FERROMAGNETISMO NANOESTRUCTURADOFERROMAGNETISMO

NANOESTRUCTURADO

PRESENTAN :

ROSAS PORFIRIOGABRIEL GAMBOA DAYSIGONZALEZ GARCIA IVONNEGONZALEZ ROJAS CARLOSMORENO RIOS JANNET

CONTENIDOCONTENIDO

• Bases Físicas• Efectos de nanoestructuras desordenadas en propiedades

magnéticas• Dinámicas de los nanoimanes• Partículas negativas en nanoporos• Ferromagnetos en nanocarbono• Resistencia magnética grande y colosal• Ferrofluídos

BASES DEL FERROMAGNETISMOBASES DEL FERROMAGNETISMO

Los materiales magnéticos son importantes para el área de la ingeniería. En general hay dos tipos principales: materiales magnéticos blandos y magnéticos duros. Los blandos se utilizan en aplicaciones en las cuales el material debe imanarse y desimanarse fácilmente, como en núcleos de transformadores para la distribución de energía eléctrica, para estatores, rotores de motores y generadores. Por otra parte, los materiales magnéticos duros se utilizan para aplicaciones que requieran imanes que no se desimanen fácilmente, como en los imanes permanentes de los altavoces, receptores telefónicos, motores síncronos sin escobillas y motores de arranque para automóviles.

El magnetismo tiene una naturaleza dipolar, siempre hay dos polos magnéticos o centros del campo magnético, separados una distancia determinada, y este comportamiento dipolar se extiende hasta los pequeños dipolos magnéticos encontrados en algunos átomos.

El campo magnético se produce por materiales imanados (metales como hierro, cobalto y níquel una vez imanados a temperatura ambiente pueden generar un fuerte campo magnético a su alrededor) o por conductores portadores del corriente eléctrica.

Cuando los electrones se mueven en un hilo conductor se genera un campo magnético alrededor del hilo

Las propiedades magnéticas macroscópicas de los materiales, son consecuencia de los momentos magnéticos asociados con electrones individuales. Cada electrón en un átomo tiene momentos magnéticos que se originan de dos fuentes. Una está relacionada con su movimiento orbital alrededor del núcleo; siendo una carga en movimiento, un electrón se puede considerar como un pequeño circuito cerrado de corriente, generando un campo magnético muy pequeño y teniendo un momento magnético a lo largo de su eje de rotación

El otro momento magnético se forma de la rotación (spin) del electrón el cual se dirige a lo largo del eje de rotación y puede estar hacia arriba ó hacia abajo, según sea la dirección del dirección de rotación del electrón

En cualquier caso, el dipolo magnético o momento magnético debido al spin del electrón es el magnetón de Bohr, µB = 9.27 x 10-24A.m2. el magnetón de Bohr puede ser positivo o negativo dependiendo del sentido de giro del electrón. En una capa atómica llena, los electrones están emparejados con electrones de spin opuesto, proporcionando un momento magnético neto nulo (+µB - µB =0 ) por esta, razón los materiales compuestos de átomos que tienen sus orbitales o capas totalmente llenas, no son capaces de ser permanentemente magnetizados. Aquí se incluyen los gases inertes así como algunos materiales iónicos.

Los tipos de magnetismo incluyen:

1. Diamagnetismo

2. Paramagnetismo

3. Ferromagnetismo

I. Anti ferromagnetismo

II. Ferri magnetismo

Todos los materiales exhiben al menos uno de estos tipos y el comportamiento depende de la respuesta del electrón y los dipolos magnéticos atómicos a la aplicación de un campo magnético aplicado

externamente.

DiamagnetismoDiamagnetismo

El diamagnetismo fue descubierto por Faraday en 1846.

Es una forma muy débil de magnetismo que es no permanente y persiste solo mientras se aplique un campo externo. Es inducido por un cambio en el movimiento orbital de los electrones debido a un campo magnético aplicado.– La magnitud del momento magnético inducido es

extremadamente pequeña y en dirección opuesta al campo aplicado.

– La susceptibilidad magnética es negativa y pequeña y la permeabilidad relativa es entonces ligeramente menor que 1.

– La intensidad de la respuesta es muy pequeña .

Se ilustra esquemáticamente la configuraciones del dipolo magnético atómico para un material diamagnético con y sin campo externo, aquí las flechas representan momentos dipolares atómicos.

ParamagnetismoParamagnetismo

Para algunos materiales sólidos cada átomo posee un momento dipolar permanente en virtud de la cancelación incompleta del spin electrónico y/o de los momentos magnéticos orbitales. En ausencia de un campo magnético externo, las orientaciones de esos momentos magnéticos son al azar, tal que una pieza del material no posee magnetización macroscópica neta. Esos dipolos atómicos son libres para rotar y resulta el paramagnetismo, cuando ellos se alinean en una dirección preferencial, por rotación cuando se le aplica un campo externo.

Estos dipolos magnéticos actúan individualmente sin interacción mutua entre dipolos adyacentes.

Como los dipolos se alinean con el campo externo, ellos se engrandecen, dando lugar a una permeabilidad relativa µr, mayor que la unidad y a una relativamente pequeña pero positiva susceptibilidad magnética. El efecto del paramagnetismo desaparece cuando se elimina el campo magnético aplicado

En los materiales ferromagnéticos los momentos magnéticos individuales de grandes grupos de átomos o moléculas se mantienen alineados entre sí debido a un fuerte acoplamiento, aún en ausencia de campo exterior. Estos grupos se denominan dominios, y actúan como un pequeño imán permanente.

Los dominios tienen tamaños entre 10-12 y 10-8 m3 y contienen entre 1021 y 1027 átomos. Los dominios se forman para minimizar la energía magnética entre ellos. En ausencia de campo aplicado, los dominios tienen sus momentos magnéticos netos distribuidos al azar. Cuando se aplica un campo exterior, los dominios tienden a alinearse con el campo.

FerromagnetismoFerromagnetismo

Este alineamiento puede permanecer en algunos casos de muy fuerte acoplamiento cuando se retira el campo, creando un imán permanente

Las características esenciales del ferromagnetismo son:– Los materiales ferromagnéticos se magnetizan

fuertemente en el mismo sentido que el campo magnético aplicado

– La susceptibilidad magnética es positiva y grande y la permeabilidad relativa es entonces mucho mayor que 1.

– los dominios adyacentes están separados por bordes de dominios ó paredes a través de las cuales cambia gradualmente la dirección de la magnetización

Temperatura de CurieTemperatura de CurieA cualquier temperatura por encima de los 0ºK, la energía térmica hace que los dipolos magnéticos de un material ferromagnético se desvíen de su perfectoalineamiento paralelo. Finalmente, al aumentar la temperatura, se alcanza una temperatura a la cual el ferromagnetismo de los materiales ferromagnéticos desaparece completamente y el material se torna paramagnético. Esta temperatura es denominada temperatura de Curie. Si el material se enfría por debajo de la temperatura de Curie, los dominios ferromagnéticos se vuelven a formar y el material recupera su ferromagnetismo.

AntiferromagnetismoAntiferromagnetismoEn presencia de un campo magnético, los dipolos magnéticos de los átomos de los materiales antiferromagnéticos se alinean por si mismo en direcciones opuestas.

Temperatura de NeelTemperatura de Neel

FerromagnetismoFerromagnetismo

En algunos materiales cerámicos, iones diferentes poseen distinta magnitud para sus momentos magnéticos y cuando estos momentos magnéticos se alinean en forma antiparalela, se produce un momento magnético neto en una dirección.Este tipo de materiales se llaman ferritas. Estas ferritas tienen baja conductibilidad y son útiles para muchas aplicaciones eléctricas.

HistéresisHistéresisPara observar como cambia la cuando el campo aplicado se varia se utiliza normalmente un dispositivo denominada anillo de Rowland

La corriente que circula por este bobinado crea dentro del material un campo magnético H (llamado fuerza magneto motriz = fem). Otro bobinado secundario permite medir el flujo magnético dentro del anillo que es proporcional al campo de inducción magnética B.

Efectos de nanoestructuras desordenadas en propiedades

magnéticas

Efectos de nanoestructuras desordenadas en propiedades

magnéticas• Imanes usados en los transformadores y las máquinas eléctricas rotativas están sujetos a alternar rápidamente los campos magnéticos de AC, entonces ellos repiten su curva de magnetización muchas veces por segundo, causando una pérdida de eficiencia y un aumento de la temperatura del imán.

• El aumento de la temperatura se debe al calentamiento por fricción de los dominios, ya que continuamente varían su orientación. La cantidad de pérdida durante cada ciclo, es decir, la cantidad de energía el calor generado durante el ciclo en torno a un ciclo de histéresis, es proporcional a la zona delimitada por la curva.

Materiales magnéticos blandos y materiales

magnéticos duros

Materiales magnéticos blandos y materiales

magnéticos duros• En estas aplicaciones, los campos coercitivos pequeños o cero son

necesarias para reducir al mínimo el área delimitada. Imanes llamados " materiales magnéticos blandos'‘. Por otro lado, en el caso de los imanes permanentes usados como parte del gran campo de los sistemas, son entonces requeridos grandes campos coercitivas, y el ciclo de histéresis más amplia posible es deseable. Tales son los imanes llamados "imanes duros.

Nanoestructuración de materiales a granel

magnética

Nanoestructuración de materiales a granel

magnética• Cintas amorfas de aleación que tiene la composición:

Preparado por un método de rodillos y sometido a recocido a 673 a 923 K durante una hora en una atmósfera de gas inerte, se compone de granos de hierro de 10 nm de las soluciones sólidas. Estas aleaciones tenía una saturación de magnetización Ms de 1,24 T, un remanente de magnetización MT de 0,67 T, y un campo muy pequeño coercitivo Hc de 0,53 A / m. • Nanoescala amorfa de polvos de aleación Fe69Ni9CO2

con tamaños de grano de 10 a 15 nm preparados por la descomposición de las soluciones de Fe(CO)5 Ni(CO)4 y Cc(NO)(CoO)3 en el disolvente de hidrocarburo decalina (C10H18), en una atmósfera de gas inerte casi no mostró histéresis en la curva de magnetización. 

• La siguiente figura presenta la curva de magnetización para este material. Un material magnético con el grano del tamaño de los momentos magnéticos de dominio único, que no tiene histéresis a cualquier temperatura, se dice que es superparamagnético.

Curva de magnetización reversible de polvos nanométricos de una aleación Ni-Fe-Co que no exhibe histéresis. Una oersted corresponde a 10-4T (tesla).

• Los imanes permanentes más fuertes  conocidos están hechos de neodimio, hierro y boro. Pueden tener magnetización remanente de hasta 1,3 T y campos coercitivos de hasta 1.2 T. El efecto del tamaño de la estructura del grano de nanopartículas en Nd2Fe14B ha sido investigado.

• Los resultados, mostrados en las siguientes figuras indican que en este material el campo coercitivo disminuye significativamente por debajo de 40 nm y el aumento de la magnetización remanente. Otro enfoque para mejorar las curvas de magnetización de este material se ha de hacer composiciones a nanoescala de Nd2Fe14B duro y el blando en una fase de hierro. Las mediciones de los efectos de la presencia de la fase de hierro dulce mezclado con el material duro confirma que el campo remanente se puede aumentar por este enfoque.

Dependencia de la magnetización remanente M, en el d tamaño de partícula de los granos que forman la estructura de un imán de Nd-Fe-B permanente normalizado al

valor Ms (90) para un tamaño de grano de 90 nm. 

La dependencia del campo coercitivo B c en el tamaño granular d de

las partículas de Nd-Fe-8  de imanes permanentes. 

• Se ha demostrado también que el tamaño de las nanopartículas magnéticas influyen en el valor de Ms a la que la magnetización se satura. La siguiente figura muestra el efecto del tamaño de partícula en la magnetización de saturación de ferrita de zinc, que ilustra cómo la magnetización se incrementa significativamente por debajo de un tamaño de grano de 20 nm.

• Resultado: Por lo tanto, la disminución del tamaño de partículas de un material magnético granular puede mejorar considerablemente la calidad de los imanes fabricados a partir de ella.

Dependencia de la magnetización de saturación Ms de ferrita de zinc en el tamaño de las partículas granulares d normalizado al valor M(90) de un grano de 90 nm. 

 

Dinámica de nanoimanesDinámica de nanoimanes

• El estudio de los materiales magnéticos, en particular de las películas hechas de nanoimanes, a veces llamado magnetismo mesoscópico, es impulsado por el deseo de aumentar el espacio de almacenamiento en dispositivos de almacenamiento magnético como discos duros de los ordenadores.

¿En qué consiste?

El mecanismo de almacenamiento de información básica consiste en la alineación de la magnetización en una dirección de una región muy pequeña en la cinta magnética denominada byte.

¿Cómo se logra?¿Cómo se logra?• Para lograr un almacenamiento de 10

gigabytes (10e10 bytes) por pulgada cuadrada, un solo bit sería de aproximadamente 1um de ancho y 70 nm de largo, el espesor de la película podría ser de unos 30 nm.

• Los actuales dispositivos de almacenamiento magnético como discos duros se basan en pequeños cristales de las aleaciones de cromo-cobalto. Una dificultad que surge cuando los bits son menos de 10 nm de tamaño, es que el vector de magnetización puede invertir de manera aleatoria las vibraciones térmicas, en efecto, borrar la memoria. Una solución a esto es utilizar granos de tamaño nanométrico, que tienen mayor magnetización de saturación, y por lo tanto, más fuertes interacciones entre los granos. 

• Un grupo de IBM ha desarrollado un nanograno magnético, FePt, que tiene

una magnetización mucho mayor. 

Método de preparación

1. Las partículas FePt se hicieron en una solución caliente de acetilacetonato de platino y de carbonilo de hierro con un agente reductor añadido.

2. Se agregó ácido oleico como un surfactante  para evitar la agregación de las partículas mediante el recubrimiento con él. 

3. La solución se extiende sobre un sustrato y se deja evaporar, dejando atrás las partículas recubiertas en el substrato. Las películas resultantes delgada se hornean a 560 ° C durante 30 minutos, formando una costra carbonizada dura que contiene 3 nm de partículas FePt. 

• Este tamaño de las nanopartículas magnéticas daría lugar a una densidad de almacenamiento de 150 gigabytes por pulgada cuadrada, que es unas 10 veces mayor que las unidades magnéticas de almacenamiento disponibles en el mercado de almacenamiento.

La casa de Wohlfarth (SW)• Este modelo se ha utilizado para explicar el comportamiento

dinámico de los pequeños granos alargados magnéticos nanométricos.

• Los granos alargados son generalmente utilizados en los dispositivos de almacenamiento magnético.

• El modelo SW postula que, en ausencia de un campo magnético constante elipsoidal, las partículas magnéticas sólo pueden tener dos orientaciones estables para su magnetización, ya sea hacia arriba o abajo con respecto al eje longitudinal de las partículas magnéticas.

• El modelo SW ofrece una simple explicación para muchas de las propiedades magnéticas de pequeñas partículas magnéticas, tales como la forma de la curva de histéresis. 

LimitacionesLimitaciones

• Sobreestima la fuerza del campo coercitivo, ya que permite sólo un camino para conseguirlo.

• El modelo asume que la energía magnética de una partícula es una función de la orientación colectiva de los espines de los átomos magnéticos en la partícula y elefecto del campo magnético aplicado DC.

• Sin embargo, cuando las partículas están en el orden de 6 nm de tamaño, la mayoría de sus átomos están en la superficie, lo que significa que pueden tener propiedades magnéticas muy diferente que las partículas de grano más grande.

Conclusión

El comportamiento dinámico de las partículas magnéticas muy pequeñas es algo más complicado de lo previsto por el modelo de SW, y sigue siendo un tema de investigación continua.