Микромагнитная структура мелких частиц

Как уже неоднократно отмечалось, ММС зависит от толщины образца. Размер домена коррелирует с толщиной образца. В частности, для доменов, изображенных на рис. 6.3а,б,в, ширина доменов пропорциональна корню квадратному из толщины образца d ~√h. Поэтому, естественно ожидать, что по мере уменьшения размеров кристалла без изменения его формы размер домена уменьшается более медленно, чем размер частицы. В конечном счете, образуется однодоменная структура.

Э

Рис. 8.10. ММС мелких частиц Ba-феррита (коллоидная сканрующая электронная микромкопия) [11].

тот процесс проиллюстрирован на рис. 8.10а,б, где показана микромагнитная структура микрочастиц Ba-феррита [11]. На рисунке видно, что большие кристаллы на рис. 8.10а являются многодоменными, а малые кристаллы рис. 8.10б имеют однодоменную магнитную структуру.

Рассмотрим сферическую ферромагнитную частицу радиуса r. Если эта частица разделена на домены шириной d, рис. 8.10в, то полная энергия доменных стенок грубо можно оценить как

U_w = σ (2/3)(πr²) 2r/3d = σ (πr²) 4r/3d. (8.12)

С другой стороны, магнитостатическая энергия по грубым оценкам должна быть равной

U_m = [(I_s²/6μ₀) (4/3)πr³] (d/2r) = (π I_s² r³ /9μ₀) d. (8.13)

Полная сумма, U = U_w + U_m, (8.14)

минимизируется условием ∂U/∂d, что приводит к

d = (12σμ₀r/I_s²)^1/2. (8.15)

Т.е., аналогично обсуждавшейся зависимости ММС от толщины, размер доменов уменьшается пропорционально корню квадратному из радиуса r частицы. Так что число доменов r/d будет уменьшаться как √r с уменьшением размера частицы с образованием однодоменной частицы при радиусе r_c, таком, что d = 2r_c, т.е.,

2r_c = (12σμ₀r_с/I_s²)^1/2, (8.16)

что дает r_c = 3σμ₀/I_s². (8.17)

Для железа I_s = 2.15 Тл, σ = 1.6 10^-3 Дж/м² (μ₀=4π10^-7 (Гн м)^-1), что дает r_c = 1.3 нм.

Возможность однодоменной магнитной структуры была предсказана в 1930 г. Френкелем и Дорфманом [12]. Однодоменными могут быть не только ферромагнитные частицы, но и тонкие проволоки и тонкие пленки.

IX. Микромагнетизм нанокристаллических ферромагнетиков

До сих пор мы рассматривали микромагнитные структуры кристаллических систем, подразумевая кристаллы, в основном, большого размера, больше чем размер домена. В главе VIII мы видели, что частицы малого размера могут быть однодоменными. При этом подразумевалось, что частицы являются магнитно- изолированными. Каковы будут магнитные свойства и микромагнитная структура поликристалла с малым размером зерна? Аморфного магнетика? В главе V мы отмечали, что эффект Баркгаузена и коэрцитивная сила ферромагнетика могут быть связаны с наличием дефектов, препятствующих свободному движению доменных границ. Если это так, то не будут ли границы зерен в поликристалле, и, тем более, в нанокристалле при их очень высокой плотности еще больше тормозить движение доменных стенок, резко повышая коэрцитивную силу?

Действительно, исторически системы с малоразмерными частицами обсуждались в основном как магнитожесткие материалы (см.,например, [1]). Применение нанокристаллических микроструктур на базе сплавов NdFeB, PrFeB, SmCo и т.д. для жестких магнитов исследуется и в настоящее время (например, [2-4]). Соответственно, магнитомягкие свойства - низкую коэрцитивность и высокую магнитную проницаемостью, старались получить в материалах с размером зерна как можно большим (см, например, [5]).

Ситуация начала изменяться с развитием исследований аморфных магнитомягких материалов [6] и особенно после того, как было обнаружено, что нанокристаллические материалы с ультрамалым размером зерна обладают превосходными магнитомягкими свойствами [7,8] в сочетании с высокой намагниченностью насыщения порядка M_s ≈1.2 Тл. Исследования показали [8,9], что, действительно, коэрцитивность растет с уменьшением размера зерна, но только до D~100 нм. При дальнейшем уменьшении D - коэрцитивность падает, в хороших магнитомягких материалах, называемых ультрамагнитомягкими, ниже 1 Э при размере зерна меньше 10 нм, рис. 9.1а. Соответственно, магнитная п

Рис.9.1. Коэрцитивная сила и магнитная проницаемость в зависимости от размера зерна [8].

роницаемость растет в нанокристаллических ультрамагнитомягких ферромагнетиках, достигая 10⁵ при D≈1нм, рис. 9.1б. Для получения ультрамагнитомягких материалов используются различные методы осаждения тонких пленок, а также методы резкого охлаждения жидкого расплава, например, на холодном вращающемся диске.