Магнитные свойства наноструктур

Магнитные свойства наноструктур обладают большим разнообразием и отличаются от массивного материала. Основной вклад вносят размерные эффекты, влияние поверхности, межкластерные взаимодействия и взаимодействия кластера с матрицей.

К магнитным свойствам нанокластеров и наноструктур относятся:

1.Суперпарамагнетизм проявляется при размерах магнитных кластеров 1-10 нм.

2.Магнитная однодоменность нанокластеров и наноструктур до 20 нм

3.Магнитное квантовое туннелирование, при котором намагниченность меняется скачками,

4.Гигантское магнетосопротивление (ГМС)

5.Магнитные фазовые переходы первого рода. Это когда магнитное упорядочение в наносистеме исчезает скачком и наносистема переходит в парамагнитное состояние, минуя суперпарамагнитное состояние магнитного упорядочения ниже точки Кюри.

 

Нанокристаллические ферромагнетики являются магнитомягкими материалами, т.е. имеют высокие значения магнитной проницаемостью. Факторы, которые снижают проницаемость это анизотропия и магнитострикция.

Уменьшение размера зерна ферромагнетика до значений 1-10 нм способствует формированию магнитомягких свойств. Это впервые показано на основе металлического стекла ,при кристаллизации которого была получена ультрадисперсная зернистая структура с ОЦК –решеткой и размером зерна около 10 нм. Нанокристаллическое состояние в сплаве достигалось термической обработкой в области температур 500-600 оС. В результате образуется мелкозернистая случайная текстура с размером зерна 10 нм. Каждое зерно окружено аморфной матрицей.

1.Суперпарамагнетизм

Уменьшение размеров магнитных нанокластеров при сохранении в них самопроизвольной намагниченности увеличивает вероятность тепловых флуктуаций в направлении магнитного момента нанокластера. Это явление называется суперпарамагнетизм.

При наложении внешнего магнитного поля на наносистему параллельно оси симметрии нанокластера энергия нанокластера следующая.

При высоких температурах и малых магнитных полях возрастает вероятность флуктуации магнитного момента через энергетический барьер и появляется суперпарамагнитная релаксация.

Для Н=0 время суперпарамагнитной релаксации

где ,

Где -константа энергии анизотропии, -объем кластера, -намагниченность, -угол поворота магнитного момента кластера.

При охлаждении нанокластеров ниже некой температуры блокования тепловые флуктуации замораживаются, и образуется спиновое стекло с разупорядочкнными магнитными моментами нанокластеров.

Магнитное квантовое туннелирование

В кластерных молекулярных кристаллах могут происходить квантово-туннельные переходы. Они сопровождаются дискретным изменением намагниченности нанокластера и всего кристалла. Такая наноструктура характеризуется ступенчатым характером кривой намагниченности. Время релаксации магнитного момента кластерного монокристалла испытывает скачки риссуз542 и 543

Рис. Кривые намагниченности кластерного монокрсталла ацетата марганца при разных температурах в зависимости от напряженности магнитного поля (Тл)

Петля гистерезиса состоит из вертикальных и плоских участков. На плоских участках гистерезисной петли время релаксации магнитного момента больше времени измерения которое около 600 сек. На наклонных участках время релаксации близко ко времениизмерения,что приводит к ряду минимумов на кривой зависимости времени суперпарамагнитной релаксации от величины внешнего магнитного поля Н. см следующий рисунок.

Время релаксации осциллирует по отношению к приложенному полю с минимумами, соответствующими ступеням на петле гистерезиса.

 

Рис а) Зависимость времени релаксации магнитного момента кластерного монокристалла ацетата На рис показаны строение молекулярного кластера и потенциальные ямы для электрона в случаетермоактивированных (верхний рисунок) и туннельных переходов (нижний рисунок.)

от величины внешнего магнитного поля (Тл).

Стрелками показаны значения магнитного поля , при которых происходят скачки при совпадении электронных уровней.

б) Зависимость времени релаксации от температуры при разных значениях магнитного поля .(показано на врезке).

 

Эти эффекты скачков можно понять при рассмотрении электронного строения и и туннельных переходов между электронными уровнями молекулярного кластера.

. Внутренне ядро кластера, включающее ионы марганца имеет тетрагоналное двухслойное строение: атомы образуют кубановый каркас со структурой и спином , а восемь внешних атомов со спином образуют наружный слой. Обменное взаимодействие внутри кластера стабилизируют ферримагнитное основное состояние кластера с коллективным эффективным спином . Кристаллическое поле с аксиальной симметрией типа расщепляет основное состояние спина на два уровня с и и константой кристаллического поля Тл. При увеличении магнитного поля происходит пересечение магнитной энергией этих электрических уровней. При их совпадении релаксация магнитного момента кластера ускоряется. Это соответствует квантовоу туннелированию во всей наноструктуре.

На рис показаны строение молекулярного кластера и потенциальные ямы для электрона в случае термоактивированных (верхний рисунок) и туннельных переходов (нижний рисунок.) при низкой температуре. .

Магнитные частицы в нанопорах

В природе существуют материалы с молекулярными полостями, заполненными магнитными наноастицами. Ферритин - биологическая молекула, содержащая 25% железа по массе, состоящая из из симметричной белковой оболочки и в форме полой сферы с внутренним диаметром 7.5 нм и внешним диаметром 12.5 нм. Эта молекула в биосистемах играет роль хранилища ионов железа . Одна четверть железа в организме человека находится в молекулах ферритина и 70% в молекулах гемоглобина. Полость ферритина заполнена кристаллическим оксидом железа . Температура блокирования –это температура, ниже которой термоактивированные переходы между различными магнитными ориентациями замораживаются. Температура блокирования понижается при уменьшении количества атомов в полости. При очень низких температурах в ферритине наблюдается квантовое туннелирование.

Наноуглеродные ферромагнетики

В образовании сонаправленных углеродных нанотрубок при пиролизе фталоцианида железа принимает участие две частицы железа. Маленькая частица служит зародышем, бо,льшая частица железа ускоряет рост углеродной нанотрубки. В дальнейшем частицы железа остаются на концах нанотрубок. Так можно синтезировать неполимерные органические ферромагнетики являющиеся диэлектриками.

Гигантское магнетосопротивление (ГМС)

Магнетосопротивлением называется эффект изменения электрической проводимости материала при помещении его в магнитное поле. Эффект наблюдается в сильных магнитных полях, при которых траектория электрона существенно искривляется на длине свободного пробега электрона. сопротивление материала вызывается рассеянием электронов при соударении, т.к. направление движения электронов после соударения меняется. эффект наблюдается в металлах при низких температурах. В чистой меди при 4 К и магнитной индукции 10 тесла проводимость меняется в 10 раз.

Эффект гигантского магнетосопротивления состоит в значительном уменьшении сопротивления наноматериала при действии магнитного поля (до 1000%). Магнетосопротивление массивных материалов меняется незначительно. Сопротивление массивного пермаллоя (80% Ni -20% Fe) в магнитном поле меняется на 3%.

Нанокластерные металлические материалы ГМС получают растворением нанокластеров железа или кобальта в матрице другого металла с хорошей проводимостью медь или серебро , причем компоненты должны, плохо растворятся, друг в друге. При прохождении электрического тока происходит рассеяние электронов на магнитных моментах кластеров. При наложении магнитного поля на образец направление магнитных моментов кластеров меняется. Что приводит к изменению скорости рассеяния электронов и изменению электропроводности. Максимальный эффект ГМС наблюдался в системе при концентрации 20%.,что связывается с оптимальным размером кластеров кобальта.

Зависимость магнетосопротивления от относительной величины магнитного поля нормированной на величину намагниченности насыщения. На опыте определяется суммарное значение магнетосопротивления, связанное с общим изменением намагниченности М

Распределение кластеров по размерам и межкластерные взаимодействия приводят к появлению второго слагаемого. на рис суз547 представлена экспериментальная зависимость системы при5 К.

Рис Магнетосопротивление (а) и петля гистерезиса наносистемы

 

Рис Изменение магнетосопротивления в единицах в процентах для наносистемы при разной концентрации при и

 

Рис.Зависимость относительного магнетосопротивления в процентах от нормализованной намагниченности .Темные и светлые точки соответствуют данным на рис16.

 

Эффект ГМС можно объяснит на основе модели двух электрических токов. В разориентированной наносистеме рассеяние электрона на магнитном домене кластера эквивалентно в двух направлениях (например, вверх и вниз).В упорядоченной магнитным полем наносистеме, одно из направлений, (вдоль оси магнитного поля) обладает меньшим сопротивлением, чем другое. Оба канала работают параллельно, сумма параллельно соединенных сопротивлений становиться меньше меньшего, что ведет к значительному уменьшению сопротивления.

Уменьшение гигантского магнетосопротивления коррелирует с увеличением размера кластера . ГМС определяется отношением поверхности магнитных кластеров и площади межфазных границ к их объему. Рассеяние электронов в зависимости от спина происходит на межфазных границах между кластерами и матрицей.

Эффект ГМС впервые наблюдался на пленках, в которых чередовались слои железа и хрома. рис пул166 а +

Рис три структуры в которых наблюдается гигантское магнитосопротивление

а)Вверху. Чередующиеся слои немагнитного материала с ферромагнитными слоями.

б) В середине. Случайно ориентированные ферромагнитные наночастицы кобальта (большие кружки в немагнитной медной матрице(маленькие кружки).

В) Внизу. Смешанная система. Состоящая из серебрянныхслоев с наночастицами кобальта и магнитных слоев из сплава с чередующимися направлениями намагниченности.

 

Материалы из однодоменных ферромагнитных частиц со случайной ориентировкой векторов намагниченности в немагнитной проводящей матрице обладают также ГМС. Рис.б).

 

Рис. Верхний. зависимость электрического сопротивления многослойной системы железо-хром от магнитного поля, приложенного параллельно поверхности слоев.

Рис. Нижний. Зависимость изменения магнитосопротивления оттолщины магнитного слоя железа в многослойной структуре в постоянном магнитном поле.

 

Рис слева. Зависимость изменения магнетосопротивления от приложенного магнитного поля для тонкой пленки наночастиц кобальта в медной матрице.

Рис Кристаллическая структура , в котрой при легировании Са или стронцием, замещающих лантан, наблюдается колоссальное магнетосопротивление.

 

Эффект гигантского магнетосопротивления служит чувствительным детектором магнитного поля и является основой для создания высокочувствительных считывающих головок магнитных дисков.