Nanomateriales Magnéticos Fundamentos y Aplicaciones

Departamento de Física – UNS – Bahía Blanca

Octubre - 2015

Francisco H Sánchez

Departamento de Física – UNLP

IFLP - CONICET

Nanomateriales Magnéticos

Fundamentos y Aplicaciones

http://www.fisica.unlp.edu.ar/Members/sanchez/curso-de-posgrado-nanomateriales-magneticos.-aplicaciones-a-la-biomedicina

Introducción - Definiciones

Dia-paramagnetismo

Intercambio: ferromagnetismo

Anisotropía

Magnetostática - dominios

Programa

Introduction to Magnetic Materials B.D. Cullity, (Massachusetts, Addison-Wesley, 1972).

Introduction to the Theory of Ferromagnetism, Amikam Aharoni, Oxford Science Publications, 1998.

Magnetic Domains (The analysis of Magnetic Microstructures), Alex Hubert y Rudolf Schäfer, Springer 1998

Modern Magnetic Materials, Robert C. O’Handley, John Wiley & Sons, 1999

Introduction to Magnetism and Magnetic Materials, David Jiles, Chapman & Hall 1996.

Artículos seleccionados

Bibliografía

http://www.fisica.unlp.edu.ar/Members/sanchez/magnetismo-en-materiales-nanoestructurados-eafit

Introducción

Brevísima historia de los materiales magnéticos-hmm

¿Cómo es un material magnético?

Cantidades Magnéticas de interés práctico

Interacciones Magnéticas

Dominios

Pequeñas partículas

Discrecional y brevísima historia de los materiales magnéticos

600 AC

Las propiedades magnéticas de piedras de ferrita férrica natural (Fe3O4) (piedra imán) fueron descriptas por chinos y filósofos griegos.

Leyenda: hace 4000 años

en el norte de Grecia región de Magnesia,

???!!!¡¡¡¿¿¿

Magnetita Natural(Lodestone)

S

SN

N

Siglo I ACAdivinos chinos usan la piedra imán, posiblemente dando lugar a brújulas primitivas. (Mencionado en los Discoursos de Wang Chung - 83 A.C.)

Siglo XI (China) se logra magnetizar varillas de hierro calentándolas “al rojo” y enfríándolas mientras se las mantiene en dirección norte-sur.

1175 Primera referencia occidental a la brújula. Alexander Neckem, un monje inglés de St. Albans describe su funcionamiento.

1600 William Gilbert (1544-1603),después de 18 años de experimentos con imanes y electricidad, termina su libro De Magnete. Demuestra que la Tierra es un imán.

China-Portugal, 1500 DC

China, 1000 DC

electroimán

James Clerk Maxwell

1750 John Mitchel, fabrica imanes de acero.

1820 El físico Hans Christian Oersted, demostró que una corriente eléctrica produce un campo magnético.

1831-1879 El matemático escocés James Maxwell completa la unificación de las teorías de la electricidad y el magnetismo.

1930 Imanes de alnico. I. Mishima produce el primer imán de Alnico (aleación de hierro, niquel, y aluminio).

1952 Imanes cerámicos. J.J. Went, G.W.Rathenan, E.W. Gorter, y G.W. Van Oosterhout de Phillips, desarrollan los primeros imanes comerciales de ferritas.

siglo XX, importantes

avances cieníficos y tecnológicos

1972 Karl J. Strnat y Alden Ray aumentan la “dureza de imanes de Sm-Co ( Sm2Co17, 30 MGOe).

1983 Imanes de Neodimio-hierro-boro. General Motors, Sumitomo Special Metals y la Academia de Ciencias de China desarrollan un producto ultra “duro” (35 MGOe, Nd2Fe14B).

Desarrollo de imanes permanentes

magnetitaalnico

Nd-Fe-B

Mismo efecto magnético, volumen diferente

Imanes nanocompuestos de tierras raras

Motores, generadores, dispositivos de sujeción, aceleradores, magnetómetros, etc. etc. etc.

Imanes modernos

Nd2Fe

14B, Sm

2Fe

17N

3-x

Nd2Fe14BFormas y

distribuciones de

magnetización arbitrarias

Más energía amacenada

Dispositivos más

eficientes

Motores más

pequeños

AlnicoSmCo5

Materiales magnéticos de uso masivo y global

duros

ElectroimanesActuadores ChokesTransformadores{Blandos

MotoresGeneradors ActuadoresFijadores{

intermedios Registro magnético{aplicaciones biomédicas

Momento magnético atómico permanente

origen microscópico del magnetismo

Átomo o ión

Momento angularno nulo

magnético

Ión óátomo

Magnetismo atómico (electrónico)

Jg B

J

antiferro

ferro

¿Cómo es un material magnético?

para

ferri

Desorden a cualquier T Orden para T < Tc No hay interacciones Interacciones

Materiales masivos

Ausencia de momento magnético permanente

VM tot /

0

M 0

M

0

M

0

M

00

J

átBát Jg

FerroAnti

Para

Dia

Para

Dia

Dia

Dia

Campo Magnético H

Solenoide largo

H

H

i

N

Ley de Ampere

Magnitudes básicas

mAHLNiHIldH tot //

Momento magnético mi

Volumen V

Magnetización MInducción B

Magnitudes básicas

mATeslaMBmJouleMB /;/ 3

2/ AmJouleTesla

i

imV

M 1

2Ammi

MHB

0

TeslaB ATm /104 7

0

mAM /

Relaciones entre B, H, M

Relaciones empíricas aproximadas

Validez general

Permeabilidad

Susceptibilidad

)MH(μB 0

HM

HB

aladimension

AmTesla

/.

Ferromagnetos / 0 >> 1 / 0


)MH(μB 0

HM

HB

χ)(1μμ 0

Ley de Faraday


Remanencia

Coercitividad

Inducción y magnetización de saturación


)MH(μB 0

Tipos de materiales magnéticos

M(A/m)

H

M

ferro - ferri

para - antiferro

dia

=

M/H

H

MBlando ideal

Duro - ideal

ferromagnetos

dif

= dM

/dH

Ejemplos de materiales ferromagnéticos

Monocristal “grande” multidominio

Conjunto de partículas cristalinas monodominio

Dominio: región donde todos los momentos están alineados

Policristal. Conjunto de cristales multidominio

Dominio: región donde todos los momentos están alineados

Policristal. Conjunto de cristales monodominio

Ejemplos de materiales ferromagnéticos

M

Procesos de magnetización

Materiales ‘bulk’


1

23

4Nanopartículas monodominio

Movimiento de paredes reversible e

irreversible

Orientación con el campo (reversible)

saturación


Monocristal multidominio

Ciclos menores


Hc

Mr

Ferro y ferrimagnetos

Magnetización Espontánea versus Temperatura

aligned

partially aligned

disordered

TM S

paramagneto

=M /H (T) = /T

(Curie)

Susceptibilidad de un Paramagneto versus Temperatura


F-F

Energía de pared de Dominio

Energía Magnetoelástica

Energía Magnetostática

Anisotropía Magnetocristalina

Interacción de Intercambio

Intercambio: interacción de corto alcance

solamente interacción entre vecinos.

Un fenómeno mecánico-cuántico conducente a ordenamiento ferro, antiferro, etc.,

i

j

Z primeros vecinosN átomos/iones en el sistema

Integral de intercambio


N

i ji

z

j jiJ ssJE

.2 ,

0/)( rrerJ

Interacción de Intercambio

N

i ji

z

j jiJ ssJE

.2 ,

Interacción de Superintercambio

Acoplamiento entre espines del Fe mediada por oxígenos

20-17556509-5 01400816-03503250650386

Interacción de Superintercambio

Densidad de spin en el plano que contiene el camino de super intercambio

FeCl···(H)OFe. Normalizada a 5 µB por octaedro.

K2FeCl5·H2O

Fe

Fe

Estructura cristalina : anisotropía

magnetocristalina

interacciones Spin – órbita +

campo cristalino

S L

EC

Anisotropía magnetocristalina


Energía de anisotropía Magnetocristalinasituación uniaxial. ejemplo: Co hcp

Eje fácil (K)

M

energía de anisotropía (EK)

EK = KV sin2

Hext

situación cúbica; ejemplo: Fe3O4

magnetita

[100]

Energía de anisotropía Magnetocristalina

La energía de anisotropía depende de la temperatura

Forma: anisotropía magnetostática

anisotropía magnetoelástica

FF

Anisotropía – otras fuentesInteracciones Magnéticas

eje

fácil

EK = KV sin2Materiales con magnetosctricción > 0

Materiales con magnetosctricción < 0

FFeje fácil

FFeje duro

= l/l0

En la dirección de magnetizacíon

l0 = l(M=0) lS = l(MS); l = lS - l0

Esfuerzo

energía magnetostática

M

HD= - NM

S NHD

mono dominio

M

Campo demagnetizante

dVHMEM

.

20 2

0)( Si MVN

Keff = KC + KF + K + ...

Anisotropía de forma

KF = (N1 – N2)MS2/2

2

1

ES = KFV sin2

M

anisotropía efectiva

EM

número de dominios (n)

MM

M

M

HHH dominios de cierre

energías magnetostática + pared de dominio

n

MVE S

M

20

1

M

H

Pared de Dominio(Bloch)

energías magnetostática + pared de dominio

neq

número de paredes

EM

+EW

magnetostatic

domain wall

E

n

n

MVE S

M

20

nAEW

,A

dominio:

1-10 m (1012 a 1015

átomos)

dominios magnéticos en un ferromagneto; pequeñas partículas

partícula submicrométrica: (< 1012 átomos)

monodominio

>10 m

Alta relación superficie/volumen

Eje fácil

bulk Cristal >1015 átomos

Al momento angular atómico s le corresponde un momento magnético :

Momento magnético

paramagneto

No hay interacción entre los momentos magnéticos. En presencia de un campo magnético externo H cada momento sólo experimenta la interacción Zeeman.

0 = 4 x10-7 (unidades SI): permeabilidad del vacío

Bsg

HBE iii

0

Ferro, ferri, antiferromagnetos

Existe una interacción de corto alcance, de origen cuántico, llamada interacción de intercambio, que induce el ordenamiento paralelo de spines y momentos magnéticos.

En presencia de un campo magnético externo H cada momento interactúa con los vecinos vía intercambio y con el campo externo vía la interacción Zeeman.

jiijex ssJE

2

j

jiiefii ssJHBE

20

superparamagneto

En el caso más simple:

A temperaturas altas, en presencia de un campo magnético externo H sólo se observa la interacción Zeeman de la partícula con el campo.

Partículas magnéticas monodominio que no interactúan entre sí. La partícula tiene un momento total igual a la suma vectorial de sus momentos atómicos (supermomento). Poseen anisotropía (eje fácil).

K

HE pp

0

i

atip

atip N

Propiedades magnéticas de partículas pequeñas, monodominio, Efecto de la temperatura: régimen superparamagnético

barrera de energía

Tiempo de relajación

(Momento de la partícula)

K

DEK = KV sen2

Eje fácil (K)

M

energía de

anisotropía (EK)

H

kT

KVexp0

t

Efecto de la anisotropía y la temperatura en partículas pequeñas

ferromagneto superparamagneto paramagneto

SM

CT TBT

nrM

TMMTM STSnr 10

KV

kT

NPbulk


Tiempo de relajación

DEK = KV sen2 - 0H cos

0

KH

2

0 1expKH

H

kT

KV

SK M

KH

0

2


DEK = KV sen2 - 0H cos

0

M

MSH/T

Langevin

L(x)=coth(x)-1/x

x=B/kT

Teniendo en cuenta efectos térmicos

= = 0

Mag

netiz

ació

n

Momento Atómico

Temperatura

M0

TC

Desorden térmicoparaferro

bulk

Momentos “ordenados”

Momentos desordenados

Propiedades magnéticas de partículas pequeñas, monodominio,

Momento Atómico

ferro

Temperatura

Mag

netiz

ació

n

TB

Super-para

nano

para

bloqueado

TC

s1110

s1110

obs

Magnetic or “magnetotactic”

bacteria

Propiedades magnéticas de partículas pequeñas, monodominio,

Finale… e recomendazione…

Los superimanes no son para las heladeras…

Fin módulo 1

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