Ζουμ στο μικρόκοσμο - Υλικά

Το πρώτο μαγνητικό υλικό που ανακάλυψε ο άνθρωπος είναι ο μαγνητίτης, ένας φυσικός μαγνητικός φερίτης. Κομμάτια αυτού του ορυκτού βρέθηκαν να ασκούν ελκτικές ή απωστικές δυνάμεις όταν πλησίαζαν σε ένα άλλο κομμάτι του ίδιου υλικού. Αργότερα, όταν τα σιδερένια αντικείμενα έγιναν διαθέσιμα, δέχονται ανάλογες δυνάμεις από αυτούς τους πρώτους μαγνήτες. Όταν οι βελόνες σιδήρου τρίβονταν σε μαγνητίτη, αποκτούσαν αυτή τη νέα διπολική ιδιότητα, ασκώντας ίδιες έλξεις ή απώσεις με τα αρχικά κομμάτια μαγνητίτη. Το θέμα της μαγνήτισης μέσω τριβής μπορεί να είναι ένα από τα παλαιότερα ερωτήματα σχετικά με το μαγνητισμό και εξακολουθεί να παραμένει ένα από τα λιγότερο κατανοητά φαινόμενα. Αυτές οι μαγνητισμένες βελόνες χρησίμευσαν ως οι πρώτες εφαρμογές μαγνητικών υλικών αφού λειτουργούσαν ως πυξίδες και επέτρεψαν στους ναυτικούς να εντοπίσουν τον Βορρά χωρίς τη χρήση των αστεριών.

Η πραγματική αρχή του σύγχρονου μαγνητισμού όπως τον γνωρίζουμε σήμερα ξεκίνησε το 1819, όταν ο Hans Oersted ανακάλυψε ότι μια βελόνα πυξίδας εκτράπηκε κάθετα σε ένα ρευματοφόρο αγωγό όταν τοποθετήθηκαν κοντά το ένα στο άλλο. Τότε γεννήθηκε ο ηλεκτρομαγνητισμός. Στη συνέχεια, ο Michael Faraday (1791-1867) ανακάλυψε το αντίθετο αποτέλεσμα, δηλαδή ότι μια ηλεκτρική τάση μπορεί να παραχθεί όταν ένας ρευματοφόρος βρόχος εισέλθει σε ένα μαγνητικό πεδίο.

Τα βελονοειδή σωματίδια a-Fe₂O₃ χωρίς μικροπόρους επιτεύχθηκαν από τον Kiyama (1992) με διαδικασία  αυτόματης συμπύκνωσης σε διάλυμα NaOH. Ο μαγνητίτης σε μορφή πολυέδρων για εφαρμογές μαγνητικής μελάνης κατασκευάστηκε από τον Koma (1992) ιζηματοποιώντας το σιδηρούχο υδροξείδιο που παραγόταν από σιδηρούχο χλωριούχο και υδροξείδιο του νατρίου σε ατμόσφαιρα αζώτου. O Bagul (1992) προετοίμασε ενεργούς ενεργές φερρίτες στροντίου (σε μορφή σκόνης) με τη μέθοδο της συγκαταβύθισης. Τα νιτρικά διαλύματα των μετάλλων καταβυθίζονται με υδροξείδιο του νατρίου και ανθρακικό νάτριο. Σχηματίστηκαν σωματίδια μεγέθους μικρότερου των μικρομέτρων. Μελετήθηκε η επίδραση της περιεκτικότητας σε υπολειμματικό νάτριο στις παραμέτρους της διαδικασίας.

Πηγή κειμένου: Handbook of modern ferromagnetic materials, A. Goldman, B.S., Springer Science+Business Media New York, Ferrite Technology Worldwide, (1st edition), 1999.

Μεγάλο μέρος της αρχικής έρευνας στα μαγνητικά λεπτά υμένια έγινε λόγω της πιθανής εφαρμογής τους ως στοιχείων μνήμης σε ψηφιακούς υπολογιστές. Αυτή η εφαρμογή δεν ήταν ποτέ εμπορικά επιτυχής, αλλά ακολουθήθηκε από την έντονη ανάπτυξη μνήμης περιοχών φυσαλίδων, η οποία απαιτούσε επίσης τη χρήση των διαμορφωμένων μαγνητικών λεπτών υμενίων για να ελέγξει την κίνηση των φυσαλίδων, χωρίς τελικά ιδιαίτερη επιτυχία. Αλλά, προέκυψαν διαφορετικές χρήσεις, που σχετίζονται με πτυχές της τεχνολογίας των υπολογιστών, έχουν προκύψει, όπως είναι η μαγνητική μνήμη με μορφή διαφορετική μορφή από τις προηγούμενες ιδέες.

Τυπικά παραδείγματα  μαγνητικών λεπτών υμενίων βασίζοντα στο ευρέως χρησιμοποιούμενο κράμα 80 permalloy (80 κβ% Ni, 20% κβ Fe), το οποίο έχει χαμηλή ανισοτροπία και χαμηλή μαγνητοσυστολή σε συνδυασμό με αρκετά υψηλή μαγνήτιση και αναπτύσσεται εύκολα σε μορφή λεπτού φιλμ. Είναι η προφανής επιλογή όταν απαιτείται ένα μαλακό μαγνητικό λεπτό υμένιο.

Tα λεπτά υμένια αναπτύσσονται με την εναπόθεση ατόμων σε ένα υπόστρωμα και σχεδόν πάντα χαρακτηρίζονται και χρησιμοποιούνται ενώ βρίσκονται πάνω στο υπόστρωμα. Συνεπώς, οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ του υποστρώματος και του υμενίου είναι σημαντικές οπότε τα χαρακτηριστικά της επιφάνειας και η θερμοκρασία του υποστρώματος κατά την εναπόθεση του υμενίου είναι παράμετροι που ελέγχονται. Τα λεπτά υμένια μπορούν να αναπτυχθούν με διάφορους τρόπους: χημική εναπόθεση ατμών, ηλεκτροαπόθεση από υγρό ηλεκτρολύτη, θερμική εξάτμιση (χρησιμοποιώντας διάφορες πηγές θερμότητας) και ιοντοντοβολή (sputterning). Από αυτές, η ιοντοβολή (sputtering) είναι η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη, κυρίως επειδή επιτρέπει μεγάλη ποικιλία συνδυασμών στοιχείων. Η ιοντοβολή (sputtering) είναι μια φυσική και όχι μια χημική ή θερμική διαδικασία. Τα άτομα εξέρχονται φυσικά από ένα υλικό-στόχο από ιόντα αερίων υψηλής ενέργειας, συνήθως αργού. Αρχική προϋπόθεση είναι η δημιουργία ένα ιονισμένου αερίου πλάσματος στο θάλαμο εναπόθεσης. Η παρουσία αυτού του πλάσματος και τα άτομα αερίου που απαιτούνται για τη δημιουργία του, δείχνουν ότι οι συνθήκες εναπόθεσης είναι πολύ λιγότερο καθαρές από ότι στην περίπτωση θερμικής εξάτμισης, η οποία μπορεί να πραγματοποιηθεί υπό συνθήκες υπερυψηλού κενού. Παρά το μειονέκτημα αυτό, η παραγωγή λεπτών υμενίων με τη διαδικασία της ιοντοβολής (sputtering) διεξάγεται με εξαιρετικά υψηλό βαθμό επαναληψιμότητας και χρησιμοποιείται, για παράδειγμα, στην κατασκευή ων διαφόρων στρωμάτων στην επιφάνεια των σκληρών δίσκων.

Πηγή κειμένου: Introduction to Magnetic Materials (2nd Edition),  B. D. Cullity, C. D. Graham, Wiley-IEEE Press, 2008.

Αυτά αποτελούνται από δομές όπου το μήκος είναι πολύ μεγαλύτερο από το πλάτος και επομένως οι σχετικές γεωμετρικές παράμετροι είναι το πλάτος και το πάχος. Έχει αφιερωθεί μεγάλη ερευνητική προσπάθεια στη μελέτη των δομών συρμάτων και μια σειρά από τεχνικές έχουν επιτρέψει την παρασκευή μαγνητικών συρμάτων με πλάτη που κυμαίνονται από μερικά νανόμετρα έως πολλά μικρόμετρα. Ανάλογα με τη διαδικασία ανάπτυξης, σύρματα ορθογώνιας ή κυκλικής διατομής μπορούν να κατασκευαστούν (π.χ. με ηλεκτροαπόθεση χρησιμοποιώντας πορώδεις μεμβράνες ως πρότυπα.

Άμορφα σύρματα που παρασκευάζονται με την τεχνική της απότομης ψύξης σε νερό παρουσιάζουν μια αμφίδρομη μαγνητική συμπεριφορά, ανεξάρτητα από το πρόσημο της μαγνητοσυστολής. Αυτή η ιδιότητα προέρχεται από την ειδική μορφολογία των μαγνητικών περιοχών που σχηματίζεται στο σύρμα, συνήθως αποτελείται από ένα ενεργό διαμήκη πυρήνα, που αναστρέφει τη μαγνήτισή του με ένα μόνο άλμα Barkhausen και ένα εξωτερικό κέλυφος, που έχει είτε ακτινικές ή περιφερειακές μαγνητικές περιοχές.

Η προέλευση μιας τέτοιας δομής βρίσκεται στα ανισοτροπία που προκαλείται από τις μεγάλες τάσεις που παγιώθηκαν κατά τη διάρκεια της διαδικασίας στερεοποίησης, σε συνδυασμό με την ανισοτροπία της μαγνητοστατικής προέλευσης (ανισοτροπία σχήματος). Η εναλλαγή της αντιστροφής μαγνήτισης σε άμορφα σύρματα  μπορεί να αξιοποιηθεί σε διάφορες εφαρμογές, όπως τέλεια περιοδικές παλμικές γεννήτριες, ψηφιακές πλακέτες, αισθητήρες ταχύτητας και θέσης και αντικλεπτικές συσκευές. Μια περαιτέρω αξιοσημείωτη ιδιότητα των άμορφων συρμάτων είναι ότι η απόκριση τους στις συχνότητες MHz μπορεί να αλλάξει σε μεγάλο βαθμό κατά την εφαρμογή ενός πεδίου DC (φαινόμενο γιγαντιαίας μαγνητοεμπέδησης).

Πηγή κειμένου: Handbook of Magnetism and Advanced Magnetic Materials, H. KronmÜller and S. Parkin, Volume 1: Fundamentals and Theory, John Wiley & Sons, 2007.

Πηγή κειμένου: Measurement and Characterization of Magnetic Materials, F. Fiorillo, Istituto Elettrotecnico Nazionale Galileo Ferraris, Torino, ITALY, Elsevier Series in Electromagnetism, 2004.

Λόγω της κυλινδρικής συμμετρίας, έχει μελετηθεί η παρασκευή πολυστρωματικών μικροσυρμάτων με την προσθήκη εξωτερικών στρωμάτων ή μικροσωλήνων σε υπάρχοντα σύρματα. Οι πρώτες απόπειρες αποδίδονται στους Rauscher και Radeloff (1991), όπου προετοιμάστηκαν σύνθετα μικροσύρματα  που αποτελούνται από έναν μαλακό πυρήνα που βασίζεται στο NiFe και ένα σκληρό κέλυφος CrCoFe. Στην περίπτωση αυτή, οι μαγνητικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των συστατικών παίζουν σημαντικό ρόλο για τον προσδιορισμό της μαγνητικής συμπεριφοράς δύο καταστάσεων του πυρήνα.

Έχουν γίνει απόπειρες με ηλεκτροχημική εναπόθεση κραμάτων CoP, CoFeNi και CoNi σε μικροσύρματα με κύριο συστατικό το Cu που χρησιμοποιήθηκαν ως ηλεκτρόδιο. Ο στόχος για την κατασκευή αυτών των μικροσωλήνων σε μεταλλικά μη μαγνητικά μικροσύρματα σχετίζονταν με τις ιδιότητες της μαγνητοεμπέδησης τους. Λόγω της διαφορικής αγωγιμότητας και ιδιαίτερα της διαπερατότητάς τους, η μαγνητοεμπέδηση αναμενόταν να εμφανίσει συγκεκριμένα χαρακτηριστικά απάντηση. Στην πραγματικότητα, αναφέρθηκαν αρκετά μεγάλες διαφοροποιήσεις του φανταστικού μέρους  της εμπέδησης.

Επιπλέον, ενδιαφέρον υπάρχει για την ίδια την τεχνική προετοιμασίας που επέτρεψε την κατασκευή νέων υλικών με μη τυπικές ιδιότητες. Η ηλεκτροαπόθεση εξωτερικών στρωμάτων σε μικροσύρματα ανοίγει νέες δυνατότητες για ελεγχόμενη συμπεριφορά, όπως τροποποιήσιμος εύκολος άξονας μαγνήτισης (από ακτινικό ως το επίπεδο του στρώματος) ανάλογα με το πάχος και τις παραμέτρους ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης.

Πηγή κειμένου: Handbook of Magnetism and Advanced Magnetic Materials, H. KronmÜller and S. Parkin, Volume 1: Fundamentals and Theory, John Wiley & Sons, 2007.

Μικρά σιδηριμαγνητικά σωματίδια εμφανίζονται φυσικά σε πυριγενείς βράχους και τα σιδηρομαγνητικά και σιδηριμαγνητικά σωματίδια μπορούν να συντεθούν με διάφορες χημικές μεθόδους. Τα μικρότερα μαγνητικά σωματίδια παρουσιάζουν υπερπαραμαγνητισμό, συμπεριφέροντας σαν παραμαγνητικά μακροσπιν. Τα μεγαλύτερα υιοθετούν μαγνητικές διαμορφώσεις που καθορίζονται από την ισορροπία της ανισοτροπίας, της σύζευξης ανταλλαγής και των διπολικών μαγνητικών αλληλεπιδράσεων. Κουκκίδες μαγνητικών υλικών μεγέθους μικρότερο από μm μπορούν να διαμορφωθούν από λεπτά υμένια. Όταν η μαγνητοκρυσταλλική ανισοτροπία είναι αμελητέα, τα μικρά στοιχεία τείνουν να υιοθετούν διαμορφώσεις όπου η μαγνήτιση είναι προσανατολισμένη όσο το δυνατόν περισσότερο παράλληλα με την επιφάνεια. Μπορούν να το κάνουν αυτό επειδή το μήκος ανταλλαγής, το οποίο είναι η κλίμακα μήκους πάνω από την οποία η κατεύθυνση μαγνήτισης ενός σιδηρομαγνήτη μπορεί να ακολουθεί διπολικά πεδία τομείς, είναι μόνο 2-5 νανόμετρα. Οι διαμορφώσεις στροβίλων βρίσκονται σε εστίες των λεπτών υμενίων του μαλακού μαγνητικού υλικού της κλίμακας των 100 nm στο μέγεθος, καθώς επίσης και οι διαμορφώσεις

Η ανισοτροπία επιφάνειας μπορεί επίσης να επηρεάσει τις μαγνητικές διατάξεις των σιδηρομαγνητικών νανοσωματιδίων, όταν η ανταλλαγή δεν είναι πολύ ισχυρή. Ορισμένα παραδείγματα εμφανίζονται σε σχήμα. Αυτές οι επιδράσεις είναι ασήμαντες σε νανοσωματίδια 3d μετάλλων και κραμάτων με σημεία Curie πάνω από τη θερμοκρασία δωματίου, αλλά μπορεί να είναι σημαντικά για κράματα σπανίων γαιών με χαμηλά σημεία Curie, ή σιδηρομαγνήτες ακτινιδών όπως η US, όπου η ανισοτροπία ενός ιόντων είναι εξαιρετικά ισχυρή.

Οι μαγνητικές μέθοδοι συμβάλλουν στη μελέτη των κυττάρων και των υποκυτταρικών δομών όπως οι πρωτεΐνες και τα βιομόρια. Γενικά, αυτές οι μελέτες χρησιμοποιούν μαγνητικά μικροσωματίδια των  οποίων τα μεγέθη είναι συμβατά με τα μεγέθη των βιολογικών δομών που χρησιμοποιούνται για το χειρισμό (10-100 μm για κύτταρα, 10-100 nm για πρωτεΐνες). Τα μικροσωματίδια συνήθως ενσωματώνουν πολλά υπερπαραμαγνητικά νανοσωματίδια σε ένα βιοσυμβατό πολυμερές μικροσφαιρίδιο, με κλάσμα πλήρωσης 0,1 < f < 0,8.

Πηγή κειμένου: Magnetism and Magnetic Materials, J. M. D   Coey, Cambridge University Press, 2010.

Οι οργανικοί ημιαγωγοί είναι πολύ ελπιδοφόρα υλικά για τις βαλβίδες σπιν, και επομένως για τις κεφάλες ανάγνωσης GMR. Αυτό οφείλεται στο μεγάλο χρόνο αφηρέμησης σπιν σε συζευγμένα μόρια, αλλά και λόγω μάλλον απλών τεχνικών κατασκευής συσκευών με χαμηλή κατανάλωση ενέργειας. Ωστόσο, μια μεγάλη πρόκληση που αντιμετωπίζουν οι οργανικές βαλβίδες σπιν αυτή τη στιγμή είναι η απαίτηση για λειτουργία σε χαμηλές θερμοκρασίες στις περισσότερες μελετημένες περιπτώσεις, γεγονός που δεν τις καθιστούν ανταγωνιστικές στη βιομηχανία μαγνητικής καταγραφής. Ωστόσο, παρατηρούμε συνεχείς εξελίξεις στις ιδιότητες των υλικών και υπάρχει ελπίδα ότι περισσότερες από αυτές τις οργανικές βαλβίδες σπιν θα είναι ικανές για λειτουργικότητα σε θερμοκρασία δωματίου στο εγγύς μέλλον. Οι περισσότερες μελέτες της έγχυσης σπιν σε οργανικούς ημιαγωγούς επικεντρώνονται στο οργανικό υλικό γνωστό ως Alq₃, ή tris (8-υδροξυκινολίνη) αλουμίνιο. Θα ήταν ενδιαφέρον να βλέπαμε άλλους υποψηφίους, όπως το παράγωγο περυλένιο PTCTE, ή τετρααιθυλένιο περιλένιο 3,4,9,10- τετρακαρβοξύλιο. Η ευκινησία των φορτίων στα οργανικά υλικά είναι τάξεις μεγέθους μικρότερες από ό, τι στους ημιαγωγούς. Ωστόσο, η κινητικότητα των ηλεκτρονίων τόσο στο Alq₃ όσο και στο PTCTE είναι περίπου στην ίδια τάξη μεγέθους. Η ιδιότητα του PTCTE ως βαλβίδα σπιν οφείλεται στο γεγονός ότι τα μόρια περυλενίου χρησιμοποιήθηκαν ως υλικά μεταφοράς ηλεκτρονίων σε οπτοηλεκτρονικές συσκευές όπως οργανικές διόδοι ηλεκτροφωταύγειας (OLEDs) και ηλιακών κυψέλων. Όταν τοποθετούνται μεταξύ σιδηρομαγνητικών υλικών όπως το NiFe και το Co, τα διαχωριστικά στρώματα PTCTE των 300 nm οδηγούν σε συνολικές αποκρίσεις GMR έως και 3%. Υποθέτοντας μια εκθετική απόσβεση της πόλωσης περιστροφής, αυτές οι τιμές GMR αντιστοιχούν σε μήκος διάχυσης περιστροφής 100-150 nm, το οποίο αποτελεί μια υψηλή τιμή.

Πηγή κειμένου: Magnetism: Basics and Applications, Stefanita, Carmen-Gabriela, Springer Heidelberg Dordrecht London New York, 2012.