Магнитная анизотропия

Магнитокристаллическая анизотропия

Магнитокристаллическая анизотропия возникает вследствие спин-орбитального взаимодействия электронов и приводит к предпочтительному повороту вектора намагниченности вдоль определенных кристаллографических направлений (оси легкого намагничивания). Магнитокристаллическая анизотропия зависит только от природы материала и не зависит от формы частиц. Например, для кобальта, имеющего гексагональную кристаллическую решетку, ось легкого намагничивания параллельна оси с. В кубических системах (например, Fe и Ni), ввиду их симметрии, существует несколько осей легкого намагничивания. При этом симметрия магнитокристаллической анизотропии всегда сохраняет симме­трию кристаллической структуры. Так, в объемоцентрированной кубической решетке a-Fe (ОЦК) оси легкого намагничивания параллельны направлениям <100> (ребра куба) кристаллической решетки (рис. 8,а), а в гранецентриро-ванной кубической решетке Ni (ГЦК) ось легкого намагничивания параллельна направлениям <111> (диагонали куба).

На рисунке 8, б схематически представлены кривые намагничивания ферро­магнитного кристалла при приложении магнитного поля вдоль осей легкого и трудного намагничивания. В обоих случаях в высоких полях достигается одинаковая намагниченность насыщения, однако для

Рис. 8.

достижения насыщения при намагничивании вдоль оси трудного намагничивания требуется приложить значительно большее внешнее поле, чем при намагничивании образца вдоль оси легкого намагничивания. Мерой магнитной анизотропии является работа намаг ничивания, необходимая для поворота вектора намагниченности из положения, параллельного оси легкого намагничивания, в направлении внешнего поля. Эта работа определяет плотность свободной энергии магнитной анизотропии Е_а. Энергия магнитокристаллической анизотропии материала пропорциональна области между кривыми намагничивания вдоль осей легкого и трудного намаг­ничивания (рис. 8,б).

Мерой магнитной анизотропии является работа намагничивания, необходимая для поворота вектора М из положения, параллельного оси легкого намагничения, в направлении внешнего поля H.

Энергия магнитокристаллической анизотропии пропорциональна области между кривыми намагничения вдоль осей легкого и трудного намагничения.

Энергия Е а магнитной анизотропии α-Fe выражается через направляющие косинусы углов между вектором М и кристаллографическими осями.

Анизотропия уменьшается с увеличением Т, и вблизи нет преимущественной ориентации намагничивания доменов. В поликристаллах, где нет преимущественной ориентации зерен, кристаллическая анизотропия отсутствует.

Анизотропия формы

Зависимость константы анизотропии формы от осевого отношения с / а для частиц Со в форме вытянутого сфероида показана на рис. 9. Изменение анизотропии формы - инструмент направленного изменения : резко растет при увеличении с / а.

Рис. 9.

Конфигурация размагничивающего поля

При намагничивании частицы во внешнем поле Н на ее концах возникают магнитные полюса (рис. 10).

Рис. 10.

Полевнутри частицы направлено против Н, и стремится размагнитить вещество. Размагничивающее поле обусловлено намагниченностью образца и пропорционально намагниченности:

где N_D - размагничивающий фактор (тензор), зависящий только от формы образца и направления магнитного поля. Результаты расчета собственных значений N_D для различных форм показывают, что удлиненные образцы обладают минимальным значением N_D вдоль длинной оси частицы, и максимальным -вдоль ее короткой оси.

Таким образом, эффективное поле действующее внутри материала, оказывается меньше приложенного поля на величину, равную размагничиваю­щему полю, т.е.

Когда H_D невелико, величина эффективного поля вдоль длинной оси выражается соотношением

и образец намагничивается в направлении внешнего магнитного поля. В противо­положность этому, вдоль короткой оси поле H_D велико, поэтому

и большая часть приложенного поля компенсируется размагничивающим полем. Вследствие этого образец легче намагнитить вдоль длинной оси. Это свойство анизотропных по форме частиц ведет к их широкому применению в качестве сред в устройствах магнитной записи информации.

Магнето статическая энергия (потенциальная энергия намагничивания) анизо­тропной частицы в определенном направлении определяется по формуле

где M_s - намагниченность насыщения материала, N_D- размагни­чивающий фактор в направлении намагничивания.

Размагничивающие факторы простейших типов анизотропных геометрических фигур

Вытянутый сфероид: а = b << c (рис.11)

Рис. 11.

Сплющенный эллипсоид: а < b << c (рис.12)

Рис. 12.

Сплющенный сфероид: а < < b = c (рис.13)

Рис. 13.

На рис. 14 - зависимость размагничивающего фактора /4π) от фактора геометрической анизотропии частицы (m=c/a) для вытянутого сфероида.

Рис. 14.

Размагничивающие факторы вдоль направления осей цилиндра заметно изменяются только для низких значений m; для частиц с m > 10 их можно считать нитями бесконечной длины. вдоль длинной оси эллипсоида (ось легкого намагничивания) равен 0, а перпендикулярно ей (ось трудного намагничения) 4π.

Энергия магнитной анизотропии формы максимальна для нанонитей, состоящих из узких дискообразных сегментов ферромагнетика, разделенных слоями диамагнетика, и равна

Внешнее поле Н, необходимое для выравнивания магнитных моментов по полю, зависит от форм-фактора частиц. При параллельной ориентации осей частицы и поля петля гистерезиса прямоугольная, а при перпендикулярной-заметно растянута.

Эксперимен­тальные исследования перемагничивания нанонитей никеля диаметром 50 нм показывают, что при параллельной ориентации осей частицы и поля петля магнитного гистерезиса оказывается прямоугольной, а при перпендикулярной ориентации - заметно растягивается (рис. 15). Незначительный наклон петли гистерезиса в первом случае очевидно обусловлен магнитно-дипольными взаимодействиями между соседними наночастицами и наличием дефектов структуры (например, поликристалличностью нанонитей). Во втором случае намагниченность насыщения достигается при гораздо больших внешних полях (3000 - 4000 Э).

Рис. 15.

Анизотропия механического напряжения

Индуцированная магнитная анизотропия возникает при направленных механических воздействиях на вещество и определяется наличием внутренних или внешних напряжений.

Она может появиться в результате:

• быстрого охлаждения,

• внешнего давления,

• отжига в магнитном поле,

• пластических деформаций

• радиационного облучения.

Подбор метода и условий обработки материала позволяет варьировать величину анизотропии и направление оси легкого намагничения.

Этот вид анизотропии определяется наличием внутренних или внешних напряжений и может появляться в результате быстрого охлаждения, действия внешнего давления, отжига образца в магнитном поле, пластических дефор­маций или радиационного облучения. Использование таких воздействий создает огромный потенциал в магнитной инженерии, поскольку подбор условий и метода обработки материала позволяет варьировать как величину самой анизотропии, так и направление оси легкого намагничивания.

Обменная анизотропия

Возникает при контакте ферромагнитной фазы с другим ферро-, ферри- или антиферромагнетиком.

Обменное взаимодействие на границе сред приводит к появлению преимущественной ориентации вектора М ферромагнитной фазы.

Пример: наночастицы «ядро в оболочке» - из-за окисления поверхности наночастицы возникает сопряжение двух магнетиков (рис. 16).

Рис. 16.

При охлаждении частиц в поле сдвиг петли гистерезиса происходит потому, что магнитные моменты ионов Со в первом слое СоО сопряжены с моментами металлического Со и выстраиваются параллельно (упорядочение сохраняется при снятии поля). При охлаждении вне поля магнитные моменты разориентированы.

		Первый ряд спинов ионов Со слоя СоО
	Спины ионов Со в слое ферромагнитного Со

При приложении обратного поля спины металлического Со разворачиваются, т.к. повороту спинов СоО препятствует высокая магнитокристаллическая анизотропия СоО. При Н=0 спины Со на поверхности СоО действуют на спины оинов металлического Со, возвращая их в исходное положение.

Практическое применение: ферромагнетик покрывают слоем антиферромагнетика для стабилизации вектора намагниченности.

Дата добавления: 2014-01-07