Opakovanie z 5. lekcie

Úvod do nanofotoniky • Čomu sa venuje vedný odbor fotonika?

• K čomu v mikroelektronike slúži plazmónový vlnovod a akú výhodu prináša?

• Čím sa líši mechanizmus rozptylu svetla na kovových nanočasticiach od polovodičových kvantových bodiek?

• Je možné, aby svetlo prešlo skrz pravidelnú kovovú mriežku s otvormi menšími ako je vlnová dĺžka svetla? Ak áno, ako bude vyzerať difrakčný obraz na svetla, ktoré prešlo skrz takúto mriežku?

• Čo je to fotonický kryštál a čo je príčinou výrazných , resp. dúhových farieb mnohých druhov motýľov, hmyzu, vtáčích pier alebo opálov?

• Načrtnite, ako by vyzeral lom svetla na rozhraní s metamateriálom so záporným indexom lomu n.

• Z čoho je možné vyrobiť tzv. dokonalú šošovku (super lens), pre ktorú neplatí obmedzenie dané difrakčným limitom?

• Formulujte aspoň 2 dôvody pre ktoré sú kvantové bodky populárne v aplikáciách fluorescenčnej mikroskopie.

F3370 – Úvod do nanotechnológií 2015

Lekcia 6

Nanomagnetizmus

Úvod do magnetizmu látok

• Hans Christian Ørsted (Dánsko) objavil v r.1820, že elektrický prúd (tzn. elektrický náboj v pohybe) vyvoláva vo svojom okolí magnetické pole. Matematický popis tohto javu poskytuje Biot-Savartov-Laplaceov zákon, resp. Maxwellove rovnice.

• Magnetizmus látok teda musí spôsobovať pohyb náboja. Hlavnými zdrojmi tohto pohybu sú: (A) Pohyb elektrónu po atómovom orbitále (orbitálny magnetický moment)

(B) Rotácia elektrónu okolo osi (spin magnetický moment), cca 2x viac ako (A)

• Magnetické polia vyvolané týmto pohybom sa sčítajú, príspevok spinu je významnejší

Jadro

alebo

Smer elektrónového

spinu

Smer prúdu

Smer pohybu elektrónu

Pozn. Stern-Gerlachov experiment

Ag

Elektrónový obal niektorých prechodových kovov. Význam spinu.

kov 4s 3d m (µB)

Sc 0.0

Ti 1.62

V 2.02

Cr 3.58

Mn 4.77

Fe 4.30

Co 2.93

Ni 1.99

Cu 0.96

C.-H. Chien et al. / Journal of Magnetism and Magnetic Materials 282 (2004) 275–278

Vzťahy a jednotky

Silové účinky v okolí prúdového zdroja magnetického poľa (napr. magnetickej cievky) popisujeme pomocou vektora:

H [A/m] – intenzita magnetického poľa (magnetic field strength)

Pri popise vplyvu materiálu je výhodnejšie použiť vektor:

B [T] – magnetická indukcia (magnetic induction or magnetic field flux), pričom platia vzájomné vzťahy:

B = μoH + μoM

B = μoH + μoχH = μo(1+χ) H= μo μr H

M – vektor magnetizácie [A/m] - pole od zmagnetizovaného materiálu

μo – permeabilita vákua (4π.10-7 V.s/A.m); μr – relatívna permeabilita; χ – magnetická susceptibilita (výhodná pri skúmaní malého vplyvu materiálu na magnetické pole, tj. keď μr 1. Môže byť aj záporná).

Pozn. 1 Tesla odpovedá cca 800 kA.m-1

pole na zemskom povrchu je 25-65 μT

Lorentzova sila: Fmag= q (v x B)

=

Vektor magnetizácie M

Pole v okolí prúdovej slučky

Magnetický moment prúdovej

slučky m=IS [A.m2]

Orbitálový pohyb Magn. moment spinu

morb

mspin

Bohrov magnetón:

µB=eħ/(2me) Najmenšie kvantum elektrónového magnetického momentu

Ak vložíme látku do magnetického poľa s intenzitou H, točivým účinkom momentu silu rovným m x B sa "slučky" natočia tak, aby m a B boli rovnobežné. M je definovaný ako vektorový súčet magnetických momentov m na jednotku objemu:

ms=±1/2, sekund. spinové kvant. číslo

H

1. Diamagnetické materiály

• Materiály so spárovanými elektrónmi, takže samé od seba nevytvárajú magnetické pole.

• Vonkajšie magn. pole čiastočne zdeformuje orbitály, takže vo vnútri diamagnetika sa magnetické pole zoslabí.

• χ = -10-6 – 10-6

• Priemyselne nemajú vlastnosti diamagnetík významné uplatnenie

C.B. Carter: Ceramics Materials, 2007

Poznáme 5 základných typov magnetických materiálov: diamagnetické, paramagenetické, feromagnetické, antiferomagnetické a ferimagnetické.

2. Paramagnetické materiály

• Materiály s nespárovanými elektrónmi, ale s nezávislými m. Žiadne kolektívne interakcie medzi m.

• Magnetická susceptibilita χ je kladná, tzn. pôsobením vonkajšieho poľa sa spinové momenty natočia a pole zosilnia.

• Ani paramagnetismus nemá zatiaľ významné priemyselné uplatnenie

Feromagnetizmus

Rovnako ako v paramagnetizme je potrebné mať nespárované elektróny. Na rozdiel od paramagnetík sa však susedné m ovplyvňujú a na vonkajší magnetický podnet reagujú kolektívne.

3. Feromagnetické látky, spinové magn. momenty sa orientujú súhlasne: . Navonok vykazujú veľmi silný magnetizmus. Príklady materiálov: Fe, Co, Ni, Gd, EuO, CrO2, Nd2Fe14B (neodýmový magnet)

4. Antiferomagnetické látky, spin magn. momenty sa orientujú antiparalelne, tj. : . Navonok vykazujú slabý magnetizmus, hoci μr>1. Príklady: CoO, NiCo, FeO, CoF3, FeF3, NiO:

„Hybridizácia orbitálov“ – Supervýmena. NiO, vďaka prekryvu s O orbitálom majú susedné Ni opačný spin.

5. Ferimagnetizmus

• Nastane, keď kryštál obsahuje dve podmriežky s antiparalelne orientovanými magn. momentami o rôznej veľkosti. Momenty sa vyrušia iba čiastočne a materiál sa vyzvačuje priestorovým poľom magnetizácie M.

• Väčšina týchto materiálov (feritov) sú elektrické izolanty, čo je výhodné pri vysokofrekvenčných aplikáciách

• Príklady materiálov: Fe3O4, YFe5O12(YIG), CoFe2O4, BaFe12O19, TbFe2, GdCo5

Vzorový príklad: Magnetit Fe3O4

alebo FeIII(FeIIFeIII)O4

FeII (4µB) a FeIII (5µB)

FeIII (5µB)

Magnetické domény

• Feromagnetické a ferimagnetické materiály sa skladajú z malých oblastí, tzv. domén, s rovnakým smerom magnetizácie. V nezmagnetizovanom stave môže byť celkový M=0, viď. Obrázok

• Rozhranie medzi doménami sa volá Blochova stena, hrúbka cca 100nm.

• Keď sa materiál vystaví vonkajšiemu magnetickému poľu, hranice domén sa začnú pohybovať, dokonca aj zväčšovať. Proces nie je vratný – hysterézna slučka (smyčka).

Hysterézna slučka saturácia

saturácia

Br – zvyšková, remanentná indukcia = permanentný magnet Hc – koercívna intenzita, odolnosť proči premagnetizovaniu

Materiál sa vráti do bodu 0,0 po zahriatí na Courieho teplotu Tc

-Hc Hc externé mg. pole

Tvrdé a mäkké ferity

Tvrdé

Veľké Hc a Br. Takmer výlučne na výrobu permanentných magnetov (motory, zámky, kreditky…)

Mäkké

Malé Hc ale veľké M (čiže μr). Domény sú schopné rýchlo reagovať na zmeny magnetického poľa. Využitie hlavne v transformátorových jadrách, magnetické záznamové média.

Tvrdé

Mäkké

Magnetický záznam dát Požiadavky na materiál:

• Hc veľké aby udržalo dáta, ale nie príliš, aby sa dali zmazať

• Malé + lacné = homogénne rozložené ihlicovité častice + chemicky stabilné.

Zapisovacia hlava

Záznam informácie

Významné magnetické nanoštruktúry

1D (a) tenká vrstva; (b) tenké multivrstvy

2D (c) sústava nanodrôtov; (d) ihličkové častice

3D (e) nanočastice; (f) nanokompozity; (g) tenkovrstevné záznamové médium; (h) nanokontakt

Magnetické nanočastice

• Zmenšovaním feromagnetík sa dostaneme až na rozmer magnetickej domény. Pozorujeme nové vlastnosti.

• Superparamagnetizmus – vďaka malým rozmerom je tepelná energia dostatočne veľká, aby „otočila“ spin elektrónu. Usporiadané spiny v doméne sa „rozhádžu“. Výskum smeruje hlavne k potlačeniu tohto javu, pre dosiahnutie väčšej hustoty ukladania dát.

• Aplikácie: ferokvapaliny, medicínska diagnostika...

Magnetické nanočastice pokryté špecifickou protilátkou sa viažu na daný vírus a vytvoria klastre, dostatočne veľké na pozorovanie napr. NMR alebo MRI.

Nanokryštalické permanentné magnety.

Ferokvapaliny

• Ferokvapaliny - Stabilné koloidné systémy monodoménových častíc v kvapalnom nosiči (voda, olej…). Stabilitu dosiahne vhodný obal nanočastice.

• Aplikácie: Tesnenia - olejová ferokvapalina + vhodný magnet tesní daný priestor. Vákuum, ložiská…; Zobrazovanie; Výskum aplikácií v medicíne, napr. očná chirurgia:

JP Dailey J. of Magnetism and Magn. Mat. 194 (1999) 140-148

Odchlípenie sietnice

Tesnenie

Obria magnetorezistivita / Giant magnetoresistance GMR

• Multivrstvová nanomagnetická štruktúra

• 1988 objav GMR, revolúcia v spôsobe magnetického ukladania dát

• 2007 Nobelova cena pre Albert Fert (F) a Peter Grünberg (D)

Tenká vrstva elektricky vodivého materiálu (napr. Cu, na obr. šedá farba) vzájomne oddeľuje dve feromagnetické vrstvy. Hrúbka (tloušťka) všetkých vrstiev je menšia než je stredná voľná dráha elektrónu vo vodivom materiáli (cca 100nm). V závislosti od smeru magnetizácie magnetických vrstiev sa dramaticky zmení elektrický odpor (viac ako 80%) naprieč vrstvami.

Mechanizmus GMR – Mottova teória

• Elektrický prúd v kovoch je možné rozdeliť na prúd vedený elektrómni s spinom a spinom a ich pohyb charakterizovať pomocou odporu (rezistivity) ρ.

• Feromagnetický materiál sa vyznačuje nadbytkom jedného typu spinu.

• Pohybujúci sa elektrón so spinom s rovnakou orientáciou voči feromagnetickému materiálu, nemá dostatok hladín, na ktoré by mohol zrelaxovať a preto jeho zrážky pri pohybu budú pružné. Pri pohybe nestráca energiu.

• Opačne orientovaný spin elektrónu umožní pohyb s častými nepružnými zrážkami

a teda stratu pohybovej energie (väčší elektrický odpor)

Zhodne

orientované magnetizácie

vrstiev umožnia jednému typu

spinu prejsť bez zrážok.

Opačne orientované magnetizácie diskriminujú obidva typy spinov.

Tsymbal, EY, Solid State Physics 56, pp. 113-237

Využitie GMR

• Čítacia hlava pevného disku, 10-100 Gb/inch

S.M. Lindsay: Introduction to nanoscience, 2010

Antiferomagnetická výmenná vrstva spolu s permanentným magnetom (Hard bias) udržuje konštatný smer magnetizácie vo vrstve Co. Smer magnetizácie magneticky mäkkého NiFe sa mení v závislosti od smeru magnetizácie zapísanom na záznamovom médiu. Zmena rezistivity je monitorovaná prúdom I.

Zapisovacia hlava Čítacia hlava

Spinotronika / spintronics

• Elektronika transportu spinu / magnetoelektronika

• GMR už používame. MRAM úspešne overené

• V súčasnosti sa vyvíjajú nové polovodičové súčiastky využívajúce spiny. Pridanie novej funkcionality vyplývajúcej z možnosti sledovať polohu spinu k existujúcim polovodičovým súčiastkam by umožnilo pokročiť v miniaturizácii (resp. integrácii) el. obdvodov.

– Výskum spin-závislých javov

– Polovodičové feromagnetiká

– Spinové polarizátory

– Spinové injektory, doba života spinov

– Manipulácia spinov (B, E, svetlo)

MRAM – magnetoresistive ramdom-access memory. Ponúka rýchlosť, nízku spotrebu a neobmedzenú výdrž. 2 feroelektrické vrstvy oddelené dielektrikom = Magnetický tunelový prechod (magnetic tunneling junction).

A. Fert, Europhysics news, Nov/Dec 2003, p.227

Magnetické zobrazovanie • MFM – magnetic force microscopy, hrot pokrytý feromagnetikom umožní

sledovať až magnetickú spinovú interakciu.

• Magneticky ladené fotonické kryštály v koloidných roztokoch superparamagnetických

častíc

A.Schwarz: Nano Today, 3(1-2), Feb-Apr 2008

Remanentná doménová štruktúra vrstvy La0.7Sr0.3MnO3. Vzorka 4 μm × 4 μm vytvorená pri 5,1 K v konštantnej výške (h = 24 nm) Svetlé a tmavé oblasti odpovedajú paralelnej a antiparalelnej orientácii B vzhľadom na hrot.

Ge J. (2007): Angew. Chem. Int. Ed., 46: 7428–7431

Oblasť ladenia cez B

Zhrnutie • Spinová magnetizácia

– Magnetické vlastnosti látok je možné vysvetlovať pomocou nespárovaných elektrónovývh spinov v štruktúre látky. Oblasti s rovnakým smerom magnetizácie sa nazývajú domény.

• Rozdelenie magnetík

• Nanomagnetizmus.

– Uplatnenie zatiaľ našli magnetické nanočastice (ferokvapaliny, biosenzory) a tenké vrstvy (GMR, MTJ). Veľké očakávania od spinotroniky.

-1 -10-4 -10-2 0 10-4 10-2 1 102 104 106

Magnetická susceptibilita χ

Ferromagnetické látky Para

mag

net

iká

An

tife

rom

agn

etik

á

Dia

mag

net

iká

Sup

ervo

dič

e