Магнитные состояния и гистерезисные свойства систем малых гетерогенных частиц тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Панов, Андрей Валентинович

• Панов, Андрей Валентинович
• кандидат физико-математических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Панов, Андрей Валентинович

Введение

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Магнитные состояния и гистерезисные свойства систем малых гетерогенных частиц»

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.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Панов, Андрей Валентинович

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-РезхТ\04 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 7^2 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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Панов, Андрей Валентинович, 1999 год

1. J. I. Frenkel, J. G. Dorfman. Spontaneous and induced magnetisation in ferromagnetic bodies. — Nature, 1930, 126, pp. 274-275.

2. Кондорский E. И. Однодоменная структура в ферромагнетиках и магнитные свойства мелкодисперсных веществ. — ДАН, 1950, LXX, № 2, с. 215-218.

3. Кондорский Е. И. Однодоменная структура в ферромагнетиках и магнитные свойства мелкодисперсных веществ. — ДАН, 1950, LXXIV, № 2, с. 213-216.

4. Кондорский 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. 12726-12740.

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. 21433-21440.

25. J. Ye, R. T. Merrill. Difference between magnetic domain imaging observations and theory. — Geophys. Res. Lett., 1991, 18 (4), pp. 593596.

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. 11877.

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. Muñoz, 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. 265272.

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. 262274.

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.