|
Магнитосопротивление наноструктурМагнитосопротивлением 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.
.
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:
|