nanomaterialesmagnéticos fundamentos y aplicaciones 1 intro1.pdf · francisco h sánchez 2011...
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Francisco H Sánchez
2011
Departamento de Física – UNLP
IFLP - CONICET
Nanomateriales Magnéticos
Fundamentos y Aplicaciones
http://www.fisica.unlp.edu.ar/magnet/cursonm.htm
Programa
Introducción - Definiciones
Dia-para-ferro-ferri (etc)-magnetismo
Anisotropía
Relajación
Dominios
Mediciones
GMR
Aplicaciones
Introduction to Magnetic Materials B.D. Cullity, (Massachusetts, Addison-Wesley, 1972).
Introduction to the Theory of Ferromagnetism, Amikami Aharoni, Oxford Science Publications, 1998.
Magnetic Domains (The analysis of Magnetic Microstructures), Alex Hubert y Rudolf Schäfer, Springer 1998
Modern Magnetic Materials, Robert C. O’Handley, John Wiley & Sons, 1999
Introduction to Magnetism and Magnetic Materials, David Jiles, Chapman & Hall 1996.
Artículos seleccionados
Bibliografía
http://www.fisica.unlp.edu.ar/magnet/cursonm.htm
Introducción
Brevísima historia de los materiales magnéticos-hmm
¿Cómo es un material magnético?
Cantidades Magnéticas de interés práctico
Interacciones Magnéticas
Dominios
Pequeñas partículasas
Soft and ultra-soft magnetic materials
Finemet
Nanoperm
Hitperm
Finale… e recomendazione…
ProyectosProyectosProyectosProyectosPresentaciPresentacióón G3Mn G3M
Marcela B. Fernández van RaapClaudia E. Rodríguez TorresA. Fabiana CabreraPedro Mendoza ZélisGustavo A. PasquevichAzucena MudarraElisa de SousaPablo GirardínDiego CoralLorena Arciniegas
Francisco H. Sánchez
Spintronic materials (O-DMS)Magnetic aerogels (SiO2-Mag.Oxide)Magnetoelastic Trilayer SensorsMaterials for Biomedicine
Colaboraciones
ICMMICMMICMMICMMadridIMAIMAIMAIMAragón--Zaragoza
UNICAMPUNICAMPUNICAMPUNICAMPinas-Sao PauloLSALSALSALSA----FIUBAFIUBAFIUBAFIUBAires
UFESUFESUFESUFESanto -VitoriaCBPFCBPFCBPFCBPFRio de Janeiro
Red Nacional de Magnetismo and Materiales Magnéticos (RN3M):
LBT: LOW TEMPERATURE PHYSICS LABLOW TEMPERATURE PHYSICS LAB. FCEyN - UBAires
LAL: LASER ABLATION LABLASER ABLATION LAB., FI - UBAires
LSA: AMORPHOUS SOLIDS LABAMORPHOUS SOLIDS LAB., FI - UBAires
GSM: GROUP OFGROUP OF NANOSTRUCTURED MATERIALS MADE BY NANOSTRUCTURED MATERIALS MADE BY MECHANOSYNTHESISMECHANOSYNTHESIS, FCE - UNLPlata
LAFMACEL: PHYSICAL CHEMISTRY OF CERAMIC ELECTRONIC MATERIALS PHYSICAL CHEMISTRY OF CERAMIC ELECTRONIC MATERIALS LABLAB., FI - UBAires
LEMöss: MMÖÖSSBAUER SPECTROSCOPY LABSSBAUER SPECTROSCOPY LAB, CAC – CNEAbaires
GMC: CONDENSED MATTER GROUPCONDENSED MATTER GROUP, CAC – CNEAbaires
GMOxAl: GROUP OF MAGNETISM AND STRUCTURE IN OXIDES AND GROUP OF MAGNETISM AND STRUCTURE IN OXIDES AND ALLOYSALLOYS, FCE - UNLPlata
HIIS: HYPERFINE INTERACTIONS AT IMPURITY SITES IN SOLIDSHYPERFINE INTERACTIONS AT IMPURITY SITES IN SOLIDS, FCE - UNLPlata
GCM: MATERIALS SCIENCE GROUPMATERIALS SCIENCE GROUP, FAMAF - UNCORdoba
LRM-CAB: MAGNETIC RESONANCE GROUPMAGNETIC RESONANCE GROUP, CAB – CNEAbaires
GTPEM: ELECTRONIC AND MAGNETIC PROPERTIES THEORY GROUPELECTRONIC AND MAGNETIC PROPERTIES THEORY GROUP, CAC – CNEAbaires
LAFISO: SOLID STATE LABORATORYSOLID STATE LABORATORY FCyE - UNTucuman
G3M: MAGNETIC MATERIALS GROUPMAGNETIC MATERIALS GROUP, FCE - UNLPlata
600 AC
Las propiedades magnéticas de piedras de ferrita férrica natural (Fe3O4) (piedra imán) fueron descriptas por chinos y filósofosgriegos.
Leyenda: Unos 4000 aLeyenda: Unos 4000 aLeyenda: Unos 4000 aLeyenda: Unos 4000 añññños atros atros atros atráááás, un anciano pastor llamados, un anciano pastor llamados, un anciano pastor llamados, un anciano pastor llamadoMagnesMagnesMagnesMagnes, , , , en una zona del norte de Grecia llamada en una zona del norte de Grecia llamada en una zona del norte de Grecia llamada en una zona del norte de Grecia llamada Magnesia,Magnesia,Magnesia,Magnesia, se se se se
sorprendisorprendisorprendisorprendióóóó de que los clavos de sus zapatosde que los clavos de sus zapatosde que los clavos de sus zapatosde que los clavos de sus zapatos se adhirieran se adhirieran se adhirieran se adhirieran firmemente a la roca sobre que caminaba.firmemente a la roca sobre que caminaba.firmemente a la roca sobre que caminaba.firmemente a la roca sobre que caminaba. Este tipo de roca se Este tipo de roca se Este tipo de roca se Este tipo de roca se
llamllamllamllamóóóó despudespudespudespuéééés s s s magnetitmagnetitmagnetitmagnetita. a. a. a.
???!!!¡¡¡¿¿¿
Magnetita Natural(Lodestone)
S
SN
N
Siglo I ACAdivinos chinos usan la piedra imán, posiblemente dando lugar a brújulas primitivas. (Mencionado en los Discoursos de Wang Chung - 83 A.C.)
Aprox. 100-270 DC
Brújulas propiamente dichas se usan en China.
Siglo VI (China) Se descubre que la piedra imán puede usarse paramagnetizar pequeñas agujas de hierro.
Siglo XI (China) se logra magnetizar varillas de hierro calentándolas “al rojo” y enfríándolas mientras se las mantiene en dirección norte-sur.
1175 Primera referencia occidental a la brújula. Alexander Neckem, un monje inglés de St. Albans describe sufuncionamiento.
1600 William Gilbert (1544-1603),después de 18 años de experimentoscon imanes y electricidad, termina su libro De Magnete.Demuestra que la Tierra es un imán.
China-Portugal, 1500 DC
China, 1000 DC
electroimán
James ClerkMaxwell
1740
Primer imán comercial. Gowen Knight produce los primerosimaanes artificiales para vender a científicos y navegantes.
1750 John Mitchel, fabrica imanes de acero.
1820 El físico Hans Christian Oersted, demostró que una corrienteeléctrica produce un campo magnético.
1831-1879 El matemático escocés James Maxwell completa la unificaciónde las teorías de la electricidad y el magnetismo.
1917 Imanes de acero al cobalto. K. Honda y T. Takai agregancobalto a acero al tungsteno y aumentan dramáticamentela “dureza” de los imanes permanentes.
1930 Imanes de alnico. I. Mishima produce el primer imán de Alnico (aleación de hierro, niquel, y aluminio).
1952 Imanes cerámicos. J.J. Went, G.W.Rathenan, E.W. Gorter, y G.W. Van Oosterhout de Phillips, desarrollan losprimeros imanes comerciales de ferritas.
siglo XX, importantes
avances cieníficosy tecnológicos
1966
Imanes con tierras raras. Dr. Karl J. Strnat, del Laboratorio de Materiales de la fuerza aérea de USA descubre el imán super “duro” (18 MGOe) SmCo5.
1972 Karl J. Strnat y Alden Ray aumentan la “dureza de imanes de Sm-Co ( Sm2Co17, 30 MGOe).
1983 Imanes de Neodimio-hierro-boro. General Motors, Sumitomo Special Metals y la Academia de Ciencias de China desarrollanun producto ultra “duro” (35 MGOe, Nd2Fe14B).
Desarrollo de imanes permanentes
magnetitaalnico
Nd-Fe-B
Mismo efecto magnMismo efecto magnMismo efecto magnMismo efecto magnéééético, tico, tico, tico, volumen diferentevolumen diferentevolumen diferentevolumen diferente
Imanesnanocompuestosde tierras raras
Motores, generadores, dispositivos de sujeción, aceleradores, magnetómetros, etc. etc. etc.
Materiales magnéticos de uso masivo y global
duros
Electroimanes
Actuadores
Chokes
Transformadores{Blandos
Motores
Generadors
Actuadores
Fijadores{
intermedios Registro magnético{
Momento magnético atómico permanente
antiferro
ferro
¿Cómo es un material magnético?
para
ferri
ión momento
+Ión
magnético
Desorden V T Orden para T < TcNo hay interacción Interacciones
Momento Angular atómico
JJJJJJJJ
(JJJJJJJJ ≠0) momento magnético permanente
Ferromagnetos(Fe, Co, Ni)
Antiferromagnetos(Cr)
Ausencia de momento magnético permanente
(JJJJJJJJ = 0)
Ordenamientos diferentes (ejemplo: tierras raras)
Diamagnetos(ej: gases nobles, Ca, Ba)
Paramagnetos(ausencia de interacciones)
¿Cómo es un material magnético?
[ ] mAHLNiHIldH tot // =⇒=⇒=⋅∫rr
Campo Magnético HHHH
Solenoide largo
HHHH
HHHH
i
NNNN
Momento magnético mmmm
Volumen V
VmMi
i /∑= rr
Magnetización MMMM
[ ] mAM /=
[ ] 2Ammi =
Campo de inducción BBBB
( )MHBrrr
+= 0µ
[ ] TeslaB =
ATm/104 70
−×= πµ
Ley de Biot Savart
20
4 r
uLIdBd r
πµ rr
r ×=
rur
[ ] [ ] mATeslaMBmJouleMB /;/ 3 ==
2/ AmJouleTesla=
)MH(µB 0
vvv+=
HMvv
χ=
HBvv
µ=
Relaciones entre BBBB, HHHH, MMMM
empíricas
[ ]aladimension
AmTesla
χµ /.=
CantidadesCantidades magnmagnééticas de interticas de interéés prs práácticoctico
Remanencia
Coercitividad
Inducción y magnetización de saturación
)MH(µB 0
vvv+=
HMvv
χ=HBvv
µ=
Curvas de magnetización
Inducción o magnetización de saturationBBS o MMS
)MH(µB 0
vvv+=
HMvv
χ=HBvv
µ=
Curvas de magnetización
CoercitividadHHC
B o HHCM
χ)(1µµ 0 +=Ferromagnetos → µ / µ0 >> 1 → χ ≈ µ/ µ0
Remanencia BBR o MMR
o M
(em
u)
µ = B/H o χ = M/H
BBm o MMm
≈mv1
2mv
mv
mv
mnM S
vv=
ferri
≈mv1 2m
vmv
mv
Weak ferro
CantidadesCantidades magnmagnééticas de interticas de interéés prs práácticoctico
mnM S
vv=
mv
ferro
mv
Número de momentos/Volumen
χ+== 1µ
µµ
0R
Ferromagnetos → µR >> 1 → χ ≈ µR >> 1, χ ≈ 10 - 105
χ)(1µµ 0 += µµµµ0000 = 4= 4= 4= 4ππππx10x10x10x10----7777 [SI][SI][SI][SI] - permeabilidad del vacío
[B] = Tesla; [H] = [M] = A/m[B] = Tesla; [H] = [M] = A/m[B] = Tesla; [H] = [M] = A/m[B] = Tesla; [H] = [M] = A/m; sistema internacional (SI)
χ = M/H → χχχχ adimensionaladimensionaladimensionaladimensional
[BH] = J/m3 → [B] = Jm/Am3 = AVs/Am2 = VsVsVsVs/m/m/m/m2222 = Tesla= Tesla= Tesla= Tesla
[[[[µµµµ]]]] = [B/H] = Tesla m/A = VsVsVsVs/Am/Am/Am/Am2222
Diamagnetos → µR < 1 → χ = µR-1 < 0; χ ≈ -10-6
Paramagnetos → µR > 1 → χ = µR –1 > 0; χ ≈ 10-5
permeabilidad relativa al vacío
CantidadesCantidades magnmagnééticas de interticas de interéés prs práácticoctico
Tipos de Tipos de materiales magnmateriales magnééticosticos
MA/m
HHHH
MMMM
ferro - ferri
para - antiferro
dia
χ = M/H
χdif = dM/dH
HHHH
MMMMBlando ideal
Duro - ideal
ferromagnetos
Ejemplos de Ejemplos de materiales ferromagnmateriales ferromagnééticosticos
Monocristal “grande”multidominio
Conjunto de partículas cristalinas monodominio
Dominio: región donde todos los momentos están alineados
Ejemplos de Ejemplos de materiales ferromagnmateriales ferromagnééticosticos
Policristal. Conjunto de cristales multimultimultimultidominio
Dominio: región donde todos los momentos están alineados
Policristal. Conjunto de cristales monomonomonomonodominio
Movimiento de paredes
reversible e irreversible
Orientación con el campo
(reversible)
saturación
Procesos deProcesos de magnetizacimagnetizacióón n en un monocristal multidominio
MagnetizaciMagnetizacióón n vsvs temperaturatemperatura
M = M = M = M = χχχχHHHH
χχχχ(T(T(T(T) = ) = ) = ) = αααα/T/T/T/T(Curie)(Curie)(Curie)(Curie)
paramagnetoparamagnetoparamagnetoparamagneto
InteraccionesInteracciones MagnMagnééticasticas
FFFFFFFF-FFFFFFFF
EnergEnergíía de pared de Dominioa de pared de Dominio
EnergEnergíía a MagnetoelMagnetoeláásticastica
EnergEnergíía a MagnetostMagnetostááticatica
AnisotropAnisotropííaa MagnetocristalinaMagnetocristalina
InteracciInteraccióón de Intercambion de Intercambio
IntercambioIntercambioIntercambioIntercambioIntercambioIntercambioIntercambioIntercambio: interacción de corto alcance
solamente interacción entre vecinos.
Un fenómeno MCconducente a ordenamiento ferro, antiferro, etc.,
Interacciones Interacciones MagnMagnééticas ticas
∑ ∑−= N
i ji
z
j jiJ ssJEvv.2 ,
i
j
Z primeros vecinos
N átomos/iones en el sistema
Integral de intercambio
0/)( rrerJ −≈
Interacción de IntercambioIntercambio
Densidad de spin en el plano que contiene el camino de super intercambio FeCl···(H)OFe.
Normalizada a 5 µB por octaedro.
SuperintercambioSuperintercambio
K2FeCl5·H2O
FeFeFeFe
Estructura cristalina : anisotropía
magnetocristalina
interacciones Spin – órbita
+ campo cristalino
SSSS LLLL
EEEECCCC
AnisotropAnisotropííaa magnetocristalinamagnetocristalina
Interacciones Interacciones MagnMagnééticas ticas
EnergEnergíía de anisotropa de anisotropííaa MagnetocristalinaMagnetocristalinasituación uniaxial; ejemplo: Co hcp
θ
Eje fácil (K)
M
energía de anisotropía (EK)
θ
EK = KV sin2 θ
Hext
EnergEnergíía de anisotropa de anisotropííaa MagnetocristalinaMagnetocristalinasituación cúbica; ejemplo: Fe3O4
magnetita
KKKK
1111KKKK
2222
[100][111]
Forma: anisotropía
magnetostática
Esfuerzo: anisotropía magnetoelástica
Interacciones Interacciones MagnMagnééticas ticas
FFFFFFFF
AnisotropAnisotropíía a –– otras fuentesotras fuentes
energenergííaa magnetostmagnetostááticatica
SS
S
S
SNN
NN
N
Multidominio
Keff = KC + KS + Kσ + ...
MMHHD=-NMM
S NHHD
mono dominio
MM
AnisotropAnisotropíía dea de formaforma
KS = (N1 – N2)MS2/2
2
1
ES = KSV sin2 θ
Mθ
Campo demagnetizante
∫−= dVHMEM
vv.
20µ 2
0)( Si MVN µα=
anisotropanisotropííaa magnetoelmagnetoeláásticastica
λS = ∆L/L (magnetostricción)HH
L+∆LL
Kσ = (3/2) λσConstante de anisotropía magnetoelástica
eσ = KσV sin2 θdensidad de energía magnetoelástica
σ = F/A
FF FFAA
esfuerzoM
θ
Caso λ > 0
Ni