, 0 , так как ′0 ≪ 0 . В каждом из разделов также указаны дополнительные
методы измерений, такие как MPMS XL-7 SQUID магнетометр для изучения
магнитной восприимчивости и испытательное оборудование Instron 1342 для
деформации образцов, описаны материалы, исследуемые при помощи конкретной
методики, и приведены режимы измерений.
В третьей главе «Происхождение термического гистерезиса в
антиферромагнитной фазе диспрозия» изучена проблема происхождения
термического гистерезиса в антиферромагнитной фазе поликристаллического
диспрозия при помощи комплексных исследований. Показано, что используемый
экспериментальный метод является более чувствительным, чем традиционные
измерения магнитного гистерезиса, что позволяет изучать гистерезисные свойства
диспрозия в антиферромагнитной фазе в диапазонах температур, недоступных
ранее. В первом разделе главы представлены результаты измерений обратимого
эффекта Виллари 0 ( ) при фиксированных температурах T = 100, 140, 173 K в
зависимости от амплитуды периодического магнитного поля в следующих
режимах: а) охлаждение, б) нагрев после охлаждения до 95 К (антиферромагнитная
фаза), в) нагрев после охлаждения до 80 К (ниже температуры Кюри  ~ 85 K при
охлаждении). Пример вышеописанных измерений показан на рисунке 1. Из рисунка
1а,б следует, что петли магнитоупругого гистерезиса 0 () при нагреве после
охлаждения до 95 К почти идентичны петлям при охлаждении. С другой стороны,
полученные результаты при нагреве из ферромагнитной фазы количественно и
качественно сильно отличаются от данных в антиферромагнитной фазе, рисунок 1в.
Отличия между ширинами и формами петель гистерезиса сохраняются вплоть до
температуры Виллари, TVP = 166 K [M.L. Corró et al., J. Phys. D. Appl. Phys. Vol. 49
(2016) 015001], выше TVP петли гистерезиса одинаковы для всех трех
экспериментальных режимов.
В данном разделе подробно изучались две характеристики петель 0 (): их
ширина  , которая соответствует равенству нулю намагниченности (М = 0), и
∆
площадь ∆. Относительная площадь петли
рассчитывалась как:

∆

=2
∮ 0 
,
0 0
(2)
10
 
0
где 0 – максимальное значение 0 в цикле и  = 0
– площадь под каждой
2
половиной петли гистерезиса. Важным наблюдением является следующее:
∆
гистерезис 0 () детектируется (параметры  и
могут быть обнаружены) не

только при нагреве из ферромагнитной фазы, но и при охлаждении, как видно из
рисунка 1: ранее гистерезис в антиферромагнитной фазе, исследуемый
стандартными экспериментальными методами, наблюдался только при нагреве из
ферромагнитной фазы и только до температур около 120 К.
Рисунок 1 – Действительная часть амплитуды плотности магнитного потока 0 ,
индуцированного механическим напряжением, в зависимости от периодического
магнитного поля с различными амплитудами 0 : 0.28, 0.56, 1.13, 2.25, 4.5, 9, 18
кА/м при фиксированных температурах T = 100, 140, 173 К:
а) охлаждение, б) нагрев после охлаждения до 95 К (термический цикл в пределах
антиферромагнитной фазы), в) нагрев после охлаждения до 80 К (из
ферромагнитной фазы). Частота приложенного магнитного поля – 0.001 Гц,
амплитуда деформации – 0 = 10-5
11
В ходе работы была установлена связь между шириной обычного магнитного
гистерезиса () и магнитоупругим гистерезисом 0 (). Условие 0 () = 0
выполняется, если намагниченность образца равна нулю,  =0. Тогда справедливо
соотношение  = 0 , где  – полуширина петли (), 0 – полуширина
магнитоупругого гистерезиса 0 ( ). В этом случае справедливо:
 ≅ 

,
+1
(3)
где  – полуширина гистерезиса ( ),  – дифференциальная восприимчивость
при  =  . В антиферромагнитной фазе ~ ≪ 1 и значения полуширин  ,
определяемых из гистерезиса ( ), в соответствии с уравнением (3), оказываются
существенно ниже  . Этот результат объясняет, почему стандартные
экспериментальные методики не обладают достаточным разрешением для
исследования антиферромагнитной фазы.
Наблюдение качественно аналогичного (но с разной интенсивностью)
термического гистерезиса для циклов ниже (при охлаждении до 80 K и
последующем нагреве) и выше температуры Кюри TС (при охлаждении до 95 K и
последующем нагреве) помогает прояснить природу термического гистерезиса. На
рисунке 2 показаны температурные зависимости амплитуды обратимого эффекта
Виллари при различных режимах термоциклирования.
Рисунок 2 –Температурные зависимости действительной части амплитуды
магнитного потока, индуцированного напряжением, 0 , при двух протоколах
термического циклирования: в антиферромагнитной фазе в цикле 250 – 95 – 250 К
(вставка к рисунку) и ниже температуры Кюри (250 – 80 – 250 К). Магнитное поле
составляет 0 = 3 кА/м, амплитуда деформации 0 = 10-5
12
Наличие термического гистерезиса при циклировании в антиферромагнитной
фазе (95 – 200 К) указывает на то, что гистерезис не может быть обусловлен
спиральными доменными стенками, унаследованными от доменных стенок
ферромагнитной фазы, как предполагалось ранее. С другой стороны, интенсивность
термического гистерезиса для двух режимов измерений (250 – 95 – 250 К и 250 – 80
– 250 К) существенно отличается. Возможное объяснение предполагает
существование остаточной ферромагнитной фазы при нагреве значительно выше
температуры Кюри, которая исчезает только при TVP в связи с изменением знака
магнитоупругой связи. Исчезновение остаточной ферромагнитной фазы в точке
Виллари может указывать на то, что этот эффект связан с дефектами решетки,
обладающими интенсивными полями упругих деформаций, такими как дислокации
решетки. В антиферромагнитной фазе дислокации могут обладать локальным
ферромагнитным упорядочением: примеры такого локального ферромагнитного
упорядочения в антиферромагнитной фазе уже наблюдались [I. Sugiyama et al., Nat.
Nanotechnol., Vol. 8 (2013) 266]. Качественно подобное поведение термического
гистерезиса было обнаружено в магнитной восприимчивости диспрозия [Iu.
Liubimova et al., Metals, Vol. 7 (2017) 215]. Обнаружение термического гистерезиса
в циклах 250 – 95 – 250 К указывает на формирование зародышей ферромагнитной
фазы в антиферромагнитной фазе и их стабилизацию при последующем нагреве.
Во втором разделе изучено масштабирование магнитоупругого гистерезиса в
ферромагнитной и антиферромагнитной фазах и предложено объяснение
наблюдаемой универсальности магнитоупругого гистерезиса в диспрозии. Рисунок
3 показывает зависимости площадей петель магнитоупругого гистерезиса
∆(0 ), полученные при фиксированных температурах в процессе нагрева из
ферромагнитной фазы (от 80 K) и нагрева из антиферромагнитной фазы (от 95 К).
Аналогичные зависимости были получены при охлаждении. Все зависимости
подчиняются одному и тому же степенному закону:
∆(0 , ) = ∆ () (
0 

) ,
(4)
где  - константа, которую можно принять  = 1 T,  () является функцией
только температуры, а среднее значение показателя  равно 2,2±0,12 для всех
зависимостей при охлаждении и нагреве в обеих фазах. В данном разделе вводится
дополнительный параметр, который можно определить как эффективная ширина
магнитоупругого гистерезиса  ∗ :
∗ =
∆
40
.
(5)
Аналогичный параметр существует в случае обычного гистерезиса () и
рассматривается как обобщенная коэрцитивная сила, которая учитывает все
диссипативные процессы, происходящие вдоль петли гистерезиса. Из уравнений (4)
13
и (5) следует, что обобщенный гистерезис  ∗ (0 ) также описывается степенным
законом  ∗ ∝ (0 ) с одинаковым показателем  =  − 1 = 1.2 в
антиферромагнитной и ферромагнитной фазах и при разных экспериментальных
протоколах.
Рисунок 3 – Площадь петли ∆ магнитоупругого гистерезиса 0 ( ) в зависимости
от амплитуды плотности магнитного потока 0 , индуцированного
напряжением, для фиксированных температур 100, 140, 173 К при 80 K, нагреве
от 80 К и нагреве от 95 К. Вставка показывает зависимость ∆(0 ) при 160 К,
зарегистрированную при нагреве от 80 К. Частота внешнего магнитного поля –
0.001 Гц, амплитуда механических колебаний – 0 = 10-5
Обнаружение степенных зависимостей площади магнитоупругого
гистерезиса ∆(0 ) и обобщенной коэрцитивной силы  ∗ (0 ) с одними и
теми же универсальными показателями степени в ферромагнитной и
антиферромагнитной фазах, а также при охлаждении и нагреве из ферромагнитной
и антиферромагнитной фаз позволяет сделать вывод о сходстве механизмов
диссипации
при
движении
доменных
стенок
в
геликоидальной
антиферромагнитной и ферромагнитной фазах диспрозия. Данные, полученные
ранее в работе [S. Kobayashi, Phys. Rev. Lett., Vol. 106 (2011) 057207], относятся, повидимому, к смеси антиферромагнитной и остаточной ферромагнитной фаз. В
настоящей работе вывод о сходстве препятствий движению доменных стенок
обобщен на антиферромагнитную фазу.
В четвертой главе «Распознавание процессов депиннинга и джэмминга в
сегнетоэластическом монокристалле алюмината лантана» приведены
результаты изучения нелинейного поглощения ультразвука, обусловленного
движением двойниковых границ в сегнетоэластическом монокристалле алюмината
лантана LaAlO3 для температур 80 – 520 К. Показано, что в одном и том же образце
может осуществляться как процесс депиннинга (открепления) двойниковых стенок
14
от атмосфер точечных дефектов (кислородных вакансий в LaAlO3), так и режим
джэмминга, то есть взаимоблокировки движения доменных стенок. Реализация
процессов депиннинга и джэмминга определяется подвижностью точечных
дефектов (температурным диапазоном). На рисунке 4 показаны амплитудные
зависимости (АЗ) внутреннего трения (ВТ) для температур 80 – 370 К. Зависимости
измерялись при увеличении и последующем уменьшении амплитуды ВТ (прямой и
обратный ход АЗ).
Рисунок 4 – Спектры внутреннего трения в зависимости от амплитуды
деформации, зарегистрированные при фиксированных температурах от 80 до 370
К: (a) 80 – 220 K; (б) 250 – 310 К; (в) 310 – 370 K
На рисунке 4а (температуры 80-220 К) прямой и обратный ход АЗ совпадают:
при данных температурах процесс измерений не влияет на состояние двойниковых
границ. В данных условиях происходит депиннинг двойниковых структур от
атмосфер стабильных (неподвижных) центров закрепления с четко определенными
критическими амплитудами деформаций, соответствующими точке резкого излома
АЗ внутреннего трения. В диапазоне 250 – 310 K, рис. 4б, появляется амплитудный
гистерезис ВТ: в данном температурном диапазоне дефекты, образующие
атмосферы, блокирующие двойниковые границы, приобретают подвижность. При
этом акустические измерения оказывают влияние на распределение подвижных
точек закрепления, вызывая амплитудный гистерезис. Гистерезис уменьшается при
дальнейшем повышении температуры (рисунок 4в), когда время измерения АЗ
становится соизмеримым со временем релаксации атмосфер подвижных дефектов.
15
В работе также анализируется влияние температуры на критические амплитуды
депиннинга. Рис. 4а показывает наличие аномалии в LaAlO3 в диапазоне 80 – 220 К:
значения критических амплитуд понижаются с понижением температуры. Все
другие
известные
сегнетоэластические
материалы
демонстрируют
противоположное поведение: депиннинг требует больших амплитуд деформаций
при более низкой температуре. Аномалия исчезает при температуре Т > 250 К, что
близко к температуре наибольшей ширины амплитудного гистерезиса (рисунок 4б).
В главе исследован переход к режиму джэмминга, для которого характерны
высокая степень масштабной инвариантности, отсутствие амплитудного
гистерезиса и критических амплитуд депиннинга. На рисунке 5 показана
нелинейная часть внутреннего трения ℎ , как функция 0 . ℎ определяется как
разница полного затухания (0 ) и его линейной компоненты  , используя
соотношение (0 ) =  + ℎ (0 ).
Рисунок 5 – Зависимость нелинейной части внутреннего трения ℎ от амплитуды
деформации в диапазоне 350 – 520 К. Данные на рисунке приведены при
увеличении амплитуды деформации
Данные на рисунке 5 показывают, что при повышении температуры
реализуется переход поведения ВТ из режима депиннинга с характерными
критическими амплитудами к степенному закону ℎ ∝ 0 с показателем  ≈1,5.
Такие степенные зависимости ВТ в зависимости от амплитуды деформации
характерны для масштабно инвариантной неупругой деформации со степенной
зависимостью напряжения от деформации с показателем степени ~ 2,5 [S. Kustov et
al., Scripta Materialia, Vol. 134 (2017) 24], что отражает широкое распределение
лавин
микропластической
деформации,
которые
не
регистрируются
макроскопически при измерениях внутреннего трения. Таким образом, при низких
температурах ниже 250 К наблюдается режим депиннинга двойниковых стенок от
неподвижных атмосфер точечных дефектов, о чем говорят отсутствие гистерезиса
внутреннего трения и хорошо определяемые критические амплитуды деформаций
депиннинга. При температурах выше 250 К появляется гистерезис внутреннего
16
трения, и дефекты, определяющие процесс пиннинга при низких температурах,
становятся подвижными. При температурах выше 340 К движение доменных
стенок, сопровождающееся процессом депиннинга, постепенно превращается в
движение, контролируемое взаимодействиями доменных стенок, то есть джэмминг.
Депиннинг и джэмминг не являются взаимоисключающими сценариями
пластичности, и могут быть реализованы в одном и том же материале в различных
температурных диапазонах.
В пятой главе «Масштабирование напряжений раздвойникования и
микропластической текучести в образцах Ni-Fe-Ga-Co» более детально изучено
проявление эффекта масштабирования в нелинейной неупругости на примере
ферромагнитного сегнетоэластического сплава Ni49Fe18Ga27Co6 с эффектом памяти
формы для температурного диапазона 17 – 239 К. Полученные выводы обобщены
на случай дислокационной пластичности. На рисунке 6а показана зависимость
внутреннего трения от амплитуды упругой деформации 0 при фиксированных
температурах в диапазоне 17 – 239 К. На рисунке 6б показано влияние температуры
на нелинейную компоненту затухания ℎ (0 ). Зависимости ℎ (0 ) для всех
температур хорошо аппроксимируются степенной функцией с температурнонезависимым показателем n ≈1,5.
Рисунок 6 – а) Зависимости внутреннего трения δ от амплитуды деформации 0
для сплава Ni49Fe18Ga27Co6, зарегистрированные при фиксированных температурах
в течение процесса охлаждения в диапазоне 239–17 K; б) зависимости нелинейной
части ℎ внутреннего трения от амплитуды деформации 0 , полученной из
кривых, показанных на рисунке 6а. Прямые синие линии показывают сечение
семейства кривых ℎ (0 ), соответствующих постоянному уровню амплитуды
неупругой деформации  =  и постоянной нелинейной компоненте
внутреннего трения ℎ = 
17
Напряжение микротекучести  () можно получить, используя тот же
алгоритм, что и в случае дислокационной микропластичности [A.B. Lebedev et al.,
Phys. Status Solidi a, 116 (1989) 645]:
1) найти точки на зависимостях ℎ (0 ), где амплитуда неупругой деформации
 одинакова при разных T;
2) определить для этих точек амплитуды напряжений 0 , которые определяют
температурную зависимость напряжения микротекучести  ().
Амплитуда  постоянна для амплитудных зависимостей ℎ (0 ) при разных
температурах, если выполняется условие 0 × ℎ (, 0 ) = , соответствующее
сечению семейства кривых на рисунке 6б гиперболой (прямой линией с наклоном 1). Пример сечения, соответствующего  = 6 × 10-8, показан на рисунке 6б.
Пунктирные вертикальные стрелки показывают примеры нахождения амплитуд
упругой деформации 0 (), которые обеспечивают постоянное значение неупругой
деформации  = 6×10-8 при 17, 42 и 75 K.
Температурная зависимость напряжения микротекучести учитывает
температурную зависимость модуля Юнга  ():
 () =  ()0|= ().
(6)
На рисунке 7 показано масштабирование макроскопического напряжения
раздвойникования  () с  () для  = 6 × 10-8.
Рисунок 7 – Сравнение между температурными зависимостями
макроскопического напряжения раздвойникования  () и напряжения
микротекучести  (), соответствующими постоянному значению неупругой
деформации  = 6 × 10-8 в мартенситном сплаве Ni49Fe18Ga27Co6
Таким образом, настоящие результаты вместе с предыдущими данными о
дислокационной микропластичности показывают, что масштабирование
18
температурных зависимостей напряжений микро- и макротекучести является
общим для дислокационной и двойниковой пластичности. В случае степенных
зависимостей ℎ (0 ), масштабное преобразование амплитуды напряжений 0 →
0 приводит к масштабированию неупругой деформации
 (, 0 ) =  +1  (, 0 ),
(7)
которая отражает свойство самоподобия неупругой деформации.
Физическая картина самоподобия  в широком диапазоне отражает
самоподобное свойство силы (), необходимой для перемещения границ
двойников. Это составляет основное отличие от модели Зеегера, которая
предполагает два разных характерных пространственных масштаба для движения
дислокаций (плоскостей двойникования или раздела двух фаз): масштабы
дальнодействующих
внутренних
напряжений
и
короткодействующих
взаимодействий с локальными дефектами. Существенная разница между этими
двумя масштабами в модели Зеегера приводит к независимости двух составляющих
напряжений текучести и, следовательно, их аддитивности. Свойство масштабной
инвариантности
подразумевает
наличие
всевозможных
характерных
пространственных масштабов и не разрешает разделение по масштабу,
предполагаемое в модели Зеегера.
Заключение
В диссертации были исследованы магнитные, упругие и неупругие свойства
следующих ферроидных материалов: поликристаллического диспрозия (Dy),
сегнетоэластического алюмината лантана (LaAlO3) и сплава Ni49Fe18Ga27Co6 с
целью изучения динамики доменных стенок различной природы с использованием
акустических методов. Основные выводы заключаются в следующем:
1) Термический гистерезис в поликристаллическом диспрозии, других
редкоземельных элементах и их сплавах связан с ферромагнитной фазой,
стабилизированной в антиферромагнитной структуре дефектами решетки,
обладающими интенсивными полями деформации, такими как дислокации
решетки. Наличие термического гистерезиса при термическом циклировании в
антиферромагнитной фазе, по-видимому, связано с наличием зародышей
ферромагнитной фазы и их последующей стабилизацией при нагреве.
2) Масштабно инвариантное поведение магнитоупругого гистерезиса и
обобщенной коэрцитивной силы аналогично для ферромагнитной и
антиферромагнитной фазы диспрозия. Это наблюдение объясняется сходством
механизмов, препятствующих движению доменных стенок.
3) Движение двойниковых границ в сегнетоэластическом LaAlO3 подчиняется трем
различным режимам:
19
а) при низких температурах происходит депиннинг с четко определенными
критическими амплитудами деформаций и с хорошо воспроизводимыми спектрами
внутреннего трения при увеличении и уменьшении амплитуды деформации, что
свидетельствует о стабильности двойниковой структуры при низких температурах;
б) при умеренных температурах наблюдаются макроскопические скачки затухания
и падение амплитуды колебаний. В данном температурном диапазоне наблюдается
заметный гистерезис амплитуды деформации, воспроизводимый при
последовательных измерениях. Эти эффекты являются отличительной чертой
массивной реструктуризации двойниковых стенок и их перехода в
высокоподвижное состояние после каждого процесса депиннинга;
в) повышение температуры вызывает постепенный переход от режима депиннинга
к режиму джэмминга доменных границ. Качественное изменение динамики
доменных стенок соответствуют возникновению диффузионной подвижности
точечных дефектов. При высоких температурах наблюдается широкое
распределение энергий пиннинга, что приводит к масштабной инвариантности и
лавинам, распределенным по степенному закону, которые не регистрируются
макроскопически в экспериментах по измерению внутреннего трения.
4) В сплаве с эффектом памяти формы Ni49Fe18Ga27Co6 нелинейная обратимая
неупругая деформация, определенная из акустических экспериментов при
различных температурах в диапазоне 239 – 17 К, подчиняется масштабноинвариантному
степенному
закону.
Температурные
зависимости
макроскопического напряжения раздвойникования и напряжения микротекучести
масштабируются в широком диапазоне неупругих деформаций. Эти
закономерности аналогичны тем, которые известны для дислокационной
пластичности.
Масштабирование
напряжения
раздвойникования
и
дислокационного предела текучести с самоподобной неупругой деформацией
противоречит модели Зеегера и требует ее пересмотра.
5) Обнаруженные одинаковые показатели степени амплитудных зависимостей
нелинейной компоненты внутреннего трения для различных сегнетоэластических
материалов (LaAlO3 и Ni49Fe18Ga27Co6) могут указывать на универсальность
микропластического гистерезиса в сегнетоэластических материалах.
Публикации по теме диссертации:
1. Liubimova Iu. Scaling of low field magnetoelastic hysteresis in antiferromagnetic Dy
/ Liubimova Iu., Corro M. L., Torrens-Serra J., Recarte V., Perez-Landazabal J., Kustov
S. // Materials Physics and Mechanics – 2017. – T. 32. – C. 43-50 (ВАК, Scopus, WoS).
0,5/0,35 п.л.
2. Liubimova Iu. Twinning in Ni-Fe-Ga-Co shape memory alloy: Temperature scaling
beyond the Seeger model / Kustov S., Cesari E., Liubimova Iu., Nikolaev V., Salje E. K.
H. // Scripta Materialia – 2017. – T. 134. – C. 24-27 (Scopus, WoS). 0,25/0,1 п.л.
20
3. Liubimova Iu. Low Field Magnetic and Thermal Hysteresis in Antiferromagnetic
Dysprosium / Liubimova Iu., Corro Moya M. L., Torrens-Serra J., Recarte V., PerezLandazabal J. I., Kustov S. // Metals – 2017. T. 7 – C. 215 (Scopus, WoS). 0,75/0,55 п.л.
4. Liubimova Y. Dynamic magnetic characteristics during martensitic transformations in
NiMnInCo metamagnetic shape memory alloy / Kartasheva N., Liubimova Y., Salas D.,
Kustov S. // Materials Today: Proceeding. – 2017. – T. 4. C. 4768-4772 (Scopus, WoS).
0,3125/0,25 п.л.
5. Liubimova Iu. LaAlO3: A substrate material with unusual ferroelastic properties /
Kustov S., Liubimova Iu., Salje E. K. H. // Applied Physics Letters – 2018 (January). – T.
112. – C. 042902 (Scopus, WoS). 0,3125/0,15 п.л.
Публикации в иных изданиях
1. Любимова Ю.В. Упругие и неупругие свойства Сu-Au-Zn сплавов с эффектом
памяти формы / Любимова Ю.В., Кустов С. Б. // Сборник материалов
Международного симпозиума «Перспективные материалы и технологии» –2017. –
Т. 2, C. 39-41 (РИНЦ). 0,1875/0,1675 п.л.
2. Liubimova I. On scaling phenomena and applicability of Seeger model to plasticity of
martensites / Kustov S., Liubimova I., Nikolaev V., Cesari E., Chumlyakov Y. I. // The
Fifth International Conference on Ferromagnetic Shape Memory Alloys, Japan. – 2016. –
C. 17-18. 0,125/0,045 п.л.
3. Любимова Ю.В. Фазовые переходы и особенности магнитного гистерезиса в
диспрозии // Сборник материалов XXII Петербургских чтений по проблемам
прочности – 2016. – C..254-256. 0,1875 п.л.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
5
Размер файла
1 542 Кб
Теги
динамика, нелинейные, материалы, исследование, акустических, эффекты, стеной, доменных, ферроидных
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа