Free Student HQ / FSHQ / "Штаб-Квартира свободного Студента"

Магнитные свойства нанообъектов

По магнитным свойствам все макроскопические вещества можно разделить на несколько типов: ферромагнетики, ферримагнетики, антиферромагнетики, диамагнетики и парамагнетики. Для всех перечисленных типов веществ переход от макроуровня к наноуровню сопровождается существенным изменением магнитных свойств, отчетливо и надежно фиксируемых с помощью различных приборов. Но наиболее изученными являются ферромагнитные наноструктуры в связи с тем, что для быстроразвивающихся информационных технологий необходимы высокоемкие носители информации, которые в ближайшее время будут основаны на явлениях ферромагнетизма.

Атомы ферромагнетиков (Fe, Со, Ni, Dy, Но) обладают значительным электронным орбитальным и спиновым магнитными моментами, так как d и f - орбитали этих атомов заполнены частично. При образовании вещества из таких атомов обменное взаимодействие электронов с однонаправленными спинами приводит к одинаковой ориентации магнитных моментов на определенном малом расстоянии. Таким образом, в веществе формируются области с однонаправленными магнитными моментами - магнитные домены. В пределах одного домена намагниченность достигает максимального значения для данного вещества. При помещении ферромагнетика во внешнее магнитное поле домены, ориентированные вдоль поля, увеличивают свой объем за счет соседних доменов или начинают поворачиваться, увеличивая тем самым намагниченность объемного образца. То есть изменение намагниченности объемного материала сопровождается движением доменных стенок.

Следует отметить, что ферромагнитные материалы подразделяются на магнитомягкие (с узкой петлей гистерезиса) и магнитожесткие (с широкой петлей). Первые применяются в устройствах с быстро меняющимся магнитным полем (двигатели, трансформаторы), вторые используются для создания сильных постоянных магнитов.

Нагревание ферромагнетика с ненулевой намагниченностью выше точки Кюри приводит к разупорядочиванию магнитных моментов и потере самопроизвольной намагниченности ферромагнетика, которая может быть восстановлена при охлаждении ниже этой точки и воздействии внешнего магнитного поля.

Общий характер влияния размера ферромагнитной частицы на ее магнитные свойства приведен в таблице 1.

В целом для наночастиц следует ожидать проявления нескольких размерных магнитных эффектов, связанных с характеристическими расстояниями: линейная кристаллическая анизотропия (примерно соответствует размеру домена), магнитостатическое расстояние, линейный размер приложенного поля, которые сильно зависят от температуры, давления, влияния окружающей их среды.

Наибольший практический интерес вызывают однодоменные частицы, у которых по сравнению с многодоменными более широкая петля гистерезиса и, соответственно, более высокие значения коэрцитивной силы, что очень важно для создания постоянных магнитов. В таблице 2. приведены размеры доменов, рассчитанные для различных материалов при комнатной температуре.

Форма частицы, например дискообразная или эллиптическая, увеличивает критический диаметр перехода к однодоменному состоянию.

Особое внимание исследователей привлекает явление суперпарамагнетизма - насыщение кривой намагничивания в относительно небольших магнитных полях (до 1 кЭ). В основе этого явления лежит разупорядочивание направлений магнитных моментов под воздействием тепловой энергии (кБТ), а как известно, тепловые флуктуации в наночастицах при определенных размерах (для ферромагнетиков 1-10 нм) приобретают существенную роль. В отличие от простых парамагнетиков, в суперпарамагнетиках процесс релаксации магнитной структуры заторможен, а каждая частица в ансамбле имеет превосходящий единицу спин, вследствие чего частицы обладают существенным магнитным моментом. Более того, суперпарамагнетики при быстром измерении имеют петлю гистерезиса, а в условиях медленного измерения петлеобразный характер перемагничивания исчезает.

Для наночастиц особую роль играет поверхностная магнитная анизотропия, которая обусловлена неэквивалентным положением атомов на поверхности и в объеме частицы, нарушением симметрии локального окружения, изменением кристаллического поля.

Коэрцитивная сила как одна из основных характеристик магнитных материалов определяет ширину петли гистерезиса и является фактически комплексным показателем, который зависит от большого количества факторов (магнитной, кристаллографической и других видов анизотропии, дефектности, внешних условий, способа получения и обработки материала и так далее). Влияние размера частицы на этот показатель иллюстрирует рис. 1

Рост коэрцитивной силы при уменьшении размера обусловлен уменьшением количества доменных границ, что связано с уменьшением возможности поворота спинов в доменах и уменьшением возможности смещения этих границ. В общем случае при уменьшении размеров частиц роль доменных границ уменьшается, а перемагничивание осуществляется за счет синхронного вращения магнитных моментов, которое зависит от анизотропии частицы, кристаллографической и магнитной анизотропии. Дальнейшее уменьшение размеров частиц приводит к тому, что возрастает роль тепловых флуктуаций, которые дезориентируют направления спинов в частице, с чем связывают уменьшение коэрцитивной силы. При определенном размере наночастицы тепловая энергия (кБТ) начинает превосходить термодинамический выигрыш в энергии при ориентации спинов, частица переходит в суперпарамагнитное состояние. Если поверхностная магнитная анизотропия частицы мала, т.е. перемагничивается в относительно слабых полях, то переход в суперпарамагнитное состояние будет происходить легче, а наклон графика (см. рис. 1) на участке d < dKp будет больше.

В случае магнитных нанопорошков, ферромагнитных жидкостей и магнитных нанокомпозитов определенный вклад в свойства перечисленных материалов оказывают межчастичные взаимодействия, при этом существенным фактором является регулярность расположения частиц. Взаимодействие между магнитными частицами приводит к изменению температур перехода между магнитными состояниями (рис. 2).

В целом на магнитные свойства наноразмерных систем и механизмы их перемагничивания нет единого взгляда. Практически неизученными остаются магнитные свойства наноструктур из диамагнитных и парамагнитных веществ.

Существенную роль в формировании магнитных свойств наноструктур оказывают температура, давление, внешняя среда, состояние поверхности, геометрия структуры, степень дефектности, метод получения и условия обработки, характер распределения по размерам.

В практическом плане вызывают особый интерес гигантское магнитосопротивление, ферромагнитные жидкости, магнитооптические системы.

Магнитосопротивлением называется эффект, сводящийся к изменению электрической проводимости материала при помещении его в магнитное поле. Эффект становится заметным только в достаточно сильных магнитных полях, при которых траектория электрона существенно искривляется по длине свободного пробега, а также при глубоком охлаждении. Однако с открытием явления гигантского магнитосопротивления в материалах с чередующимися слоями ферромагнитного материала и неферромагнитного металла.

В основе явления гигантского магнитосопротивления лежит эффект более интенсивного рассеяния электронов с противоположным магнитным спином по отношению к магнитному моменту ферромагнитного слоя. Материалы с гигантским магнитосопротивлением используется в чувствительных головках для считывания информации с магнитных носителей.

Ферромагнитные жидкости представляют собой коллоиды из однодоменных наночастиц, покрытых поверхностно-активным веществом для предотвращения агрегации и взвешенных в керосине, трансформаторном масле или другой жидкости. Такие жидкости, как правило, являются суперпарамагнитными и магнитомягкими материалами. Помещение ферромагнитной жидкости в магнитное поле приводит к ее загущению и переходу в твердое состояние. При увеличении напряженности внешнего магнитного поля в жидкости образуется из цепочек наночастиц упорядоченная гексагональная структура, которая вызывает появление анизотропии оптических свойств. Ферромагнитные жидкости находят применение в лазерных затворах, настраиваемых дифракционных решетках, герметиках, вакуумных уплотнителях, глушителях колебаний.

Магнитооптические материалы при наложении внешнего магнитного поля способны поворачивать плоскость поляризации света, что используется для управления световыми потоками и в системах магнитооптических запоминающих устройств.

Аналогичное доменное строение, поведение, но уже не в магнитном, а в электрическом и механическом поле, характерный вид петли гистерезиса свойственны для наноструктурных сегнетоэлектриков и сегнетоэластиков.

"Методы получения и свойства нанообъектов" - Н.И. Минько, В.В. Строкова, И.В. Жерновский

 

Сайт создан в 2012 г. © Все права на материалы сайта принадлежат его автору!
Копирование любых материалов сайта возможно только с разрешения автора и при указании ссылки на первоисточник.
Яндекс.Метрика