Magnetische Eigenschaften von Werkstoffen F Kraft in der

Magnetische Eigenschaften von Werkstoffen F … Kraft in der x Richtung V … Volumen der Probe … Suszeptibilität der Probe H … magnetische Feldstärke d. H/dx … Gradient der Feldstärke Die (magnetische) Suszeptibilität charakterisiert die magnetischen Eigenschaften der Werkstoffe 1

Weitere Parameter … die auf das Material wirkende Kraft … Permeabilität (ähnlich wie dielektrische Konstante: = 1 + P/[ 0 E]) … magnetische Induktion … Magnetisierung … magnetischer Strom (B … magnetische Stromdichte) … 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: Ø Änderung der Winkelgeschwindigkeit der stark gebundenen Elektronen Ø 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. Ideal diamagnetisch sind Supraleiter im supraleitenden Zustand (Meissner Effekt) … negativ in diamagnetischen Materialien 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. 7

Paramagnetismus M (a) … Curie Gesetz H … 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) n … Anzahl der magnetischen Momente (Atome) Theorie des molekularen Feldes 9

Spin Paramagnetismus Zusätzlicher Effekt zum Orbitalmagnetismus Elemente mit 3 d Elektronen (Besetzung der Elektronenzustände laut Hund): Fe: 3 s 2, 3 p 6, 3 d 6 Spin-magnetisch Co: 3 s 2, 3 p 6, 3 d 7 Spin-magnetisch Ni: 3 s 2, 3 p 6, 3 d 8 Spin-magnetisch Cu: 3 s 2, 3 p 6, 3 d 10 Spin-nichtmagnetisch Zn: 3 s 2, 3 p 6, 3 d 10 Spin-nichtmagnetisch 10

Elemente mit 3 d 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 Er. Co 2 RT: Fd-3 m LT: R-3 m = 90° 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(Co 1 -x. Six)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: Mn. O, UN (fcc, Fm 3 m, Na. Cl Struktur), Mn. F 2 Antiparallele Anordnung der magnetischen Momente Negative kritische Temperatur: 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 = 53 K - = 247 K 25

Einfluss der Realstruktur Auf magnetische Eigenschaften von antiferromagnetischen Werkstoffen Dünne Schichten von UN 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 – Fe. O. Fe 2 O 3, Ni. O. Fe 2 O 3, Cu. O. Fe 2 O 3, …) mit Spinell-Struktur 27

Suszeptibilität und Magnetisierung ferrimagnetischer Werkstoffe Ni. O. Fe 2 O 3 28

GMR Effekt Riesiger Magnetowiderstand in Multilagenschichten Diamagnetische Werkstoffe: Cu, Ag, Au Ferromagnetische Werkstoffe: Fe, Co, Ni dia ferro I I dia 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: 31

Änderung des elektrischen Widerstandes im äußeren magnetischen Feld System: Co/Cu 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 (Spin. Ventile) 33

Einfluss der Dicke des „Spacers“ Auf die magnetischen Eigenschaften der Multilagenschichten Co Cu. . . Co Cu 50 x 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 36