1 magnetische eigenschaften von werkstoffen f … kraft in der x richtung v … volumen der probe...
Post on 05-Apr-2015
109 Views
Preview:
TRANSCRIPT
1
Magnetische Eigenschaften von Werkstoffen
dx
dHHVF 0
F … Kraft in der x Richtung
V … Volumen der Probe
… Suszeptibilität der Probe
H … magnetische Feldstärke
dH/dx … Gradient der Feldstärke
Die (magnetische) Suszeptibilität charakterisiert die magnetischen Eigenschaften der Werkstoffe
2
Weitere Parameter
VM
MAH
AB
HHB
HM
MHB
dx
dHHVF
m
0
1
1
0
0
00
0 … die auf das Material wirkende Kraft
… Permeabilität
(ähnlich wie dielektrische Konstante: = 1 + P/[0E])
… magnetische Induktion
… Magnetisierung
… magnetischer Strom (B … magnetische Stromdichte)
… Magnetisierung und magnetisches Moment
3
Magnetische Eigenschaften von Werkstoffen
… und
Antiferromagnetisch und Ferrimagnetisch
4
Wechselwirkung mit externem magnetischen Feld
Werkstoff Wechselwirkung
Diamagnetisch – wird ausgestoßen
Paramagnetisch werden
Ferromagnetisch unterschiedlich
Antiferromagnetisch stark
Ferrimagnetisch hineingezogen
5
DiamagnetismusÄnderung des inneren oder des atomaren „elektrischen“ Stroms im externen magnetischen Feld:
Änderung der Winkelgeschwindigkeit der stark gebundenen Elektronen
Rotation (kreisförmige Bewegung) der freien (metallischen) Elektronen
6
Diamagnetismus
Das interne magnetische Feld im Werkstoff (Magnetisierung M) wirkt gegen das externe magnetische Feld (H), so dass die
magnetische Induktion (B) im Werkstoff klein ist.
0
0
BMH
MHB
Ideal diamagnetisch sind Supraleiter im supraleitenden Zustand (Meissner Effekt)
1
0
H
M
… negativ in diamagnetischen Materialien
7
Paramagnetismus
Ohne ein externes magnetisches Feld (H = 0) gibt es keine Magnetisierung des Werkstoffs (M = 0), weil magnetische Momente einzelner Atome (Elektronen) zufällig orientiert sind.
Im externen magnetischen Feld (H > 0) werden magnetische Momente einzelner Atome (Elektronen) in einer Richtung orientiert M > 0.
Temperaturschwingungen der Atome wirken gegen die Orientierung der magnetischen Momente die Suszeptibilität ist temperaturabhängig.
00 MH 00 MH
8
Paramagnetismus
H
M 0H
M
(a) … Curie Gesetz
(b), (c) … Curie-Weiss Gesetz für Paramagnetisches Material
(d) … diamagnetisches Material
T
CT
C … Curie
… Curie-Weiss
9
Paramagnetismus
Bedeutung der Konstanten C und im Curie und Curie-Weiss Gesetz
Magnetismus der atomaren Elektronen (Orbitalelektronen)
B
m
B
m
B
m
k
nC
T
C
Tk
n
H
M
Tk
HnM
3
3
3
02
02
orbitpara
02
n … Anzahl der magnetischen Momente (Atome)
Theorie des molekularen Feldes
C
T
C
CT
C
H
M
CT
CHM
T
C
MH
M
H
M
MH
HHH
extext
ext
exttotaltotal
mol
molexttotal
10
Spin ParamagnetismusZusätzlicher Effekt zum Orbitalmagnetismus
Elemente mit 3d Elektronen (Besetzung der Elektronenzustände laut Hund):
Fe: 3s2, 3p6, 3d6 Spin-magnetisch
Co: 3s2, 3p6, 3d7 Spin-magnetisch
Ni: 3s2, 3p6, 3d8 Spin-magnetisch
Cu: 3s2, 3p6, 3d10 Spin-nichtmagnetisch
Zn: 3s2, 3p6, 3d10 Spin-nichtmagnetisch
11
Elemente mit 3d Elektronen
12
Ferromagnetismus
Die wichtigsten Merkmale der ferromagnetischen Werkstoffe
• Anordnung der magnetischen Momente unterhalb von Tc
• Sättigung der Magnetisierung
• Übergang ferromagnetisch paramagnetisch bei Tc
• Temperaturabhängigkeit von Ms
13
Magnetische Eigenschaften von ferromagnetischen Werkstoffen – Beispiele
770°C1131°C358°C
15,8°C
14
Einfluss der Eigenspannung (Realstruktur)
Auf magnetische Eigenschaften von ferromagnetischen Werkstoffen
Nickel (fcc) Eisen (bcc)
15
Einfluss der Orientierung der Kristallite (Realstruktur)
Auf magnetische Eigenschaften von ferromagnetischen Werkstoffen
Kristallanisotropie der magnetischen Eigenschaften (der Magnetisierung)
Gemessen wird der Mittelwert der physikalischen Eigenschaft
Beispiel: Eisen, Einkristall
16
Permanente Magnete
Breite Hysteresekurve
17
Werkstoffe für permanente Magnete
18
Magnetoelastische Effekte
Magnetostriktion
Änderung der Länge (der Gitterparameter) des magnetischen Kristalls im magnetischen Feld
Spontane Magnetostriktion
Änderung der Länge (der Gitterparameter) des magnetischen Kristalls im eigenen magnetischen Feld
Beobachtet in manchen Materialien unter Tc – bei der Anordnung der magnetischen Momente
19
Spontane Magnetostriktion
o
a
b
c
ErCo2
RT: Fd-3m
LT: R-3m
= 90° 90°
20
Spontane MagnetostriktionSpaltung von kristallographisch (nicht) äquivalenten Linien
im Röntgenbeugungsexperiment
21
MagnetostriktionKoeffizienten der Magnetostriktion in Er(Co,Ge)2 und Er(Co,Si)2
22
Er(Co1-xSix)2
Anstieg des Gitterparameters (des Volumens der Elementarzelle) bei tiefen Temperaturen
Anordnung der magnetischen Momente magnetische Wechselwirkung zwischen einzelnen Atomen Änderungen in der Kristallstruktur
23
AntiferromagnetismusAnordnung der magnetischen Momente unterhalb von Tc (TN … Néel Temperatur)
Beispiele: MnO, UN (fcc, Fm3m, NaCl Struktur), MnF2
Antiparallele Anordnung der magnetischen Momente
Negative kritische Temperatur:
T
C
T
C
Suszeptibilität im paramagnetischen Bereich
24
Experimentelle Methode zur Untersuchung der Orientierung der
magnetischen Momente
Neutronenbeugung
Wechselwirkung Neutronen – Atome (Neutronen und Protonen) Information über die Kristallstruktur (ähnlich wie bei der Röntgenbeugung, nur die Auflösung ist schlechter)
Wechselwirkung Neutronen (magnetische Momente der Neutronen) – magnetische Momente der untersuchten Atome Information über die magnetische Struktur
25
Magnetische Eigenschaften von antiferromagnetischen Werkstoffen –
Beispiele
UN TN = 53K - = 247 K
26
Einfluss der RealstrukturAuf magnetische Eigenschaften von antiferromagnetischen Werkstoffen
T (K)
0 50 100 150 200 250 300
(1
0-8 m
3 /mo
l)
0
2
4
6
8
10
12Ts = 200 oC
400 oC
UN s.c.
Dünne Schichten von UN
Unterschiedliche Beschichtungstemperatur unterschiedliche Eigenspannung, Kristallitgröße, Dichte der Strukturdefekte
Entwicklung einer scheinbaren ferromagnetischen Komponente bei tiefen Temperaturen unausgewogene magnetische Momente
27
FerrimagnetismusSpontane Anordnung der magnetischen Momente und Hysterese unterhalb der Curie-Temperatur wie in ferromagnetischen Werkstoffen
Ferrimagnetikum ist ein keramischer Werkstoff (Ferrite – FeO.Fe2O3, NiO.Fe2O3, CuO.Fe2O3, …) mit Spinell-Struktur
o
a
b
c
28
Suszeptibilität und Magnetisierung ferrimagnetischer Werkstoffe
NiO.Fe2O3
29
GMR EffektRiesiger Magnetowiderstand in Multilagenschichten
dia
ferro
dia
ferro
H = 0
dia
ferro
dia
ferro
H > 0
Diamagnetische Werkstoffe: Cu, Ag, Au
Ferromagnetische Werkstoffe: Fe, Co, Ni
I I
30
Physikalisches Prinzip von GMR
Unterschiedlich starke Streuung der Elektronen mit unterschiedlichem Spin
Antiferromagnetische Kopplung zweier ferromagnetischer Schichten über eine diamagnetische Schicht
31
Änderung des elektrischen Widerstandes im äußeren magnetischen Feld
0
0
H
HHR
Definition von GMR:
32
Änderung des elektrischen Widerstandes im äußeren magnetischen Feld
-100 -50 0 50 100
0
5
10
15
20
25
B (mT)
-100 -50 0 50 1000
5
10
15
20
25
GM
R (
%)
B (mT)
System: Co/Cu
33
Wichtige Parameter magnetischer Multilagenschichten
• Wahl der Werkstoffe (diamagnetisch, ferromagetisch)
• Dicke der einzelnen Schichten• Grenzflächenqualität
(Grenzflächenrauhigkeit) und Grenzflächenmorphologie
Untersuchungsmethoden• Widerstandsmessung im
variablen magnetischen Feld• XRD, Neutronenbeugung• TEM
Anwendungen • Sensoren fürs magnetische
Feld (Leseköpfe für Festplatten)
• Magnetische Ventile (Spin-Ventile)
34
Einfluss der Dicke des „Spacers“
CoCu . . . . .CoCu
50x
Auf die magnetischen Eigenschaften der Multilagenschichten
35
Lesekopf in der Festplatte
Vorteile:
Sehr kleine Dimensionen
[(Co 11Å/ Cu 22 Å) x 50] =
= 1650 Å = 165 nm = 0.165 m
36
Dichte der gespeicherten Information
top related