Помощь в учёбе, очень быстро...
Работаем вместе до победы

Магнитные состояния и гистерезисные свойства систем малых гетерогенных частиц

Диссертация: Магнитные состояния и гистерезисные свойства систем малых гетерогенных частиц
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Проведено моделирование перемагничивания двухдоменных зерен магнетита. Исследована зависимость коэрцитивной силы и критических полей от вытянутости и размера частиц, а также от направления внешнего магнитного поля. Установлено, что коэрцитивная сила частицы магнетита является немонотонной функцией вытянутости. Для увеличения плотности магнитной записи обычно используют частицы, размеры которых… Читать ещё >

Содержание

  • Глава 1. Обзор литературы
    • 1. 1. Конфигурации магнитного момента в малых частицах
    • 1. 2. Механизмы перемагничивания
    • 1. 3. Модели двухкомпонентных частиц
    • 1. 4. Моделирование термических флуктуации в ансамблях частиц
    • 1. 5. Выводы
  • Глава 2. Магнитные состояния малых частиц
    • 2. 1. Модель двухдоменной частицы
    • 2. 2. Устойчивость состояния с однородной намагниченностью гомогенной частицы
      • 2. 2. 1. Основные и метастабильные состояния зерен магнетита
      • 2. 2. 2. Анализ результатов моделирования для магнетита
      • 2. 2. 3. Критические размеры частиц железа
    • 2. 3. Состояния окисленных частиц железа
    • 2. 4. Магнитные состояния двухфазных частиц
      • 2. 4. 1. Модель двухфазной частицы
      • 2. 4. 2. Равновесные состояния двухфазной частицы
    • 2. 5. Влияние температуры на магнитные состояния
      • 2. 5. 1. Распределение двухфазных частиц по состояниям
      • 2. 5. 2. Диаграммы магнитных состояний неоднородных частиц при конечных температурах
    • 2. 6. Выводы
  • Глава 3. Гистерезисные свойства малых частиц
    • 3. 1. Кривая намагничивания зерен магнетита
    • 3. 2. Гистерезисные характеристики ансамбля двухфазных частиц
      • 3. 2. 1. Время релаксации и вязкая намагниченность ансамбля невзаимодействующих частиц
      • 3. 2. 2. Гистерезисные свойства и остаточная намагниченность ансамбля невзаимодействующих двухфазных зерен титаномагнетита
      • 3. 2. 3. Намагничивание ансамбля двухфазных частиц Со-у~?е20з
    • 3. 3. Магнитостатическое взаимодействие в ансамбле двухфазных частиц
      • 3. 3. 1. Функция распределения по полям взаимодействия
      • 3. 3. 2. Влияние взаимодействия на остаточную намагниченность и коэрцитивность ансамбля химически неоднородных частиц
    • 3. 4. Выводы

Магнитные состояния и гистерезисные свойства систем малых гетерогенных частиц (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Актуальность темы

Большинство материалов для магнитной записи состоят из малых магнитных частиц размером порядка сотых долей микрометра. Встречающиеся в природе материалы — носители магнитной записи — представляют собой немагнитную матрицу с вкраплениями ферромагнитных зерен. Поэтому, для понимания процессов, происходящих в носителях магнитной записи, необходимо изучать такие частицы.

Для увеличения плотности магнитной записи обычно используют частицы, размеры которых таковы, что они находятся либо в однодомен-ном, либо в псевдооднодоменном состоянии. Для повышения устойчивости остаточной намагниченности по отношению к тепловым флуктуаци-ям применяют высококоэрцитивные ферромагнетики.

Наиболее часто для магнитной записи используются частицы 7-Ре20з, СГ2О7, чистого железа, феррита бария. Для увеличения коэрцитивности в частицы 7-РегОз может добавляться кобальт. Все эти частицы, кроме ВаРе^Охэ, имеют кубическую структуру и удлиненную форму.

Малые магнитные частицы являются также предметом исследования в магнетизме горных пород. Чаще носителями природной намагниченности являются оксиды железа со структурой шпинели, которые могут содержать титан. Спектр размеров частиц в горных породах обычно шире используемых в технике, так что магнитное состояние частиц может быть и многодоменным.

Предположение об однофазности (химической однородности) ферромагнитных зерен, лежащее в основе теоретических исследований магнитных свойств однодоменных или близких к ним по размерам частиц, является, скорее упрощением, нежели соответствует действительности.

В зависимости от технологии получения малых частиц их поверхность может быть покрыта окисью основного либо иного магнитного элемента. Такое покрытие применяется, например, для повышения химической устойчивости частиц железа. Возможен и другой механизм образования многофазной магнитной системы — распад твердого раствора (например титаномагнетита), в результате которого образуются соседствующие фазы с обогащенным и обедненным содержанием магнитного материала.

Естественно ожидать, что химическая неоднородность малых частиц может существенно повлиять на стабильность состояния с однородным распределением магнитного момента и изменить такие магнитные характеристики, как величина магнитного момента и критическое поле пере-магничивания.

Целью диссертационной работы является теоретическое исследование магнитных свойств ансамблей малых взаимодействующих частиц в зависимости от их геометрических параметров и химической неоднородности. В связи с этим поставлены задачи:

1. Исследовать стационарные магнитные состояния как химически однородных, так и неоднородных малых зерен магнетита и железа.

2. В рамках модели двухфазных зерен изучить влияние геометрических и структурных параметров на нестационарные магнитные состояния ансамбля химически неоднородных частиц.

3. Провести моделирование процессов намагничивания ансамблей двухфазных частиц и установить характер зависимостей гистере-зисных характеристик от размеров, химического состава и взаимодействия фаз.

4. Исследовать влияние магнитостатического взаимодействия на процессы намагничивания системы химически неоднородных зерен.

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, трех приложений и заключения.

3.4. Выводы.

1. Если для частиц малых размеров характерно однородное перемагни-чивание, то зерна, находящиеся в отсутствии поля в квазиоднодоменном либо двухдоменном состоянии, перемагничиваются в несколько этапов, переходя из одного состояния в другое. Немонотонная зависимость коэрцитивной силы от вытянутости частиц магнетита связана с поведением эффективной константы анизотропии.

2. Увеличение содержания титана х в частице Рез04-РезхТ4 приводит к уменьшению коэрцитивной силы и остаточной намагниченности насыщения, причем их поведение в основном определяется зависимостью константы анизотропии Рез-яТЛ^С^ от х.

3. Коэрцитивная сила частиц 7-Ре20з в зависимости от объема кобальтового покрытия достигает своего насыщения, уровень которого в основном определяется анизотропией кобальтового феррита, в то же время на характер этой зависимости влияет константа обменного взаимодействия через границу раздела.

4. В случае малых концентраций ферромагнитных зерен в матрице поля взаимодействия между ними подчиняются распределению Коши. Увеличение роли магнитостатического взаимодействия в ансамбле приводит к уменьшению остаточной намагниченности насыщения и, в меньшей степени, коэрцитивной силы.

В рамках модели двухдоменной частицы проведен анализ основных и метастабильных состояний зерен магнетита и железа размером близким к однодоменному. Показано, что в зависимости от размеров и вытяну-тости зерно может находиться в одном из трех магнитных состояний: с однородной намагниченностью, с малой (квазиоднодоменном) и с большой неоднородностью магнитного момента (двухдоменном). Рассчитаны критические размеры для однородного и квазиоднодоменного состояний. Существенным отличием результатов этих исследований от прежних является немонотонность поведения критических размеров магнети-тового зерна с увеличением вытянутости частицы.

Разработана модель, позволяющая исследовать магнитные состояния ансамбля малых химически неоднородных частиц. Показано, что двухфазное зерно может находиться в одном из четырех состояний. Рассчитаны критические поля перехода из одного состояния в другое. Установлен характер влияния межфазного взаимодействия на магнитные состояния двухкомпонентной частицы.

Предложена методика расчета заселенностей магнитных состояний ансамбля малых двухфазных частиц титаномагнетита и 7~Ре20з, покрытых Со. Показано, что тепловые флуктуации могут существенно повлиять на распределение частиц по магнитным состояниям.

Проведено моделирование перемагничивания двухдоменных зерен магнетита. Исследована зависимость коэрцитивной силы и критических полей от вытянутости и размера частиц, а также от направления внешнего магнитного поля. Установлено, что коэрцитивная сила частицы магнетита является немонотонной функцией вытянутости.

В рамках модели двухфазного зерна исследован процесс намагничивания ансамбля частиц Fe3O4-Fe2.4Tio.6O4, а также 72 О3, покрытых Со. Показано, что тепловые флуктуации и межфазное взаимодействие могут существенно изменить зависимость коэрцитивной силы от геометрических и структурных характеристик зерен.

Установлено, что магнитостатическое взаимодействие в ансамбле двухфазных частиц приводит к уменьшению значений гистерезисных характеристик, в особенности остаточной намагниченности насыщения.

Показать весь текст

Список литературы

  1. J. I. Frenkel, J. G. Dorfman. Spontaneous and induced magnetisation in ferromagnetic bodies. — Nature, 1930, 126, pp. 274−275.
  2. E. И. Однодоменная структура в ферромагнетиках и магнитные свойства мелкодисперсных веществ. — ДАН, 1950, LXX, № 2, с. 215−218.
  3. Е. И. Однодоменная структура в ферромагнетиках и магнитные свойства мелкодисперсных веществ. — ДАН, 1950, LXXIV, № 2, с. 213−216.
  4. Е. И. К теории однодоменных частиц. — ДАН, 1952, LXXXII, № 3, с. 365−368.
  5. W. F. Brown, Jr, Micromagnetics. — John Wiley, New York, 1963.
  6. W. F. Brown, Jr. — Phys. Rev., 1957, 105, p. 1479.
  7. W. F. Brown, Jr. — Bull. Amer. Soc. (Ser. 2), 1956, 1, p. 323.
  8. E. H. Frei, S. Shtrikman and D. Treves. — Phys. Rev., 1957, 106, p. 446.
  9. A. Aharoni. Magnetization curling. — Phys. Stat. Sol., 1966,16 (3), pp. 3−42.
  10. L. Landau, E. Lifshitz. On the theory of the dispersion of magnetic permeability in ferromagnetic bodies. — Phys. Zs. d. Sowijetunion, 1935, 8, № 2, p. 153.
  11. M. E. Schabes and H. N. Bertram. Magnetization processes in ferrimagnetic cubes. — J. Appl. Phys., 1988, 64 (3), pp. 1347−1357.
  12. M. E. Schabes. Micromagnetic theory of non-uniform magnetization processes in magnetic recording particles. — J. Magn. Magn. Mater., 1991, 95, pp. 249−288.
  13. Ying Dong Yan and E. Delia Torre. Modeling of fine ferromagnetic particles. — J. Appl. Phys., 1989, 66 (1), pp. 320−327.
  14. Lu Hua, J. E. L. Bishop, J. W. Tucker. The micromagnetics of cubic particles with cubic anisotropy favouring body diagonal magnetization. — J. Magn. Magn. Mater., 1994, 131, pp. 285−294.
  15. W. Williams, D. J. Dunlop. Three-dimensional micromagnetic modelling of ferromagnetic domain structure. — Nature, 1989, 337, pp. 634−637.
  16. K. Fabian, A. Kirchter, W. Williams, F. Heider, T. Leibl and A. Hubert. Three-dimensional micromagnetic calculations for magnetite using FFT. — Geophys. J. Int., 1996, 124, pp. 89−104.
  17. N. A. Usov and S. E. Peschany. Flower state micromagnetic structure in fine cylindrical particles. — J. Magn. Magn. Mater., 1994, 130, pp. 275−287.
  18. N. A. Usov and S. E. Peschany. Flower state micromagnetic structures in fine parallelepiped and a flat cylinder. — J. Magn. Magn. Mater., 1994, 135, pp. 111−128.
  19. H. Amar. Size dependence of the wall characteristics in a two-domain iron particle. — J. Appl. Phys., 1958, 29, pp. 542−543.
  20. T. S. Moon, R. T. Merrill. The magnetic moments of nonuniformly magnetized grains. — Phys. Earth Planet. Inter., 1984, 34, pp. 186— 194.
  21. Т. S. Moon, R. Т. Merrill. Nucleation theory and domain states in multidomain magnetic material. — Phys. Earth Planet. Inter., 1985, 37, pp. 214−222.
  22. T. S. Moon, R. T. Merrill. Single-domain theory of remanent magnetization. — J. Geophys. Res., 1988, 93, pp. 9202−9210.
  23. R. J. Enkin, D. J. Dunlop. A micromagnetic study of pseudo-single-domain remanence in magnetite. — J. Geophys. Res., 1987, 92, pp. 12 726−12 740.
  24. S. Xu, R. T. Merrill. Thermal variations of domain wall thickness and number of domains in magnetic rectangular grains. — J. Geophys. Res., 1990, 95 (B13), pp. 21 433−21 440.
  25. J. Ye, R. T. Merrill. Difference between magnetic domain imaging observations and theory. — Geophys. Res. Lett., 1991, 18 (4), pp. 593 596.
  26. А. А. Бухараев, Д. В. Овчинников, Н. И. Нургазизов, Е. Ф. Куковиц-кий, М. Кляйбер, Р. Вейзендангер. Исследование микромагнетизма и перемагничивания наночастиц Ni с помощью магнитного силового микроскопа. — ФТТ, 1998, 40, № 7, с. 1277−1283.
  27. Е. С. Stoner and Е. P. Wohlfarth. A mechanism of magnetic hysteresis in alloys. — Phil. Trans. Roy. Soc. (London), 1948, A240, p. 599.
  28. L. Neel. Some theoretical aspects of rock magnetism. — Adv. Phys., 1955, 4 (14), pp. 99−136.
  29. C. Sailing, R. O’Barr, S. Schultz, I. McFadyen, M. Ozaki. Investigation of the magnetization reversal mode for individual ellipsoidal single-domain particles of 7-Fe203. — J. Appl. Phys., 1994, 75 (12), pp. 7989−7992.
  30. M. Lederman, D. R. Fredkin, R. O’Barr, S. Schultz, M. Ozaki. Measurement of thermal switching of the magnetization of single domain particles (invited). — J. Appl. Phys., 1994, 75 (10), pp. 6217−6222.
  31. W. F. Brown, Jr. — Phys. Rev., 1963, 130, p. 1677.
  32. I. S. Jacobs, C. P. Bean. — Phys. Rev., 1955, 100 (4), pp. 1060−1067.
  33. M. E. Schabes and H. N. Bertram. — J. Appl. Phys., 1988, 64, p. 5832.
  34. J.-S. Yang and C.-R. Chang. Magnetization curling in elongated heterostructure particles. — Phys. Rev. B, 1994, 49, p. 11 877.
  35. G. A. Sawatzky, F. Van Der Woude, A. H. Morrish. — Phys. Rev., 1969, 187, p. 747.
  36. M. Grigorova, H. J. Blythe, V. Blaskov, V. Rusanov, V. Petkov, V. Masheva, D. Nihtianova, LI. M. Martinez, J. S. Munoz, M. Mikhov. Magnetic proprties and Mossbauer spectra of nanosized CoFe204 powders. — J. Magn. Magn. Mater., 1998, 183, pp. 163−172.
  37. M. Kishimoto, S. Kitaoka, H. Andoh, M. Amemiya and F. Hayama. On the coercivity of cobalt-ferrite epitaxial iron oxides. — IEEE Trans. Magn., 1981, MAG-17, p. 3029.
  38. K. Haneda and A. H. Morrish. — Surf. Sci., 1976, 77, C6−287.
  39. V. Papaefthymiou, A. Kostikas, A. Simopoulos, D. Niarchos, S. Gangopadyay, G. C. Hadjipanayis, С. M. Sorensen, K. J. Klabunde. Magnetic hysteresis and Mossbauer studies in ultrafine iron particles. — J. Appl. Phys., 1990, 67 (9), pp. 4487−4489.
  40. А. К. Гапеев, В. А. Цельмович. Состав гетерофазно-окисленных природных и синтетических титаномагнетитов. — Изв. АН СССР, Физика Земли, 1988, № 10, с. 42−49.
  41. Т. Г. Артемова, А. К. Гапеев. О распаде твердых растворов в системе магнетит-ульвошпинель. — Изв. АН СССР, Физика Земли, 1988, № 12, с. 82−87.
  42. А. К. Гапеев, В. А. Цельмович. Микроструктура природных гетерофазно-окисленных титаномагнетитов. — Изв. АН СССР, Физика Земли, 1986, № 4, с. 100−104.
  43. M. J. Stavn and A. H. Morrish. Magnetization of a two-component Stoner-Wohlfarth particle. — IEEE Trans. Magn., 1979, MAG-15 (5), pp. 1235−1240.
  44. J.-S. Yang and C.-R. Chang. The influence of interfacial exchange on the coercivity of acicular coated particle. — J. Appl. Phys., 1991, 69 (11), pp. 7756−7761.
  45. A. Aharoni. Magnetization curling in coated particles. — J. Appl. Phys., 1987, 62, p. 2576.
  46. A. Aharoni. Magnetization buckling in elongated particles of coated iron oxides. — J. Appl. Phys., 1988, 63, p. 4605.
  47. M. E. Schabes and H. N. Bertram. Magnetization reversal of cobalt-modified 7-Fe203 particles. — J. Appl. Phys., 1990, 67, p. 5149.
  48. И. И. Крюков, H. А. Манаков. Микромагнетизм двухфазных квази-однодоменных частиц. — ФММ, 1983, 56, вып. 1, с. 5−8.
  49. И. И. Крюков, Н. А. Манаков, В. Б. Садков. Микромагнетизм двухфазных квазиоднодоменных сферических частиц. — ФММ, 1985, 59, вып. 3, с. 445−462.
  50. А. Е. Berkowitz. — IEEE Trans. Magn., 1986, MAG-22. — p. 466.
  51. A. Lyberatos and R. W. Chantrell. Thermal fluctuations in a pair of magnetostatically coupled particles. — J. Appl. Phys., 1993, 73 (10), p. 6501.
  52. I. Klik and L. Gunther. Thermal relaxation over a barrier in single domain ferromagnetic particles. — J. Appl. Phys., 1990, 67 (9), p. 4505.
  53. J. Merikoski, J. Timonen, M. Manninen and P. Jena. — Phys. Rev. Lett., 1991, 66, p. 938.
  54. J. P. Bucher and L. A. Bloomfleld. — Phys. Rev. B, 1992, 45, p. 2537.
  55. D. A. Dimitrov and G. M. Wysin. The magnetic properties of superparamagnetic particles by a Monte Carlo method. — Phys. Rev. B, 1996, 54, p. 9237.
  56. D. Hinzke, U. Nowak. Magnetization switching in a Heisenberg model for small ferromagnetic particles. — Phys. Rev. B, 1998, 58 (1), pp. 265 272.
  57. H.-B. Braun and H. N. Bertram. Nonuniform switching of single domain particles at finite temperatures. — J. Appl. Phys., 1994, 75 (9), p. 4609.
  58. В. П. Щербаков, Б. E. Ламаш, В. В. Щербакова. Физика магнетизма горных пород. — М.: Ин-т физики Земли им. О. Ю. Шмидта, 1991.186 с.
  59. D. J. Dunlop. Developments in rock magnetism. — Rep. Prog. Phys., 1990, 53, pp. 707−792.
  60. D. J. Dunlop. Superparamagnetic and single-domain threshold in magnetite. — J. Geophys. Res., 1973, 78, pp. 1780−1793.
  61. D. J. Dunlop, M. M. Bina. The coercive force spectrum of magnetite at high temperatures: evidence for thermal activation below the blocking temperature. — Geophys. J. R. Astron. Soc., 1977, 51, pp. 121−147.
  62. A. J. Newell, D. J. Dunlop, R. J. Enkin. Temperature dependence of critical sizes, wall widths and moments in two-domain magnetite grains.
  63. Phys. Earth Planet. Inter., 1990, 65, pp. 165−176.
  64. F. Heider, W. Williams. Note of temperature dependence of exchange constant in magnetite. — Geophys. Res. Lett., 1988, 15, pp. 184−187.
  65. R. F. Butler, S. K. Banerjee. Theoretical single-domain grain size range in magnetite and titanomagnetite. — J. Geophys. Res., 1975, 80, pp. 4049−4058.
  66. JI. Л. Афремов, В. И. Белоконь. К расчету критического поля од-нодомеиных зерен горных пород. — Изв. АН СССР, Физика Земли, 1977, № 3, с. 104−108.
  67. Л. Л. Афремов, В. И. Белоконь. К расчету остаточной намагниченности системы однодоменных частиц. — Изв. АН СССР, Физика Земли, 1979, № 4, с. 122−128.
  68. С. Тикадзуми. Физика ферромагнетизма, т. 2. Магнитные характеристики и практические примечания: пер. с японского. — М.: Мир, 1987. — 419 с.
  69. Л. Л. Афремов, В. И. Белоконь. Влияние механических напряжений на магнитные состояния и критическое поле однодоменных частиц.
  70. Изв. АН СССР, Физика Земли, 1980, № 2, с. 101−104.
  71. Л. Е. Шолпо. Использование магнетизма горных пород для решения геологических задач. Л.: Недра. — 1977. — 182 с.
  72. Y. Syono. Magnetocrystalline anisotropy and magnetostriction of Fe304-Fe2Ti04 series with special application to rock magnetism. — Japan. J. Geophys., 1965, 4 (1), pp. 71−143.
  73. С. Крупичка. Физика ферритов и родственных им магнитных окислов. В 2-х т. Пер. с нем. Под ред. Пахомова А. С. — М.: Мир, т. 2.504 с.
  74. Д. В. Берков, С. В. Мешков. К теории кривых перемагничивания разбавленных случайных магнетиков. — ЖЭТФ, 1988, 82, вып. 5, с. 5−16.
  75. В. П. Щербаков. О функции распределения молекулярных полей в системах со случайно распределенными центрами взаимодействия.
  76. ФММ, 1979, 48, вып. 6, с. 1134−1137.
  77. В. В. Кокорин, А. Е. Перекос, К. В. Чу истов. Магнитостатическое взаимодействие между частицами ферромагнитной фазы в неферромагнитной матрице. — ФММ, 1977, 43, вып. 5, с. 966−971.
  78. В. И. Белоконь, С. В. Семкин. Метод случайного поля в модели Изинга разбавленного ферромагнетика. — ЖЭТФ, 1992, 101, вып. 10, с. 1254−1258.
  79. А. С. Альмиев, А. Ю. Ралин, П. В. Харитонский. Функции распределения полей диполь-дипольного взаимодействия разбавленных магнетиков. — ФММ, 1994, 78, вып. 1, с. 28−34.
  80. J. L. Dormann, L. Bessais, D. Fiorani. — J. Phys. C: Solid State Phys., 1988, 21, p. 2015.
  81. S. M0rup, E. Tronc. — Phys. Rev. Lett., 1994, 72, p. 3278.
  82. M. F. Hansen, S. M0rup. Models for the dynamics of interacting magnetic nanoparticles. — J. Magn. Magn. Mater., 1998, 184, pp. 262 274.
  83. P. Prene, E. Tronc, J. P. Jolivet, J. Livage, R. Cherkaoui, M. Nogues, J. L. Dormann, D. Fiorani. — IEEE Trans. Magn., 1993, 29, p. 2658.
Заполнить форму текущей работой

Пора сдавать?