3. Динамика наномагнитов
Изучение магнитных материалов, преимущественно пленок из наноразмерных магнитных частиц, иногда называемое мезоскопическим магнетизмом, подогревается желанием увеличить емкость магнитных накопителей информации, таких как жесткие диски компьютеров. Основной механизм хранения информации включает в себя намагничивание в определенном направлении очень малой области магнитного носителя, называемой битом. Для достижения плотности хранения 10 Гигабит (1010 бит) на квадратный дюйм отдельный бит должен занимать место длиной 70 нм и шириной 1 мкм. Толщина пленки должна составлять около 30 нм. Существующие магнитные устройства хранения информации, такие как жесткие диски, основаны на крошечных кристаллах сплава хрома и кобальта. Одна из сложностей, возникающих при размерах бита менее 10 нм, состоит в том, что вектор намагниченности может поменять направление под действием тепловых флуктуаций, по сути, стирая память. Одно из решений этой проблемы состоит в использовании наноразмерных зерен с большими значениями намагниченности насыщения, и, следовательно, с более сильным взаимодействии между зернами. Группа в IBM получила магнитные нанозерна FePt с намного большим значением намагниченности. Частицы FePt получались при нагреве раствора ацетилацетоната платины и карбонила железа с добавлением восстановителя. В качестве поверхностно-активного вещества также использовалась олеиновая кислота, покрывающая частицы и препятствующая их агрегации. После распыления раствора на подложку он испарялся, оставляя на ней пассивированные частицы. Получившаяся в результате этой операции тонкая пленка затем в течение 30 минут выдерживалась при температуре 560 °С, что приводило к образованию твердого углеродного слоя, содержащего 3-х нанометровые частицы FePt. Такой размер магнитных наночастиц может привести к плотности записи в 150 Гигабайт на квадратный дюйм, то есть примерно в 10 раз плотнее, чем в ныне существующих коммерчески доступных носителях.
Рис. 1.6. Зависимость коэрцитивного поля Нс от размера частиц Nd-B-Fe постоянного магнита.
Рис. 1.7. Зависимость намагниченности насыщения Ms цинкового феррита от размера частиц d, отнесенной к значению Мs(90) для зерен размером 90 нм.
Когда размеры магнитных наночастиц становятся столь малыми, магнитные вектора атомов в присутствии внешнего магнитного поля ориентируются одинаково в пределах зерна, устраняя сложности, возникающие из-за наличия доменных стенок и соседствующих областей с разными направлениями намагниченности. Рассмотрим динамику поведения системы вытянутых наноразмерных магнитных частиц в рамках модели Стоуна-Вольфарта. Обычно в магнитных носителях используются именно вытянутые зерна. В этой модели предполагается, что в отсутствие магнитного поля эллипсоидальные зерна имеют только два возможных устойчивых направления магнитного момента: вверх или вниз по отношению к длинной оси магнитной частицы, как показано на рис. 1.8. Зависимость магнитной энергии от ориентации вектора магнитного момента представляет собой симметричную потенциальную яму с двумя минимумами, разделенными потенциальным барьером. Под действием тепловой флуктуации частица может поменять ориентацию магнитного вектора в соответствии с термоактивационным уравнением Аррениуса, из которого следует, что вероятность переориентации Р пропорциональна
где Е — высота энергетического барьера, отделяющего две ориентации. Частица также может с гораздо меньшей вероятностью поменять свою ориентацию посредством квантовомеханического туннелирования. Это может наблюдаться, когда тепловая энергия квТ много меньше высоты барьера. Туннелирование — чисто квантовомеханический эффект, возникающий вследствие того, что решение волнового уравнения этой системы дает небольшую вероятность изменения магнитного состояния с направления «вверх» на направление «вниз». Во внешнем магнитном поле потенциал меняется, как показано на рис. 1.8 пунктирной линией, и при достижении полем значения, равного коэрцитивной силе, один из уровней становится неустойчивым.
Эта модель дает простое объяснение многим магнитным свойствам маленьких магнитных частиц, например форме петли гистерезиса. Однако у такой теории есть и свои ограничения. Она переоценивает величину коэрцитивного поля, так как в ней возможен только один способ переориентации. Магнитная энергия частиц в модели является функцией коллективной ориентации спинов магнитных атомов, составляющих частицу, и внешнего магнитного поля. В описанной модели принимается простейшая (линейная) зависимость магнитной энергии частиц от их объема. Однако, когда размер частиц приближается к 6 нм, большинство атомов находится на поверхности. Это означает, что они могут иметь магнитные свойства, сильно отличающиеся от параметров больших частиц. Показано, что обработка поверхности наночастиц α-железа длиной 600 нм и шириной 100 нм различными химическими веществами приводит к изменению коэрцитивной силы до 50%, что подчеркивает важную роль поверхности наноразмерных магнитных частиц в формировании магнитных свойств зерна. Таким образом, динамическое поведение очень малых магнитных частиц несколько более сложно, чем следует из рассмотренной модели Стоуна-Вольфарта, и остается предметом исследований.
Рис. 1.6. Зависимость коэрцитивного поля Нс от размера частиц Nd-B-Fe постоянного магнита.
Рис. 1.7. Зависимость намагниченности насыщения Ms цинкового феррита от размера частиц d, отнесенной к значению Мs(90) для зерен размером 90 нм.
Когда размеры магнитных наночастиц становятся столь малыми, магнитные вектора атомов в присутствии внешнего магнитного поля ориентируются одинаково в пределах зерна, устраняя сложности, возникающие из-за наличия доменных стенок и соседствующих областей с разными направлениями намагниченности. Рассмотрим динамику поведения системы вытянутых наноразмерных магнитных частиц в рамках модели Стоуна-Вольфарта. Обычно в магнитных носителях используются именно вытянутые зерна. В этой модели предполагается, что в отсутствие магнитного поля эллипсоидальные зерна имеют только два возможных устойчивых направления магнитного момента: вверх или вниз по отношению к длинной оси магнитной частицы, как показано на рис. 1.8. Зависимость магнитной энергии от ориентации вектора магнитного момента представляет собой симметричную потенциальную яму с двумя минимумами, разделенными потенциальным барьером. Под действием тепловой флуктуации частица может поменять ориентацию магнитного вектора в соответствии с термоактивационным уравнением Аррениуса, из которого следует, что вероятность переориентации Р пропорциональна
где Е — высота энергетического барьера, отделяющего две ориентации. Частица также может с гораздо меньшей вероятностью поменять свою ориентацию посредством квантовомеханического туннелирования. Это может наблюдаться, когда тепловая энергия квТ много меньше высоты барьера. Туннелирование — чисто квантовомеханический эффект, возникающий вследствие того, что решение волнового уравнения этой системы дает небольшую вероятность изменения магнитного состояния с направления «вверх» на направление «вниз». Во внешнем магнитном поле потенциал меняется, как показано на рис. 1.8 пунктирной линией, и при достижении полем значения, равного коэрцитивной силе, один из уровней становится неустойчивым.
Эта модель дает простое объяснение многим магнитным свойствам маленьких магнитных частиц, например форме петли гистерезиса. Однако у такой теории есть и свои ограничения. Она переоценивает величину коэрцитивного поля, так как в ней возможен только один способ переориентации. Магнитная энергия частиц в модели является функцией коллективной ориентации спинов магнитных атомов, составляющих частицу, и внешнего магнитного поля. В описанной модели принимается простейшая (линейная) зависимость магнитной энергии частиц от их объема. Однако, когда размер частиц приближается к 6 нм, большинство атомов находится на поверхности. Это означает, что они могут иметь магнитные свойства, сильно отличающиеся от параметров больших частиц. Показано, что обработка поверхности наночастиц α-железа длиной 600 нм и шириной 100 нм различными химическими веществами приводит к изменению коэрцитивной силы до 50%, что подчеркивает важную роль поверхности наноразмерных магнитных частиц в формировании магнитных свойств зерна. Таким образом, динамическое поведение очень малых магнитных частиц несколько более сложно, чем следует из рассмотренной модели Стоуна-Вольфарта, и остается предметом исследований.