Magnetisk anisotropi och magnetostriktion 1 Beskriv kortfattat vad begreppen spontan och fältinducerad magnetostriktion innebär. 2 Det finns legeringar som uppvisar osedvanligt stor magnetostriktion med 10 3. Ge exempel på sådan legering. λ s 3 Ett materials magnetiska anisotropi kan ha bidrag från tre olika källor diskutera kort dessa bidrag. 4 Förklara varför materialets form kan skapa magnetisk anisotropi, d.v.s. varför förändras materialets energi då magnetiseringen inuti materialet byter riktning? 5 Vilka två energier avgör hur stor magnetostriktion ett magnetiskt material har? Domäner, domänväggar och magnetiseringsprocesser 6 Fastlåsning ( pinning ) av domänväggar sker vid materialdefekter. Nämn minst två olika typer av defekter som kan pinna domänväggar och förklara varför fastlåsning sker vid dessa defekter. 7 Beskriv med ord magnetiseringsprocesserna (från nollfält till magnetisk mättnad) för proverna till höger. Det är samma enkristallina material i bägge fallen, det som skiljer är provmultidomäntillstånd storleken. Det ena provet har i nollfält ett multi- endomäntillstånd domäntillstånd, medan det andra provet är tillräckligt litet för att vara en endomänpartikel (dock tillräckligt stor för att vi ska kunna bortse H från termiska effekter). Notera att fältet H inte är riktat längs en lätt magnetiseringsriktning.
8 a) Figuren till höger visar en tunn enkristall av Fe och vad som händer när ett magnetfält H påverkar materialet; (100)- planet syns i bilderna och pilarna visar riktningen hos domänmagnetiseringen. Den övre bilden visar domänkonfigurationen i nollfält, medan de två undre bilderna visar domänkonfigurationen för två olika magnetfält. Beskriv magnetiseringsprocessen. Åt vilket håll är magnetfältet riktat? b) Beskriv vad som händer om det finns defekter i kristallen. Hur påverkas hystereskurvan av defekter? c) Magnetisk anisotropi kan ha flera olika bidrag. Nämn två bidrag. 9 Beskriv kortfattat varför magnetiseringen i ferromagnetiska/ferrimagnetiska material är uppdelat i magnetiska domäner. 10 Vilka två energier bestämmer kritiska storleken för en sfärisk endomänpartikel? 11 Diskutera kortfattat hur materialdefekter (ex. dislokationer, håligheter, föroreningsfaser, etc.) påverkar magnetiseringsprocessen. 12 Vilka två energier bestämmer domänväggens energi och storlek? Jämför hård- och mjukmagnetiska material; vilken materialtyp har störst domänväggsenergi och vilken materialtyp har tjockast domänvägg? 13 Hur definieras energin för en domänvägg? I svaret måste två energibidrag diskuteras (det kostar energi att skapa en domänvägg). Mjukmagnetiska material 14 För mjukmagnetiska material som ska användas i AC-tillämpningar (där materialet magnetiseras av ett AC-fält) brukar man skilja på tre typer av elektromagnetiska förluster; i) DC-hysteresförluster, ii) virvelströmsförluster och iii) anomala virvelströmsförluster. Förklara för varje förlustbidrag vad som är viktigt om man vill minimera bidragets storlek.
15 Beskriv kortfattat hur nanokristallina mjukmagnetiska material tillverkas och hur materialen är uppbyggda. Nämn även några karakteristiska egenskaper för materialen. 16 Förklara varför det krävs lägre magnetfält för att nå mättnadsmagnetisering för orienterad elektroplåt i jämförelse med icke-orienterad plåt; det magnetiserande fältet är riktat längs plåtens valsriktning. 17 Vilka positiva effekter erhålls då järn legeras med en liten mängd kisel? 18 Förklara vad som avses med orienterad elektroplåt. Förklara dessutom på vilket sätt magnetiseringsprocessen underlättas i orienterad elektroplåt. 19 Bilden till höger visar ett kristallkorn i en orienterad elektroplåt. I den övre bilden ser man domänstorleken utan isolationsskikt, medans den undre bilden visar domänstorleken med isolationsskikt. Varför är det bra att minska domänstorleken i elektroplåten? 20 Vad skiljer orienterad elektroplåt (Fe-Si plåt) från icke-orienterad elektroplåt? 21 Mjukmagnetiska material uppvisar ofta förbättrade egenskaper (lägre elektromagnetiska förluster) om materialets kornstorlek kan göras större. Ge en rimlig förklaring till denna observation. (2p) 22 Vad är den främsta orsaken till att järn legeras med kisel i elektroplåt? 23 Vad görs för att kontrollera/begränsa domänstorleken i orienterad elektroplåt? Varför är det viktigt att kontrollera domänstorleken i orienterad elektroplåt? 24 Hur tillverkas amorfa magnetiska metallglas? Vilka egenskaper har materialen?
25 Fe 1-x Ni x systemet är känt för sina mjukmagnetiska egenskaper. Ge en rimlig förklaring till varför man kan uppnå relativa magnetiska permeabiliteter på 10 5-10 6 då x 0.8. 26 Du behöver ett mjukmagnetiskt material i en AC-tillämpning och för frekvenser av storleksordningen 100 MHz. Du kan välja mellan i) elektroplåt, ii) amorf magnetisk metallglas och en iii) NiZn ferrit, (Ni,Zn)Fe 2 O 4. Vilket material väljer du? Hårdmagnetiska material Räkneproblem, se räkneövningar. Magnetiska lagringsmedia 27 Vilka egenskaper vill man att magnetiska lagringsmedia ska uppvisa? Diskutera utifrån den magnetiska hystereskurvan. 28 När man diskuterar gränsen vad gäller lagringskapacitet för magnetiska lagringsmedia nämns ofta den superparamagnetiska gränsen. Förklara vad detta begrepp innebär. 29 Förklara hur man skriver/läser bit-information på en modern hårddisk. 30 Vilken typ av magnetiskt material används i en modern hårddisk? (1p) 31 I audio- och videoband används magnetiska endomänpartiklar. Vad skulle hända om man minskade partikelstorleken till d 1 nm? Kan man använda så små partiklar för magnetisk lagring? Motivera svaret! 32 Nanopartikelsystem som på ett substrat spontant inordnar sig i ett 2-dimensionellt gitter (modeord är self-organization och self-assembling ) har potential att ge magnetiska minnen med Tbit/inch 2 lagringskapacitet. Exempel på system som nu undersöks är sfäriska FePt nanopartiklar med enaxlig magnetisk anisotropi och en magnetisk anisotropikonstant 6 K1 2 10 J/m 3. Om vi antar att en bit kan lagras i varje FePt partikel, hur liten kan en sfärisk nanopartikel vara (ge svaret som partikeldiameter) om kravet är att partikelmomentet och därför den lagrade informationen ska vara stabilt i 10 år. Karakteristisk
τ b B, där 10 τ 0 = 1 10 s är energibarriären (skillnaden i energi mellan hård och lätt magnetiseringsriktning). relaxationstid/ flip -tid för partikelmomentet är = τ 0 exp ( E k T ) och E b Vad gäller temperaturen ska svaret ges för rumstemperatur (T = 300 K). Magnetoresistans; GMR och TMR 33 Beskriv kortfattat hur MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory) fungerar: Beskriv ett minneselement; beskriv hur man lagrar/läser information. 34 Den så kallade GMR (Giant MagnetoResistance) effekten är något som förknippas med magnetiska multilager (där tunna magnetiska skikt varvas med likaledes tunna omagnetiska men metalliska skikt) och magnetiska sandwichstrukturer (där bara två tunna magnetiska skikt åtskiljs av ett tunt omagnetiskt metalliskt skikt). Ge en fysikalisk förklaring till GMR effekten. I svaret ska du använda begrepp som majoritets- och minoritetselektroner, och diskutera varför resistansen förändras under inverkan av ett magnetfält. 35 En viktig egenskap hos GMR material är att magnetiseringarna i närliggande magnetiska skikt, i något fältintervall, är motriktade. Nämn två sätt som används för att uppnå detta. 36 För en spinn-tunnelövergång (två magnetiska metalliska elektroder separerade av ett tunt isolerande skikt) har man uppmätt hystereskurvan (magnetisering som funktion av magnetfält) som finns avbildad till höger. Hur ser resistansen som funktion av magnetfält ut? Rita en figur där fältet varierar enligt H1 H 2 H1 H 2 H1. Vilken fältcykel använder du för att tunnelövergången ska bli fast i högresistanstillståndet (även då fältet = 0 i slutet på fältcykeln)? M -H 1 -H 2 H 1 H 2 H 37 Figuren härunder visar magnetoresistansen för ett magnetiskt multilager (vänster figur; 60 repetioner av (Fe 30Å/Cr 9Å)) och en s. k. sandwichstruktur (höger figur; här finns bara två NiFe lager). Vilken filmstruktur väljer du om du vill bygga en känslig sensor för magnetfält (du vill mäta SMÅ magnetfält)? Sensorn ska exempelvis kunna användas för att läsa lagrad information i en hårddisk. Svaret måste motiveras. (1 G = 10-4 T).
(Fe 30Å / Cr 9Å) 60 1 R / R(H=0) 60Å NiFe/22Å Cu/40Å NiFe/70Å FeMn 5 0.8 0.6 B (kg) -40-20 0 20 40 ΔR/R [%] 4 3 2 1 B (G) 0-100 -50 0 50 100 38 Hög resistans innebär att magnetiseringarna i närliggande magnetiska skikt är motriktade. Förklara hur motriktade magnetiseringar erhålls i magnetiska multilager av typ (Fe/Cr) n och i magnetiska sandwichstrukturer av typ (NiFe/Cu/NiFe/FeMn).