oswaldo morán c. materiales magnéticos, una aproximación departamento de física universidad...
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Oswaldo Morán C.
Materiales Magnéticos, Materiales Magnéticos, una aproximaciónuna aproximación
Departamento de FísicaUniversidad Nacional de Colombiasede Medellín
Efecto Meissner
0 100 200 300 4000
1
2
3
4
(x1
0-3
cm
T (K)
H = 0 H = 4 T
Magnetoresistancia Colosal (CMR)
Sz = msħ; ms = -1/2, +1/2
Sz = -1/2 ħ down
Sz = +1/2 ħ up
Origen del magnetismo a. Movimiento orbital y de espín de e- b. Forma de interacción mutua entre e-
= (e/2me)L
Ley Biot-SavartdB = μ0/4π [Idlxr/r2]
E.ds = q/ε0
Leyes fundamentales
B.ds = 0 Ley Gauss
Tres vectores magnéticos
H Campo magnéticoM MagnetizaciónB Inducción magnética
Definiciones y Unidades
Unidades? confusión prevalece !Razón:Magnetostática es presentada en dos formasa. Polos magnéticos ficticios (CGS)b. Fuentes de corriente (SI).
H = I/2r [Amperes/meter, A/m]
Espira de corriente
r
m = I x Area [Am2]Momento magnético
M = m/V [A/m] intensidad de la magnetización
= m/mass [Am2/kg]
M/H= [adim.]
Susceptibilidad Magnética
Describe los tipos de materiales magnéticos
Permeabilidad Magnética
= B/H
0 = B/H (vacío)
Comportamiento magnético de un sólido /0 = r
fácil M >>
B = 0(H+M ) [Tesla, T] campo total
0 x 10-7 Henry/m [Tm/A], SI
0, CGS B = H+4M
GaussOerstedemu/cm3
Ej.: Btierra = 0.5 Gauss = 0.5 Oersted
0.5 Gauss = 50 mT [campo B]0.5 Oersted = 39.8 A/m [Campo H]
CGS, Gauss Oersted confusión !
TérminoMagnético
Símbolo SI CGSFactor de
conversión
Inducción magnet. B Tesla (T) Gauss (G) 1 T = 104 G
Campo magnet. H A/m Oersted (Oe) 1 A/m =4/103 Oe
magnetización M A/m emu/cm3 1 A/m = 10-3 emu/cm3
Magnetización mol Am2/kg emu/g1 Am2/kg = 1
emu/g
Momento magnet. m Am2 emu 1 Am2 = 103emu
susceptibilidad vol. adimensional adimensional 4 (SI) = 1 (cgs)
Permeabilidad delespacio libre
0 H/m adimensional4x10-7 H/m = 1
(cgs)
Clases de Materials Magnéticos
En algunos materiales no hay interacciones colectivas de m atómicos. En otros la interacción es fuerte.
Mejor definición !
material
H = 0 H ≠ 0
M Tipo de magnetismo
Toda la materia es magnética !!!
Unos mas magnéticos
Distinción principal
1.Diamagnetismo 2.Paramagnetismo3.Ferromagnetismo4.Antiferromagnetismo 5.Ferrimagnetismo
Comportamiento magnético de la materia
Diamagnetismo, paramagnetismo: interaccionas magnéticas colectivas
Magnéticamente no ordenados
Ferromagnetismo, FerrimagnetismoAntiferromagnetismo
Orden magnético de rango largo debajo TC
Ferromagnetismo, Ferrimagnetismo
Magnéticos (similar Fe)
Antiferromagnetismo No “magnéticos”
Comportamiento magnético de la materia
1. Diamagnetismo propiedad básica de la materia
Causa: Comportamiento no cooperativo de los e- orbitando cuando se exponen a un H.
mneto= 0 orbitales llenos, e- apareados
Experimentalmente
quarzo (SiO2): -0.62 x x10-8 m3/kgCalcita (CaCO3): -0.48 x10-8 m3/kgAgua: -0.90 x10-8 m3/kg
2. Paramagnetismo algunos átomos, mneto 0
orbitales parcialmente llenos, e- no apareadosm individuales no interactuan mutuamente !
Eficiencia H alineamiento m= 1/T
Fe e- no apareados
= f (H), excepto T << 100 K, H >>
T normales, H moderados para.(+) pequeña > diamag.
para. contenido Fe
Minerales con Fe = Paramag. T = 300 K
Montmorillonita (arcilla) 13Nontronita (arcilla rica en Fe) 65Biotita (silicato) 79Siderita(carbonato) 100 Pirita (sulfide) 30
X10-8 m3/kgEjemplos }
3. Ferromagnetismo Fe, Ni, Co magnetita
m interacción fuerte
Fenómeno cuántico, debido a orientacion relativa deespines de 2 e-
Muy intensas 1000 T! 100.000.000 campo terrestre !
Origen: Fuerzas de intercambio electrónico
m grande, también a H = 0
Características principales:(1) magnetización espontánea(2) T de ordenamiento magnético
magnetización espontánea Mneta dentro Vmicros.
magnetizado uniforme/ en H = 0
[magnetización espontánea (T= 0 K)] = f (espín e-)
magnetización de saturación mmax. inducido en un Hsat.
Diferencia entre Mespon y Msat dominios magnéticos Msat. propiedad intrínseca, = f( tamaño de partícula), f (T).
H = 0
Hsat (T) T range (K) 10-8m3/kg
paramagnéticos >10 <<100 ~50
ferromagnéticos ~1 ~300 1000-10000
Ferromagnetismo vs. Paramagnetismo
-3 -2 -1 0 1 2 3-3x10-3
-2x10-3
-1x10-3
0
1x10-3
2x10-3
3x10-3
0 100 200 3000
1
2
3
T = 5K
M (
em
u)
H (T)
H || (100) H || (001)
T (K)
M (
µB
/ M
n)
H = 1T
La2/3Ca1/3MnO3
Temperatura de Curie, TC
Magnetita
Histéresis magnética
-6 -4 -2 0 2 4 6
-0,6
-0,3
0,0
0,3
0,6
T = 5K
M (
µB/R
u)
0H (T)
SrRuO3
4. Ferrimagnetismo
Forma compleja de ordenamiento magnético
Razón: estructura cristalina
Ejemplo. BaO.6Fe2O3: celda unitaria 64 iones Ba y O: m = 016 Fe3+ iones alineados parallelo and 8 Fe3+ antiparalelo M neta paralela a H, pero muy pequeña. ⅛ de los iones contribuyen a M del Material
5. Antifferromagnetismo
Canteado, m << 0
Mineral Composición Orden Magnético Tc(°C) s (Am2/kg)
Oxidos
Magnetite Fe3O4 ferrimagnetic 575-585 90-92
Ulvospinel Fe2TiO2 AFM -153
Hematite Fe2O3 canted AFM 675 0.4
Ilmenite FeTiO2 AFM -233
Maghemite Fe2O3 ferrimagnetic ~600 ~80
Jacobsite MNFe2O4 ferrimagnetic 300 77
Trevorite NiFe2O4 ferrimagnetic 585 51
Magnesioferrite MgFe2O4 ferrimagnetic 440 21
Sulfuros
Pyrrhotite Fe7S8 ferrimagnetic 320 ~20
Greigite Fe3S4 ferrimagnetic ~333 ~25
Troilite FeS AFM 305
Oxyhydroxides
Goethite FeOOH AFM, weak FM ~120 <1
Lepidocrocite FeOOH AFM(?) -196
Feroxyhyte FeOOH ferrimagnetic ~180 <10
Metals & Alloys
Iron Fe FM 770
Nickel Ni FM 358 55
Cobalt Co FM 1131 161
Awaruite Ni3Fe FM 620 120
Wairauite CoFe FM 986 235
Propiedades magnéticas de minerales
Anisotropía magnética (AM)
Base Teoría de Ferro- y antiferro. F intercambio e-
F fuerte m espontánea en H = 0
ms H0
R:/
Ferro- y antiferro. no saturados aún en H = 0 ?
H = 0Saturado
Saturado
Saturado
Saturado
M = 0 (H = 0)
Dependencia de las propiedades magnéticas de una dirección preferida !
AM Forma de la Histéresis, control de HC y MS.
Anisotropía magnética (AM)
Influencia de la estructura cristalina y forma de los granos sobre dirección M ?
1. Magnetocristalina estructura cristalina2. Forma forma de grano3. Tensión tensión aplicada o residual
Tipos de AM
1. A. Magnetocristalina propiedad intrínseca, no función de tamaño de grano y forma.
Experimentalmente
Origen eje fácil (difícil): interacción espín-red cristalina (acoplamiento espín-órbita
Anisotro. magnetocristalina: energía necesaria para deflectar m en un monocristal del eje facial al difícil.
5. Thin Films and multilayers
General concepts
Thin film fabrication
a. Physical methods
Pulsed Laser Deposition (PLD)Sputtering
b. Chemical methods • electrochemical segregation • Sol-gel processes • Spray
Spintronics = Magnetism + Electronics
Conventional Electronics
Spin control → +1 grade of freedom for engineering of electronic devices.
?
To manipulate S in transport processes Aim:
• Metallic Multilayers (GMR) • Ferromagnetic tunnel junctions • Ferromagnetic Oxides (CMR) • Semiconductors
Achievements:
Spin-dependent transport processes in:
1.
2. Contribution to electrical transport processes
Why ?. n
b.
Mechanism of Spintronics
I I
Brillouin Zone
k F =qE = dp/dt = (ħ/2)k/
Spin accumulation
E
n >nCo AgI
→ →→
→
→
M 0Ag
Spin accumulation
Ag
→
→
→
Half-metallicFerromagnet (HMF)
sd = (lvF/3)1/2 = Spin diffusion length
Spin Diffusion
Co AgI
→
l = mean free pathvF = Fermi velocity 106 m/s= Spin-flip time
Ag + impurities ℓ, sd sd m (Ag pure) sd 10 nm (Ag + 1% Au
e.g.
CONTENTS
• Motivation
• Materials for Spintronics
• Fabrication Methods
• Characterization Techniques
• Experimental Results
• Conclusions
Two terminal Spintronics
Spin valve
R 100 % GMR
hard-disk read-head
Function:
H
R > R
cryostat
Spin valve polarized light
HMF HMF
d
When d sd
spin filterspin polariser
I = f (, )
HMF
Spin tunneling processes
metal metal
insulator
IT = f (V, , d)
Insulator ≡
= EF-EC
Spin tunneling processes
HMF HMF
d
I
Spin valve
I = 0
H I 0Spin electronic switch=
Spin tunneling processes
Spin tunneling junctions (STJ)
f (DS , )
{ GSTJ /A < Gmetal/AI= GV VSTJ > Vmetal
(> mV)[ ]
device characteristics
• “on” R• J• Vinput
• Itotal
• cross-section• • d
tuned
→
STJa. Spin-injector stagesb. New generation tunnel MRAM
V
1
2
3
pump
Jhonson transistor
Three terminal Spintronics
BE C
C, floatingFunction: → IEB, pumped VC, monitored→
VC = f (E , E)
H VC
V
1
2
3
pump
BE C
Three terminal Spintronics
HMF
Stationary state: IBC = 0
VC = f (HMF , HMF )
H → IEB → VC
•The direction leading to a new wave of active spin electronic devices and eventually to single-spin devices is signposted.
•A closer integration of magnetic with conventional semiconductor technology is possible. A magnetic semiconductor working at RT would be a formidable advance for Spintronics.
Conclusions