Francisco H Sánchez

2011

Departamento de Física – UNLP

IFLP - CONICET

Nanomateriales Magnéticos

Fundamentos y Aplicaciones

http://www.fisica.unlp.edu.ar/magnet/cursonm.htm

Programa

Introducción - Definiciones

Dia-para-ferro-ferri (etc)-magnetismo

Anisotropía

Relajación

Dominios

Mediciones

GMR

Aplicaciones

Introduction to Magnetic Materials B.D. Cullity, (Massachusetts, Addison-Wesley, 1972).

Introduction to the Theory of Ferromagnetism, Amikami Aharoni, Oxford Science Publications, 1998.

Magnetic Domains (The analysis of Magnetic Microstructures), Alex Hubert y Rudolf Schäfer, Springer 1998

Modern Magnetic Materials, Robert C. O’Handley, John Wiley & Sons, 1999

Introduction to Magnetism and Magnetic Materials, David Jiles, Chapman & Hall 1996.

Artículos seleccionados

Bibliografía

http://www.fisica.unlp.edu.ar/magnet/cursonm.htm

Introducción

Brevísima historia de los materiales magnéticos-hmm

¿Cómo es un material magnético?

Cantidades Magnéticas de interés práctico

Interacciones Magnéticas

Dominios

Pequeñas partículasas

Soft and ultra-soft magnetic materials

Finemet

Nanoperm

Hitperm

Finale… e recomendazione…

ProyectosProyectosProyectosProyectosPresentaciPresentacióón G3Mn G3M

Marcela B. Fernández van RaapClaudia E. Rodríguez TorresA. Fabiana CabreraPedro Mendoza ZélisGustavo A. PasquevichAzucena MudarraElisa de SousaPablo GirardínDiego CoralLorena Arciniegas

Francisco H. Sánchez

Spintronic materials (O-DMS)Magnetic aerogels (SiO2-Mag.Oxide)Magnetoelastic Trilayer SensorsMaterials for Biomedicine

Colaboraciones

ICMMICMMICMMICMMadridIMAIMAIMAIMAragón--Zaragoza

UNICAMPUNICAMPUNICAMPUNICAMPinas-Sao PauloLSALSALSALSA----FIUBAFIUBAFIUBAFIUBAires

UFESUFESUFESUFESanto -VitoriaCBPFCBPFCBPFCBPFRio de Janeiro

Red Nacional de Magnetismo and Materiales Magnéticos (RN3M):

LBT: LOW TEMPERATURE PHYSICS LABLOW TEMPERATURE PHYSICS LAB. FCEyN - UBAires

LAL: LASER ABLATION LABLASER ABLATION LAB., FI - UBAires

LSA: AMORPHOUS SOLIDS LABAMORPHOUS SOLIDS LAB., FI - UBAires

GSM: GROUP OFGROUP OF NANOSTRUCTURED MATERIALS MADE BY NANOSTRUCTURED MATERIALS MADE BY MECHANOSYNTHESISMECHANOSYNTHESIS, FCE - UNLPlata

LAFMACEL: PHYSICAL CHEMISTRY OF CERAMIC ELECTRONIC MATERIALS PHYSICAL CHEMISTRY OF CERAMIC ELECTRONIC MATERIALS LABLAB., FI - UBAires

LEMöss: MMÖÖSSBAUER SPECTROSCOPY LABSSBAUER SPECTROSCOPY LAB, CAC – CNEAbaires

GMC: CONDENSED MATTER GROUPCONDENSED MATTER GROUP, CAC – CNEAbaires

GMOxAl: GROUP OF MAGNETISM AND STRUCTURE IN OXIDES AND GROUP OF MAGNETISM AND STRUCTURE IN OXIDES AND ALLOYSALLOYS, FCE - UNLPlata

HIIS: HYPERFINE INTERACTIONS AT IMPURITY SITES IN SOLIDSHYPERFINE INTERACTIONS AT IMPURITY SITES IN SOLIDS, FCE - UNLPlata

GCM: MATERIALS SCIENCE GROUPMATERIALS SCIENCE GROUP, FAMAF - UNCORdoba

LRM-CAB: MAGNETIC RESONANCE GROUPMAGNETIC RESONANCE GROUP, CAB – CNEAbaires

GTPEM: ELECTRONIC AND MAGNETIC PROPERTIES THEORY GROUPELECTRONIC AND MAGNETIC PROPERTIES THEORY GROUP, CAC – CNEAbaires

LAFISO: SOLID STATE LABORATORYSOLID STATE LABORATORY FCyE - UNTucuman

G3M: MAGNETIC MATERIALS GROUPMAGNETIC MATERIALS GROUP, FCE - UNLPlata

Discrecional y brevísima historia de los materiales

magnéticos

600 AC

Las propiedades magnéticas de piedras de ferrita férrica natural (Fe3O4) (piedra imán) fueron descriptas por chinos y filósofosgriegos.

Leyenda: Unos 4000 aLeyenda: Unos 4000 aLeyenda: Unos 4000 aLeyenda: Unos 4000 añññños atros atros atros atráááás, un anciano pastor llamados, un anciano pastor llamados, un anciano pastor llamados, un anciano pastor llamadoMagnesMagnesMagnesMagnes, , , , en una zona del norte de Grecia llamada en una zona del norte de Grecia llamada en una zona del norte de Grecia llamada en una zona del norte de Grecia llamada Magnesia,Magnesia,Magnesia,Magnesia, se se se se

sorprendisorprendisorprendisorprendióóóó de que los clavos de sus zapatosde que los clavos de sus zapatosde que los clavos de sus zapatosde que los clavos de sus zapatos se adhirieran se adhirieran se adhirieran se adhirieran firmemente a la roca sobre que caminaba.firmemente a la roca sobre que caminaba.firmemente a la roca sobre que caminaba.firmemente a la roca sobre que caminaba. Este tipo de roca se Este tipo de roca se Este tipo de roca se Este tipo de roca se

llamllamllamllamóóóó despudespudespudespuéééés s s s magnetitmagnetitmagnetitmagnetita. a. a. a.

???!!!¡¡¡¿¿¿

Magnetita Natural(Lodestone)

S

SN

N

Siglo I ACAdivinos chinos usan la piedra imán, posiblemente dando lugar a brújulas primitivas. (Mencionado en los Discoursos de Wang Chung - 83 A.C.)

Aprox. 100-270 DC

Brújulas propiamente dichas se usan en China.

Siglo VI (China) Se descubre que la piedra imán puede usarse paramagnetizar pequeñas agujas de hierro.

Siglo XI (China) se logra magnetizar varillas de hierro calentándolas “al rojo” y enfríándolas mientras se las mantiene en dirección norte-sur.

1175 Primera referencia occidental a la brújula. Alexander Neckem, un monje inglés de St. Albans describe sufuncionamiento.

1600 William Gilbert (1544-1603),después de 18 años de experimentoscon imanes y electricidad, termina su libro De Magnete.Demuestra que la Tierra es un imán.

China-Portugal, 1500 DC

China, 1000 DC

electroimán

James ClerkMaxwell

1740

Primer imán comercial. Gowen Knight produce los primerosimaanes artificiales para vender a científicos y navegantes.

1750 John Mitchel, fabrica imanes de acero.

1820 El físico Hans Christian Oersted, demostró que una corrienteeléctrica produce un campo magnético.

1831-1879 El matemático escocés James Maxwell completa la unificaciónde las teorías de la electricidad y el magnetismo.

1917 Imanes de acero al cobalto. K. Honda y T. Takai agregancobalto a acero al tungsteno y aumentan dramáticamentela “dureza” de los imanes permanentes.

1930 Imanes de alnico. I. Mishima produce el primer imán de Alnico (aleación de hierro, niquel, y aluminio).

1952 Imanes cerámicos. J.J. Went, G.W.Rathenan, E.W. Gorter, y G.W. Van Oosterhout de Phillips, desarrollan losprimeros imanes comerciales de ferritas.

siglo XX, importantes

avances cieníficosy tecnológicos

1966

Imanes con tierras raras. Dr. Karl J. Strnat, del Laboratorio de Materiales de la fuerza aérea de USA descubre el imán super “duro” (18 MGOe) SmCo5.

1972 Karl J. Strnat y Alden Ray aumentan la “dureza de imanes de Sm-Co ( Sm2Co17, 30 MGOe).

1983 Imanes de Neodimio-hierro-boro. General Motors, Sumitomo Special Metals y la Academia de Ciencias de China desarrollanun producto ultra “duro” (35 MGOe, Nd2Fe14B).

Desarrollo de imanes permanentes

magnetitaalnico

Nd-Fe-B

Mismo efecto magnMismo efecto magnMismo efecto magnMismo efecto magnéééético, tico, tico, tico, volumen diferentevolumen diferentevolumen diferentevolumen diferente

Imanesnanocompuestosde tierras raras

Motores, generadores, dispositivos de sujeción, aceleradores, magnetómetros, etc. etc. etc.

Imanes modernos

Nd2Fe14B, Sm2Fe17N3-x

Nd2Fe14BFormas y

distribuciones de

magnetización arbitrarias

Más energía amacenada

Dispositivos más

eficientes

Moto

res

más

pequeñ

os

SmCo5

Alnico

Materiales magnéticos de uso masivo y global

duros

Electroimanes

Actuadores

Chokes

Transformadores{Blandos

Motores

Generadors

Actuadores

Fijadores{

intermedios Registro magnético{

Momento magnético atómico permanente

antiferro

ferro

¿Cómo es un material magnético?

para

ferri

ión momento

+Ión

magnético

Desorden V T Orden para T < TcNo hay interacción Interacciones

Momento Angular atómico

JJJJJJJJ

(JJJJJJJJ ≠0) momento magnético permanente

Ferromagnetos(Fe, Co, Ni)

Antiferromagnetos(Cr)

Ausencia de momento magnético permanente

(JJJJJJJJ = 0)

Ordenamientos diferentes (ejemplo: tierras raras)

Diamagnetos(ej: gases nobles, Ca, Ba)

Paramagnetos(ausencia de interacciones)

¿Cómo es un material magnético?

FerroFerroFerroFerroAntiAntiAntiAnti

ParaParaParaPara DiaDiaDiaDia

[ ] mAHLNiHIldH tot // =⇒=⇒=⋅∫rr

Campo Magnético HHHH

Solenoide largo

HHHH

HHHH

i

NNNN

Momento magnético mmmm

Volumen V

VmMi

i /∑= rr

Magnetización MMMM

[ ] mAM /=

[ ] 2Ammi =

Campo de inducción BBBB

( )MHBrrr

+= 0µ

[ ] TeslaB =

ATm/104 70

−×= πµ

Ley de Biot Savart

20

4 r

uLIdBd r

πµ rr

r ×=

rur

[ ] [ ] mATeslaMBmJouleMB /;/ 3 ==

2/ AmJouleTesla=

)MH(µB 0

vvv+=

HMvv

χ=

HBvv

µ=

Relaciones entre BBBB, HHHH, MMMM

empíricas

[ ]aladimension

AmTesla

χµ /.=

CantidadesCantidades magnmagnééticas de interticas de interéés prs práácticoctico

Remanencia

Coercitividad

Inducción y magnetización de saturación

)MH(µB 0

vvv+=

HMvv

χ=HBvv

µ=

Curvas de magnetización

Inducción o magnetización de saturationBBS o MMS

)MH(µB 0

vvv+=

HMvv

χ=HBvv

µ=

Curvas de magnetización

CoercitividadHHC

B o HHCM

χ)(1µµ 0 +=Ferromagnetos → µ / µ0 >> 1 → χ ≈ µ/ µ0

Remanencia BBR o MMR

o M

(em

u)

µ = B/H o χ = M/H

BBm o MMm

≈mv1

2mv

mv

mv

mnM S

vv=

ferri

≈mv1 2m

vmv

mv

Weak ferro

CantidadesCantidades magnmagnééticas de interticas de interéés prs práácticoctico

mnM S

vv=

mv

ferro

mv

Número de momentos/Volumen

χ+== 1µ

µµ

0R

Ferromagnetos → µR >> 1 → χ ≈ µR >> 1, χ ≈ 10 - 105

χ)(1µµ 0 += µµµµ0000 = 4= 4= 4= 4ππππx10x10x10x10----7777 [SI][SI][SI][SI] - permeabilidad del vacío

[B] = Tesla; [H] = [M] = A/m[B] = Tesla; [H] = [M] = A/m[B] = Tesla; [H] = [M] = A/m[B] = Tesla; [H] = [M] = A/m; sistema internacional (SI)

χ = M/H → χχχχ adimensionaladimensionaladimensionaladimensional

[BH] = J/m3 → [B] = Jm/Am3 = AVs/Am2 = VsVsVsVs/m/m/m/m2222 = Tesla= Tesla= Tesla= Tesla

[[[[µµµµ]]]] = [B/H] = Tesla m/A = VsVsVsVs/Am/Am/Am/Am2222

Diamagnetos → µR < 1 → χ = µR-1 < 0; χ ≈ -10-6

Paramagnetos → µR > 1 → χ = µR –1 > 0; χ ≈ 10-5

permeabilidad relativa al vacío

CantidadesCantidades magnmagnééticas de interticas de interéés prs práácticoctico

Tipos de Tipos de materiales magnmateriales magnééticosticos

MA/m

HHHH

MMMM

ferro - ferri

para - antiferro

dia

χ = M/H

χdif = dM/dH

HHHH

MMMMBlando ideal

Duro - ideal

ferromagnetos

Ejemplos de Ejemplos de materiales ferromagnmateriales ferromagnééticosticos

Monocristal “grande”multidominio

Conjunto de partículas cristalinas monodominio

Dominio: región donde todos los momentos están alineados

Ejemplos de Ejemplos de materiales ferromagnmateriales ferromagnééticosticos

Policristal. Conjunto de cristales multimultimultimultidominio

Dominio: región donde todos los momentos están alineados

Policristal. Conjunto de cristales monomonomonomonodominio

M

Procesos deProcesos de magnetizacimagnetizacióónn

Movimiento de paredes

reversible e irreversible

Orientación con el campo

(reversible)

saturación

Procesos deProcesos de magnetizacimagnetizacióón n en un monocristal multidominio

Procesos deProcesos de magnetizacimagnetizacióónn

Ciclos menores

MagnetizaciMagnetizacióón n vsvs temperaturatemperatura

M = M = M = M = χχχχHHHH

χχχχ(T(T(T(T) = ) = ) = ) = αααα/T/T/T/T(Curie)(Curie)(Curie)(Curie)

paramagnetoparamagnetoparamagnetoparamagneto

InteraccionesInteracciones MagnMagnééticasticas

FFFFFFFF-FFFFFFFF

EnergEnergíía de pared de Dominioa de pared de Dominio

EnergEnergíía a MagnetoelMagnetoeláásticastica

EnergEnergíía a MagnetostMagnetostááticatica

AnisotropAnisotropííaa MagnetocristalinaMagnetocristalina

InteracciInteraccióón de Intercambion de Intercambio

IntercambioIntercambioIntercambioIntercambioIntercambioIntercambioIntercambioIntercambio: interacción de corto alcance

solamente interacción entre vecinos.

Un fenómeno MCconducente a ordenamiento ferro, antiferro, etc.,

Interacciones Interacciones MagnMagnééticas ticas

∑ ∑−= N

i ji

z

j jiJ ssJEvv.2 ,

i

j

Z primeros vecinos

N átomos/iones en el sistema

Integral de intercambio

0/)( rrerJ −≈

Interacción de IntercambioIntercambio

Densidad de spin en el plano que contiene el camino de super intercambio FeCl···(H)OFe.

Normalizada a 5 µB por octaedro.

SuperintercambioSuperintercambio

K2FeCl5·H2O

FeFeFeFe

Estructura cristalina : anisotropía

magnetocristalina

interacciones Spin – órbita

+ campo cristalino

SSSS LLLL

EEEECCCC

AnisotropAnisotropííaa magnetocristalinamagnetocristalina

Interacciones Interacciones MagnMagnééticas ticas

EnergEnergíía de anisotropa de anisotropííaa MagnetocristalinaMagnetocristalinasituación uniaxial; ejemplo: Co hcp

θ

Eje fácil (K)

M

energía de anisotropía (EK)

θ

EK = KV sin2 θ

Hext

EnergEnergíía de anisotropa de anisotropííaa MagnetocristalinaMagnetocristalinasituación cúbica; ejemplo: Fe3O4

magnetita

KKKK

1111KKKK

2222

[100][111]

Forma: anisotropía

magnetostática

Esfuerzo: anisotropía magnetoelástica

Interacciones Interacciones MagnMagnééticas ticas

FFFFFFFF

AnisotropAnisotropíía a –– otras fuentesotras fuentes

energenergííaa magnetostmagnetostááticatica

SS

S

S

SNN

NN

N

Multidominio

Keff = KC + KS + Kσ + ...

MMHHD=-NMM

S NHHD

mono dominio

MM

AnisotropAnisotropíía dea de formaforma

KS = (N1 – N2)MS2/2

2

1

ES = KSV sin2 θ

Mθ

Campo demagnetizante

∫−= dVHMEM

vv.

20µ 2

0)( Si MVN µα=

anisotropanisotropííaa magnetoelmagnetoeláásticastica

λS = ∆L/L (magnetostricción)HH

L+∆LL

Kσ = (3/2) λσConstante de anisotropía magnetoelástica

eσ = KσV sin2 θdensidad de energía magnetoelástica

σ = F/A

FF FFAA

esfuerzoM

θ

Caso λ > 0

Ni

EM

MM

M

M

HHH

número de dominios (n)

EM+E

W

magnetostatic

domain wall

E

n

dominio de cierre

n

MVE S

M

20µα≈ 1<α

γnAEW ≈

energenergííasas magnetostmagnetostááticatica + pared de + pared de dominiodominio

Pared de Dominio

γ,A

(Bloch)