Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В ходе первого этапа выполнения проекта была проведена частичная модернизация установки для литья аморфных ферромагнитных микропроводников (АФМ) методом Улитовского-Тейлора, связанная с разделением контуров охлаждения индуктора и системы водной закалки изготавливаемого микропроводника. Проработаны технологические режимы получения прекурсоров. Составы сплавов прекурсоров выбирались на основе формулы Co(73-x)Fe4Cr(x)Si12B11 путем замещения части Co на Cr (x = 0 - 8), при постоянной доле содержания аморфизаторов Si и B. По предложенной технологии была изготовлена тестовая малая партия прекурсоров состава Co73Fe4Si12B11. На основе данных прекурсоров было изготовлено пять серий образцов АФМ при различных технологических режимах выплавки с различными диаметрами металлической жилы и стеклянной оболочки. Пластичность АФМ контролировалась по технологической пробе на способность к формированию полного узла без разрушения. Геометрические параметры полученных АФМ исследовали методами сканирующей электронной микроскопии. Измерения поля анизотропии, намагниченности насыщения, константы магнитострикции и амплитуды магнитоимпедансного отклика проводились с помощью специализированного магнитоизмерительного оборудования. Термическая обработка отобранных образцов АФМ проводилась с использованием специализированной установки, обеспечивающей Джоулев нагрев постоянным током при одновременном контроле величины сопротивления микрпровода. Было установлено, что при максимальной мощности нагрева (> 4.2 Вт) микропроводники достигают состояния полной кристаллизации. Выявлены следующие особенности поведения сопротивления АФМ в зависимости от приложенной тепловой мощности: - при небольшой мощности нагрева АФМ, от 0 до 0.8 Вт, наблюдается уменьшение его сопротивления и отмечается минимум сопотивления при мощности в диапазоне от 0.6 до 0.8 Вт; - повышение мощности нагрева приводит к небольшому (до 1%) росту сопротивления; на участке роста наблюдаются два перегиба кривой, затем, в диапазоне мощностей от 3.0 до 3.4 Вт, наблюдается резкое уменьшение сопротивления; - при дальнейшем увеличении мощности уменьшение сопротивления сменяется ростом сопротивления вплоть до максимального значения мощности 4.5. Вт, выдержка АФМ при максимальной мощности нагрева не приводит к дополнительным изменениям величины его сопротивления; - на стадии охлаждения до комнатной температуры сопротивление АФМ монотонно снижается и при комнатной температуре уменьшается на ~13% по отношению к исходному значению, температурный коэффициент сопротивления АФМ (ТКС) после полной его кристаллизации имел значение 312*1Е-6 1/ °С; - температурная зависимость сопротивления микропроводника, прошедшего термическую обработку до полной кристаллизации, стабилизируется и не изменяется при последующих циклах нагрева и охлаждения. Свойство стабилизации характеристик АФМ после их кристаллизации было использовано для определения температуры нагрева каждого типа АФМ, соответствующей значению приложенной мощности постоянного тока при Джоулевом нагреве. С этой целью, для каждого типа образца АФМ, были проведены измерения удельного сопротивления полностью кристаллизованных образцов от приложенной мощности. Затем, с учетом полученного значения ТКС, измеренные значения сопротивления во всем диапазоне нагрева пересчитывают в значения температуры а полученную Т(Р) зависимость аппроксимируют степенными многочленами. Полученное выражение зависимости температуры от мощности Джоулева нагрева АФМ может использоваться в качестве калибровочной характеристики для оценки температуры других образцов АФМ той же серии, находящихся в аморфном или частично кристаллизованном состоянии при Джоулевом нагреве. В процессе Джоулева нагрева, не превышающем точку начала кристаллизации, в АФМ наблюдаются небольшие, но контролируемые изменения сопротивления. После охлаждения АФМ их сопротивление может увеличиваться по отношению к исходному в пределах 1 %. Магнитные петли гистерезиса АФМ прошедших частичный нагрев, могли изменять наклон и переходить от квазилинейного вида к бистабильному и обратно. При этом, индуктивная компонента ГМИ отношения таких АФМ могла увеличиваться почти в два раза по сравнению с исходной величиной ГМИ отношения. Установлено, что в разных сериях микропроводов может существовать одна или две области максимального ГМИ отношения. При этом максимум ГМИ отношения наблюдался у тех АФМ, у которых динамические петли гистерезиса характеризовались близким к нулю полем анизотропии. Исследования структурно-фазововых состояний микропроводников, после их частичного изотермического отжига, были проведены с использованием синхротронного излучения в рамках НИР «Исследование микроструктуры микропроводников Co69Fe4Cr4Si12B11 при термической обработке методом порошковой рентгеновской дифракции (XRPD)». На основе полученных данных было установлено, что ранняя стадия кристаллизации АФМ начинается уже при 450 °С с образованием кристаллов твердого раствора α-Co с ГПУ структурой. В образцах отожженных до температуры 478 °С кристаллы кобальта уже достаточно большие и имеют максимальный размер более 150 нм. При этом, кристаллизация АФМ начинается с образования сплошного слоя из столбчатых кристаллов на поверхности АФМ, а в его объеме наблюдаются только отдельные неравноосные кристаллы. Использование синхротронного излучения для исследования структурно-фазовых превращений в микропроводниках позволило уточнить последовательность выделения фаз при кристаллизации. Таким образом, проведенные экспериментальные исследования показали, что в процессе отжига в микропроводниках с металлической жилой состава Co69Fe4Cr4Si12B11, покрытых стеклянной оболочкой, происходят значительные изменения электрических и магнитных свойств. Эти свойства отражают структурно-фазовые изменения микропроводника при переходе из аморфного в кристаллическое состояние. При этом, наиболее важные для приложений, ГМИ характеристики могут улучшаться и достигать своего максимального значения. На основе изготовленных образцов микропроводников с улучшенными ГМИ характеристиками был разработан тестовый образец миниатюрного высокочувствительного ГМИ-сенсора сканирующего магнитометра для измерения локальных магнитных полей слабомагнитных объектов. Сканирующий магнитометр был представлен в устном докладе на международной конференции Joint European Magnetic Symposia (JEMS2020) и как экспонат на VII Ежегодной Национальной Выставке "ВУЗПРОМЭКСПО -2020".

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В ходе второго этапа выполнения проекта отработаны технологические режимы получения прекурсоров на базе оборудования НИТУ МИСиС. Изготовлены несколько партий прекурсоров составов Co(73-x)Fe4Cr(x)Si12B11 с содержанием Cr (x = 0, 1, 2, 4, 7, 8). В ходе модернизации установки ITMF-3 для литья аморфных ферромагнитных микропроводников (АФМ) к установке добавлен высокотемпературный пирометр для контроля температуры капли расплава в ходе технологического процесса. Отработаны режимы литья и получены опытные серии АФМ с различным содержанием Cr. Термическая обработка отобранных образцов АФМ проводилась с использованием специализированной установки, обеспечивающей Джоулев нагрев постоянным током при одновременном контроле величины сопротивления АФМ. Для микропроводников с составом металлической жилы Co69Fe4Cr4Si12B11 показано, что выше комнатной температуры микропроводники характеризуются отрицательным температурным коэффициентом сопротивления и имеют четко выраженный минимум при температуре Tм = ~ 160 0С. Более того, минимум удельного сопротивления смещается к температуре ~ 260 0С после частичного отжига при приложенной мощности ~ 1,8 Вт. Моделирование температурных зависимостей показало, что ниже минимума температуры Tм удельное сопротивление пропорционально логарифму температуры (- lnT) и показывает поведение, подобное эффекту Кондо. Исследования структурно-фазововых состояний микропроводников, в процессе их изотермического отжига, были проведены с использованием синхротронного излучения в рамках НИР «Исследование влияния Джоулева нагрева на процессы фазовых превращений в аморфных микропроводниках с эффектом Гигантского Магнитного Импеданса». В ходе данных исследований получены следующие результаты: • Разработана уникальная методика контролируемого Джоулева нагрева микропроводников постоянным током, объединенная с падающим синхротронным лучом и 2D-детектором. За счет непрерывного мониторинга электросопротивления и структурно-фазового состояния микропроводников в процессе нагрева, предложенный подход позволяет обеспечить выращивание заданной или принципиально новой кристаллической структуры в АФМ. • Выявлен оптимальный режим термической обработки аморфных микропроводников состава Co69Fe4Cr4Si12B4 для получения максимального значения ГМИ отклика, 350–400 % с высокой степенью релаксации аморфной матрицы: изотермическая обработка в интервале температур 350–390 °С в течение 12 ч; • Показано, что образование кластеров в процессе термической обработки приводит к увеличению величины эффекта ГМИ, а образование нанокристаллов в объеме приводит к снижению величины эффекта ГМИ; • Установлены кинетические характеристики процесса кристаллизации и определены механизмы этого процесса в объеме и на поверхности микропроводника, определена энергия активации процесса кристаллизации; • Установлено, что рост кристаллов лимитируется диффузией металлов, а не бора, причем основную роль в этом процессе играет добавка хрома. Эта добавка уменьшает коэффициент диффузии компонентов в сплаве и увеличивает эффективную энергию активации диффузии. Это связано с тем, что атомы Cr имеют наибольший радиус среди других металлических добавок в составе и препятствуют диффузии бора и других элементов. При этом атомы Cr сами по себе малоподвижны. Поэтому процесс кристаллизации лимитируется диффузией атомов хрома. Изготовленные на основе полученных образцов микропроводников ГМИ сенсоры, использовались в сканирующем ГМИ магнитометре для измерения перпендикулярной компоненты магнитного поля образцов отрезков АФМ длиной ~ 7.5 мм и ~ 4.5 мм. Было найдено, что амплитуды магнитных полей рассеяния вблизи концов отрезков могут достигать значений порядка нескольких сотен наноТесла. Сканирующий ГМИ магнитометр был представлен как экспонат на XV Международном авиационно-космическом салоне МАКС-2021.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В ходе заключительного этапа выполнения проекта на оборудовании НИТУ МИСиС изготовлены серии микропроводников покрытых стеклянной оболочкой со следующими составами аморфной жилы: Co73Fe4Si12B11, Co71Fe4Si12B11Cr2, Co69Fe4Si12B11Cr4, Co67Fe4Si12B11Cr6 и Co65Fe4Si12B11Cr8 (содержание Cr от 0 % до 8 %). В исходном состоянии изготовленные микропроводники имели диаметры металлической жилы d в пределах 18 ± 2 мкм и полный диаметр D 32 ± 3 мкм и характеризовались рентгеноаморфным состоянием. Методами дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК анализа) было установлено, что увеличение количества хрома (с 0% до 8%) повышает температуру начала кристаллизации Tc сплава на 48°С. Изучение температурных зависимостей электросопротивления R микропроводников в интервале температур 25°С – 650°С при непрерывном Джоулевом нагреве и последующем охлаждении показало хорошую корреляцию ДСК кривых и температурных зависимостей сопротивлений. Установлено, что в исследуемых сплавах критерием начала кристаллизации является момент начала падения электросопротивления при непрерывном повышении температуры. Такое падение сопротивления обуславливается выделением в аморфной матрице достаточно крупных кристаллов твердого раствора на основе кобальта, практически не содержащего бора. Характерной чертой исследованных сплавов является наличие минимума температурной зависимости электросопротивления микропроводников с содержанием хрома от 4% до 8 %. Этот минимум наблюдается при аномально высоких температурах (до ~ 300 °С). Обработка и сопоставление полученных результатов с известными литературными данными, позволяет предположить, что в нашем случае мы имеем дело с конкуренцией различных механизмов рассеяния электронов, обусловленных упругим и неупругим электрон-электронным и электрон-фононным взаимодействиями, а также взаимодействием электронов с магнонами. В ходе исследований электромагнитных характеристик микропроводников было установлено, что в исходном состоянии максимальный магнитоимпедансный отклик, выше 100 %, наблюдается только у микропроводников с содержанием хрома 4%, Co69Fe4Si12B11Cr4. По этой причине детальные исследования микроструктуры и влияния термообработки были проведены на сериях данного состава. Термообработка микропроводников проводилась с использованием разработанного в проекте метода, за счет Джоулева нагрева постоянным током при одновременном контроле величины сопротивления микропроводника. Для образцов обработанных по режимам: нагрев при постоянной температуре (T ~ 396 °С) и длительной временной выдержке от 1 часа до 40 часов, было установлено, что в них происходит образование кластерной, а затем и нанокристаллической структуры с размерами от 2 нм до 20 нм, в зависимости от длительности термообработки. После отжигов образцов по режимам: [396°С, 1 час], [396°С, 12 часов] и [396°С, 40 часов] они имели аморфную, кластерную и кластерно-нанокристаллическую структуру, соответственно. По сравнению с исходными, такие образцы характеризовались существенным улучшением магнитоимпедансных и гистерезисных характеристик, при одновременной стабилизации необратимых температурных изменений характеристик. На основе образцов микропроводников, прошедших специальную термообработку, были изготовлены образцы ГМИ-сенсоров для измерения однородных магнитных полей. Установлено, что характеристики этих датчиков по чувствительности значительно превышают характеристики датчиков на основе исходного микропроводника. В то же время, с увеличением чувствительности, температурный дрейф ГМИ-сенсоров может возрастать. Тестовые измерения вариаций D-компоненты магнитного поля Земли с помощью ГМИ-сенсора показали хорошее согласие с данными кварцевого вариометра магнитной обсерватории. Для измерения неоднородных магнитных полей был изготовлен тестовый образец ГМИ-сенсора, в котором чувствительным элементом является кончик отрезка микропроводника. Изготовленный ГМИ-сенсор использовался в сканирующем ГМИ-магнитометре для измерения магнитных полей вблизи поверхности напечатанных на лазерном принтере полосок тонера, содержащих микрограммы наночастиц оксида железа. Полученные магнитные изображения полосок тонеров продемонстрировали возможность количественных измерений локальных магнитных полей с чувствительностью на уровне ~ 10 нТ и пространственным разрешением ~ 1.3 мм.