Vorlesung18
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Magnetische Eigenschaften von Werkstoffen F V H dH dx 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 1 Weitere Parameter dH F VH dx 1 4 B H 4M M H B 1 4 H H … die auf das Material wirkende Kraft … Permeabilität (ähnlich wie dielektrische Konstante: = 1 + 4P/E) … magnetische Induktion … Magnetisierung B A H AM 0 … magnetischer Strom (B … magnetische Stromdichte) m M V … Magnetisierung und magnetisches Moment 2 Magnetische Eigenschaften von Werkstoffen … und Antiferromagnetisch und Ferrimagnetisch 3 Wechselwirkung mit externem magnetischen Feld Werkstoff Diamagnetisch Wechselwirkung – Paramagnetisch Ferromagnetisch Antiferromagnetisch Ferrimagnetisch wird ausgestoßen werden unterschiedlich stark hineingezogen 4 Diamagnetismus Änderung 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 5 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. B H 4M H 4M B 0 Ideal diamagnetisch sind Supraleiter im supraleitenden Zustand (Meissner Effekt) M 0 … negativ in diamagnetischen H Materialien 1 8 10 2 4 6 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. H 0 M 0 H 0 M 0 7 Paramagnetismus M 0 H M (a) … Curie Gesetz H C T … Curie C T … Curie-Weiss (b), (c) … Curie-Weiss Gesetz für Paramagnetisches Material (d) … diamagnetisches Material 8 Paramagnetismus Bedeutung der Konstanten C und im Curie und Curie-Weiss Gesetz Magnetismus der atomaren Elektronen (Orbitalelektronen) H total H ext H mol n m2 H M 3k BT orbit para C Theorie des molekularen Feldes H mol M n m2 M C H 3k BT T total n m2 M 3k B ext n … Anzahl der magnetischen Momente (Atome) C M M H total H ext M T H ext C T C C C M H ext T C T C 9 Spin Paramagnetismus Zusätzlicher 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 10 Elemente mit 3d Elektronen 11 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 12 Magnetische Eigenschaften von ferromagnetischen Werkstoffen – Beispiele 770°C 1131°C 358°C 15,8°C 13 Einfluss der Eigenspannung (Realstruktur) Auf magnetische Eigenschaften von ferromagnetischen Werkstoffen Nickel (fcc) Eisen (bcc) 14 Einfluss der Orientierung der Kristallite (Realstruktur) Auf magnetische Eigenschaften von ferromagnetischen Werkstoffen Beispiel: Eisen, Einkristall Kristallanisotropie der magnetischen Eigenschaften (der Magnetisierung) Gemessen wird der Mittelwert der physikalischen Eigenschaft 15 Permanente Magnete Breite Hysteresekurve 16 Werkstoffe für permanente Magnete 17 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 18 Spontane Magnetostriktion b ErCo2 RT: Fd-3m LT: R-3m = 90° 90° a o c 19 Spontane Magnetostriktion Spaltung von kristallographisch (nicht) äquivalenten Linien im Röntgenbeugungsexperiment 20 Magnetostriktion Koeffizienten der Magnetostriktion in Er(Co,Ge)2 und Er(Co,Si)2 21 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 22 Antiferromagnetismus Anordnung 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: C C T T Suszeptibilität im paramagnetischen Bereich 23 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 24 Magnetische Eigenschaften von antiferromagnetischen Werkstoffen – Beispiele UN TN = 53K - = 247 K 25 Einfluss der Realstruktur Auf magnetische Eigenschaften von antiferromagnetischen Werkstoffen Dünne Schichten von UN (10-8 m3/mol) 12 o 10 Ts = 200 C 8 400 C o 6 4 UN s.c. 2 0 0 50 100 150 200 250 300 T (K) Unterschiedliche Beschichtungstemperatur unterschiedliche Eigenspannung, Kristallitgröße, Dichte der Strukturdefekte Entwicklung einer scheinbaren ferromagnetischen Komponente bei tiefen Temperaturen unausgewogene magnetische Momente 26 Ferrimagnetismus Spontane 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 b o a c 27 Suszeptibilität und Magnetisierung ferrimagnetischer Werkstoffe NiO.Fe2O3 28 GMR Effekt Riesiger Magnetowiderstand in Multilagenschichten Diamagnetische Werkstoffe: Cu, Ag, Au Ferromagnetische Werkstoffe: Fe, Co, Ni dia dia ferro ferro I I dia dia ferro ferro H=0 H>0 29 Physikalisches Prinzip von GMR Unterschiedlich starke Streuung der Elektronen mit unterschiedlichem Spin Antiferromagnetische Kopplung zweier ferromagnetischer Schichten über eine diamagnetische Schicht 30 Änderung des elektrischen Widerstandes im äußeren magnetischen Feld Definition von GMR: R H H 0 H 0 31 G M R (% ) Änderung des elektrischen Widerstandes im äußeren magnetischen Feld 25 25 20 20 15 15 10 10 5 5 0 -100 0 -50 0 B (mT ) 50 100 -100 System: Co/Cu -50 0 B (mT ) 50 100 32 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 (SpinVentile) 33 Einfluss der Dicke des „Spacers“ Auf die magnetischen Eigenschaften der Multilagenschichten Co Cu . . . . . Co Cu 50x 34 Lesekopf in der Festplatte Vorteile: Sehr kleine Dimensionen [(Co 11Å/ Cu 22 Å) x 50] = = 1650 Å = 165 nm = 0.165 m 35 Dichte der gespeicherten Information Areal Density 100000 GMR Read Head MB/in 2 10000 MR Read Head 1000 100 Inductive Read Head 10 1980 1985 1990 1995 2000 2005 Date of General Availability 36
