3. Магнітні властивості наноструктурованих об'ємних матеріалів.

3.1 Вплив наноструктурування об'ємного матеріалу на магнітні властивості (використання явища суперпарамагнетизму).

Різні застосування магнітних матеріалів вимагають різних типів кривої намагнічування і її характеристик. Матеріали, що використовуються в трансформаторах і обертових електричних машинах, а також у запам'ятовуючих пристроях, піддаються впливу швидко змінного магнітного поля, так що їм доводиться перемагнічуватися багато разів у секунду. Це приводить до втрати ефективності і нагрівання матеріалу. Нагрівання є наслідком внутрішнього тертя, що виникає при безупинній переорієнтації магнітних доменів. Величина втрат енергії в кожному циклі, що виділяється у вигляді тепла, пропорційна площі, що обмежується петлею гистерезиса. Для подібного використання необхідні матеріали з малою чи близькою до нуля коерцитивною силою, що зменшує площу петлі. Такі матеріали називають магнітом’якими.

З іншого боку, постійні магніти, що використовуються для створення сильних магнітних полів, повинні володіти великою коерцитивною силою, тобто широкою петлею гистерезиса. Такі матеріали називають магнітожорсткими. Для них також вимагаються великі значення насичення намагніченості.

3.2 Явище супермагнетизму.

Наноструктуровання об'ємних магнітних матеріалів може застосовуватися для створення матеріалів із заданим видом кривої намагнічування і відповідно приводити до поліпшення тих чи інших магнітних властивостей.

Згадаємо, як відбувається намагнічування феромагнітних частинок у міру зменшення їхніх розмірів:

Поки частинка має багатодоменну структуру, її взаємодія з зовнішнім магнітним полем зводиться до зсуву границь між доменами.

В міру наближення феромагнітних частинок до однодоменного стану основним механізмом перемагнічування стає обертання більшості магнітних моментів окремих атомів, що вимагає більшої витрати енергії. Таким чином, перехід частинок в однодоменний стан ( супроводжується збільшенням коерцитивної сили до максимального значення.

Подальше зменшення розміру частинок до d=10 нм і менше приводить до різкого падіння коерцитивної сили до нуля в зв'язку з тим, що магнітні моменти однодоменних частинок можуть мимовільно змінювати свій напрямок під дією теплових флуктуацій. Таким чином, відбувається перехід з феромагнітного стану в парамагнітний. Цей ефект зветься суперпарамагнетизмом.

Таким чином, коерцитивна сила залежить від розмірів кластера.

3.3 Феромагнітні властивості феромагнітних аморфних сплавів.

Великий інтерес у зв'язку з цим мають магнітні властивості феромагнітних аморфних сплавів. Розвиток наноструктури в аморфному сплаві припускає сполучення високої швидкості утворення центрів кристалізації і малої швидкості їхнього росту. Шляхом кристалізації таких сплавів отримують нанокристалічні сплави з розміром нанокристалітів 8÷10 нм. Наприклад, стрічки аморфного сплаву зі сполукою , отримані методом швидкого охолодження на холодному барабані і відпалені при температурах від 673 до 923 К протягом 1години в атмосфері інертного газу, складаються з твердого розчину наночастинок заліза розміром 10 нм. Такий сплав має дуже низьку величину .

Кристалізація аморфних сплавів дозволяє одержувати не тільки магнітом’які, але і магнітожорсткі матеріали. Так кристалізація при 873 К протягом години аморфного м'якого магнітного сплаву з первісною дає наноструктуровані сплави з розмірами нанокристалітів 50÷200 нм і . Велика швидкість кристалізації сприяє утворенню менших частинок, але більшої густини дефектів, а звідси, і більшої Н_С . Кристалізація цього сплаву протягом 10 с при 923⁰ С дає сплав з розмірами нанокристалітів 15÷50 нм і і .

Залежність коерцитивної сили від густини дефектів може бути використана для твердотільних наноструктурованих матеріалів. Низькотемпературний відпал таких матеріалів буде приводити до зменшення Н_С при незмінному розмірі кластерів за рахунок відпалу дефектів. Високотемпературний відпал веде до зменшення Н_С за рахунок укрупнення кластерів і появи багатодоменної структури.

Дослідження наноструктури і магнітного гистерезиса нанокристалічних Ni і Co показують, що коерцитивна сила пластично деформованих металів за рахунок більшої кількості дефектів у кілька разів вище, ніж для вихідних матеріалів.

Розмір наночастинок може впливати не тільки на коерцитивну силу, але і на намагніченість насичення. Наприклад, для цинкового ферріта намагніченість насичення істотно зростає для зерен з розмірами менше 20 нм. Таким чином, зменшуючи розмір наночастинок магнітного матеріалу, можна істотно поліпшити якість вироблених з них магнітів.