Opakovanie z 5. lekcie Úvod do nanofotoniky Čomu sa venuje vedný odbor fotonika? K čomu v mikroelektronike slúži plazmónový vlnovod a akú výhodu prináša? Čím sa líši mechanizmus rozptylu svetla na kovových nanočasticiach od polovodičových kvantových bodiek? Je možné, aby svetlo prešlo skrz pravidelnú kovovú mriežku s otvormi menšími ako je vlnová dĺžka svetla? Ak áno, ako bude vyzerať difrakčný obraz na svetla, ktoré prešlo skrz takúto mriežku? Čo je to fotonický kryštál a čo je príčinou výrazných, resp. dúhových farieb mnohých druhov motýľov, hmyzu, vtáčích pier alebo opálov? Načrtnite, ako by vyzeral lom svetla na rozhraní s metamateriálom so záporným indexom lomu n. Z čoho je možné vyrobiť tzv. dokonalú šošovku (super lens), pre ktorú neplatí obmedzenie dané difrakčným limitom? Formulujte aspoň 2 dôvody pre ktoré sú kvantové bodky populárne v aplikáciách fluorescenčnej mikroskopie.
Lekcia 6 Nanomagnetizmus F3370 Úvod do nanotechnológií 2015
Úvod do magnetizmu látok Hans Christian Ørsted (Dánsko) objavil v r.1820, že elektrický prúd (tzn. elektrický náboj v pohybe) vyvoláva vo svojom okolí magnetické pole. Matematický popis tohto javu poskytuje Biot-Savartov-Laplaceov zákon, resp. Maxwellove rovnice. Magnetizmus látok teda musí spôsobovať pohyb náboja. Hlavnými zdrojmi tohto pohybu sú: (A) Pohyb elektrónu po atómovom orbitále (orbitálny magnetický moment) (B) Rotácia elektrónu okolo osi (spin magnetický moment), cca 2x viac ako (A) Smer prúdu Jadro alebo Pozn. Stern-Gerlachov experiment Smer pohybu elektrónu Smer elektrónového spinu Ag Magnetické polia vyvolané týmto pohybom sa sčítajú, príspevok spinu je významnejší
Elektrónový obal niektorých prechodových kovov. Význam spinu. kov 4s 3d m (µ B ) Sc 0.0 Ti 1.62 V 2.02 Cr 3.58 Mn 4.77 Fe 4.30 Co 2.93 Ni 1.99 Cu 0.96 C.-H. Chien et al. / Journal of Magnetism and Magnetic Materials 282 (2004) 275 278
Vzťahy a jednotky Lorentzova sila: F mag = q (v x B) Silové účinky v okolí prúdového zdroja magnetického poľa (napr. magnetickej cievky) popisujeme pomocou vektora: H [A/m] intenzita magnetického poľa (magnetic field strength) Pri popise vplyvu materiálu je výhodnejšie použiť vektor: B [T] magnetická indukcia (magnetic induction or magnetic field flux), pričom platia vzájomné vzťahy: B = μ o H + μ o M B = μ o H + μ o χh = μ o (1+χ) H= μ o μ r H M vektor magnetizácie [A/m] - pole od zmagnetizovaného materiálu μ o permeabilita vákua (4π.10-7 V.s/A.m); μ r relatívna permeabilita; χ magnetická susceptibilita (výhodná pri skúmaní malého vplyvu materiálu na magnetické pole, tj. keď μ r 1. Môže byť aj záporná). Pozn. 1 Tesla odpovedá cca 800 ka.m -1 pole na zemskom povrchu je 25-65 μt
Vektor magnetizácie M H Pole v okolí prúdovej slučky Orbitálový pohyb m orb m spin m s =±1/2, sekund. spinové kvant. číslo Magn. moment spinu Bohrov magnetón: µ B =eħ/(2m e ) Najmenšie kvantum elektrónového magnetického momentu Magnetický moment prúdovej slučky m=is [A.m 2 ] Ak vložíme látku do magnetického poľa s intenzitou H, točivým účinkom momentu silu rovným m x B sa "slučky" natočia tak, aby m a B boli rovnobežné. M je definovaný ako vektorový súčet magnetických momentov m na jednotku objemu: =
Poznáme 5 základných typov magnetických materiálov: diamagnetické, paramagenetické, feromagnetické, antiferomagnetické a ferimagnetické. 1. Diamagnetické materiály Materiály so spárovanými elektrónmi, takže samé od seba nevytvárajú magnetické pole. Vonkajšie magn. pole čiastočne zdeformuje orbitály, takže vo vnútri diamagnetika sa magnetické pole zoslabí. χ = -10-6 10-6 Priemyselne nemajú vlastnosti diamagnetík významné uplatnenie C.B. Carter: Ceramics Materials, 2007
2. Paramagnetické materiály Materiály s nespárovanými elektrónmi, ale s nezávislými m. Žiadne kolektívne interakcie medzi m. Magnetická susceptibilita χ je kladná, tzn. pôsobením vonkajšieho poľa sa spinové momenty natočia a pole zosilnia. Ani paramagnetismus nemá zatiaľ významné priemyselné uplatnenie
Feromagnetizmus Rovnako ako v paramagnetizme je potrebné mať nespárované elektróny. Na rozdiel od paramagnetík sa však susedné m ovplyvňujú a na vonkajší magnetický podnet reagujú kolektívne. 3. Feromagnetické látky, spinové magn. momenty sa orientujú súhlasne:. Navonok vykazujú veľmi silný magnetizmus. Príklady materiálov: Fe, Co, Ni, Gd, EuO, CrO 2, Nd 2 Fe 14 B (neodýmový magnet) 4. Antiferomagnetické látky, spin magn. momenty sa orientujú antiparalelne, tj. :. Navonok vykazujú slabý magnetizmus, hoci μ r >1. Príklady: CoO, NiCo, FeO, CoF 3, FeF 3, NiO: Hybridizácia orbitálov Supervýmena. NiO, vďaka prekryvu s O orbitálom majú susedné Ni opačný spin.
5. Ferimagnetizmus Nastane, keď kryštál obsahuje dve podmriežky s antiparalelne orientovanými magn. momentami o rôznej veľkosti. Momenty sa vyrušia iba čiastočne a materiál sa vyzvačuje priestorovým poľom magnetizácie M. Väčšina týchto materiálov (feritov) sú elektrické izolanty, čo je výhodné pri vysokofrekvenčných aplikáciách Príklady materiálov: Fe 3 O 4, YFe 5 O 12 (YIG), CoFe 2 O 4, BaFe 12 O 19, TbFe 2, GdCo 5 Vzorový príklad: Magnetit Fe 3 O 4 alebo Fe III (Fe II Fe III )O 4 Fe II (4µ B ) a Fe III (5µ B ) Fe III (5µ B )
Magnetické domény Feromagnetické a ferimagnetické materiály sa skladajú z malých oblastí, tzv. domén, s rovnakým smerom magnetizácie. V nezmagnetizovanom stave môže byť celkový M=0, viď. Obrázok Rozhranie medzi doménami sa volá Blochova stena, hrúbka cca 100nm. Keď sa materiál vystaví vonkajšiemu magnetickému poľu, hranice domén sa začnú pohybovať, dokonca aj zväčšovať. Proces nie je vratný hysterézna slučka (smyčka).
Hysterézna slučka saturácia -H c H c externé mg. pole saturácia B r zvyšková, remanentná indukcia = permanentný magnet H c koercívna intenzita, odolnosť proči premagnetizovaniu Materiál sa vráti do bodu 0,0 po zahriatí na Courieho teplotu T c
Tvrdé a mäkké ferity Tvrdé Veľké H c a B r. Takmer výlučne na výrobu permanentných magnetov (motory, zámky, kreditky ) Mäkké Malé H c ale veľké M (čiže μ r ). Domény sú schopné rýchlo reagovať na zmeny magnetického poľa. Využitie hlavne v transformátorových jadrách, magnetické záznamové média. Mäkké Tvrdé
Magnetický záznam dát Požiadavky na materiál: H c veľké aby udržalo dáta, ale nie príliš, aby sa dali zmazať Malé + lacné = homogénne rozložené ihlicovité častice + chemicky stabilné. Záznam informácie Zapisovacia hlava
Významné magnetické nanoštruktúry 1D (a) tenká vrstva; (b) tenké multivrstvy 2D (c) sústava nanodrôtov; (d) ihličkové častice 3D (e) nanočastice; (f) nanokompozity; (g) tenkovrstevné záznamové médium; (h) nanokontakt
Magnetické nanočastice Zmenšovaním feromagnetík sa dostaneme až na rozmer magnetickej domény. Pozorujeme nové vlastnosti. Superparamagnetizmus vďaka malým rozmerom je tepelná energia dostatočne veľká, aby otočila spin elektrónu. Usporiadané spiny v doméne sa rozhádžu. Výskum smeruje hlavne k potlačeniu tohto javu, pre dosiahnutie väčšej hustoty ukladania dát. Aplikácie: ferokvapaliny, medicínska diagnostika... Nanokryštalické permanentné magnety. Magnetické nanočastice pokryté špecifickou protilátkou sa viažu na daný vírus a vytvoria klastre, dostatočne veľké na pozorovanie napr. NMR alebo MRI.
Ferokvapaliny Ferokvapaliny - Stabilné koloidné systémy monodoménových častíc v kvapalnom nosiči (voda, olej ). Stabilitu dosiahne vhodný obal nanočastice. Aplikácie: Tesnenia - olejová ferokvapalina + vhodný magnet tesní daný priestor. Vákuum, ložiská ; Zobrazovanie; Výskum aplikácií v medicíne, napr. očná chirurgia: Odchlípenie sietnice Tesnenie JP Dailey J. of Magnetism and Magn. Mat. 194 (1999) 140-148
Obria magnetorezistivita / Giant magnetoresistance GMR Multivrstvová nanomagnetická štruktúra 1988 objav GMR, revolúcia v spôsobe magnetického ukladania dát 2007 Nobelova cena pre Albert Fert (F) a Peter Grünberg (D) Tenká vrstva elektricky vodivého materiálu (napr. Cu, na obr. šedá farba) vzájomne oddeľuje dve feromagnetické vrstvy. Hrúbka (tloušťka) všetkých vrstiev je menšia než je stredná voľná dráha elektrónu vo vodivom materiáli (cca 100nm). V závislosti od smeru magnetizácie magnetických vrstiev sa dramaticky zmení elektrický odpor (viac ako 80%) naprieč vrstvami.
Mechanizmus GMR Mottova teória Elektrický prúd v kovoch je možné rozdeliť na prúd vedený elektrómni s spinom a spinom a ich pohyb charakterizovať pomocou odporu (rezistivity) ρ. Feromagnetický materiál sa vyznačuje nadbytkom jedného typu spinu. Pohybujúci sa elektrón so spinom s rovnakou orientáciou voči feromagnetickému materiálu, nemá dostatok hladín, na ktoré by mohol zrelaxovať a preto jeho zrážky pri pohybu budú pružné. Pri pohybe nestráca energiu. Opačne orientovaný spin elektrónu umožní pohyb s častými nepružnými zrážkami a teda stratu pohybovej energie (väčší elektrický odpor) Zhodne orientované magnetizácie vrstiev umožnia jednému typu spinu prejsť bez zrážok. Opačne orientované magnetizácie diskriminujú obidva typy spinov. Tsymbal, EY, Solid State Physics 56, pp. 113-237
Využitie GMR Čítacia hlava pevného disku, 10-100 Gb/inch S.M. Lindsay: Introduction to nanoscience, 2010 Antiferomagnetická výmenná vrstva spolu s permanentným magnetom (Hard bias) udržuje konštatný smer magnetizácie vo vrstve Co. Smer magnetizácie magneticky mäkkého NiFe sa mení v závislosti od smeru magnetizácie zapísanom na záznamovom médiu. Zmena rezistivity je monitorovaná prúdom I. Čítacia hlava Zapisovacia hlava
Spinotronika / spintronics Elektronika transportu spinu / magnetoelektronika GMR už používame. MRAM úspešne overené V súčasnosti sa vyvíjajú nové polovodičové súčiastky využívajúce spiny. Pridanie novej funkcionality vyplývajúcej z možnosti sledovať polohu spinu k existujúcim polovodičovým súčiastkam by umožnilo pokročiť v miniaturizácii (resp. integrácii) el. obdvodov. Výskum spin-závislých javov Polovodičové feromagnetiká Spinové polarizátory Spinové injektory, doba života spinov Manipulácia spinov (B, E, svetlo) MRAM magnetoresistive ramdom-access memory. Ponúka rýchlosť, nízku spotrebu a neobmedzenú výdrž. 2 feroelektrické vrstvy oddelené dielektrikom = Magnetický tunelový prechod (magnetic tunneling junction). A. Fert, Europhysics news, Nov/Dec 2003, p.227
Magnetické zobrazovanie MFM magnetic force microscopy, hrot pokrytý feromagnetikom umožní sledovať až magnetickú spinovú interakciu. A.Schwarz: Nano Today, 3(1-2), Feb-Apr 2008 Remanentná doménová štruktúra vrstvy La 0.7 Sr 0.3 MnO 3. Vzorka 4 μm 4 μm vytvorená pri 5,1 K v konštantnej výške (h = 24 nm) Svetlé a tmavé oblasti odpovedajú paralelnej a antiparalelnej orientácii B vzhľadom na hrot. Magneticky ladené fotonické kryštály v koloidných roztokoch superparamagnetických častíc Oblasť ladenia cez B Ge J. (2007): Angew. Chem. Int. Ed., 46: 7428 7431
Supervodiče Diamagnetiká Antiferomagnetiká Paramagnetiká Zhrnutie Spinová magnetizácia Magnetické vlastnosti látok je možné vysvetlovať pomocou nespárovaných elektrónovývh spinov v štruktúre látky. Oblasti s rovnakým smerom magnetizácie sa nazývajú domény. Rozdelenie magnetík Ferromagnetické látky -1-10 -4-10 -2 0 10-4 10-2 1 10 2 10 4 10 6 Magnetická susceptibilita χ Nanomagnetizmus. Uplatnenie zatiaľ našli magnetické nanočastice (ferokvapaliny, biosenzory) a tenké vrstvy (GMR, MTJ). Veľké očakávania od spinotroniky.