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