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Oswaldo Morán C.
Materiales Magnéticos, Materiales Magnéticos, una aproximaciónuna aproximación
Departamento de FísicaUniversidad Nacional de Colombiasede Medellín
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Efecto Meissner
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0 100 200 300 4000
1
2
3
4
(x1
0-3
cm
T (K)
H = 0 H = 4 T
Magnetoresistancia Colosal (CMR)
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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
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Ley Biot-SavartdB = μ0/4π [Idlxr/r2]
E.ds = q/ε0
Leyes fundamentales
B.ds = 0 Ley Gauss
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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).
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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]
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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 >>
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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 !
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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)
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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
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1.Diamagnetismo 2.Paramagnetismo3.Ferromagnetismo4.Antiferromagnetismo 5.Ferrimagnetismo
Comportamiento magnético de la materia
Diamagnetismo, paramagnetismo: interaccionas magnéticas colectivas
Magnéticamente no ordenados
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Ferromagnetismo, FerrimagnetismoAntiferromagnetismo
Orden magnético de rango largo debajo TC
Ferromagnetismo, Ferrimagnetismo
Magnéticos (similar Fe)
Antiferromagnetismo No “magnéticos”
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Comportamiento magnético de la materia
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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
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Experimentalmente
quarzo (SiO2): -0.62 x x10-8 m3/kgCalcita (CaCO3): -0.48 x10-8 m3/kgAgua: -0.90 x10-8 m3/kg
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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
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= 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 }
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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
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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.
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Diferencia entre Mespon y Msat dominios magnéticos Msat. propiedad intrínseca, = f( tamaño de partícula), f (T).
H = 0
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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
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Temperatura de Curie, TC
Magnetita
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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
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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
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5. Antifferromagnetismo
Canteado, m << 0
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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
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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 !
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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.
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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.
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5. Thin Films and multilayers
General concepts
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Thin film fabrication
a. Physical methods
Pulsed Laser Deposition (PLD)Sputtering
b. Chemical methods • electrochemical segregation • Sol-gel processes • Spray
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Spintronics = Magnetism + Electronics
Conventional Electronics
Spin control → +1 grade of freedom for engineering of electronic devices.
?
To manipulate S in transport processes Aim:
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• Metallic Multilayers (GMR) • Ferromagnetic tunnel junctions • Ferromagnetic Oxides (CMR) • Semiconductors
Achievements:
Spin-dependent transport processes in:
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1.
2. Contribution to electrical transport processes
Why ?. n
b.
Mechanism of Spintronics
I I
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Brillouin Zone
k F =qE = dp/dt = (ħ/2)k/
Spin accumulation
E
n >nCo AgI
→ →→
→
→
M 0Ag
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Spin accumulation
Ag
→
→
→
Half-metallicFerromagnet (HMF)
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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.
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CONTENTS
• Motivation
• Materials for Spintronics
• Fabrication Methods
• Characterization Techniques
• Experimental Results
• Conclusions
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Two terminal Spintronics
Spin valve
R 100 % GMR
hard-disk read-head
Function:
H
R > R
cryostat
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Spin valve polarized light
HMF HMF
d
When d sd
spin filterspin polariser
I = f (, )
HMF
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Spin tunneling processes
metal metal
insulator
IT = f (V, , d)
Insulator ≡
= EF-EC
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Spin tunneling processes
HMF HMF
d
I
Spin valve
I = 0
H I 0Spin electronic switch=
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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
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V
1
2
3
pump
Jhonson transistor
Three terminal Spintronics
BE C
C, floatingFunction: → IEB, pumped VC, monitored→
VC = f (E , E)
H VC
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V
1
2
3
pump
BE C
Three terminal Spintronics
HMF
Stationary state: IBC = 0
VC = f (HMF , HMF )
H → IEB → VC
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•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