Magnetismo en Medios Materiales

Presentación del tema: "Magnetismo en Medios Materiales"— Transcripción de la presentación:

1 Magnetismo en Medios Materiales
Parte II A. González Arias, Dpto. Física Aplicada, Facultad de Física, Universidad de La Habana,

2 Parte II Aplicaciones (continuación). Núcleos para microondas, magnetorresistencias. Tipos de sólidos ferromagnéticos. Síntesis de aleaciones y cerámicas. Microestructura. Propiedades extrínsecas e intrínsecas. Magnetostricción. Materiales amorfos. Tendencias actuales de las investigaciones. Nanomagnetismo.

3 Conferencia anterior: Aplicaciones
En dependencia de las características de histéresis, las aplicaciones prácticas pueden ser muy diferentes: Imanes permanentes (“duros”) Núcleos de transformadores e inductores (“blandos”) Grabación magnética (intermedios) Asociadas a la orientación de los momentos magnéticos atómicos

4 Otras aplicaciones importantes
4. Núcleos para microondas Aplicación asociada a la precesión de los momentos magnéticos atómicos 5. Magnetorresistencias Asociada a la variación de la resistividad en presencia de un campo magnético 6. Magnetostricción Variación de las dimensiones en presencia de campo

5 4. Núcleos para microondas:
Aplicación asociada a la precesión del momento magnético atómico en presencia de un campo externo y a su interacción con una señal externa (microondas) Parámetros a considerar: Msvs.T, H Dispositivos de microondas para las comunicaciones por encima de MHz (circuladores, rotadores, etc) Ejemplos: Y3Fe5O12 (YIG), LiFe5O8, NiZnFe2O4

6 GENERADOR RADIO FRECUENCIA
Medición de H (Resonancia Ferromagnética) REGISTRO CAVIDAD RESONANTE ELECTROIMÁN DETECTOR MHz GENERADOR RADIO FRECUENCIA Soporte de la muestra Muestra Conectores Conductor central Soporte cond. central cavidad resonante

7 Ho: campo de resonancia
Curva de RFM ferrita LiZnTiMn 10 10  = 5.03x109 rad/s 8 8 h 6 6 h/2 Absorción dB Absorción dB 4 4 H 2 2 10 10 20 20 30 30 40 40 50 50 60 60 70 70 80 80 90 90 H (kA/m) Ho: campo de resonancia

8 5. Materiales magnetoresistivos
Magnetorresistencia gigante: descubierta en 1988 en estructuras formadas por láminas delgadas alternas de material magnético-no magnético (ej. Co-Cu). e- Cuando la magnetización de las capas magnéticas es paralela, el flujo de electrones "ve" una resistencia menor que cuando son antiparalelas. Aplicaciones. Se utilizan industrialmente desde 1997 como sensores del campo magnético (Ej., cabezas lectoras de disco duro).

9 Coeficiente magnetoresistivo
La magnetorresistencia también se investiga en materiales monofásicos (magnetorresistencia colosal) MR = (RH - Ro)/RH Coeficiente magnetoresistivo RH valor en presencia del campo aplicado Ro resistencia cuando H = 0

10 Originada por el acoplamiento spin-orbital
6. Magnetostricción Cambio de dimensiones de una sustancia al interaccionar con un campo magnético. El valor depende de la intensidad del campo aplicado y de la dirección de aplicación de H relativa a los ejes cristalinos. La magnetostricción de saturación s se define como Originada por el acoplamiento spin-orbital

11 Siempre está presente en mayor o menor grado dentro de cada dominio magnetizado. Puede ser (+) ó (-) . Usualmente s disminuye en valor absoluto cuando T aumenta, y se hace cero en la temperatura de Curie. Aplicaciones: generadores de ultrasonido, sensores de presión

12 Tipos de sólidos ferromagnéticos
Orgánicos (compuestos de carbono) Inorgánicos Sales (no se conocen) Metales y aleaciones Cerámicas Amorfos

13 Materiales orgánicos En 1991 se descubrió en Tokyo un compuesto orgánico que se ordena ferromagnéticamente a temperaturas cercanas a cero Kelvin: p-nitrophenyl nitronyl nitroxide. Se abrevia por p-NPNN, de composición química C13H16N3O4 Mas recientemente han aparecido otros compuestos orgánicos con propiedades magnéticas a temperaturas más altas: Ej: galvinoxyl. Tiene una transición magnética a 85 K

14 Materiales inorgánicos
a) Metales y aleaciones. Procedimiento de síntesis Mediante fusión de los componentes mezclados a temperaturas superiores a 1200 C Horno microondas de laboratorio magnetrons 2- crucible with glass 3- insulation 4- ventilator 5- IR sensor 6- temperature control 7- window 8- internal and external coat 9- safety contacts

15 Horno de arco de laboratorio

16 Cerámicas Enlace iónico o covalente. Formados a partir de mezclas de óxidos o de elementos no metálicos. La baja resistividad de los metales no permite su uso a altas frecuencias, a causa de las corrientes de Foucault. Muy alta resistividad. Indispensables para dispositivos que trabajen a altas frecuencias (hasta 250 MHz). Se obtienen usualmente por reacción de los sólidos a altas temperaturas (> 1200 C)

17 Método cerámico convencional
Mezcla y molida Pre-cocido Conminución Aglutinante + granulación Conformación Sinterización Maquinado Método cerámico convencional

18 Microestructura de las Sustancias Cristalinas
Cerámica pulida con tratamiento químico observada al microscopio poro intragranular pared de dominio monocristal dominio magnético poro intergranular frontera intergranular Cada grano es un monocristal

19 Propiedades intrínsecas y extrínsecas
Intrínsecas: Son las mismas para el policristal y el monocristal: dependen exclusivamente de la composición química. Magnetización específica de saturación (s = Ms/) Temperatura de Curie (o Néel) Tc Relajaciones, desacomodaciones, etc.

20 Extrínsecas: Dependen además de las características de la microestructura (tamaño de grano, porosidad, condiciones en la frontera de los granos). Fuerza coercitiva (Hc), Remanencia (Br), Permeabilidad (), Factor de pérdidas (tan) De aquí que usualmente resulta sumamente importante controlar la microestructura del material para cualquier aplicación práctica. Ejemplo reciente: materiales nanocristalinos a partir de los amorfos. Se mejoran las propiedades magnéticas: mayor permeabilidad y menos pérdidas.

21 Materiales amorfos Las aleaciones y las cerámicas se caracterizan por poseer una estructura cristalina muy bien definida. Poseen patrón de difracción de rayos X. Los amorfos no poseen estructura definida y no proporcionan patrón de difracción. Cristal (Orden lejano) Amorfo Orden cercano

22 Composición química 80% metal, 20% semiconductor (Ge, Si) o no metal (B, C, P). Propiedades: Resistividad superior a la de los metales. Fuerza coercitiva mucho menor que la de las aleaciones convencionales. Ideales para transformadores (menos pérdidas por histéresis y por Foucault). Ejemplos: Fe67Co18B14Si1 Fe81B3.5Si3.5C2

23 Obtención de los materiales amorfos
Por enfriamiento ultrarrápido, a velocidades del orden de 106 K/s

24 Aleaciones nanocristalinas
Material muy reciente. Especie de término medio entre las aleaciones y los amorfos. (Amorfo + tratamiento de recristalización a 500 – 600oC). Ej: FeCuNbSiB y similares En algunos casos se añade un 2do tratamiento en presencia de un campo magnético de saturación. Se obtienen propiedades diferentes en dependencia de si el tratamiento es  ó || a la cinta. Dan origen a una mayor permeabilidad con mejores características térmicas.

25 Tendencias actuales de las investigaciones:
Nanomagnetismo Materiales magnéticos caracterizados por dimensiones inferiores a 100 nm. Nanofilms (nanopelículas) Nanodots (nanopuntos) Nanowires (nanoalambres) Métodos de obtención variados: ion beam sputering deposition; crecimiento epitaxial, métodos electrolíticos, prensado magnético en matriz orgánica, etc.

26 Los métodos de obtención de nanomateriales en general se dividen en dos grandes grupos:
Métodos "bottom up" Métodos "top-down"

27 Electron beam lithography (litografía mediante haz electrónico)
Ejemplos de "top-down" (nanofilms) Electron beam lithography (litografía mediante haz electrónico) X-ray interference lithography Anillos ferromagnéticos Uno de los primeros métodos utilizados para hacer cabezas magnetorresistivas lectoras de disco duro

28 Ejemplo de "bottom up": hilos magnetorresistivos (nanowires)
Capas alternas de material magnético y no-magnético (de 1 a 3 nm) Poros de diámetro 20 nm en una matriz de alúmina, rellenos de material con magnetorresistencia gigante (un hilo ampliado en el segmento en color). Para sensores magnetoresistivos, discos duros de ultra-alta densidad y memorias RAM

29 La membrana nanoporosa cubierta con oro (1) se sumerge en un baño electrolítico adecuado (Co + Cu) (2) Se puede controlar la deposición de uno u otro variando el potencial 2 1

30 un alto coeficiente de magnetorresistencia
Para lograr que las memorias RAM posean alta densidad de almacenaje, alta velocidad y poca disipación de energía, se requiere: un alto coeficiente de magnetorresistencia pequeña fuerza coercitiva de switching

31 Nanopuntos Aplicación en memorias magnéticas (para incrementar la densidad de almacenamiento en discos duros y otros dispositivos). El límite de reducción se ha establecido alrededor de los 20 nm. Por debajo de esas dimensiones aparece una fase superparamagnética donde la energía térmica a temperatura ambiente es suficiente para vencer la energía magnetostática. Se obtiene cero histéresis y se pierde la habilidad para almacenar información. Es decir, aunque cada nanopunto es en sí un ferromagnético monodominio, la habilidad para almacenar información desparece a causa de la agitación térmica.

32 Para estudiar estos materiales se necesitan técnicas de caracterización con resolución nanométrica
Superconducting quantum interference device (SQUID) magnetometry. Magnetic force microscopy (MFM) Scanning electron microscopy with polarization analysis (SEMPA) Magnetic near-field microscopy Electron holography

33 Se ha encontrado que la anisotropía de forma adquiere gran preponderancia en las propiedades magnéticas de los nanomateriales Ejemplo Estudios mediante Microscopía de Fuerza Magnética (MFM) en nanopuntos dan evidencia de magnetización vorticial en ausencia de campo externo. (V. Novosad, et al., IEEE Trans Magn, 37, 2088 (2001)

34 Al aplicar un campo externo, los momentos magnéticos tienden a alinearse paralelos al campo, mediante un proceso de aniquilación del vórtice. Cuando el campo externo disminuye, el estado vorticial se regenera mediante un proceso de nucleación. El artículo justamente trata de esclarecer el mecanismo inverso de la magnetización y formación de vórtices, de importancia tanto teórica como tecnológica.

35 Anisotropías Magnéticas
Describen la existencia de direcciones preferenciales de la magnetización en la muestra magneto cristalina (direcciones cristalinas preferenciales) de forma (asociado al factor de desmagnetizacoión) de esfuerzo (tracción y compresión modifican notablemente las curvas de magnetización en muchos materiales). inducidas (recocido magnético, deformación plástica, irradiación) de intercambio (se presenta en algunos composites a muy baja temperatura ej.: Co-CoO ferro-antieferro a 77 K)

36 Anisotropía Magnetocristalina
Orientación preferencial de los momentos magnéticos atómicos a lo largo de determinadas direcciones de la red cristalina (direcciones de fácil magnetización). Usualmente estas direcciones coinciden con algunas de las direcciones principales del cristal: 100, 110, 111. 100 fácil 111 difícil 110 M 100 110 111 monocristal Fe-Si H experimental

37 ¿Cómo caracterizar esta anisotropía?
Mediante la energía de anisotropía magnetocristalina y las constantes de anisotropía. Energía de anisotropía (Ea) Diferencia de energía que hay que gastar para magnetizar el material a lo largo de una dirección cualquiera y otra de fácil magnetización. Las direcciones de fácil magnetización corresponden a los mínimos de Ea.

38 Se acostumbra expresar Ea como un desarrollo en serie de los cosenos directores de Ms en referencia a los ejes cristalinos Se obtienen diferentes expresiones para diferentes redes cristalinas. Ejemplo: Red cúbica: 1, 2 y 3: cosenos directores de Ms referidos a los ejes cristalinos. Ko, K1 y K2 son las constantes de anisotropía de la sustancia en cuestión. Usualmente Ko se ignora (constante).

39 Ejemplo. Red hexagonal Cuando el eje hexagonal es la dirección de fácil magnetización (cobalto metálico, ferrita de bario): Ea = Ko + K1sin2 + K2sen4  es el ángulo que forma Ms con el eje c. Ea es mínima para  = 0 0001 100 M H Monocristal de Co 0001 fácil 100 difícil

40 Anisotropía de forma La forma externa afecta el campo interno. El efecto de H varía en dependencia de la dirección Han sido observados efectos anómalos en partículas de 7-20 nm aproximadamente esféricas (Fe, Co y aleaciones de base Fe-Co-B) Anisotropía efectiva y coercitividad de uno a dos órdenes de magnitud por encima de la que se obtiene en el material macizo. Actualmente es tema objeto de estudio

41 Finalmente otra herramienta, considerada esencial por algunos en las investigaciones nanomagnéticas, es el modelado del ciclo de histéresis. (Magnetic hysteresis modeling) Se utiliza para: Predecir configuraciones magnéticas complejas y/o inusuales a causa de la anisotropía de forma. Estudiar el proceso de formación de esas configuraciones. Estudiar las propiedades de inversión de la magnetización (switching)

42 Modelos de histéresis Micromagnético Preisach Modelos
William Fuller Brown, principios siglo XX. Fundamento mecano-cuántico. Modelos esencialmente físicos. Ferenc Preisach, Fundamento estadístico. Modelos esencialmente fenomenológicos. Modelos Modelo físico: se busca el mínimo de la energía, a partir de las distintas contribuciones energéticas. Los parámetros resultantes deberán tener algún significado físico Modelo fenomenológico: ajuste de la curva mediante un formalismo matemático, sin que importe mucho el significado físico de los parámetros que aparezcan

43 Modelo Micromagnético
Método energético: Busca el mínimo de la energía del sistema (equilibrio) considerando las diferentes contribuciones Energía de intercambio (interacción entre spines vecinos) Energía de anisotropía (interacción con la red cristalina) Energía de Zeeman (campo externo + campo desmagnetizante) Método dinámico: Contempla además la posible precesión no uniforme del spin y se añade algún término fenomenológico de amortiguamiento o damping. (Landau-Lifschitz, Gilbert o Bloch).

44 Estados y parámetros característicos de un hysterón particular
Modelo de Preisach hi hk u h + I - I v Preysach introduce el hysterón. Cada hysterón caracteriza individualmente a una sola unidad magnética del sistema Cada hysterón tiene sólo dos estados: posibles: +1 ó -1 u,v; campos de inversión Estados y parámetros característicos de un hysterón particular hk=(u-v)/2 es el campo crítico y hi = (u+v)/2 el de interacción El sistema queda caracterizado por la densidad de hysterones en el plano (u,v) de Preisach.

45 Algoritmos utilizados: Método de las diferencias finitas (FDM)
La magnetización se calcula mediante aproximaciones sucesivas de acuerdo a la expresión p(hkhi): probabilidad de ocurrencia del estado hkhi Q(hk,hi): estado del histerón definido por hk y hi Algoritmos utilizados: Método de las diferencias finitas (FDM) Método del elemento finito (FEM) Método del elemento de frontera (BEM) A pesar de ser un modelo unidimensional, permite explicar razonablemente, en forma clásica, muchos aspectos de la magnetización.

46 H ext a b Ejemplo; simulación analítica.
W. Scholz et. al, Transition from single-domain to vortex state in soft magnetic cylindrical nanodots. FIG. 6: Centered vortex (a) in zero field and far shifted vortex (b) before annihilation. a b H ext

47 Algunos temas actuales objeto de estudio en nanomagnetismo (investigación fundamental)
¿Cómo se propagan las interacciones magnéticas nanométricas? ¿Cuál es el efecto de la presencia de diferentes fases (ferromagnética, antiferromagnética, paramagnética y diamagnética) en las interacciones magnéticas? ¿Qué papel juegan el desorden químico y físico en las fronteras (interfases y superficies) de los nanomagnéticos?

48 ¿Cuál es el estado básico de un nanoconjunto magnético
¿Cuál es el estado básico de un nanoconjunto magnético?¿Cómo evolucionan las interacciones magnéticas en la medida que las dimensiones del sistema evolucionan de 1 a 3 dimensiones? ¿Cuál es la influencia de las anisotropías magnetocristalinas en las fronteras (interfases y superficies)? ¿Cómo y por qué las direcciones de los momentos magnéticos varían al atravesar una frontera?¿Cuál es la dinámica de los spines en esas fronteras?

49 Muchas gracias