4.магнитные свойства наноразмерных систем
- 1. Магнитные свойства наноразмерных систем Лекция№4 План: 1. Однодоменное состояние. 2. Суперпарамагнетизм. 3. Квантовое магнитное туннелирование. 4. Гигантское магнетосопротивление.
- 2. Основы физики магнетизма m V m M= MBH −= 0 1 µ B HB 0µµ= Магнитная индукция HM χµ0= χµ +=1 Магнитный момент Напряженность магнитного поля Намагниченность (магнитный момент единицы объема) Магнитная проницаемость и магнитная восприимчивость SM Намагниченность насыщения CH Коэрцитивная сила 0<χ 0>χ 0)( >>Hχ диа пара ферро парамагнетик ферромагнетик антиферромагнетик ферримагнетик
- 3. Однодоменное состояние Доменная стенка ~100нм Массивные ферромагнетики вне магнитного поля разбиты на множество однородно намагниченных областей – доменов. Направление вектора намагниченности меняется от домена к домену. Причиной образования доменов является стремление ферромагнетика уменьшить энергию магнитного поля, создаваемого полюсами. Между доменами не существует резких границ. Вектор намагниченности плавно меняет свое направление в некоторой области, называемой стенкой Блоха (или доменной стенкой). Если размер образца сравним с размерами доменной стенки, то образование доменов становится энергетически невыгодным и такой образец становится однодоменным. Критический размер однодоменности в различных веществах может колебаться от 15- 30 нм до 500 нм.
- 4. Суперпарамагнетизм Уменьшение размеров магнитныхнанокластеров при сохранении в них самопроизвольной намагниченности увеличивает вероятность тепловых флуктуации в направлении магнитного момента нанокластера. Это можно уподобить броуновскому вращению или движению магнитного момента кластера как целого, которое было впервые отмечено Неелем, а подобное состояние названо термином «суперпарамагнетизм» Бином. )(sin)( 2 θθ KVE = 0 π π2 0=H 0≠H 0=H 0≠H )cos()(sin)( 2 θθθ VHMKVE S−= )(θE θ
- 5.
- 6. Суперпарамагнетизм Магнитный момент наночастицыориентируется вдоль направления легчайшего намагничивания, определяемого суммарной магнитной анизотропией, включающей магнитокристаллическую анизотропию, анизотропию формы, анизотропию, связанную с напряжениями, например под действием дефектов, поверхностного натяжения, и анизотропию поверхности. Для малых кластеров энергия анизотропии KV и магнитная энергия могут быть сравнимы с тепловой энергией kТ. В этом случае направления магнитного момента кластера подвержены тепловым флуктуациям и могут не совпадать с минимумами по энергии. При высоких возрастает вероятность флуктуации магнитного момента через энергетический барьер и появляется суперпарамагнитная релаксация. = kT KV S exp0ττ с109 0 1010 −− ÷≈τ Для наблюдения суперпарамагнетизма в нанокластерах необходимо, чтобы отношение времени наблюдения tm ко времени релаксации τS удовлетворяло бы уравнению tm/τs >1 , т.е. время наблюдения должно быть больше времени релаксации.
- 7. Суперпарамагнетизм kTKV 25≈ Оценим размерферромагнитной частицы, в которой проявляется суперпарамагнетизм. Расчеты показывают, что для появления спонтанного перемагничивания величина энергии анизотропии должна быть равна около 25kT. 3 4 75 K kT R π ≈ Механизмы перемагничивания однодоменных частиц. Синхронное перемагничивание Мода «curling» (скручивание) Мода «fanning» (рассеяние) Мода «flipping» (завихрение) íìR 5≈
- 8.
- 9.
- 10. Гигантское магнетосопротивление )0( )0()( ρ ρρ δ − = H H Эффект изменениясопротивления проводников в магнитном поле открыт в 1857 г. Однако в типичных проводниках (Cu, Au, Ag) этот эффект очень мал. В ферромагнитных металлах (Fe, Co, Ni) величина эффекта несколько больше от 0,1 до 3-4 %. В слоистых структурах ферромагнетик-парамагнетик- ферромагнетик с толщиной слоев порядка 1-5 нм величина эффекта может достигать 90% и более. В специально приготовленных магнитных керамиках, содержащих магнитные нанокластеры эффект достигает 1500%.
- 11. Гигантское магнетосопротивление Сопротивление металламожно представить в виде суммы вкладов, обусловленных дефектами решетки ρ0, взаимодействием электронов проводимости ρэ, электрон-фононным взаимодействием ρф и взаимодействием спинов электронов проводимости с магнитными моментами атомов ρм. мфэ ρρρρρ +++= 0 В ферромагнетиках зоны 3d электронах в результате обменных взаимодействий обладают различной плотностью состояний для электронов с разными спинами. Это означает, что электроны со спином антипараллельным спину атомов решетки рассеиваются сильнее, чем электроны с параллельным спином. 1ρ 2ρ 12 ρρ >> Причиной гигантского магнетосопротивления и является механизм неодинакового рассеяния двух групп электронов, отличающихся ориентацией спинов по отношению к направлению намагниченности рассеивающий электроны магнитной структуры. Для реализации этого механизма необходимо, чтобы средние длины свободного пробега λ существенно различались для электронов с направлениями спинов «вверх» и «вниз».
- 12. Применение гигантского магнетосопротивления Устройстводля считывания и записи информации: ГМС-датчик 3, считывающий информацию с магнитной дорожки 1, и индуктивная катушка 5 для записи информации, 2 и 4 – магнитные экраны. Нобелевская премия по физике 2007 г. «За открытие эффекта гигантского магнетосопротивления» Альберт Ферт Питер Грюнберг