Oswaldo Morán C.

Materiales Magnéticos, Materiales Magnéticos, una aproximaciónuna aproximación

Departamento de FísicaUniversidad Nacional de Colombiasede Medellín

Efecto Meissner

0 100 200 300 4000

1

2

3

4

(x1

0-3

cm

T (K)

H = 0 H = 4 T

Magnetoresistancia Colosal (CMR)

Sz = msħ; ms = -1/2, +1/2

Sz = -1/2 ħ down

Sz = +1/2 ħ up

Origen del magnetismo a. Movimiento orbital y de espín de e- b. Forma de interacción mutua entre e-

= (e/2me)L

Ley Biot-SavartdB = μ0/4π [Idlxr/r2]

E.ds = q/ε0

Leyes fundamentales

B.ds = 0 Ley Gauss

Tres vectores magnéticos

H      Campo magnéticoM      MagnetizaciónB      Inducción magnética

Definiciones y Unidades

Unidades? confusión prevalece !Razón:Magnetostática es presentada en dos formasa. Polos magnéticos ficticios (CGS)b. Fuentes de corriente (SI).

H = I/2r  [Amperes/meter, A/m]

Espira de corriente

r

m =  I x Area  [Am2]Momento magnético

 

M = m/V   [A/m] intensidad de la magnetización

= m/mass [Am2/kg]

M/H= [adim.]

Susceptibilidad Magnética

Describe los tipos de materiales magnéticos

Permeabilidad Magnética

= B/H

0 = B/H (vacío)

Comportamiento magnético de un sólido /0 = r

fácil M >>

B = 0(H+M ) [Tesla, T] campo total

0 x 10-7 Henry/m [Tm/A], SI

0, CGS B = H+4M

GaussOerstedemu/cm3

Ej.: Btierra = 0.5 Gauss = 0.5 Oersted

0.5 Gauss = 50 mT       [campo B]0.5 Oersted = 39.8 A/m  [Campo H]

CGS, Gauss Oersted confusión !

TérminoMagnético

Símbolo SI CGSFactor de

conversión

Inducción magnet. B Tesla (T) Gauss (G) 1 T = 104 G

Campo magnet. H A/m Oersted (Oe) 1 A/m =4/103 Oe

magnetización M A/m emu/cm3 1 A/m = 10-3 emu/cm3

Magnetización mol Am2/kg emu/g1 Am2/kg = 1

emu/g

Momento magnet. m Am2 emu 1 Am2 = 103emu

susceptibilidad vol. adimensional adimensional 4 (SI) = 1 (cgs)

Permeabilidad delespacio libre

0 H/m adimensional4x10-7 H/m = 1

(cgs)

Clases de Materials Magnéticos

En algunos materiales no hay interacciones colectivas de m atómicos. En otros la interacción es fuerte.

Mejor definición !

material

H = 0 H ≠ 0

M Tipo de magnetismo

Toda la materia es magnética !!!

Unos mas magnéticos

Distinción principal

1.Diamagnetismo 2.Paramagnetismo3.Ferromagnetismo4.Antiferromagnetismo   5.Ferrimagnetismo

Comportamiento magnético de la materia

Diamagnetismo, paramagnetismo: interaccionas magnéticas colectivas

Magnéticamente no ordenados

Ferromagnetismo, FerrimagnetismoAntiferromagnetismo

Orden magnético de rango largo debajo TC

Ferromagnetismo, Ferrimagnetismo

Magnéticos (similar Fe)

Antiferromagnetismo No “magnéticos”

Comportamiento magnético de la materia

1. Diamagnetismo propiedad básica de la materia

Causa: Comportamiento no cooperativo de los e- orbitando cuando se exponen a un H.

mneto= 0 orbitales llenos, e- apareados

Experimentalmente

quarzo (SiO2):    -0.62 x x10-8 m3/kgCalcita (CaCO3):  -0.48 x10-8 m3/kgAgua:     -0.90 x10-8 m3/kg

2. Paramagnetismo algunos átomos, mneto 0

orbitales parcialmente llenos, e- no apareadosm individuales no interactuan mutuamente !

Eficiencia H alineamiento m= 1/T

Fe e- no apareados

= f (H), excepto T << 100 K, H >>

T normales, H moderados para.(+) pequeña > diamag.

para. contenido Fe

Minerales con Fe = Paramag. T = 300 K

Montmorillonita (arcilla)    13Nontronita (arcilla rica en Fe)   65Biotita (silicato)    79Siderita(carbonato)     100 Pirita (sulfide)     30

X10-8 m3/kgEjemplos }

3. Ferromagnetismo Fe, Ni, Co magnetita

m interacción fuerte

Fenómeno cuántico, debido a orientacion relativa deespines de 2 e-

Muy intensas 1000 T! 100.000.000 campo terrestre !

Origen: Fuerzas de intercambio electrónico

m grande, también a H = 0

Características principales:(1) magnetización espontánea(2) T de ordenamiento magnético

magnetización espontánea Mneta dentro Vmicros.

magnetizado uniforme/ en H = 0

[magnetización espontánea (T= 0 K)] = f (espín e-)

magnetización de saturación mmax. inducido en un Hsat.

Diferencia entre Mespon y Msat dominios magnéticos Msat. propiedad intrínseca, = f( tamaño de partícula), f (T).

H = 0

Hsat (T) T range (K) 10-8m3/kg

paramagnéticos >10 <<100 ~50

ferromagnéticos ~1 ~300 1000-10000

Ferromagnetismo vs. Paramagnetismo

-3 -2 -1 0 1 2 3-3x10-3

-2x10-3

-1x10-3

0

1x10-3

2x10-3

3x10-3

0 100 200 3000

1

2

3

T = 5K

M (

em

u)

H (T)

H || (100) H || (001)

T (K)

M (

µB

/ M

n)

H = 1T

La2/3Ca1/3MnO3

Temperatura de Curie, TC

Magnetita

Histéresis magnética

-6 -4 -2 0 2 4 6

-0,6

-0,3

0,0

0,3

0,6

T = 5K

M (

µB/R

u)

0H (T)

SrRuO3

4. Ferrimagnetismo

Forma compleja de ordenamiento magnético

Razón: estructura cristalina

Ejemplo. BaO.6Fe2O3: celda unitaria 64 iones Ba y O: m = 016 Fe3+ iones alineados parallelo and 8 Fe3+ antiparalelo M neta paralela a H, pero muy pequeña. ⅛ de los iones contribuyen a M del Material

5. Antifferromagnetismo

Canteado, m << 0

Mineral Composición Orden Magnético Tc(°C) s (Am2/kg)

Oxidos

Magnetite Fe3O4 ferrimagnetic 575-585 90-92

Ulvospinel Fe2TiO2 AFM -153

Hematite Fe2O3 canted AFM 675 0.4

Ilmenite FeTiO2 AFM -233

Maghemite Fe2O3 ferrimagnetic ~600 ~80

Jacobsite MNFe2O4 ferrimagnetic 300 77

Trevorite NiFe2O4 ferrimagnetic 585 51

Magnesioferrite MgFe2O4 ferrimagnetic 440 21

Sulfuros

Pyrrhotite Fe7S8 ferrimagnetic 320 ~20

Greigite Fe3S4 ferrimagnetic ~333 ~25

Troilite FeS AFM 305

Oxyhydroxides

Goethite FeOOH AFM, weak FM ~120 <1

Lepidocrocite FeOOH AFM(?) -196

Feroxyhyte FeOOH ferrimagnetic ~180 <10

Metals & Alloys

Iron Fe FM 770

Nickel Ni FM 358 55

Cobalt Co FM 1131 161

Awaruite Ni3Fe FM 620 120

Wairauite CoFe FM 986 235

Propiedades magnéticas de minerales

Anisotropía magnética (AM)

Base Teoría de Ferro- y antiferro. F intercambio e-

F fuerte m espontánea en H = 0

ms H0

R:/

Ferro- y antiferro. no saturados aún en H = 0 ?

H = 0Saturado

Saturado

Saturado

Saturado

M = 0 (H = 0)

Dependencia de las propiedades magnéticas de una dirección preferida !

AM Forma de la Histéresis, control de HC y MS.

Anisotropía magnética (AM)

Influencia de la estructura cristalina y forma de los granos sobre dirección M ?

1. Magnetocristalina estructura cristalina2. Forma forma de grano3. Tensión tensión aplicada o residual

Tipos de AM

1. A. Magnetocristalina propiedad intrínseca, no función de tamaño de grano y forma.

Experimentalmente

Origen eje fácil (difícil): interacción espín-red cristalina (acoplamiento espín-órbita

Anisotro. magnetocristalina: energía necesaria para deflectar m en un monocristal del eje facial al difícil.

5. Thin Films and multilayers

General concepts

Thin film fabrication

a. Physical methods

Pulsed Laser Deposition (PLD)Sputtering

b. Chemical methods • electrochemical segregation • Sol-gel processes • Spray

Spintronics = Magnetism + Electronics

Conventional Electronics

Spin control → +1 grade of freedom for engineering of electronic devices.

?

To manipulate S in transport processes Aim:

• Metallic Multilayers (GMR) • Ferromagnetic tunnel junctions • Ferromagnetic Oxides (CMR) • Semiconductors

Achievements:

Spin-dependent transport processes in:

1.

2. Contribution to electrical transport processes

Why ?. n

b.

Mechanism of Spintronics

I I

Brillouin Zone

k F =qE = dp/dt = (ħ/2)k/

Spin accumulation

E

n >nCo AgI

→ →→

→

→

M 0Ag

Spin accumulation

Ag

→

→

→

Half-metallicFerromagnet (HMF)

sd = (lvF/3)1/2 = Spin diffusion length

Spin Diffusion

Co AgI

→

l = mean free pathvF = Fermi velocity 106 m/s= Spin-flip time

Ag + impurities ℓ, sd sd m (Ag pure) sd 10 nm (Ag + 1% Au

e.g.

CONTENTS

• Motivation

• Materials for Spintronics

• Fabrication Methods

• Characterization Techniques

• Experimental Results

• Conclusions

Two terminal Spintronics

Spin valve

R 100 % GMR

hard-disk read-head

Function:

H

R > R

cryostat

Spin valve polarized light

HMF HMF

d

When d sd

spin filterspin polariser

I = f (, )

HMF

Spin tunneling processes

metal metal

insulator

IT = f (V, , d)

Insulator ≡

= EF-EC

Spin tunneling processes

HMF HMF

d

I

Spin valve

I = 0

H I 0Spin electronic switch=

Spin tunneling processes

Spin tunneling junctions (STJ)

f (DS , )

{ GSTJ /A < Gmetal/AI= GV VSTJ > Vmetal

(> mV)[ ]

device characteristics

• “on” R• J• Vinput

• Itotal

• cross-section• • d

tuned

→

STJa. Spin-injector stagesb. New generation tunnel MRAM

V

1

2

3

pump

Jhonson transistor

Three terminal Spintronics

BE C

C, floatingFunction: → IEB, pumped VC, monitored→

VC = f (E , E)

H VC

V

1

2

3

pump

BE C

Three terminal Spintronics

HMF

Stationary state: IBC = 0

VC = f (HMF , HMF )

H → IEB → VC

•The direction leading to a new wave of active spin electronic devices and eventually to single-spin devices is signposted.

•A closer integration of magnetic with conventional semiconductor technology is possible. A magnetic semiconductor working at RT would be a formidable advance for Spintronics.

Conclusions