Глава 1. Литературный обзор

1.1. Ферромагнетики

Ферромагнетики – твердые вещества, обладающие самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью при не высоких температурах. В свою очередь это свойство сильно изменяется под влиянием внешних сил - магнитного поля, деформации, изменения температуры. Ферромагнитными свойствами могут обладать только такие вещества, в атомах которых имеются недостроенные внутренние электронные оболочки. Однако это условие является необходимым, но не достаточным. Оказывается, что возможность ферромагнетизма определяется таким правилом: отношение параметра кристаллической решетки к диаметру электронной орбиты, на которой находится электрон с нескомпенсированным спином, должно быть больше 1,5, т.е.

a/ 2R > 1,5 (1)

где a - параметр решетки, R – радиус орбиты электрона с нескомпенсированным спином.

Магнитные поля создаются ферромагнетиками не только вследствие обращения электронов вокруг ядер, но и вследствие их собственного вращения. К ним относятся: сталь, железо, никель, кобальт и др.

Если ферромагнетик не находится во внешнем поле, то суммарный магнитный момент тела равен нулю - ферромагнетик не намагничен. Если внести ферромагнетик во внешнее магнитное поле, то произойдет следующее поворот магнитных моментов части областей в направлении внешнего поля и рост размеров тех областей, направления магнитных моментов которых близки к направлению внешнего поля. В результате ферромагнетик намагничивается.

Ферромагнетизм возникает благодаря особому взаимодействию электронов незаполненных слоев между соседними атомами. Такое взаимодействие называется «обменным», ибо взаимодействующие электроны перестают быть связанными с определенными атомами. Обменное взаимодействие ферромагнитных металлов изотропно: определяет существование и величину спонтанной намагниченности, но не сказывается на направлении вектора намагниченности, которое в свою очередь определяется магнитокристаллической анизотропией материала, которой соответствует поле анизотропии ~10 Тл. Поэтому с помощью внешних магнитных полей того же порядка можно менять направление вектора намагниченности - управлять намного более сильным обменным полем. Внешнее магнитное поле играет роль своего рода реле. Особенность обменного взаимодействия - его короткодействующая природа.

Еще в работе [1] было экспериментально показано, что электронный ток в ферромагнитном металле поляризован по спину. Поляризация же тока обеспечила возможность управления переносом спинов в ферромагнитных структурах с помощью магнитных полей.

Рис. 1. Магнитная структура ферромагнитного материала.

Ферромагнетизм имеет спиновую природу, [2] т.е. обусловлен спиновыми магнитными моментами электронов атомов ферромагнетика. В атоме электроны распределяются по слоям, в каждом, в соответствии с квантовым принципом запрета Паули, может находиться не больше определенного числа электронов. Электроны распределены по слоям и оболочкам в них, так что энергия атома была самой маленькой. В результате, магнитные моменты всех электронов, находящихся в целиком заполненной ими оболочке или слое атома, равны нулю. Атомы элементов, обладающих ферромагнитными свойствами (Fe, Co, Ni) - в этих атомах нарушается последовательность заполнения электронами мест в слоях и оболочках. Прежде чем полностью «застроится» нижний слой, начинается заполнение выше расположенного слоя.

Таким образом, в переходе атома не полностью заняты электроны внутренних слоев и оболочек. В свою очередь - спины электронов, принадлежащих к каждой оболочке, могут быть направлены в двух противоположных направления.

При выключении внешнего магнитного поля ферромагнетик [3] остается намагниченным, т.е. создает магнитное поле в окружающем пространстве.

Упорядоченная ориентация элементарных токов не исчезает и после прекращения внешнего магнитного поля.

Френкель Я. и Гейзенберг В. (1928), показали, что самопроизвольная намагниченность может быть следствием взаимодействия электрических электронов. Появление спонтанной намагниченности за счет электрических сил не возможно объяснить с точки зрения классической физики. Само существование спина у электрона является «неклассическим».

Собственный вращательный момент (момент импульса) электрона называется спином. Электроны всегда как бы вращаются вокруг своей оси и, обладая зарядом, создают магнитное поле наряду с полем, появляющимся за счет их орбитального движения вокруг ядер. В ферромагнетиках существуют области с параллельными ориентациями спинов, называемые доменами; размеры доменов порядка 0,5 мкм. Параллельная ориентация спинов обеспечивает минимум потенциальной энергии. Если ферромагнетик не намагничен, то ориентация доменов хаотична, и суммарное магнитное поле, создаваемое доменами, равно нулю. При включении внешнего магнитного поля домены ориентируются вдоль линий магнитной индукции этого поля, и индукция магнитного поля в ферромагнетиках увеличивается, становясь в тысячи и даже миллионы раз больше индукции внешнего поля.

При выключении внешнего магнитного поля ферромагнетик остается намагниченным, т. е. создает магнитное поле в окружающем пространстве. Это объясняется тем, что домены не возвращаются в прежнее положение. Домен – это область кристалла размером 10^-4 - 10^-6 м, где магнитные моменты атомов ориентированы параллельно определенному кристаллографическому направлению. Между доменами имеются переходные слои (доменные стенки) шириной 10^-7 - 10^-8 м, внутри которых спиновые магнитные моменты постепенно поворачиваются и ориентация частично сохраняется. Намагниченность монокристалла ферромагнетика анизотропна.

Для монокристаллических образцов магнитная восприимчивость зависит от направления магнитного поля (магнитная анизотропия).

При циклическом перемагничивании образуется петля гистерезиса:

Br – остаточная магнитная индукция, Hc – коэрцитивная сила.

Рис. 2. Кривая магнитного гистерезиса.

Площадь петли гистерезиса характеризует потери на гистерезис.

У магнитомягких (Hc< 4 кА/м) материалов петля гистерезиса узкая (используются в основном для сердечников электротехнического оборудования). Магнитотвердые материалы имеют широкую петлю гистерезиса (используются для постоянных магнитов, систем носителей информации).

Магнитный гистерезис - неоднозначная (необратимая) зависимость намагниченности M магнитоупорядоченного вещества от внешнего магнитного поля H при его циклическом изменении (увеличении и уменьшении). Общей причиной существования гистерезиса является наличие в определенном интервале изменения Н среди состояний магнетика, отвечающих минимуму термодинамического потенциала, метастабильных состояний (наряду со стабильными) и необратимых переходов между ними.

Как известно, форма петли гистерезиса и наиболее важные характеристики существенно зависят от химического состава вещества, его структурного состояния и температуры, от характера и распределения дефектов в образце, а, следовательно, и от деталей технологии его приготовления и последующих физических обработок (тепловой, механической, термомагнитной и др.). Вследствие магнитного гистерезиса при одном и том же значении магнитного поля намагниченность образца может иметь различные значения, которые зависят не только от напряженности магнитного поля, но и от предыстории образца. Варьируя обработку, можно существенно менять гистерезисные характеристики и вместе с ними свойства магнитных материалов. В чистых, практически бездефектных плёнках петля гистерезиса очень узкая и наклонённая. Увеличение остаточной намагниченности ведет к уменьшению порогового значения магнитного поля переключения проводимости структуры. Это приближает подложку к технически насыщенному состоянию.