F_06_magn (Лекции (Ляхова)), страница 3

Н_о

Рис. Схема образования ЦМД.

При первом критическом значении магнитного поля Н_о = Н_крит1 антипараллельные домены сжимаются и переходят в цилиндрические (окружность обладает наименьшей длиной границы при наибольшей площади) - образуются ЦМД. При дальнейшем увеличении Н_о радиус d ЦМД уменьшается. При Н_о = Н_крит2 ЦМД исчезают (происходит коллапс).

Н_о

Н_крит2

Н_крит1

d

Рис.. Зависимость радиуса d ЦМД от магнитного поля Н _о.

ЦМД (”магнитные пузырьки”) имеют устойчивое магнитное состояние при Н_крит1 < Н_о < Н_крит2 . ЦМД можно управлять: перемешать в плоскости кристалла, генерировать новые домены, уничтожать в анигиляторах.

Для считывания информации используется магниторезистивный эффект - изменение магнитного сопротивления R_m в зависимости от направления намагничивания. При прохождении ЦМД мимо датчика радиальная составляющая поля ЦМД поворачивает магнитное поле датчика. При этом изменяется сопротивление датчика и меняется сила тока. С уменьшением размера домена или кластера становится слабее магнитное поле ЦМД, усложняется позиционирование. Данные проблемы решаются использованием гигантского магниторезистивного эффекта в наноструктурах.

Магнитные нанокластеры увеличивают плотность размещения информации. Однако сохраняется необходимость поверхностей раздела доменов и кластеров. Эти поверхности полезны, так как осуществляют информационную и тепловую изоляцию, но увеличивают размер ячейки памяти.

Рис. Поверхность раздела между ячейками памяти. Ширина дорожки – 1 мкм.

Более эффективную тепловую изоляцию обеспечивает диэлектрик. Конструктивно это можно реализовать, используя молекулу ферритина или помещая ферромагнитные нанокластеры в пористую подложку.

Рис. Ферритин (темный в центре) в протеиновой оболочке. Диаметр 12 нм.

Одним из перспективных материалов является арсенид галлия, легированный марганцем Ga_1-xMn_xAs, в котором формируется ферромагнитное состояние. Для размещения атомов марганца в узлы решетки на поверхности кристаллов GaAs использовали сканирующий туннельный микроскоп (СТМ). Это достигали за счет подачи импульса напряжения на иглу СТМ, расположенную вблизи адсорбированного на поверхности (и слабо связанного с ней) атома марганца. В результате атом марганца "выбивал" атом галлия из поверхностного слоя и занимал его место. Считывание производили также с помощью СТМ, но меньшей энергии.

Рис. Внедрение атомов марганца в кристалл GaAs иглой сканирующего туннельного микроскопа.

Исследователи фирмы IBM предложили для хранения одного бита информации использовать отдельный атом железа, помещённый на тонкую плёнку нитрида меди, он ведёт себя как самостоятельный магнит. Атом железа, взаимодействуя с окружающими его немагнитными атомами, вызывает явление магнитной анизотропии, то есть магнитный момент ориентируется в определённом направлении. Это предпочтительное направление можно использовать для хранения логических 0 или 1. Однако эксперименты проводились при температуре, близкой к абсолютному нулю. При успешном практическом завершении этих исследований объёмы информации, записываемые на жесткие диски, можно будет увеличить в тысячи раз.

Рис. Иллюстрация магнитных свойств атома железа и исследования их с помощью сканирующего туннельного микроскопа.

Магнитокалористический эффект.

Магнитное поле оказывает влияние на внутреннюю структуру материала. Постоянное поле, ориентируя магнитные моменты, упорядочивает и внутреннюю структуру. Это изменяет плотность вещества, давление, температуру, удельное электрическое сопротивление и геометрические размеры образца. Изменение температуры (или энтропии) магнитного материала при изменении напряженности магнитного поля, в котором он находится, называется магнитокалорическим эффектом (МКЭ). Изменение температуры магнитного материала происходит в результате перераспределения внутренней энергии магнитного вещества между системой магнитных моментов его атомов и кристаллической решеткой. Максимальной величины МКЭ достигает в магнитоупорядоченных материалах, таких как ферромагнетики, антиферромагнетики и т.п., при температурах магнитных фазовых переходов (температурах магнитного упорядочения - Кюри).

Магнитострикция.

Под действием магнитного поля в магнетиках домены переходят от хаотической ориентации к упорядоченной, что влечет за собой деформацию кристаллической решетки, изменение размеров образца - прямой эффект магнитострикции. При снятии магнитного поля первоначальная структура восстанавливается, т.к. она энергетически выгодна при существующей температуре.

Рис. Ориентирование доменов магнетиков в магнитном поле.

Коэффициент магнитострикции: а_м =  L / L, может быть положительным и отрицательным. Изменение для большинства материалов незначительно: порядка 0,003 %. Однако в 1961 г. у редкоземельных металлов тербия Tb, диспрозия Dy и некоторых их сплавов был открыт эффект гигантской магнитострикции, величина которого больше на два порядка: 0,5 % для сплава TbDyZn. Это позволило создать малоразмерные прецизионные магнитострикционные приводы.

Рис. Принцип магнитострикции.

Магнитострикция используется для создания акустических вибраторов. В резонансных системах длиною L должно выполняться соотношение

L =  / 2 = V_зв / 2 f_раб ,

где V_зв - скорость звука в материале преобразователя, а f_раб - рабочая частота, при которой максимально используется магнитострикционный эффект. По величине f_раб подбираются размеры преобразователя. Наноструктуры позволяют создать высокочастотные акустические колебания.

Обратный магнитострикционный эффект имеет место при деформации сердечника, на который наложена обмотка токопровода. При этом меняются магнитные свойства материала сердечника и, следовательно, сила тока в проводе. Это используется для датчиков давления.

Эффект Холла.

Если в металлах и полупроводниках протекает ток в продольном направлении, то при внесении их в магнитное поле на поперечных гранях образца появляется ЭДС Холла V_x.

В отсутствие магнитного поля (В = 0) эквипотенциальные поверхности располагаются перпендикулярно направлению электрического поля. Разности потенциалов между гранями С и D нет. В магнитном поле на заряд, движущийся со скоростью V_др действует сила Лоренца F_L, отклоняющая его в поперечном направлении (по правилу “буравчика”): F_L = q [ V B ].

Под действием силы F_L основные носители заряда (и электроны и дырки) отклоняются в одну сторону. Грани С и D заряжаются противоположно: в

р- полупроводнике грань С - “-” , а грань D - “+”, а в

n- полупроводнике - наоборот, грань С - “+”, а грань D - “-”.

В результате разделения зарядов возникает электрическое поле Е_х (холловское поле) с разностью потенциалов V_х .

Возникшее поле Е_х действует на заряды с силой

F_Е = q E_x ,

направленной против силы F_L . Накопление зарядов будет происходить до тех пор, пока не возникнет динамическое равновесие:

F_Е = F_L , q V_др B = q E_x .

После удаления магнитного поля исчезает сила Лоренца, а скопления зарядов рассасываются под действием электростатического поля.

Поскольку Е_х = V_др / d, а V_др = j / ( q N ), где j - плотность тока, а N - концентрация носителей заряда то ЭДС Холла будет

V_х = j d B / ( q N ).

Эффекта Холла используется для:

- (j) измерения силы тока,

- (В) измерения напряженности магнитного поля в пределах, в которых сохраняется прямая пропорциональная зависимость, миниатюрными датчиками можно измерять пространственное распределение магнитного поля. Ввиду малой инерционности (малого времени релаксации) могут измеряться высокочастотные магнитные поля.

- (N) измерения концентрации носителей заряда, а также их знака по знаку ЭДС Холла,

- обнаружения ЦМД: при наличии ЦМД возникает ЭДС Холла определенного знака,

- охранной сигнализации,

- датчиков частоты вращения вала: на вал устанавливается зубчатое колесо между неподвижным магнитом и элементом Холла. Чем быстрее вращается вал, тем больше импульсов V_х .

Термомагнитный эффект Эттингсгаузена.

Эффекту Холла сопутствует термомагнитный эффект Эттингсгаузена: при пропускании тока через проводник, помещенный в поперечное магнитное поле возникает градиент температур в направлении, перпендикулярном магнитному полю и току. На грани D, куда поперечным магнитным полем отклоняются носители заряда, возникает их избыточная концентрация. Здесь столкновения с кристаллической решеткой происходят чаще, т.е. рекомбинация превалирует над генерацией свободных носителей заряда. Вблизи грани D выделяется тепло. На грани С генерация превалирует над рекомбинацией, поэтому эта грань охлаждается. Таким образом между гранями С и D имеется градиент температур. Для его поддержания необходим материал с малой теплопроводностью. Эффект Эттингсгаузена используется там же, где и эффект Пельтье: для охлаждения воздуха, термостатирования.

Магнитоуправляемые резисторы.