Природа ферромагнетизма

ISSN 2519-4437 (online)

Даты публикацииАвторыЗаглавияТемы

Пожалуйста, используйте этот идентификатор, чтобы цитировать или ссылаться на этот документ: http://elib.bsu.by/handle/123456789/182384

Заглавие документа: К вопросу о природе ферромагнетизма в оксиде цинка, имплантированном ионами кобальтаДругое заглавие: On the question of ferromagnetism in zinc oxide implanted with cobalt ions / Amir Gumarov, Valery Valeev, Victoriya Golovchuk, Nikolay Lyadov, Mikhail Lukshevich, Vladimir Nuzhdin, Lenar Tagirov, Ildar Faizrakhmanov, Rustam KhaibullinАвторы: Гумаров, А. И.Валеев, В. Ф.Головчук, В.

И.Лядов, Н. М.Лукашевич, М. Г.Нуждин, В.

И.Тагиров, Л. Р.Файзрахманов, И. А.Хайбуллин, Р.

И.Тема: ЭБ БГУ::ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ТОЧНЫЕ НАУКИ::ФизикаДата публикации: 2017Издатель: Минск: Изд. центр БГУБиблиографическое описание источника: Взаимодействие излучений с твердым телом = Interaction of Radiation with Solids: материалы 12-й Междунар. конф., Минск, Беларусь, 19—22 сент.

2017 г. / редкол.: В.В. Углов (отв. ред.) [и др.].

— Минск: Изд. центр БГУ, 2017. — С.

231-233.Аннотация: Однозарядные ионы кобальта с энергией 40 кэВ были имплантированы в монокристаллическую (0001)-ориентированную пластинку оксида цинка c высокой дозой 1.5 ∙ 1017 ион/см2. Методами вибрационной магнитометрии показано, что исходно диамагнитная пластинка ZnO проявляет ферромагнетизм при комнатной температуре после имплантации кобальта. С целью установления микроскопической природы наведенного имплантацией магнетизма проведены детальные исследования глубинных профилей распределения концентрации и валентного состояния внедренной примеси кобальта методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) с применением процедуры послойного травления поверхности образца = 40 keV Сo+ ions have been implanted into (0001)-face oriented zinc oxide (ZnO) plates to high dose of 1.5 ∙ 1017 ion/cm2.

Vibrating sample magnetometer studies have shown that initially diamagnetic ZnO reveals room-temperature ferromagnetism after the cobalt ion implantation. The depth concentration profiles and valence states of cobalt implants were investigated utilizing X-ray photoelectron spectroscopy combined with Ar+ ion etching technique to establish the origin of the observed ferromagnetism. Our results show that the room-temperature ferromagnetism is induced by the formation of cobalt metal nanoparticles in the Co-implanted region of ZnOДоп.

сведения: Секция 3. Модификация свойств материаловURI документа: http://elib.bsu.by/handle/123456789/182384ISBN: 978-985-553-446-5Располагается в коллекциях:2017. Взаимодействие излучений с твердым телом = Interaction of Radiation with Solids

Показать полное описание документа Статистика

Все документы в Электронной библиотеке защищены авторским правом, все права сохранены.

Cтраница 1

Природа ферромагнетизмаможет быть рассмотрена только на основе квантовой механики. [1]

Природа ферромагнетизмав настоящее время вполне ясна. У ферромагнитных веществ имеются неспаренные ( ответственные за ферромагнетизм) электроны, спины которых в сравнительно больших областях ориентируются в одном направлении.

Каждая из таких областей, или, как их обычно называют, доменов, намагничена до насыщения. Разные состояния намагниченности всего образца отличаются взаимной ориентацией векторов намагниченности отдельных доменов: в размагниченном веществе они расположены хаотически, а в намагниченном направлены в одну сторону. [3]

Природа ферромагнетизмабыла в основном выяснена в связи с развитием атомной физики. В 1928 г.

Я. И. Френкель впервые отметил, что самопроизвольное намагничение может быть обусловлено так называемыми обменными силами, рассматриваемыми в квантовой механике.

При известных условиях эти силы стремятся установить собственные магнитные моменты электронов параллельно друг другу, что и ведет к возникновению областей самопроизвольного намагничения. Эта идея была подробно разработана Гейзенбергом. [4]

Природа ферромагнетизматеснейшим образом связана со своеобразием зонной структуры перечисленных веществ. [5]

Природа ферромагнетизма, самопроизвольная намагниченность, почти не зависящая от внешнего магнитного поля, определяется основным ( обменным) взаимодействием. [6]

Природа ферромагнетизмаобусловлена квантовым эффектом обменного взаимодействия.

Этот термин при неосторожном употреблении может ввести читателя в заблуждение. В физике известно четыре типа взаимодействий: гравитационное, сильное, слабое и электромагнитное. Обменное взаимодействие этого списка отнюдь не расширяет.

В данном конкретном случае речь идет об известном нам электромагнитном ( кулоновском) взаимодействии между электронами, которому квантовые эффекты придают некоторые особенности. В частности, в веществах с определенной архитектурой электронных оболочек атомов данный эффект приводит к выстраиванию электронных магнитных моментов строго параллельным образом. [7]

Природа ферромагнетизма РЗМеще недостаточно изучена.

Она имеет много общего с природой ферромагнетизма группы железа ( например, причиной существования атомного ферромагнитного порядка у РЗМ. Fe, Ni, Co, является обменная энергия), но отличается и рядом особенностей. [8]

Природа ферромагнетизма РЗМеще недостаточно изучена. Она имеет много общего с природой ферромагнетизма группы железа ( например, причиной существования атомного ферромагнитного порядка у РЗМ, так же как у элементов Fe, Ni, Co, является обменная энергия), но отличается некоторыми особенностями. [9]

Природа ферромагнетизма РЗМеще недостаточно изучена. [10]

Природа ферромагнетизма РЗМеще недостаточно изучена. Она имеет много общего е природой ферромагнетизма группы железа ( например, причиной существования атомного ферромагнитного порядка у РЗМ, так же как у элементов Fe, Ni, Co, является обменная энергия), но отличается некоторыми особенностями. [11]

Природа ферромагнетизма РЗМеще недостаточно изучена. Она имеет много общего с природой ферромагнетизма группы железа ( например, причиной существования атомного ферромагнитного порядка у РЗМ, так же как у элементов Fe, Ni, Co, является обменная энергия), но отличается некоторыми особенностями. [12]

Этим была экспериментально доказанаспиновая природа ферромагнетизма. [13]

Молекулярно-орбитальная теория косвенного обмена является ключом к пониманиюпротивоположной природы ферромагнетизмаи антиферромагнетизма биядерных и полиядерных мостиковых комплексов. [14]

В этом параграфе мы коротко остановимся на современных представлениях оприроде ферромагнетизма. [15]

Страницы:     1   2   3

Рассматриваямагнитные свойства ферро­магнетиков,мы не вскрывали физическую природуэтого явления. Описательная тео­рияферромагнетизма была разработанафранцузским физиком П. Вейссом (1865—1940).Последовательная количе­ственнаятеория на основе квантовой ме­ханикиразвита советским физиком Я.

И. Френкелеми немецким физиком В. Гейзенбергом (1901— 1976).

Согласнопредставлениям Вейсса, ферромагнетикипри температурах ниже точки Кюри обладаютспонтанной намаг­ниченностью независимоот наличия внеш­него намагничивающегополя. Спонтанное намагничение, однако,находится в кажу­щемся противоречиис тем, что многие ферромагнитные материалыдаже при тем­пературах ниже точкиКюри не намагниче­ны. Для устраненияэтого противоречия Вейсс ввел гипотезу,согласно которой ферромагнетик нижеточки Кюри разбива­ется на большоечисло малых макроскопи­ческих областей— доменов,самопроиз­вольнонамагниченных до насыщения.

Приотсутствии внешнего магнитного полямагнитные моменты отдельных до­меновориентированы хаотически и ком­пенсируютдруг друга, поэтому результи­рующиймагнитный момент ферромагнети­каравен нулю и ферромагнетик не намагничен.Внешнее магнитное поле ори­ентируетпо полю магнитные моменты не отдельныхатомов, как это имеет место в случаепарамагнетиков, а целых об­ластейспонтанной намагниченности. По­этомус ростом Ннамагниченность

J(см. рис.

192) и магнитная индукции В(см. рис. 193) уже в довольно слабых поляхрастут очень быстро.

Этим объясня­етсятакже увеличение ферромагнетиковдо максимального значения в слабыхпо­лях (см. рис. 194).

Экспериментыпоказа­ли, что зависимость В от Я неявляется такой плавной, как показанона рис. 193, а имеет ступенчатый вид. Этосвидетель­ствует о том, что внутриферромагнетика домены поворачиваютсяпо полю скачком.

При ослаблениивнешнего магнитного поля до нуляферромагнетики сохраняют остаточноенамагничение, так как тепло­воедвижение не в состоянии быстродезо­риентировать магнитные моментыстоль крупных образований, какимиявляются домены. Поэтому и наблюдаетсяявление магнитного гистерезиса (рис.195).Для того чтобы ферромагнетик размагнитить,необходимо приложить коэрцитивнуюси­лу; размагничиванию способствуюттакже встряхивание и нагреваниеферромагнети­ка. Точка Кюри оказываетсятой темпера­турой, выше которойпроисходит разруше­ние доменнойструктуры.

Существованиедоменов в ферромагне­тиках доказаноэкспериментально. Пря­мым экспериментальнымметодом их на­блюдения является методпорошковых фи­гур. Натщательно отполированную по­верхностьферромагнетика наносится во­днаясуспензия мелкого ферромагнитногопорошка (например, магнетита).

Частицыоседают преимущественно в местахмак­симальной неоднородности магнитногопо­ля, т. е. на границах между доменами.Поэтому осевший порошок очерчиваетграницы доменов и подобную картинумож­но сфотографировать под микроскопом.Линейные размеры доменов оказалисьрав­ными 10-4—10-2см.

Дальнейшееразвитие теории ферро­магнетизмаФренкелем и Гейзенбергом, а также рядэкспериментальных фактов позволиливыяснить природу элементар­ныхносителей ферромагнетизма. В насто­ящеевремя установлено, что магнитные свойстваферромагнетиков определяются спиновымимагнитными моментами элек­тронов(прямымэкспериментальным ука­занием этогослужит опыт Эйнштейна и де

212

Гааза,см. § 131).

Установлено также, чтоферромагнитными свойствами могутобла­дать только кристаллическиевещества, в атомах которых имеютсянедостроенные внутренние электронныеоболочки с не­скомпенсированнымиспинами. В подо­бных кристаллах могутвозникать силы, которые вынуждаютспиновые магнитные моменты электроновориентироваться па­раллельнодруг другу, чтои приводит к возникновению областейспонтанного намагничения. Эти силы,называемые об­меннымисилами, имеютквантовую при­роду — они обусловленыволновыми свой­ствами электронов.

Так как ферромагнетизмнаблюдается только в кристаллах, а ониобладают ани­зотропией (см. §70), то вмонокристаллах ферромагнетиков должнаиметь место анизотропия магнитныхсвойств (их за­висимость от направленияв кристалле).

Действительно, опытпоказывает, что при одних направленияхв кристалле его на­магниченность приданном значении на­пряженностимагнитного поля наиболь­шая (направлениелегчайшего намагниче­ния), в других— наименьшая (направле­ние трудногонамагничения). Из рассмот­рениямагнитных свойств ферромагнети­ковследует, что они похожи на сегнето­электрики(см. §91).

Существуютвещества, в которых об­менные силывызывают антипараллельнуюориентациюспиновых магнитных моментов электронов.Такие тела называются антиферромагнетиками.Ихсуществова­ние теоретически былопредсказано Л. Д. Ландау.

Антиферромагнетикамиявляются некоторые соединения марганца(МnО,MnF2),железа (FeO,FeCl2)имно­гих других элементов. Для нихтакже су­ществует антиферромагнитнаяточка Кю­ри (точка Нееля),при которой магнит­ное упорядочениеспиновых магнитных моментов нарушаетсяи антиферромагне­тик превращается впарамагнетик, пре­терпевая фазовыйпереход IIрода(см. §75).

Впоследнее время большое значениеприобрели полупроводниковые ферромаг­нетики— ферриты,химическиесоедине­ния типа МеОFе2О3,где Me—ион двух­валентного металла (Mn,Co, Ni, Cu, Mg, Zn, Cd, Fe). Ониотличаются заметными ферромагнитнымисвойствами и большим удельным электрическимсопротивлением (в миллиарды раз большим,чем.

у ме­таллов). Ферриты применяютсядля изго­товления постоянных магнитов,ферритовых антенн, сердечниковрадиочастотных контуров, элементовоперативной памяти в вычислительнойтехнике, для покрытия пленок в магнитофонахи видеомагнитофо­нах и т. д.

Контрольныевопросы

Почемуорбитальные магнитный и механическиймоменты электрона в атоме противоположнонаправлены?

Чтоназывают гиромагнитным отношением?

Изкаких магнитных моментов складываетсямагнитный момент атома?

Чтотакое диамагнетики? парамагнетики? Вчем различие их магнитных свойств?

Чтотакое намагниченность? Какая величинаможет служить ее аналогом в электростатике?

Запишитеи объясните соотношения между магнитнымипроницаемостью и восприимчивостью дляпарамагнетика; для диамагнетика.

Выведитесвязь между векторами магнитной индукции,напряженности магнитного поля ина­магниченности.

Объяснитефизический смысл циркуляции попроизвольному замкнутому контурувекторов: 1) В;2) Н;3) J.

Выведитеи прокомментируйте условия для векторовВи Нна границе раздела двух магнетиков.

Объяснитепетлю гистерезиса ферромагнетика. Чтотакое магнитострикция?

213

Какие ферромагнетикиявляются магнитомягкими? магнитожесткими?

Каков механизмнамагничения ферромагнетиков?

Какую температурудля ферромагнетика называют точкойКюри?

Задачи

16.1. Напряженностьоднородного магнитного поля в медиравна 10 А/м. Определить магнитную индукциюполя, создаваемого молекулярными токами,если диамагнитная восприимчивость меди||=8,810-8.[1,11 пТл]

16.2. Покруговому контуру радиусом 50 см,погруженному в жидкий кислород, течетток 1,5 А. Оп­ределить намагниченностьв центре этого контура, если магнитнаявосприимчивость жидкого кислорода3,410-3.[5,1 мА/м]

16.3.По обмотке соленоида индуктивностью1 мГн, находящегося в диамагнитной среде,течет ток 2 А.

Соленоид имеет длину 20 см,площадь поперечного сечения 10 см2и 400 витков. Опреде­лить внутрисоленоида: 1) магнитную индукцию; 2)намагниченность. [1)5 мТл; 2) 20 А/м]

!6.4.Алюминиевый шарик радиусом 0,5 см помещенв однородное магнитное поле (В0=0,1Тл). Определить магнитный момент,приобретенный шариком, если магнитнаявосприимчивость алюминия 2,110-5.[8,75 мкАм2]

* Л. Неель (род. 1904) — французский физик.

* В. И. де Гааз(1878—1960) — нидерлан­дский физик.

Рассматриваямагнитные свойства ферромагнетиков,мы не вскрывали физическую природуэтого явления. Описательная теорияферромагнетизма была разработанафранцузским физиком П. Вейссом (1865—1940).Последовательная количественная теорияна основе квантовой механики развитасоветским физиком Я.

И. Френкелем инемецким физиком В. Гейзенбергом (1901 —1976).

Согласнопредставлениям Вейсса, ферромагнетикипри температурах ниже точки Кюри обладаютспонтанной намагниченностью независимоот наличия внешнего намагничивающегополя. Спонтанное намагничение, однако,находится в кажущемся противоречии стем, что многие ферромагнитные материалыдаже при температурах ниже точки Кюрине намагничены. Для устранения этогопротиворечия Вейсс ввел гипотезу,согласно которой ферромагнетик нижеточки Кюри разбивается на большое числомалых макроскопических областей —доменов,самопроизвольнонамагниченных до насыщения.

Приотсутствии внешнего магнитного полямагнитные моменты отдельных доменовориентированы хаотически и компенсируютдруг друга, поэтому результирующиймагнитный момент ферромагнетика равеннулю и ферромагнетик не намагничен.Внешнее магнитное поле ориентирует пополю магнитные моменты не отдельныхатомов, как это имеет место в случаепарамагнетиков, а целых областейспонтанной намагниченности. Поэтому сростом Ннамагниченность

J(см. рис.

192) и магнитная индукции В(см. рис. 193) уже в довольно слабых поляхрастут очень быстро.

Этим объясняетсятакже увеличение ферромагнетиковдо максимального значения в слабыхполях (см. рис. 194).

Эксперименты показали,что зависимость В от Я не является такойплавной, как показано на рис. 193, а имеетступенчатый вид. Это свидетельствуето том, что внутри ферромагнетика доменыповорачиваются по полю скачком.

При ослаблениивнешнего магнитного поля до нуляферромагнетики сохраняют остаточноенамагничение, так как тепловое движениене в состоянии быстро дезориентироватьмагнитные моменты столь крупныхобразований, какими являются домены.Поэтому и наблюдается явление магнитногогистерезиса (рис.195). Для того чтобыферромагнетик размагнитить, необходимоприложить коэрцитивную силу; размагничиваниюспособствуют также встряхивание инагревание ферромагнетика. Точка Кюриоказывается той температурой, вышекоторой происходит разрушение доменнойструктуры.

Существованиедоменов в ферромагнетиках доказаноэкспериментально. Прямым экспериментальнымметодом их наблюдения является методпорошковых фигур. Натщательно отполированную поверхностьферромагнетика наносится воднаясуспензия мелкого ферромагнитногопорошка (например, магнетита).

Частицыоседают преимущественно в местахмаксимальной неоднородности магнитногополя, т. е. на границах между доменами.Поэтому осевший порошок очерчиваетграницы доменов и подобную картинуможно сфотографировать под микроскопом.Линейные размеры доменов оказалисьравными 10-4—10-2см.

Дальнейшееразвитие теории ферромагнетизмаФренкелем и Гейзенбергом, а также рядэкспериментальных фактов позволиливыяснить природу элементарных носителейферромагнетизма. В настоящее времяустановлено, что магнитные свойстваферромагнетиков определяются спиновымимагнитными моментами электронов (прямымэкспериментальным указанием этогослужит опыт Эйнштейна и де

212

Гааза,см.

§ 131). Установлено также, чтоферромагнитными свойствами могутобладать только кристаллическиевещества, в атомах которых имеютсянедостроенные внутренние электронныеоболочки с нескомпенсированными спинами.В подобных кристаллах могут возникатьсилы, которые вынуждают спиновыемагнитные моменты электроновориентироваться параллельнодруг другу, чтои приводит к возникновению областейспонтанного намагничения. Эти силы,называемые обменнымисилами, имеютквантовую природу — они обусловленыволновыми свойствами электронов.

Так как ферромагнетизмнаблюдается только в кристаллах, а ониобладают анизотропией (см.

§70), то вмонокристаллах ферромагнетиков должнаиметь место анизотропия магнитныхсвойств (их зависимость от направленияв кристалле). Действительно, опытпоказывает, что при одних направленияхв кристалле его намагниченность приданном значении напряженности магнитногополя наибольшая (направление легчайшегонамагничения), в других — наименьшая(направление трудного намагничения).Из рассмотрения магнитных свойствферромагнетиков следует, что они похожина сегнетоэлектрики (см. §91).

Существуютвещества, в которых обменные силывызывают антипараллельнуюориентациюспиновых магнитных моментов электронов.Такие тела называются антиферромагнетиками.Ихсуществование теоретически былопредсказано Л. Д. Ландау.

Антиферромагнетикамиявляются некоторые соединения марганца(МnО,MnF2),железа (FeO,FeCl2)имногих других элементов. Для них такжесуществует антиферромагнитнаяточка Кюри (точка Нееля),при которой магнитное упорядочениеспиновых магнитных моментов нарушаетсяи антиферромагнетик превращается впарамагнетик, претерпевая фазовыйпереход IIрода(см. §75).

Впоследнее время большое значениеприобрели полупроводниковые ферромагнетики— ферриты,химическиесоединения типа МеОFе2О3,где Me—ион двухвалентного металла (Mn,Co, Ni, Cu, Mg, Zn, Cd, Fe). Ониотличаются заметными ферромагнитнымисвойствами и большим удельным электрическимсопротивлением (в миллиарды раз большим,чем.

у металлов). Ферриты применяютсядля изготовления постоянных магнитов,ферритовых антенн, сердечниковрадиочастотных контуров, элементовоперативной памяти в вычислительнойтехнике, для покрытия пленок в магнитофонахи видеомагнитофонах и т. д.

Контрольныевопросы

Почемуорбитальные магнитный и механическиймоменты электрона в атоме противоположнонаправлены?

Чтоназывают гиромагнитным отношением?

Изкаких магнитных моментов складываетсямагнитный момент атома?

Чтотакое диамагнетики? парамагнетики? Вчем различие их магнитных свойств?

Чтотакое намагниченность? Какая величинаможет служить ее аналогом в электростатике?

Запишитеи объясните соотношения между магнитнымипроницаемостью и восприимчивостью дляпарамагнетика; для диамагнетика.

Выведитесвязь между векторами магнитной индукции,напряженности магнитного поля инамагниченности.

Объяснитефизический смысл циркуляции попроизвольному замкнутому контурувекторов: 1) В;2) Н;3) J.

Выведитеи прокомментируйте условия для векторовВи Нна границе раздела двух магнетиков.

Объяснитепетлю гистерезиса ферромагнетика. Чтотакое магнитострикция?

213

Какиеферромагнетики являются магнитомягкими?магнитожесткими?

Каковмеханизм намагничения ферромагнетиков?

Какуютемпературу для ферромагнетика называютточкой Кюри?

Задачи

16.1. Напряженностьоднородного магнитного поля в медиравна 10 А/м. Определить магнитную индукциюполя, создаваемого молекулярными токами,если диамагнитная восприимчивость меди||=8,810-8.[1,11 пТл]

16.2. Покруговому контуру радиусом 50 см,погруженному в жидкий кислород, течетток 1,5 А. Определить намагниченность вцентре этого контура, если магнитнаявосприимчивость жидкого кислорода3,410-3.[5,1 мА/м]

16.3.По обмотке соленоида индуктивностью1 мГн, находящегося в диамагнитной среде,течет ток 2 А. Соленоид имеет длину 20 см,площадь поперечного сечения 10 см2и 400 витков. Определить внутри соленоида:1) магнитную индукцию; 2) намагниченность.[1)5 мТл; 2) 20 А/м]

!6.4.Алюминиевый шарик радиусом 0,5 см помещенв однородное магнитное поле (В0=0,1Тл). Определить магнитный момент,приобретенный шариком, если магнитнаявосприимчивость алюминия 2,110-5.[8,75 мкАм2]

* Л. Неель (род. 1904) — французский физик.

* В. И. де Гааз(1878—1960) — нидерландский физик.

Источники:

• elib.bsu.by
• www.ngpedia.ru
• studfiles.net
• studfiles.net