Сдам Сам

ПОЛЕЗНОЕ


КАТЕГОРИИ







Магнитосопротивление наноструктур





Магнитосопротивлением называется эффект, сводящийся к изменению электри­ческой проводимости материала при помещении его в магнитное поле. Это явле­ние в обычных металлах известно уже многие годы и объясняется тем, что элек­троны проводимости в магнитном поле должны

Рис.15.6 - Три структуры, в которых наблю­дается гиганское магнитосопротивление: (а) — чередующиеся слои немагнитного ма­териала с ферромагнитными слоями, на­магниченными в противоположных на­правлениях (направление намагниченности указано стрелками); (б) — случайно ориен­тированные ферромагнитные наночастицы кобальта (большие кружки) в немагнитной медной матрице (маленькие кружки); (в) — смешанная система, состоящая из серебря­ных слоев с наночастицами кобальта и маг­нитных слоев из сплава Ni-Fe с чередующи­мися направлениями намагниченности, указанными стрелками.

двигаться по спиральным траек­ториям. Эффект становится заметным только в достаточно сильных полях, при которых траектория электрона существенно искривляется на длине свобод­ного пробега. Длина свободного пробега — это среднее расстояние, на которое смещается электрон в металле под действием электрического поля между двумя соударениями с атомами решетки, дефектами или атомами примеси. Сопротив­ление материала вызывается рассеянием электронов в таких соударениях, так как их направление движения после соударения изменяется.

Магнитосопротивление в металлах наблюдается только в очень сильных полях при низких температурах. Например, в чистой меди при 4К и индукции поля 10Тл проводимость меняется в 10 раз.

Из-за необходимости высоких полей и низкой температуры магнитосопро­тивления в металлах первоначально имело мало возможностей использования на практике. Однако, ситуация изменилась в 1988 году с открытием того, что теперь называют гигантским Магнитосопротивлением в материалах, искусственно со­зданных путем осаждения на подложку чередующихся слоев ферромагнитного и неферромагнитного металлов мано­метровой толщины. Схема этой слоис­той структуры и чередующиеся на­правления вектора намагниченности ферромагнитных слоев показаны на рис. 15.6.а. Эффект впервые наблюдал­ся на пленках, в которых чередовались слои железа и хрома, но затем были об­наружены и другие возможные комби­нации слоев, составляющих пленку. Так, в материале из чередующихся сло­ев кобальта и меди магнитосопротив­ление намного больше. Влияние постоянного маг­нитного поля на сопротивление много­слойной системы железо-медь. Величи­на изменения сопротивления зависит от толщины слоев железа и достигает максимума при толщине 7 нм.

Эффект возникает из-за зависимо­сти рассеяния электронов от направле­ния их спина по отношению к вектору намагниченности. Электроны, спин которых направлен противоположно направлению намагниченности М, рассеиваются сильнее, чем те, спин ко­торых параллелен напрвлению с М. Приложение постоянного магнитного поля вдоль слоев ориентирует векторы намагни­ченности во всех слоях в одном на­правлении. Электроны проводимости, спин которых направлен в сторону, противоположную намагниченности, рассеиваются на границах металл-фер­ромагнетик сильнее, чем со спином в направлении намагниченности. Так как оба канала работают параллельно, канал с меньшим сопротивлением опреде­ляет полное сопротивление материала. Эффект магнитосопротивления в этих слоистых материалах служит чувстви­тельным детектором постоянного магнитного поля и является основой для созда­ния новых высокочувствительных считывающих головок магнитных дисков. До открытия этого эффекта устройства магнитного хранения информации использовали индукционные обмотки, и для намагничивания малой области носителя в определенном направлении (режим записи), и для последующего определения направления намагни­ченности (режим считывания). Магниторезистивные считывающие голо­вки существенно чувствительнее, чем индукционные.

Материалы, состоящие из однодоменных ферромагнитных наночcтиц со случайно ориентированным векто­ром намагниченности, находящихся в немагнитной матрице, также облада­ют гигантским магнитосопротивлением. На рис. 15.6 показана схема такой системы. В отличие от слоистых струк­тур магнитосопротивление в этой сис­теме изотропно. При помещении ее в магнитное поле вектора намагничен­ности ферромагнитных наночастиц ориентируются по полю, что уменьша­ет электрическое сопротивление. Вли­яние магнитного поля на сопротивле­ние увеличивается при увеличении на­пряженности поля и уменьшении размеров магнитных частиц. На рис. 16.56.показаны типичные ре­зультаты измерений на пленке, состоя­щей из наночастиц кобальта в медной матрице, при 100 К. Гибридные систе­мы, состоящие из нано частиц в метал­лической матрице, расположенной между двумя ферромагнитными слоя­ми, демонстрируют аналогичные магниторезистивные свойства. Обнаружены материалы, имею­щие большее значение магнитосопротивления, чем слоистые системы, и такое явление в них названо колоссальным магнитосопротивлением. Эти материалы также имеют множество возможнос­тей для применения, например в записывающих магнитных головках или в чув­ствительных элементах магнитометров. В материалах типа перовскита LaMnO3 марганец имеет валентность три. Если La3+ частично заменить двухвалентными ионами, например Са, Ва, Sr, Pb или Cd, для сохранения электронейтральности некоторые ионы марганца изменят состояние с Мп3+ на Мn4+.

 

 

Рис. 15.7 Зависимость изменения магни-

тосопротивления ΔR от приложенного

магнитного поля для тонкой пленки наночастиц

кобальта в медной матрице.

 

Рис.15.8 Кр исталлическая структура LaMnO3, в которой при

легировании Са или Sr, замещающих La, наблюдается колоссальное

увеличение магнитосопротивления.

В результате об­разуется система со смешанной валентностью Мп3+/Мп4+, в которой присутст­вует значительное количество подвижных носителей заряда. Обнаружено, что такая система демонстрирует очень большое

магнитосопротивление. Элементар­ная ячейка этого кристалла показана на рис.15.8. Например, сопротивление сис­темы La 0.67Ca 0.33 MnOx в постоянном поле 6 Тл изменяется более, чем в тысячу раз. На рис.15.7 показана зависимость удельного сопротивления тонкой плен­ки этого материала от приложенного постоянного магнитного поля. Темпера­турная зависимость удельного сопротивления при температурах ниже точки Кюри также демонстрирует необычное поведение, показанное на рис.15.10. Хо­тя влияние наноструктурирования на такие материалы еще не изучено подроб­но, ожидается его ярко выраженное действие на величину эффекта магнитосопротивления.

 

 

Рис.- 15.9 Зависимость удельного сопро тивления образцов La-Ca-Mn-O от прило женного магнитного поля в районе точки Кюри (250 К)

Рис. 15.10 Температурная зависимость удельного сопротивления отожженных образцов La-Ca-Mn-O в нулевом магнитном поле

Ферромагнитные жидкости

Ферромагнитные жидкости — это коллоиды, обычно состоящие из 10-нанометровых магнитных частиц, покрытых поверхностно-активным веществом для пре­дотвращения их агрегации и взвешенных в керосине или трансформаторном мас­ле. Наночастицы представляют собой однодоменные магниты, ориентация маг­нитных моментов которых в отсутствии магнитного поля случайна в каждый момент времени, так что полная намагниченность жидкости равна нулю. При на ложении магнитного поля моменты отдельных частиц выстраиваются по направ­лению поля, и жидкость намагничивается. Обычно в таких жидкостях использу­ются частицы магнетита Fe3O4. На рис.16.60.показана кривая намагничивания феррожидкости с 6-нанометровыми частицами магнетита, гистерезис которой практически отсутствует. Таким образом, ферромагнитные жидкости — суперпа­рамагнитные магнитомягкие материалы. Интересно, что суспензии магнитных частиц в жидкостях использовались в магнитных вакуумных затворах начиная с 1940-х годов, но брались частицы больших, микронных, размеров. Помещение такой суспензии в постоянное магнитное поле приводит к ее загущению до твер­дого состояния, так что в намагниченном состоянии этот материал жидкостью не является. Манометровый масштаб размеров частиц является необходимым усло­вием для существования ферромагнитной жидкости. Эти жидкости обладают массой интересных свойств, таких как зависимость от магнитного поля анизот­ропии оптических свойств.

Аналогичные свойства наблюдаются у жидких кристаллов, состоящих из длинных молекул, обладающих электрическим дипольным моментом, на ори­ентацию которых в жидкой фазе можно влиять с помощью электрического по­ля. Управляемое электрическим полем двулучепреломление жидких кристал­лов широко используется в оптических устройствах, например жидкокристал­лических дисплеях наручных часов или переносных компьютеров. Это подсказывает потенциальные применения ферромагнитных жидкостей на ос­нове их двулучепреломления, зависящего от магнитного поля. Для наблюдения этого явления жидкость помещают в закрытую стеклянную ячейку слоем толщиной несколько микрон. При наложении магнитного поля па­раллельно поверхности с помощью оптического микроскопа можно на­блюдать, как некоторые магнитные частицы в жидкости собираются в иг­лообразные цепочки, ориентирован­ные вдоль поля.

 

.

 

       
 
Рис.15.11 Кривая намагничивания ферро­магнитной жидкости на основе наночастиц магнетита, Fe3O4, демонстрирует маг-нитомягкое поведение (отсутствие гисте­резиса).
   
Рис.15.12.Фотография цепочек магнитных наночастиц в пленке ферромагнитной жидкости при наложении параллельного пленке магнитного поля, полученная через оптический микроскоп.  
 

 

 


Выше было показано, что при помещении пленки ферромаг­нитной жидкости в достаточно сильное постоянное магнитное поле, направ­ленное перпендикулярно пленке, агрегированные в цепочки ферромагнитные наночастицы образуют равновесную двумерную гексагональную решетку. Та­кая структура может выступать в качестве двумерной оптической дифракцион­ной решетки, на которой падающий на нее свет будет дифрагировать. Эта структура образуется в результате дифракции параллельного пучка белого света на пленке ферромагнитной жидкости, помещенной в магнитное поле. Ди­фракционная картина определяется уравнением dsinΘ = nλ, где d — расстояние между цепочками наночастиц, Θ — угол между норма­лью к поверхности пленки и выходя­щим из нее пучком света, я — целое число, а λ — длина световой волны.

 

Рис15.13 -Экспериментальная установка для измерения эффекта оптической поля­ризации на пленке ферромагнитной жидкости в магнитном поле, парал­лельном поверхности.

 

Таким образом можно получить перестраиваемую дифракционную ре­шетку, которую можно подстраивать на требуемую длину волны, изменяя напряженность магнитного поля. Интенсивность пучка света, про­ходящего через анализатор, показанный на рис. 15.13 в зависимости от угла в нулевом магнитном поле и в поле 200 Э (0.02 Тл).

Ферромагнитные жидкости уже коммерчески используются в не­скольких приложениях. Они выступа­ют в качестве герметика, препятству­ющего проникновению пыли внутрь корпуса жестких дисков персональ­ных компьютеров, и вакуумных уп­лотнителей, необходимых для введе­ния быстро вращающихся осей в высоковакуумированную зону. В последнем луче жидкость исполь­зуется для герметизации щели между вращающимся валиком и поддержи­вающей его опорой.

Уплотнение состоит из не­скольких капель ферромагнитной жидкости в промежутке между осью и втулкой, в качестве которой исполь­зуется цилиндрический постоянный магнит. Жидкость образует вокруг оси непроницаемое кольцо, не вызываю­щее, однако, заметного трения. Уп­лотнения такого типа используются во многих применениях. Ферромаг­нитные жидкости используются в аку­стических динамиках для демпфиро­вания мембраны. Даже природа ис­пользует ферромагнитные жидкости. Например, считается, что ферромаг­нитная жидкость играет определен­ную роль в системе ориентации форе­ли. Полагают, что в носу форели су­ществуют клетки, содержащие суспензии наночастиц магнетита. Когда рыба меняет свою ориентацию по отношению к магнитному полю Земли, направление намагниченнос­ти ферромагнитной жидкости в клет­ках меняется. Это изменение обраба­тывается мозгом форели для получе­ния информации о её ориентации.







ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...





Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:


©2015- 2024 zdamsam.ru Размещенные материалы защищены законодательством РФ.