Лазерная печать магнитных изображений на микромагнитах (PrDy)(FeCo)B
1Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН, Черноголовка, Московская обл., Россия; office@icp.ac.ru
2Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Национального исследовательского центра «Курчатовский институт», Москва, Россия; admin@viam.ru
Исследованы структура, химический состав и магнитные свойства микропроводов (PrDy)(FeCo)B после вакуумного отжига и локального лазерного облучения. Показано, что лазерное воздействие вызывает локальное изменение состава аморфного микропровода, включая уменьшение содержания редкоземельных элементов в зоне облучения, тогда как в поликристаллическом состоянии состав практически не меняется. Вакуумный отжиг приводит к кристаллизации материала и переходу из магнитомягкого в магнитотвердое состояние с увеличением коэрцитивной силы и магнитной анизотропии.
Введение
Значительный практический интерес представляет изготовление микромагнитов с заданным распределением намагниченности в продольном направлении. Это способствует разработке устройств магнитного неразрушающего контроля, обработки сигналов и оптической записи магнитной информации [1–3], а также микроэлектромеханических систем (Micro-Electro-Mechanical Systems). Такие системы представляют собой миниатюрные устройства, объединяющие механические элементы, сенсоры, микроактуаторы и электронные схемы на одном микрочипе [4, 5]. Материалами для таких устройств могут служить сплавы редкоземельных и переходных металлов, которые занимают ключевое место в современной микроэлектромеханике благодаря сочетанию высокой коэрцитивной силы, значительной магнитокристаллической анизотропии и температурной стабильности [6]. Особый интерес вызывают микропровода, позволяющие реализовывать локализованные магнитные состояния и создавать материалы с заданными функциональными характеристиками [7–11].
Среди перспективных материалов выделяются системы (PrDy)(FeCo)B, в которых редкоземельные элементы Pr и Dy обеспечивают высокий уровень магнитокристаллической анизотропии и коэрцитивной силы, тогда как переходные металлы Fe и Co формируют высокий магнитный момент [12]. В зависимости от условий получения такие микропровода могут находиться как в аморфном, так и в поликристаллическом состоянии. Аморфная структура характеризуется сниженной коэрцитивной силой и изотропной намагниченностью, тогда как термическая обработка приводит к кристаллизации и формированию магнитотвердой фазы с магнитной анизотропией [13–15].
Перспективным инструментом локального управления структурой и магнитными характеристиками материала является лазерное облучение [16, 17]. Импульсное лазерное воздействие позволяет реализовать локальное плавление, испарение, а также быстрые нагрев и охлаждение материала, создавая области с измененной морфологией и модифицированными магнитными свойствами. При этом локальное плавление может приводить к перераспределению химических элементов, особенно редкоземельных компонентов, отличающихся высокой химической активностью и чувствительностью к термическому воздействию [16]. Программируемое сканирование лазером поверхности изделия допускает 3D-печать магнитных состояний и запись пикселя памяти в отдельной области. В связи с этой возможностью аддитивных технологий возникает задача совершенствования химической, структурной и магнитной стабильности материала, модифицированного лазерным облучением, а также исследования изменений морфологии, распределения химических элементов и магнитных свойств в локальных областях, подвергнутых лазерному облучению.
Цель работы – анализ последствий локального лазерного облучения и вакуумного отжига и их влияния на морфологию, химический состав и магнитные свойства микропроводов (PrDy)(FeCo)B, а также выявление связи лазерно-индуцированного изменения коэрцитивной силы и магнитной анизотропии со структурным состоянием материала и геометрическими параметрами поверхности микропровода.
Материалы и методы
Аморфные микропровода (PrDy)(FeCo)B (рис. 1) получали методом экстракции капли расплава от нагретой электронным пучком поверхности спеченного магнита. Торцевую поверхность спеченного магнита после оплавления и формирования капли захватывали выступом на вращающемся со скоростью ≤60 м/с латунном цилиндре с водяным охлаждением. При тепловом контакте расплава с цилиндром скорость охлаждения не превышала 106 К/с. Полученные микропровода (PrDy)(FeCo)B имели полуцилиндрическую форму (рис. 1, в), диаметр до 80 мкм и длину до 150 мм. Для формирования поликристаллической структуры микропровода подвергали вакуумному отжигу при давлении 10-5 Torr (133,3 Па) и температуре 700 °С в течение 2 ч. На рис. 1, б приведено изображение торца микропровода (PrDy)(FeCo)B после вакуумного отжига, полученное методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ).
Локальное лазерное воздействие позволяет формировать контролируемую периодическую магнитную структуру на поверхности микропроводов (PrDy)(FeCo)B [16]. В ходе экспериментальных работ на плоскую и выпуклую стороны (рис. 1, в) аморфных и поликристаллических микропроводов (PrDy)(FeCo)B нанесены периодические лазерные метки перпендикулярно главной оси микропровода с помощью иттербиевого импульсного волоконного лазера со следующими параметрами: длина волны >1000 нм, скорость движения лазерного луча ≥200 мм/с, мощность лазерного импульса ≥15 Вт, частота следования импульсов ≥20 кГц, диаметр лазерного луча ≤15 мкм.
Получение электронных изображений, энергодисперсионную рентгеновскую спектроскопию (Energy Dispersive X-Ray (EDX)) и элементное картирование проводили с помощью сканирующего электронного микроскопа.
Исследование продольного эффекта Керра и регистрация локальных петель магнитного гистерезиса выполнены с применением микроскопа.
Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ и ЦКП ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН.
Результаты и обсуждение
На рис. 2 и 3 представлены СЭМ-изображения микропроводов (PrDy)(FeCo)B с лазерным облучением до и после вакуумного отжига и соответствующие энергодисперсионные рентгеновские спектры, полученные в различных областях поверхности.
В аморфном микропроводе (PrDy)(FeCo)B до вакуумного отжига в области без лазерной метки наблюдается хорошая воспроизводимость формы и относительной интенсивности энергодисперсионных спектров (рис. 2, б, г), что указывает на химическую однородность. В области локальной лазерной метки (рис. 2, в, д) выявлены относительное увеличение интенсивности пиков железа, незначительное изменение вкладов кобальта и снижение интенсивности пиков празеодима и диспрозия, что может свидетельствовать о неоднородности лазерного воздействия. При этом редкоземельные элементы Pr и Dy обладают большей склонностью к испарению и более высокой диффузионной подвижностью при локальном перегреве, что может вызывать относительное уменьшение их концентрации в зоне лазерной метки [14]. Таким образом, лазерное воздействие на поверхность аморфного микропровода (PrDy)(FeCo)B вызывает химические и морфологические изменения.
В поликристаллическом микропроводе (PrDy)(FeCo)B после вакуумного отжига в области без лазерной метки энергодисперсионные спектры демонстрируют хорошую воспроизводимость (рис. 3, б, г) с интенсивными пиками железа и кобальта (основная матрица) и стабильными сигналами празеодима и диспрозия, что свидетельствует о химической однородности образца. На энергодисперсионных спектрах в зоне лазерной метки (рис. 3, в, д) относительные интенсивности пиков железа и кобальта сохраняются, линии празеодима и диспрозия сопоставимы с соответствующими линиями в исходном состоянии, что свидетельствует об отсутствии обеднения редкоземельными элементами. Лазерное воздействие на поверхность поликристаллического микропровода (PrDy)(FeCo)B вызывает только морфологические изменения, поскольку в этом состоянии химические элементы уже распределены по устойчивым фазам, а границы зерен могут ограничивать диффузию.
В таблице представлен усредненный химический состав микропроводов (PrDy)(FeCo)B до и после вакуумного отжига для областей без лазерной метки и в зоне лазерного воздействия.
Область | Содержание элементов | |||
|---|---|---|---|---|
Fe | Co | Pr | Dy | |
% (атомн.) | ||||
Без лазерной метки | 55,39±1,09 | 32,83±0,19 | 7,38±0,23 | 4,41±0,76 |
С лазерной меткой | 58,00±2,86 | 31,78±1,16 | 6,68±0,90 | 3,56±0,80 |
% (по массе) | ||||
Без лазерной метки | 35,16±0,35 | 22,00±0,77 | 11,84±0,71 | 8,18±1,48 |
С лазерной меткой | 39,11±2,00 | 22,61±0,78 | 11,35±1,50 | 6,98±1,56 |
| Примечание. В числителе и знаменателе указано содержание элементов до и после вакуумного отжига соответственно. Области определения химического состава указаны на рис. 2 и 3. | ||||
Сравнение усредненных результатов EDX-анализа (см. таблицу) для аморфного и поликристаллического микропровода (PrDy)(FeCo)B показывает, что локальное лазерное воздействие и последующий вакуумный отжиг по-разному влияют на распределение элементов. В аморфном микропроводе (PrDy)(FeCo)B в зоне лазерной метки наблюдаются увеличение содержания Fe и снижение концентрации редкоземельных элементов Pr и Dy по сравнению с участками без лазерного воздействия. Это свидетельствует о локальном перераспределении компонентов, вероятно, связанном с кратковременным плавлением и возможной частичной потерей или диффузионным перераспределением редкоземельных элементов при лазерном нагреве [14]. После вакуумного отжига в поликристаллическом микропроводе (PrDy)(FeCo)B различия между участками с лазерной меткой и без нее менее выражены: концентрации основных элементов оказываются в пределах погрешности измерений. Это указывает на гомогенизацию химического состава при кристаллизации и подтверждает высокую химическую и структурную стабильность поликристаллического состояния микропроводов (PrDy)(FeCo)B после термического воздействия.
На рис. 4 представлено элементное картирование аморфного и поликристаллического микропроводов (PrDy)(FeCo)B с локальными лазерными метками. Все элементы (Fe, Co, Pr, Dy) в образцах распределены равномерно как до, так и после вакуумного отжига.
На рис. 5 представлены локальные петли магнитного гистерезиса микропроводов (PrDy)(FeCo)B для выпуклой и плоской сторон до и после вакуумного отжига, измеренные методом микроскопии Керра.
До вакуумного отжига (рис. 5, а, в, г, е) петли имеют наклонную форму с малой коэрцитивной силой и плавным процессом перемагничивания, что характерно для аморфного магнитомягкого состояния. Существенных различий между выпуклой и плоской сторонами в этом состоянии не наблюдается. Локальное лазерное облучение приводит лишь к незначительному локальному изменению формы петли магнитного гистерезиса и уменьшению коэрцитивной силы, что свидетельствует о локальном характере структурной модификации без существенного влияния на магнитную анизотропию.
После вакуумного отжига (рис. 5, ж, и, к, м) петли гистерезиса характеризуются прямоугольной формой, увеличением коэрцитивной силы и резким процессом перемагничивания, что свидетельствует о формировании магнитотвердой поликристаллической структуры и увеличенной магнитной анизотропии. При этом различия между сторонами микропровода (PrDy)(FeCo)B становятся более явными: плоская поверхность (рис. 5, к, м) демонстрирует практически прямоугольные петли магнитного гистерезиса и более резкое перемагничивание по сравнению с выпуклой поверхностью (рис. 5, ж, и), что может быть связано с различиями в полях рассеяния. В области лазерной метки после отжига (рис. 5, и, м) наблюдаются лишь локальные вариации параметров петли магнитного гистерезиса, не нарушающие общего магнитотвердого состояния, что указывает на сохранение структурной и магнитной стабильности материала после термического воздействия.
Заключения
Локальное лазерное облучение аморфного микропровода (PrDy)(FeCo)B приводит к снижению концентрации редкоземельных компонентов в зоне воздействия лазера при сохранении общего химического состава системы. В поликристаллическом микропроводе (PrDy)(FeCo)B лазерное облучение вызывает локальные морфологические изменения, однако химический состав остается практически неизменным, что подтверждает высокую структурную и химическую стабильность материала после вакуумного отжига. Вакуумный отжиг приводит к переходу микропроводов (PrDy)(FeCo)B из магнитомягкого аморфного состояния в магнитотвердое поликристаллическое, что сопровождается увеличением коэрцитивной силы и магнитной анизотропии. После отжига различия между выпуклой и плоской сторонами становятся более заметными – плоская поверхность демонстрирует практически прямоугольные петли гистерезиса. Полученные результаты можно использовать для нанесения магнитного 3D-рисунка, заданного программой, на поверхности деталей. При этом нанесенный магнитный узор устойчив к нагреву и легко обнаруживается оптическими методами.
Работа выполнена в рамках государственного задания ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН № 124013100858-3.
- Леднев И.С. Магнитные методы неразрушающего контроля деталей авиационной техники // Авиационные материалы и технологии. 2024. № 1 (74). С. 111–120. URL: http://www.journal.viam.ru (дата обращения: 05.02.2026). DOI: 10.18577/2713-0193-2024-0-1-111-120.
- Леонов А.А., Трофимов Н.В., Панаетов В.Г., Кудасов С.В., Широкожуков А.В. Магниевые сплавы в конструкции изделий навигационной системы // Авиационные материалы и технологии. 2024. № 3 (76). С. 25–34. URL: http://www.journal.viam.ru (дата обращения: 05.02.2026). DOI: 10.18577/2713-0193-2024-0-3-25-34.
- Feng B., Wu J., Tu H. et al. A Review of Magnetic Flux Leakage Nondestructive Testing // Materials. 2022. Vol. 15 (20). P. 7362. DOI: 10.3390/ma15207362.
- Chircov C., Grumezescu A.M. Microelectromechanical Systems (MEMS) for Biomedical Applications // Micromachines. 2022. Vol. 13 (2). P. 164. DOI: 10.3390/mi13020164.
- Algamili A.S., Khir M.H.M., Dennis J.O. et al. A Review of Actuation and Sensing Mechanisms in MEMS-Based Sensor Devices // Nanoscale Research Letters. 2021. Vol. 16 (1). P. 16. DOI: 10.1186/s11671-021-03481-7.
- Gutfleisch O., Willard M.A., Brück E. et al. Magnetic Materials and Devices for the 21st Century: Stronger, Lighter, and More Energy Efficient // Advanced Materials. 2011. Vol. 23 (7). P. 821–842. DOI: 10.1002/adma.201002180.
- Каблов Е.Н., Кондрашов С.В., Мельников А.А., Щур П.А. Применение функциональных и адаптивных материалов, полученных способом 3D-печати (обзор) // Труды ВИАМ. 2022. № 2 (108). С. 32–51. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 05.02.2026). DOI: 10.18577/2307-6046-2022-0-2-32-51.
- Sawane M., Prasad M. MEMS piezoelectric sensor for self-powered devices: A review // Materials Science in Semiconductor Processing. 2023. Vol. 158. P. 107324. DOI: 10.1016/j.mssp.2023.107324.
- He J.-H., He C.-H., Qian M.-Y., Alsolami A.A. Piezoelectric Biosensor based on ultrasensitive MEMS system // Sensors and Actuators A: Physical. 2024. Vol. 376. P. 115664. DOI: 10.1016/j.sna.2024.115664.
- Pagliano S., Marschner D.E., Maillard D. et al. Micro 3D printing of a functional MEMS accelerometer // Microsystems & Nanoengineering. 2022. Vol. 8 (105). DOI: 10.1038/s41378-022-00440-9.
- Gemelli A., Tambussi M., Fusetto S. et al. Recent Trends in Structures and Interfaces of MEMS Transducers for Audio Applications: A Review // Micromachines. 2023. Vol. 14 (4). P. 847. DOI: 10.3390/mi14040847.
- Chen Z., Zhang P., Ahmad I. et al. Enhancement of Magnetic Properties of Nanocomposite Pr2Fe14B/α-Fe Magnets by Small Substitution of Dy for Pr // Journal of Applied Physics. 2001. Vol. 89 (4). P. 2299–2303. DOI: 10.1063/1.1344221.
- Hu S., Peng K., Chen H. Influence of Annealing Temperature on the Dy Diffusion Process in Nd–Fe–B Magnets // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2017. Vol. 426. P. 340–346. DOI: 10.1016/j.jmmm.2016.11.111.
- Löeve K., Sepehri-Amin H., Hono K. Temperature-dependent Dy Diffusion Processes in Nd–Fe–B Permanent Magnets // Acta Materialia. 2015. Vol. 83. P. 248–255. DOI: 10.1016/j.actamat.2014.09.039.
- Woodcock T.G., Zhang Y., Hrkac G. et al. Understanding the Microstructure and Coercivity of High Performance NdFeB-Based Magnets // Scripta Materialia. 2012. Vol. 67 (6). P. 536–541. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2012.05.038.
- Дворецкая Е.В., Потапов М.В., Пискорский В.П., Моргунов Р.Б. Восстановление аморфной атомной структуры и магнитных доменов в микропроводах RE–TM–B методами термической и лазерной обработки // Труды ВИАМ. 2026. № 2 (156). С. 127–138. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 05.02.2026). DOI: 10.18577/2307-6046-2026-0-2-127-138.
- Sridharan N., Cakmak E., List F.A. et al. Rationalization of Solidification Mechanism of Nd–Fe–B Magnets during Laser Directed-Energy Deposition // Journal of Materials Science. 2018. Vol. 53 (11). P. 8619–8626. DOI: 10.1007/s10853-018-2178-7.