Магнитные свойства НКМ

В настоящее время наибольшее внимание привлечено к магнитным свойствам малых частиц хорошо известных ферромагнетиков: железа, никеля и кобальта. Необходимо дать ответ на вопрос: остаются ли неизменными такие свойства, как коэрцитивное поле H_c, магнитная анизотропия K, начальная магнитная проницаемость μ, температура Кюри T_C и другие, если объем ферромагнетика уменьшается до ничтожно малой величины, равной 10³—10⁴ атомов? Какое минимальное число атомов ферромагне­тика, например железа или кобальта, надо собрать вместе, чтобы у частицы появились ферромагнитные свойства?

Прежде чем перейти к обсуждению ферромагнитных свойств малых частиц, рассмотрим физический смысл используемых терминов "температура Кюри" и "магнитная анизотропия".

Как известно, ферромагнитное состояние металлов и сплавов возникает в результате действия сил электростатической природы, приводящих магнитные моменты атомов в упорядоченное состояние. При этом образуются домены — области с параллельным расположением магнитных моментов атомов. При нагревании ферромагнетика тепловое движение атомов постепенно начинает влиять на упорядоченное расположение атомных магнитных моментов и при некоторой температуре полностью его разрушает. Температура, при которой полно­стью разрушается упорядоченность ориентации магнитных моментов внутри доменов, получила название температуры Кюри в честь выдающегося французского ученого-физика Пьера Кюри. Выше T_C упорядоченное расположение магнитных моментов отсутствует и ферромагнитное состояние сменяется парамагнитным.

Перейдем к рассмотрению понятия магнитной анизотропии. Представим, что имеется монокристаллический образец такого ферромагнетика, как железо. Вследствие упорядоченного расположения атомов в монокристалле его магнитные свойства сильно зависят от направления приложенного к образцу внешнего магнитного поля.

Когда объем магнитного материала уменьшается, магнитный порядок претерпевает значительные изменения. Концептуально это может быть понято как возрастание неопределенности механического момента p и энергии электрона в некоторой области пространства d. Вспомним, что электрон является носителем спинового и орбитального магнитных моментов. Область существования ферромагнитного состояния уменьшается согласно соотношению Гейзенберга ∆р = h/d, где h — постоянная Планка. При малых d энергия является неопределенной, что приводит к размыванию дальнего магнитного порядка. Для железа магнитный порядок должен раз­рушаться при d = 1 нм.

Что показывают экспериментальные результаты по изучению ферромагнитных свойств малых частичек железа, никеля и кобальта? Обнаружено [8], что переход в парамагнитное состояние зависит от размера частиц и температуры. Ферромагнетизм исчезает при размерах частичек железа и никеля около 6—7 нм. Ниже этих размеров они становятся парамагнитными. Частичка железа размером 6 нм переходит в ферромагнитное состояние только при T_C = 170 K. Для сравнения: массивные образцы же­леза имеют температуру Кюри T_C = 1090 K.

Таким образом, экспериментальные данные показывают, что диаметр частиц, при котором дальний магнитный порядок нарушается, значительно превышает оценки, сделанные из соотношений Гейзенберга (для железа d = 1 нм). Следует, однако, отметить, что эти оценки сближаются, если учесть, что при уменьшении размеров частиц значительная часть атомов оказывается на поверхности.

Коэрцитивное поле H_c наночастиц также зависит от размера. На рис. 2, взятом из [8], видно, что кристаллы размером 4 нм имеют почти нулевые значения H_c. Считают, что такие низкие значения коэрцитивного поля обусловлены влиянием тепловых эффектов, которые переводят магнитный порядок в парамагнитное состояние. Максимальное значение H_c для нанокристаллических ферромагнетиков наблюдается тогда, когда частица является однодоменной. Экспериментальные данные и теоретические оценки почти совпадают и показывают, что для железа при комнатной температуре значение H_c максимально при размерах кристалликов 20—25 нм. Отсюда следует, что нанокристаллические ферромагнетики являются перспективными материалами для запоминающих устройств с высокой информационной плотностью.

Рис. 2. Коэрцитивное поле Hc частиц железа в зависимости от диаметра

В 1988 году впервые было показано, что при нанометровых размерах зерен и случайной ориентировке их между собой сплав железа с кремнием имеет нулевую магнитную анизотропию [9]. Отсутствие анизотропии, как известно, приводит к значительному росту начальной магнитной проницаемости как на низких, так и на высоких частотах. Чуть позже (1991 год) в нанокристаллическом состоянии был получен сплав Fe_73,5Si₁₃,₅B₉Nb₃Cu₁ [3] (цифры показывают атомные проценты каждого элемента в сплаве) с размером зерна 10—20 нм. Этот сплав также имеет низкое коэрцитивное поле (H_c = 0,58 А/м), высокую начальную проницаемость (μ = 10⁵) и индукцию насыщения (В_s =1,25 Тл).

Низкая магнитная анизотропия нанокристаллических сплавов объясняется моделью, предложенной в [10].