Magnetische Eigenschaften von Werkstoffen

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1 Magnetische Eigenschaften von Werkstoffen
F … Kraft in der x Richtung V … Volumen der Probe  … Suszeptibilität der Probe H … magnetische Feldstärke dH/dx … Gradient der Feldstärke Die (magnetische) Suszeptibilität  charakterisiert die magnetischen Eigenschaften der Werkstoffe

2 Weitere Parameter … die auf das Material wirkende Kraft
… Permeabilität (ähnlich wie dielektrische Konstante:  = 1 + P/[0E]) … magnetische Induktion … Magnetisierung … magnetischer Strom (B … magnetische Stromdichte) … Magnetisierung und magnetisches Moment

3 Magnetische Eigenschaften von Werkstoffen
… und Antiferromagnetisch und Ferrimagnetisch

4 Wechselwirkung mit externem magnetischen Feld
Werkstoff Wechselwirkung Diamagnetisch – wird ausgestoßen Paramagnetisch werden Ferromagnetisch unterschiedlich Antiferromagnetisch stark Ferrimagnetisch hineingezogen

5 Diamagnetismus Änderung des inneren oder des atomaren „elektrischen“ Stroms im externen magnetischen Feld: Änderung der Winkelgeschwindigkeit der stark gebundenen Elektronen Rotation (kreisförmige Bewegung) der freien (metallischen) Elektronen

6 Diamagnetismus Das interne magnetische Feld im Werkstoff (Magnetisierung M) wirkt gegen das externe magnetische Feld (H), so dass die magnetische Induktion (B) im Werkstoff klein ist. Ideal diamagnetisch sind Supraleiter im supraleitenden Zustand (Meissner Effekt) … negativ in diamagnetischen Materialien

7 Paramagnetismus Ohne ein externes magnetisches Feld (H = 0) gibt es keine Magnetisierung des Werkstoffs (M = 0), weil magnetische Momente einzelner Atome (Elektronen) zufällig orientiert sind. Im externen magnetischen Feld (H > 0) werden magnetische Momente einzelner Atome (Elektronen) in einer Richtung orientiert  M > 0. Temperaturschwingungen der Atome wirken gegen die Orientierung der magnetischen Momente  die Suszeptibilität ist temperaturabhängig.

8 Paramagnetismus M (a) … Curie Gesetz
(b), (c) … Curie-Weiss Gesetz für Paramagnetisches Material (d) … diamagnetisches Material H … Curie … Curie-Weiss

9 Theorie des molekularen Feldes
Paramagnetismus Bedeutung der Konstanten C und  im Curie und Curie-Weiss Gesetz Magnetismus der atomaren Elektronen (Orbitalelektronen) Theorie des molekularen Feldes n … Anzahl der magnetischen Momente (Atome)

10 Zusätzlicher Effekt zum Orbitalmagnetismus
Spin Paramagnetismus Zusätzlicher Effekt zum Orbitalmagnetismus Elemente mit 3d Elektronen (Besetzung der Elektronenzustände laut Hund): Fe: 3s2, 3p6, 3d6 Spin-magnetisch Co: 3s2, 3p6, 3d7 Spin-magnetisch Ni: 3s2, 3p6, 3d8 Spin-magnetisch Cu: 3s2, 3p6, 3d10 Spin-nichtmagnetisch Zn: 3s2, 3p6, 3d10 Spin-nichtmagnetisch

11 Elemente mit 3d Elektronen

12 Ferromagnetismus Die wichtigsten Merkmale der ferromagnetischen Werkstoffe Anordnung der magnetischen Momente unterhalb von Tc Sättigung der Magnetisierung Übergang ferromagnetisch  paramagnetisch bei Tc Temperaturabhängigkeit von Ms

13 Magnetische Eigenschaften von ferromagnetischen Werkstoffen – Beispiele

14 Einfluss der Eigenspannung (Realstruktur)
Auf magnetische Eigenschaften von ferromagnetischen Werkstoffen Nickel (fcc) Eisen (bcc)

15 Einfluss der Orientierung der Kristallite (Realstruktur)
Auf magnetische Eigenschaften von ferromagnetischen Werkstoffen Beispiel: Eisen, Einkristall Kristallanisotropie der magnetischen Eigenschaften (der Magnetisierung) Gemessen wird der Mittelwert der physikalischen Eigenschaft

16 Permanente Magnete Breite Hysteresekurve

17 Werkstoffe für permanente Magnete

18 Magnetoelastische Effekte
Magnetostriktion Änderung der Länge (der Gitterparameter) des magnetischen Kristalls im magnetischen Feld Spontane Magnetostriktion Änderung der Länge (der Gitterparameter) des magnetischen Kristalls im eigenen magnetischen Feld Beobachtet in manchen Materialien unter Tc – bei der Anordnung der magnetischen Momente

19 Spontane Magnetostriktion
ErCo2 RT: Fd-3m LT: R-3m  = 90°    90°

20 Spontane Magnetostriktion
Spaltung von kristallographisch (nicht) äquivalenten Linien im Röntgenbeugungsexperiment

21 Koeffizienten der Magnetostriktion in Er(Co,Ge)2 und Er(Co,Si)2

22 Er(Co1-xSix)2 Anstieg des Gitterparameters (des Volumens der Elementarzelle) bei tiefen Temperaturen Anordnung der magnetischen Momente  magnetische Wechselwirkung zwischen einzelnen Atomen  Änderungen in der Kristallstruktur

23 Antiferromagnetismus
Anordnung der magnetischen Momente unterhalb von Tc (TN … Néel Temperatur) Beispiele: MnO, UN (fcc, Fm3m, NaCl Struktur), MnF2 Antiparallele Anordnung der magnetischen Momente Negative kritische Temperatur: Suszeptibilität im paramagnetischen Bereich

24 Experimentelle Methode zur Untersuchung der Orientierung der magnetischen Momente
Neutronenbeugung Wechselwirkung Neutronen – Atome (Neutronen und Protonen)  Information über die Kristallstruktur (ähnlich wie bei der Röntgenbeugung, nur die Auflösung ist schlechter) Wechselwirkung Neutronen (magnetische Momente der Neutronen) – magnetische Momente der untersuchten Atome  Information über die magnetische Struktur

25 Magnetische Eigenschaften von antiferromagnetischen Werkstoffen – Beispiele
UN TN = 53K - = 247 K

26 Einfluss der Realstruktur
Auf magnetische Eigenschaften von antiferromagnetischen Werkstoffen Dünne Schichten von UN Unterschiedliche Beschichtungstemperatur  unterschiedliche Eigenspannung, Kristallitgröße, Dichte der Strukturdefekte Entwicklung einer scheinbaren ferromagnetischen Komponente bei tiefen Temperaturen  unausgewogene magnetische Momente

27 Ferrimagnetismus Spontane Anordnung der magnetischen Momente und Hysterese unterhalb der Curie-Temperatur wie in ferromagnetischen Werkstoffen Ferrimagnetikum ist ein keramischer Werkstoff (Ferrite – FeO.Fe2O3, NiO.Fe2O3, CuO.Fe2O3, …) mit Spinell-Struktur

28 Suszeptibilität und Magnetisierung ferrimagnetischer Werkstoffe
NiO.Fe2O3

29 GMR Effekt Riesiger Magnetowiderstand in Multilagenschichten
Diamagnetische Werkstoffe: Cu, Ag, Au Ferromagnetische Werkstoffe: Fe, Co, Ni dia dia ferro ferro I  I  dia dia ferro ferro H = 0 H > 0

30 Physikalisches Prinzip von GMR
Unterschiedlich starke Streuung der Elektronen mit unterschiedlichem Spin Antiferromagnetische Kopplung zweier ferromagnetischer Schichten über eine diamagnetische Schicht

31 Änderung des elektrischen Widerstandes im äußeren magnetischen Feld
Definition von GMR:

32 Änderung des elektrischen Widerstandes im äußeren magnetischen Feld
System: Co/Cu

33 Wichtige Parameter magnetischer Multilagenschichten
Wahl der Werkstoffe (diamagnetisch, ferromagetisch) Dicke der einzelnen Schichten Grenzflächenqualität (Grenzflächenrauhigkeit) und Grenzflächenmorphologie Untersuchungsmethoden Widerstandsmessung im variablen magnetischen Feld XRD, Neutronenbeugung TEM Anwendungen Sensoren fürs magnetische Feld (Leseköpfe für Festplatten) Magnetische Ventile (Spin-Ventile)

34 Einfluss der Dicke des „Spacers“
Auf die magnetischen Eigenschaften der Multilagenschichten Co Cu . 50x

35 Lesekopf in der Festplatte
Vorteile: Sehr kleine Dimensionen [(Co 11Å/ Cu 22 Å) x 50] = = 1650 Å = 165 nm = m

36 Dichte der gespeicherten Information