Ζουμ στο μικρόκοσμο - Ιδιότητες

Πειραματικά, οι ιδιότητες των σιδηρομαγνητών δείχνουν εξάρτηση του τύπου (T − T_C)ⁿ με την προϋπόθεση ότι οι μετρήσεις γίνονται αρκετά κοντά στο σημείο Curie, αλλά οι κρίσιμοι εκθέτες είναι κάπως διαφορετικοί από εκείνους που προβλέπονται από τη θεωρία μέσου πεδίου. Για παράδειγμα, οι σιδηρομαγνήτες συνήθως εμφανίζουν μια ανωμαλία τύπου λ στην ειδική θερμότητα στο σημείο Curie T_C, αντί για μια σταδιακή ασυνέχεια. Η απόκλιση περιγράφεται από έναν κρίσιμο εκθέτη α ≈ 0. 1, αντί για μηδέν. Η παραμένουσα μαγνητική ειδική θερμότητα πάνω από  την T_C δείχνει τη διατήρηση της τάξης μικρής εμβέλειας, η οποία δεν προβλέπεται από τη θεωρία. Πάνω από  την T_C, η επιδεκτικότητα ακολουθεί έναν νόμο δύναμης χ ∼ (T − T_C)^−γ , όπου γ είναι ~1,3, ενώ στη μέση θεωρία πεδίου γ=1 (ο νόμος Curie-Weiss). Οι κρίσιμοι εκθέτες α, β, γ , δ για το νικέλιο, για παράδειγμα, είναι 0,10, 0,42, 1,32 και 4,5, αντίστοιχα.

Οι άμορφοι σιδηρομαγνήτες μπορούν επίσης να αποκτήσουν μονοαξονική ανισοτροπία λόγω της υφής κατά ζεύγη όταν ανοπτηθούν  παρουσία μαγνητικού πεδίου. Παρόμοια υφή μπορεί να επιτευχθεί με ατομική εναπόθεση λεπτών υμενίων σε μαγνητικό πεδίο.

Οι μεγαλύτερες τιμές της μονοαξονικής ανισοτροπίας βρίσκονται σε εξαγωνικούς και άλλους μονοαξονικούς κρυστάλλους. Οι μικρότερες τιμές βρίσκονται σε ορισμένα κυβικά κράματα και άμορφα σιδηρομαγνήτες.

Σε ασθενείς σιδηρομαγνήτες, υπάρχει επίσης μια επαγόμενη μαγνητοσυστολή λόγω πίεσης σε υψηλά μαγνητικά πεδία, καθώς η ροπή με πρόσθετη διαίρεση λεπτής υφής που προκαλείται από το πεδίο. Σε σιδηρομαγνήτες με εξασθενημένες τροχιακές ροπές, δεν είναι δυνατόν να γίνει διάκριση μεταξύ δεξιόστροφης και αριστερόστροφης κίνησης ηλεκτρονίων. Ωστόσο, η αλληλεπίδραση σπιν-τροχιάς αποκαθιστά μια τροχιακή ροπή και οδηγεί σε μαγνητικό διχρωϊσμό και περιστροφή Faraday ή Kerr.

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

Οι μαγνητικές ιδιότητες των φερριτών σπινέλιου διαμορφώνονται με έλεγχο της σύστασης, της μικροδομής και του πορώδους από τη δεκαετία του 1940, όταν αυτά τα υλικά πρωτοεμφανίστηκαν στην Ολλανδία. Οι φερρίτες Mn-Zn χρησιμοποιούνται μέχρι περίπου 1 MHz και οι φερρίτες Ni-Zn από 1-300MHz ή περισσότερο. Οι τελευταίοι έχουν χαμηλότερη πόλωση, αλλά υψηλότερη αντίσταση. Η αγωγιμότητα οφείλεται συνήθως σε ίχνη Fe²⁺, το οποίο προάγει την μετάβαση ηλεκτρονίων μεταξύ των θέσεων Fe²⁺  -Fe ³⁺. Τα περισσότερα κατιόντα συμβάλλουν αρνητικά στη σταθερά μαγνητοσυστολής και ανισοτροπίας. Οι κατευθύνσεις <111> στο πλέγμα του σπινέλιου είναι συνήθως εύκολοι άξονες εκτός εάν υπάρχουν ιόντα Co²⁺ ή Fe²⁺.

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

Τα σιδηρορευστά έχουν ακόμη μεγαλύτερες επιδεκτικότητες από τα ιοντικά διαλύματα, τάξης 10 × 10⁻⁶ m³ kg⁻¹, έτσι ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να αιωρούνται και να διαχωρίζονται υλικά σε ένα μέτριας έντασης ανομοιογενές μαγνητικό πεδίο. Αντίθετα, ένας μαγνήτης, ο οποίος παράγει το δικό του ανομοιογενές μαγνητικό πεδίο, θα αιωρείται αυθόρμητα όταν τοποθετείται σε ένα ποτήρι ζέσεως με σιδηρορευστό (αν και τα σιδηρορευστά είναι αδιαφανή, οπότε το φαινόμενο δεν είναι παρατηρήσιμο).

Τα σιδηρορευστά παρουσιάζουν κάποια ιδιαίτερα χαρακτηριστικά. Το ένα είναι η βελονοειδής δομή που υιοθετούν σε ένα πεδίο που εφαρμόζεται κάθετα στην επιφάνεια καθώς προσπαθούν να ελαχιστοποιήσουν την ενέργειά τους στο πεδίο απομαγνήτισης, η οποία γίνεται σημαντική καθώς η μαγνήτιση προσεγγίζει την κατάσταση κορεσμού.

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

Ο Ross (1985) έχει επισημάνει ότι είναι αδύνατο να υπάρχουν υλικά υψηλής διαπερατότητας και ταυτόχρονα πολύ χαμηλές απώλειες ειδικά σε υψηλότερες συχνότητες. Οι περιορισμοί στις επιθυμητές ιδιότητες σε υψηλές συχνότητες μπορούν να ξεπεραστούν πιο εύκολα με τον έλεγχο της μικροδομής παρά με την επιλογή της χημικής επιλογής. Η χημική επιλογή έγινε με βάση τη βελτιστοποίηση των εγγενών ιδιοτήτων που απαιτούνται για μια συγκεκριμένη εφαρμογή. Ομοίως, η μικροδομή ενός φερρίτη μπορεί επίσης να σχεδιαστεί για να παραμετροποιήσει τα χαρακτηριστικά που θα βελτιώσουν τη λειτουργία στη συγκεκριμένη συχνότητα, το επίπεδο ροής, τον τρόπο λειτουργίας και τη σταθερότητα που απαιτείται στο τελικό εξάρτημα ή συσκευή. Για παράδειγμα, για ορισμένες εφαρμογές, ενδέχεται να απαιτούμε εξαιρετικά υψηλή διαπερατότητα σε μέτριες συχνότητες. Άλλες συσκευές ενδέχεται να απαιτούν χαμηλές απώλειες σε υψηλότερες συχνότητες. Οι μικροδομές που ταιριάζουν καλύτερα σε κάθε περίπτωση θα είναι διαφορετικές. 

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

Αντί να χρησιμοποιηθούν μικρά τοροειδή ως στοιχεία μνήμης, το ισοδύναμο μπορεί να επιτευχθεί με μικρά κομμάτια από φερρίτη που εναποτίθενται σε μια λεπτή πλαστική ταινία. Τα σωματίδια δεν έχουν σχήμα δακτυλίου, αλλά με σωστή επιλογή υλικού και σχήματος τα σωματίδια μπορούν να αποθηκεύσουν λογικά μονάδες πληροφοριών. Το υλικό πρέπει να είναι ικανό να μαγνητίζεται σε προσωρινά σταθερή μαγνητική κατάσταση (0 ή 1) έτσι ώστε το υλικό να πρέπει να είναι κάπως σκληρό ή μόνιμο μαγνητικό υλικό, αλλά δεν πρέπει να είναι τόσο σκληρό ώστε να χρειάζονται πολύ υψηλά πεδία για να το απομαγνητίσουν ή να το διαβάσουν. Έτσι, το υλικό είναι "ημι-σκληρό". Γίνεται χρήση υλικών με ενδιάμεσα συνεκτικά πεδία αρκετών εκατοντάδων Oersteds. Γίνεται επίσης χρήση της ανισοτροπίας σχήματος ώστε να εμποδίζεται η απομαγνήτιση και να αυξάνεται το συνεκτικό πεδίο. Όσο μεγαλύτερο είναι το σωματίδιο σε σύγκριση με τη διατομή, τόσο περισσότερο το σωματίδιο προσεγγίζει το τοροειδές.

Τα υλικά μαγνητικής αποθήκευσης πληροφορίας έχουν κάποια κοινά χαρακτηριστικά με τους μόνιμους μαγνήτες στο ότι για να είναι χρήσιμα πρέπει να έχουν σχετικά υψηλή απόδοση και επαρκώς υψηλό συνεκτικό πεδίο για να αποτρέψουν την αβίαστη απομαγνήτιση με αποτέλεσμα την απώλεια πληροφοριών που είναι αποθηκευμένες στη μαγνητική ταινία ή το δίσκο. Η μαγνητική εγγραφή μπορεί να είναι είτε αναλογική, όπως στην ηχογράφηση σημάτων σε μαγνητική ταινία ή ψηφιακή, όπως χρησιμοποιείται στην αποθήκευση πληροφοριών δεδομένων σε μαγνητικούς δίσκους και ταινίες για εφαρμογές υπολογιστών.

Οι βρόχοι υστέρησης που είναι επιθυμητοί για τα υλικά μαγνητικής καταγραφής είναι γενικά τετράγωνοι βρόχοι, με υψηλή απόδοση, σχετικά υψηλό συνεκτικό πεδίο και γρήγορη εναλλαγή από τη μία κατάσταση στην άλλη, όπως φαίνεται στο σχήμα, που είναι ο βρόχος υστέρησης ενός μεταλλικού μαγνητικού μέσου καταγραφής. Στην περίπτωση αυτή, το συνεκτικό πεδίο 56 kA/m και η παραμένουσα μαγνήτιση 0,9 x 10⁶ A/m είναι σημαντικά υψηλότεροι από ό,τι για τα σωματίδια γ-Fe₂0₃ .

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

Πηγή κειμένου: Introduction to Magnetism and Magnetic Materials (1nd edition), David Jiles, Chapman & Hall/CRC, 1991.

Η δομή των λεπτών υμενίων είναι πολύπλοκη και δύσκολο να χαρακτηριστεί. Το μέγεθος των κόκκων των υμενίων είναι συνήθως μικρό, της τάξης των 1000Å ή λιγότερο, το οποίο είναι περίπου το 1/100^ο του μεγέθους των κόκκων των περισσότερων συμπαγών υλικών. Δεδομένου ότι το μέγεθος των κόκκων είναι συγκρίσιμο με το πάχος των τοιχωμάτων των μαγνητικών περιοχών, τα τοιχώματα μπορεί να εκτείνονται μέσω πολλών κόκκων και να χάνουν την κρυσταλλογραφική τους ταυτότητα. Ο προτιμώμενος προσανατολισμός (υφή) μπορεί να υπάρχει ή να μην υπάρχει, ανάλογα με τις συνθήκες εναπόθεσης και τη φύση του υποστρώματος. Εάν υπάρχει υφή, είναι μια υφή απλή ή πολλαπλή με άξονες όπως <100>, <111> κ.λπ., συνήθως κάθετα στο επίπεδο του υμενίου.

Μια τέτοια υφή δεν εισάγει κρυσταλλογραφική ανισοτροπία στο επίπεδο της υμενίου. Ακόμα κι αν συνέβαινε αυτό, θα εμφανιζόταν μικρή μαγνητική ανισοτροπία στην περίπτωση του 80 Permalloy στο οποίο η μαγνητοκρυσταλλική ανισοτροπία είναι κοντά στο μηδέν. Οι κατευθυνόμενες δομικές διατάξεις μπορούν να παραχθούν σε ένα υμένιο αν οι συνθήκες εναπόθεσης ρυθμιστούν ώστε η κατεύθυνση των οδηγούμενων ατόμων να σχηματίζει γωνία σε σχέση με το επίπεδο της υμενίου.

Αυτή η κατευθυντικότητα μπορεί να είναι το αποτέλεσμα της κρυσταλλογραφικής υφής σε υλικά με σημαντική κρυσταλλική ανισοτροπία ή των γεωμετρικών δομών που παράγονται στο υμένιο.

Πηγή κειμένου: Ordered magnetic nanostructures: fabrication and properties, J.I. Martiın, J. Noguesb, Kai Liu, J.L. Vicent, Ivan K. Schuller, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 256, 449–501, 2003.

Υπάρχουν διάφορες διαδικασίες για την ανάπτυξη μαγνητικών μικροσύρματων χαμηλού κόστους που επικαλύπτονται με μονωτική, εύκαμπτη και βιοσυμβατή επίστρωση γυαλιού με ρυθμιζόμενες μαγνητικές ιδιότητες είναι υπό μελέτη. Τα άμορφα μικροσύρματα μπορούν να παρουσιάσουν εξαιρετικά μαλακά μαγνητικά χαρακτηριστικά, το φαινόμενο της γιγαντιαίας μαγνητοεμπέδησης (GMΙ: Giant MagnetoImpedance) και τη γρήγορη διάδοση των τοιχωμάτων μαγνητικών περιοχών (DW). Υψηλή επίδοση GMI, λαμβάνεται ακόμη και στο πρώτο στάδιο της ανάπτυξης μικροσυρμάτων με εμπλουτισμό σε Co, ενώ μπορεί να βελτιωθεί περαιτέρω με την κατάλληλη θερμική επεξεργασία (συμπεριλαμβανομένης της συμβατικής ανόπτησης, της ανόπτησης με καταπόνηση και της θέρμανσης Joule). Αν και τα ενισχυμένα σε Fe άμορφα μικροσύρματα παρουσιάζουν χαμηλές επιδόσεις GMI, η ανόπτηση υπό μηχανική τάση και ο συνδυασμός της με την συμβατική ανόπτηση οδηγούν σε σημαντική ενίσχυση της GMI (περισσότερο από μια τάξη μεγέθους). Μαγνητικά μαλακά χαρακτηριστικά και βελτιωμένες επιδόσεις GMI που σχετίζονται με τη νανοκρυσταλλοποίηση παρατηρούνται σε μικροσύρματα τύπου Finemet που έχουν εμπλουτιστεί σε Fe. Η δυναμική των τοιχωμάτων μαγνητικών περιοχών των άμορφων και νανοκρυσταλλικών μικροσυρμάτων με κύριο συστατικό Fe, Co και Ni με βάση την αυθόρμητη μαγνητική σταθεροποίηση σε δύο καταστάσεις που προκαλείται από την ανόπτηση αποδίδονται στην επίδραση των μαγνητοελαστικών, επαγόμενων και μαγνητοκρυσταλλικών ανισοτροπιών. Τα κρυσταλλικά μαγνητικά μικροσύρματα μπορούν να παρουσιάσουν διάφορες ρυθμιζόμενες ιδιότητες, όπως η μαγνητική σκληρότητα, το φαινόμενο της γιγαντιαίας μαγνητοαντίστασης (GMR: Giant MagnetoResistance) ή το μαγνητοθερμιδικό φαινόμενο (MCE: MagnetoCaloric Effect).

Πηγή κειμένου: J. Phys. D: Appl. Phys. 55 (2022) 253003 (42pp) https://doi.org/10.1088/1361-6463/ac4fd7