ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΠΟΛΥΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΟΤΗΤΑΣ ΤΟΥ ΦΛΟΙΟΥ ΣΤΗ ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΝΑΝΟΣΥΡΜΑΤΩΝ Co/CoO. Πατσόπουλος Αριστοτέλης

Transcript

1 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΠΟΛΥΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΟΤΗΤΑΣ ΤΟΥ ΦΛΟΙΟΥ ΣΤΗ ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΝΑΝΟΣΥΡΜΑΤΩΝ Co/CoO Πατσόπουλος Αριστοτέλης Αθήνα 2018

2 ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗΣ A. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Γιατί Μαγνητικά Νανοσύρματα (ΜΝΣ)? Γιατί Φαινόμενο Πόλωσης-Ανταλλαγής (ΦΠΑ)? Κεντρική ιδέα: Μελέτη του ΦΠΑ ΣΕ ΜΝΣ. B. ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ Συλλογές Νανοσυρμάτων Ψύξη υπό πεδίο και ΦΠΑ C. ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ Ατομική Δομή ΜΝΣ Μέθοδος προσομοίωσης D. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ i. Ψύξη υπό κατακόρυφο πεδίο: Φαινομενολογική μελέτη Μικροσκοπική μελέτη ii. Γωνιακή εξάρτηση E. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

3 ΓΙΑΤΙ «ΜΟΝΟΔΙΑΣΤΑΤΕΣ» ΜΑΓΝΗΤΙΚΕΣ ΝΑΝΟΔΟΜΕΣ (νανοσύρματα, νανοσωλήνες )? Τεχνολογικό ενδιαφέρον Επιμήκη Νανοσωματίδια: Υλικά υψηλής ανισοτροπίας (ανισοτροπία σχήματος) : Μέσα μαγνητικής αποθήκευσης Βιοϊατρικές εφαρμογές (πχ υπερθερμία) Φαινόμενο Πόλωσης-Ανταλλαγής: Μέσο διαμόρφωσης των χαρακτηριστικών υστέρησης των μαγνητικών νανοδομών Βασικό ενδιαφέρον Μηχανισμός αντιστροφής της Μαγνήτισης: Μικροσκοπική περιγραφή Δυναμική Μαγνητικών Τοιχωμάτων: Επίδραση του Φαινομένου πόλωσης ανταλλαγής στο σχηματισμό και διάδοση των μαγνητικών τοιχωμάτων. Δομικοί παράγοντες διαμόρφωσης της Μ-αντιστροφής : ενδoεπιφανειακή τραχύτητα, πολυκρυσταλλικότητα κτλ.

4 ΔΙΜΑΓΝΗΤΙΚΑ (πυρήνας/φλοιός) ΝΑΝΟΣΥΡΜΑΤΑ Co/CoO ΝΣ <D>=15nm, <L> ~ 10<D> Maurer et al PRB (2009) Co/CoO ΝΑ Gandha et al Sci. Rep. (2014) Gandha et al. Phys. Let. A (2017) (a) Νανοπορώδες υπόστρωμα Al και (b) με ΝΣ Co, (c) σχηματική αναπαράσταση Co/CoO ΝΣ. D ext =40nm, D int =20nm, L/D~100 Proenca et al PRB (2013)

5 ΨΥΞΗ ΥΠΟ ΠΕΔΙΟ ΚΑΙ ΦΠΑ Ψύξη υπό πεδίο (Field Cooling): i. Ψύξη σε θερμοκρασία T N <T<T c, παρουσία εξωτερικού πεδίου H cool. Διάταξη σιδηρομαγνητικού (FM) πυρήνα. ii. Ψύξη σε θερμοκρασία T<T N <T c. Διάταξη αντισιδηρομαγνητικού (AF) φλοιού. ΦΠΑ: Οι αλληλεπιδράσεις ανταλλαγής στην FM/AF επιφάνεια μετατοπίζουν το βρόχο υστέρησης κατά H eb.

6 z-axis ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ : Χωρική Διακριτοποίηση z-axis Γεωμετρικές παράμετροι Κύλινδρος απλού κυβικού πλέγματος (a=πλεγματική σταθερά) R core =5a R=8a (t shell =3a) L=56a (L/D FM = 5) Ν~ y-axis y-axis W cr AF shell Polycrystalline AF shell 6

7 Ολική Ενέργεια ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ : Μαγνητικό μοντέλο - Μέθοδος υπολογισμού Φ cr E = J ij S i S j g ij S i D ij S j K i S i e i 2 H S i,z i,j Ανταλλαγής ij Διπολικές i i Ανισοτροπία mono : eˆ i zˆ poly eˆ random : i Zeeman w cr Παράμετροι Υλικών J FM = +10 K (μονάδα ενέργειας) K FM = 0.1 J FM J AF = -0.5 J FM K AF = 1.0 J FM g FM = 0.05 J FM J int = -0.5 J FM H = [-0.5,0.5] J FM T=0.01 J FM π.χ. Iglesias et al JNN (2008) Μέθοδος Προσομοίωσης Metropolis Monte Carlo MCSS=10 4 Ρυθμός μεταβολής πεδίου dh/dt = 10-5 J FM /mcss Ρυθμός ψύξης dτ/dt = J FM /mcss Αριθμός δειγμάτων με δομική αταξία Nr=

8 ΒΡΟΧΟΙ ΥΣΤΕΡΗΣΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ H c και H eb λόγω πολυκρυσταλλικότητας φλοιού: mono=>poly=>rnd shell Hc Heb Grain size (W cr ) monocrystalline 1,82-0,14 56a (=L NW ) polycrystalline 2,30-0,11 ~ 6 a random 2,54-0,10 1 a random frz 2,18-0,49 1 a Δύο παράγοντες: Κατάσταση Ψύξης (FC) Δυναμική ενδοεπιφανειακού-af στρώματος Πχ. mono[ ] - rnd_frz[ ] : (σχεδόν) στατικός φλοιός και μη-ισοσταθμισμένα σπιν λόγω τυχαιότητας (rnd frz) => H c και H eb Π.χ. rnd [Δ] rnd_frz[ ]: δυναμική φλοιού => H c και H eb (φαινόμενο AF-drag)

9 ΕΞΑΡΤΗΣΗ Hc, Heb ΑΠΟ ΜΕΓΕΘΟΣ ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΤΩΝ rnd mono mono rnd W cr H c και H eb με το πλάτος των κρυσταλλιτών.

10 ΕΞΑΡΤΗΣΗ FC-ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΑΠΟ ΜΕΓΕΘΟΣ ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΤΩΝ FM AF rnd J AF Ικανοποιημένος δεσμός N sat > N unsat N sat ~ N unsat mono J AF Μη -ικανοποιημένος δεσμός Αύξηση του μέτρου της μαγνήτισης του 1 ου ατομικού στρώματος του φλοιού προς την κατεύθυνση z, λόγω της πολυκρυσταλλικότητας. Αύξηση του πλήθους των ικανοποιημένων δεσμών που λειτουργούν ως κέντρα καρφώματος (pinning sites).

11 ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΕΝΔΟΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΟΥ AF ΣΤΡΩΜΑΤΟΣ (drag effect) Ενδοεπιφανειακό AF στρώμα Έντονο φαινόμενο AF-drag και ενίσχυση του με την αύξηση της πολυκρυσταλλικότητας: mono => poly => rnd

12 ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΗΣ ΜΑΓΝΗΤΙΣΗΣ Διάδοση ΜΤ από τα άκρα προς το κέντρο των ΜΝΣ, όπου και συγχωνεύονται. C-S mono C-S poly Ενεργοποίηση ενός 2ου μηχανισμού αντιστροφής κατά μήκος του άξονα z, με χαρακτηριστικά σύμφωνης στροφής, λόγω του AF φλοιού στο μονοκρυσταλλικό σύστημα. Αδρανοποίηση του 2ου μηχανισμού στα πολυκρυσταλλικά συστήματα. C-S rnd a: monocrystalline shell b: polycrystalline shell (W cr = 5.6a, δ DW ~7a) c: random shell (W cr = a, δ DW ~10a)

13 ΕΥΚΙΝΗΣΙΑ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΤΟΙΧΩΜΑΤΩΝ mono rnd υ DW = μ(h-h c ) Shell μ (a/ mcss ) w cr Mono a (=L NW ) Poly a Rnd a Rnd_frz a Η ευκινησία των ΜΤ ελαττώνεται εξαιτίας της πολυκρυσταλλικότητας του φλοιού. Η ελάττωση οφείλεται: i. στο φαινόμενο AF-drag ii. στην αρχική κατάσταση (FC state).

14 Συγκεντρωτικα : FM AF FM AF J AF J AF N sat, N unsat N sat N unsat polyxal ~ monoxal i/f roughness or [011] z-axis N sat > N unsat N sat =N unsat N sat < N unsat H eb 0 H eb = 0 H eb 0 H c μ H c μ

15 ΓΩΝΙΑΚΗ ΕΞΑΡΤΗΣΗ ΒΡΟΧΩΝ ΥΣΤΕΡΗΣΗΣ z H, H FC a Σταδιακή διαμόρφωση του βρόχου καθώς αλλάζει η γωνία a. 15

16 ΓΩΝΙΑΚΗ ΕΞΑΡΤΗΣΗ ΤΩΝ Η c, H eb Ελάττωση του H c λόγω της ανισοτροπίας σχήματος. H c (mono) < H c (poly) < H c (rnd) => επίδραση του φαινομένου AF-drag σε όλες τις γωνίες. Διαφοροποίηση της γωνιακής εξάρτησης μεταξύ του μονοκρυσταλλικού και των πολυκρυσταλλικών συστημάτων (εμφάνιση πλατώ σε ~50 deg) 16

17 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Εξαιτίας της επίδρασης της πολυκρυσταλλικότητας του φλοιού προκύπτει στα νανοσύρματα: Αρχική κατάσταση (FC state) με πλειοψηφία ικανοποιημένων δεσμών στην επιφάνεια που λειτουργούν ως κέντρα καρφώματος (pinning sites) και έντονο φαινόμενο drag που οδηγούν σε: i. Αύξηση του H c ii. iii. Ελάττωση του H eb Ελάττωση της ευκινησίας των ΜΤ. Διαφορετική γωνιακή εξάρτηση του H eb μεταξύ διμαγνητικών νανοσυρμάτων με μονοκρυσταλλικό AF φλοιό και νανοσυρμάτων με πολυκρυσταλλικούς AF φλοιούς, που οφείλεται στην διαφορετική δυναμική του φλοιού του κάθε συστήματος.

18 ΕΠΟΜΕΝΟ ΒΗΜΑ - ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ: Μελέτη σχηματισμού μαγνητικών δινών σε νανοσύρματα / νανοσωλήνες Co/CoO. Μελέτη σχηματισμού, ανίχνευσης και κίνησης μαγνητικών σκυρμιονίων, σε νανοσυρμάτα / νανοσωλήνες FM-HM (βαρύ μέταλλο) που εμφανίζουν αλληλεπιδράσεις Dzyaloshinskii / Moriya.

19 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Τριμελής επιτροπή: Δ. Κεχράκος, Αναπληρωτής Καθηγητής ΑΣΠΑΙΤΕ Γ. Π. Τριμπέρης, Ομότιμος Καθηγητής ΕΚΠΑ Κ. Σιμσερίδης, Επίκουρος Καθηγητής ΕΚΠΑ Παιδαγωγικό τμήμα/ασπαιτε: Για την πρόσβαση στην υπολογιστική υποδομή του εργαστηρίου Φυσικής όπου πραγματοποιήθηκαν οι υπολογισμοί. ΕΥΧΑΡΙΣΤΩ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΡΟΣΟΧΗ ΣΑΣ!

20 20

21 ΜΑΓΝΗΤΙΚΕΣ ΠΕΡΙΟΧΕΣ Χωρίς τοίχωμα Δύο περιοχές (domains) Τοίχωμα Bloch εύρους d=a Κατά συνέπεια, όσο η ανισοτροπία K τόσο το εύρος d. Τυπικά μεγέθη τοιχώματος Bloch είναι nm.

22 ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΜΟΝΑΔΙΚΗΣ ΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ Μαγνητικό Υλικό σε συμβατική κλίμακα (L > 1μm) Μαγνητικό Υλικό σε νανοκλίμακα (L ~ nm) Βασική Κατάσταση (Η=0, T=0): Σχηματισμός Μαγνητικών Περιοχών Μ=0 Βασική Κατάσταση (Η=0, T=0): Μοναδική Μαγνητική Περιοχή Μ 0

23 ΜΕΘΟΔΟΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ- Ο ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣ M.M.C Η μέθοδος Monte Carlo (MC) στη Στατιστική Φυσική, είναι μια υπολογιστική μέθοδος προσομοίωσης, ενός θερμοδυναμικού συστήματος στην κανονική συλλογή (T=σταθερό). 1. Επιλογή αρχικού σχηματισμού των N spin 2. Τυχαία επιλογή ενός spin s i και μεταβολή του (s i s i +Δs i ) 3. Υπολογισμός της μεταβολής της ολικής ενέργειας ΔΕ 4. Αν ΔΕ <0, αποδοχή της νέας κατάστασης 5. Αν ΔΕ >0, αποδοχή της νέας κατάστασης με πιθανότητα w=exp(-δε/kt) 6. Επανάληψη Ν φορές των βημάτων 2-5 (1 Monte Carlo step per spin (MCSS)) 7. Υπολογισμός μακροσκοπικών ποσοτήτων πχ Α 8. Επανάληψη των βημάτων 2-6, Μ φορές 9. Υπολογισμός των μέσων τιμών, και του στατιστικού σφάλματος

24 ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΕΝΔΟΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ Μη- ισοσταθμισμένη επιφάνεια Heb 0 Ισοσταθμισμένη επιφάνεια Heb = 0

25 ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ-ΠΕΔΙΟΥ ΜΕ ΤΗ ΜΕΘΟΔΟ LLG

26 ΣΥΝΕΚΤΙΚΟ ΠΕΔΙΟ Παρατηρούμε: Αύξηση και κορεσμό του H c σε μεγάλα μήκη εξαιτίας των διπολικών αλληλεπιδράσεων, σε συμφωνία με πειραματικά αποτελέσματα (π.χ. Skomski et al 2001). Διατήρηση της ελάττωσης του H c στα C-S συστήματα σε διαφορετικά μήκη συρμάτων.

27 ΠΕΔΙΟ ΠΟΛΩΣΗΣ-ΑΝΤΑΛΛΑΓΗΣ Παρατηρούμε: Μικρό H eb στα C-S [001] συστήματα εξαιτίας του μικρού αριθμό μη-ισοσταθμισμένων spin. Αύξηση του H eb στα συστήματα C-S(rot) και C- S(rgh) λόγω αύξησης των μη-ισοσταθμισμένων σπιν.

28 Προσομοίωση vs (Πείραμα) Maurer et al PRB (2009) 28

29 Προσομοίωση vs (Πείραμα, Μοντέλο M-B) (M-B Model) (M-B Model) Co/CoO NWs L/D 13 Gandha et al Phys.Lett.A (2017) 29

30 ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΕΡΜΗΝΕΙΑ ΓΩΝΙΑΚΗΣ ΕΞΑΡΤΗΣΗΣ ΜΟΝΟΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Γραμμική αύξηση (M=ka) της Μαγνήτισης του πρώτου ατομικού στρώματος του φλοιού. Χρήση της σχέσης H eb = λm unc για τον υπολογισμό του αναμενόμενου H eb. (Ping Lv et al 2012) Η καμπύλη H eb (a)=h eb1 H eb2 εμπεριέχει τα ποιοτικά χαρακτηριστικά της γωνιακής εξάρτησης του μονοκρυσταλλικού συστήματος. Η ασθενείς απόκριση του μονοκρυσταλλικού φλοιού οδηγεί σε μη ισοσταθμισμένη επιφάνεια και σε αύξηση του H eb σε μικρές 30 γωνίες.