Mikromágneses szerkezetek számítógépes vizsgálata. Kákay Attila

Hasonló dokumentumok
Szilárdtestek mágnessége. Mágnesesen rendezett szilárdtestek

Mágneses tér anyag kölcsönhatás leírása

biometria II. foglalkozás előadó: Prof. Dr. Rajkó Róbert Matematikai-statisztikai adatfeldolgozás

PhD DISSZERTÁCIÓ TÉZISEI

Molekuláris dinamika I. 10. előadás

Statisztika - bevezetés Méréselmélet PE MIK MI_BSc VI_BSc 1

Modern Fizika Labor. Fizika BSc. Értékelés: A mérés dátuma: A mérés száma és címe: 5. mérés: Elektronspin rezonancia március 18.

FEGYVERNEKI SÁNDOR, Valószínűség-sZÁMÍTÁs És MATEMATIKAI

Monte Carlo módszerek a statisztikus fizikában. Az Ising modell. 8. előadás

N I. 02 B. Mágneses anyagvizsgálat G ép A mérés dátuma: A mérés eszközei: A mérés menetének leírása:

Anyagtudomány MÁGNESES ANYAGOK GERZSON MIKLÓS

Az elektromágneses tér energiája

A mérési eredmény megadása

Mágneses tér anyag kölcsönhatás leírása


Mikrohullámú abszorbensek vizsgálata 4. félév

Modern Fizika Labor. 12. Infravörös spektroszkópia. Fizika BSc. A mérés dátuma: okt. 04. A mérés száma és címe: Értékelés:

A hőterjedés dinamikája vékony szilikon rétegekben. Gambár Katalin, Márkus Ferenc. Tudomány Napja 2012 Gábor Dénes Főiskola

Nagynyomású csavarással tömörített réz - szén nanocső kompozit mikroszerkezete és termikus stabilitása

3. (b) Kereszthatások. Utolsó módosítás: április 1. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

NGB_IN040_1 SZIMULÁCIÓS TECHNIKÁK dr. Pozna Claudio Radu, Horváth Ernő

= Φ B(t = t) Φ B (t = 0) t

2010. január 31-én zárult OTKA pályázat zárójelentése: K62441 Dr. Mihály György

Matematikai geodéziai számítások 10.

FEGYVERNEKI SÁNDOR, Valószínűség-sZÁMÍTÁs És MATEMATIKAI

Részletes szakmai beszámoló

FEGYVERNEKI SÁNDOR, Valószínűség-sZÁMÍTÁs És MATEMATIKAI

Tárgyszavak: kapilláris, telítéses porometria; pórustérfogat-mérés; szűrés; átáramlásmérés.

Multiréteg struktúrák mágneses tulajdonságai Szakmai beszámoló a T48965 számú kutatásokról

Mikrohullámú abszorbensek vizsgálata

Szakmai zárójelentés. A F68726 projektszámú OTKA keretében végzett kutatásokról.

A Mössbauer-effektus vizsgálata

Univerzalitási osztályok nemegyensúlyi rendszerekben, Ódor Géza

Nanokristályos lágymágneses vasmagok minősitése

Réz - szén nanocső kompozit mikroszerkezete és mechanikai viselkedése

Fizikai kémia Részecskék mágneses térben, ESR spektroszkópia. Részecskék mágneses térben. Részecskék mágneses térben

Alkalmazás a makrókanónikus sokaságra: A fotongáz

NA61/SHINE: Az erősen kölcsönható anyag fázisdiagramja

-2σ. 1. A végtelen kiterjedésű +σ és 2σ felületi töltéssűrűségű síklapok terében az ábrának megfelelően egy dipól helyezkedik el.

Molekuláris dinamika. 10. előadás

Fényérzékeny amorf nanokompozitok: technológia és alkalmazásuk a fotonikában. Csarnovics István

Hő- és füstelvezetés, elmélet-gyakorlat

Mérési adatok illesztése, korreláció, regresszió

Mágneses szuszceptibilitás mérése

1 Műszaki hőtan Termodinamika. Ellenőrző kérdések-02 1

Hangfrekvenciás mechanikai rezgések vizsgálata

Térfogati fajlagos felület és (tömegi) fajlagos felület

Anyagszerkezettan és anyagvizsgálat 2015/16. Mágneses anyagok. Dr. Szabó Péter János

Modern Fizika Labor. 2. Elemi töltés meghatározása

Mágneses szuszceptibilitás mérése

Mikropillárok plasztikus deformációja 3.

Véletlen jelenség: okok rendszere hozza létre - nem ismerhetjük mind, ezért sztochasztikus.

Reakciókinetika. Általános Kémia, kinetika Dia: 1 /53

MATEMATIKA HETI 5 ÓRA

Stern Gerlach kísérlet. Készítette: Kiss Éva

Folyadékszcintillációs spektroszkópia jegyz könyv

azonos sikban fekszik. A vezetőhurok ellenállása 2 Ω. Számítsuk ki a hurok teljes 4.1. ábra ábra

Területszámítás Ívhossz számítás Térfogat számítás Felszínszámítás. Integrálszámítás 4. Filip Ferdinánd

Ferromágneses anyagok mikrohullámú tulajdonságainak vizsgálata

Biomatematika 12. Szent István Egyetem Állatorvos-tudományi Kar. Fodor János

Georg Cantor (1883) vezette be Henry John Stephen Smith fedezte fel 1875-ben. van struktúrája elemi kis skálákon is önhasonló

TARTALOMJEGYZÉK. Előszó 9

Fourier-sorfejtés vizsgálata Négyszögjel sorfejtése, átviteli vizsgálata

A mágneses szuszceptibilitás vizsgálata

Fázisátalakulások vizsgálata

Statisztika I. 4. előadás Mintavétel. Kóczy Á. László KGK-VMI. Minta Mintavétel Feladatok.

ESR-spektrumok különbözı kísérleti körülmények között A számítógépes értékelés alapjai anizotróp kölcsönhatási tenzorok esetén

Statisztika I. 4. előadás Mintavétel. Kóczy Á. László KGK-VMI. Minta Mintavétel Feladatok.

Reológia Mérési technikák

Numerikus módszerek. 9. előadás

Fajhő mérése. (Mérési jegyzőkönyv) Hagymási Imre február 26. (hétfő délelőtti csoport)

Algoritmusok Tervezése. 6. Előadás Algoritmusok 101 Dr. Bécsi Tamás

Az α értékének változtatásakor tanulmányozzuk az y-x görbe alakját. 2 ahol K=10

Kiválasztás. A változó szerint. Rangok. Nem-paraméteres eljárások. Rang: Egy valamilyen szabály szerint felállított sorban elfoglalt hely.

Kémiai reakciók mechanizmusa számítógépes szimulációval

1. Feladatok a termodinamika tárgyköréből

Jegyzőkönyv. mágneses szuszceptibilitás méréséről (7)

A Hamilton-Jacobi-egyenlet

[Biomatematika 2] Orvosi biometria

Légköri termodinamika

Maghasadás (fisszió)

A fák növekedésének egy modelljéről

ORVOSI STATISZTIKA. Az orvosi statisztika helye. Egyéb példák. Példa: test hőmérséklet. Lehet kérdés? Statisztika. Élettan Anatómia Kémia. Kérdések!

Mikroszkóp vizsgálata Folyadék törésmutatójának mérése

1. Adatok kiértékelése. 2. A feltételek megvizsgálása. 3. A hipotézis megfogalmazása

W = F s A munka származtatott, előjeles skalármennyiség.

Polimerek fizikai, mechanikai, termikus tulajdonságai

Wavelet transzformáció

7. Mágneses szuszceptibilitás mérése


f = n - F ELTE II. Fizikus 2005/2006 I. félév

A fény mint elektromágneses hullám és mint fényrészecske

Felületi feszültség: cseppfolyós-gáz határfelületen a vonzerő kiegyensúlyozatlan: rugalmas hártyaként viselkedik.

Tervezte és készítette Géczy LászlL. szló

AMORF ÉS NANOSZERKEZETŰ ANYAGOK GYAKORLATI ALKALMAZÁSAI, ELŐÁLLÍTÁS ÉS FEJLESZTÉS BEVEZETÉS KÉT TIPIKUS ALKALMAZÁS

A bifiláris felfüggesztésű rúd mozgásáról

Leíró és matematikai statisztika el adásnapló Matematika alapszak, matematikai elemz szakirány 2016/2017. tavaszi félév

LOCAFI+ 4. Analítikus módszer és ellenőrzés. Lokális tűznek kitett függőleges acélelem hőmérséklet vizsgálata, disszemináció. Szerződésszám n

Nyomás a dugattyúerők meghatározásához 6,3 bar. Nyersanyag:

Az alacsony rétegződési hibaenergia hatása az ultrafinom szemcseszerkezet kialakulására és stabilitására

Átírás:

Mikromágneses szerkezetek számítógépes vizsgálata PhD tézisfüzet Kákay Attila Témavezető: Dr. Varga Lajos Károly Magyar Tudományos Akadémia Szilárdtestfizikai és Optikai Kutatóintézet 2005

1. Bevezetés A 60-as években lépett a doménelmélet helyébe a mikromágnesség, amely úgy a doméneket, mint a doménfalakat együtt tárgyalja. A mikromágneses módszer teljes megfogalmazása Brown-nak [1963] köszönhető, aki a következőt állapítja meg: világos, hogy a mikromágnesség még nem áll készen arra, hogy kiszorítsa a doménelméletet, de legalább képes arra, hogy határozottan és becsületesen támadjon meg olyan kérdéseket, melyeket a doménelmélet mellőz. A mikromágnesség tíz évvel a browni megalapozás után kezdett hatékonnyá válni, a viszonylag nagy teljesítményű számítógépek megjelenésével. A mikromágnesség célja az, hogy mikron és szubmikron méretű anyagban a mágneses momentumok eloszlását, azaz a doméneket és doménfalakat tanulmányozza. A doménszerkezetek vizsgálatára létező kísérleti módszerek (Bitter ábra, Kerr mikroszkópia, atomi erő mikroszkóp) csak az anyag felületéről képesek információt nyújtani, míg a mikromágnesség az anyag belsejében is képes leírni a mágneses momentum eloszlását. Sőt, a mikromágneses számolások olyan információkhoz is hozzájuttatnak, mint a különböző mágneses struktúrák energiája. A mikromágneses közösség javarésze a mágneses információ tárolásban használt anyagok, ezek mágnesezési folyamatának megértésével foglalkozik, különösen az újonnan használatos diszkrét média tanulmányozásával, ahol az egyedülálló részecskék mérete a szuperparamágnesség határán van. Megemlítendő, hogy a mikromágneses számolások tették lehetővé az 1Gbyte/inch 2 bit sűrűségű merevlemezek vagy az első mágneses aktív memóriák megtervezését. De a mikromágnességnek fontos szerepe van az új nanokristályos kompozitok tanulmányozásában (legyen akár lágymágneses, akár lágy-keménymágneses kompozit) vagy a biomedikális alkalmazások számára egyre nagyobb jelentőséggel bíró nanoszemcsék mágneses szerkezetének és mágnesezési folyamatának a vizsgálatában. Fontos megemlítenünk, hogy a mágnesség történetének utóbbi száz évében (önkényesen Ewing-tól számolva) a mágneses anyagok fizikai paramétereit, mint a spontán mágnesezettség vagy Curie hőmérséklet, nehéz volt tökéletesíteni, azonban a technikai paraméterek (koercitív tér, permeabilitás, veszteség) esetében több nagyságrendű fejlesztést értek el. 2

2. Célkitűzések Az utóbbi időben a mikromágneses számolások egyre fontosabbá váltak mind az alapkutatás mind az ipari alkalmazás számára. Abban segít, hogy megértsük a mágnesezési folyamatokat. Az első célkitűzésem az volt, hogy tanulmányozzam a Permalloyból készült mágneses író-olvasó fejek doménszerkezetét. A mágneses információ tárolás követelményei a nagy bitsűrűség és a gyors irási-olvasási folyamat. E kettő ellentmond egymásnak, mivel a nagy bitsűrűség kisméretű író-olvasó fejeket feltételez, melyben a mágnesezési folyamatot a Néel falak dinamikája adja, azonban a Néel falak lomhák, ellentétben a Bloch falakkal. A Bloch és Néel falak külcsönhatnak egymással és úgynevezett cross-tie falakat hoznak létre, melyek központja a függőleges Bloch vonal (VBL). Az egymással kölcsönható VBL-ek szintén lassítják az írás és olvasás sebességét. E témában két kérdést kell megválaszolnunk: mely filmvastagságnál alakul át a Bloch fal Néel fallá? mekkora a cross-tie típusú falak energiája az egyszerű Bloch és Néel falakhoz viszonyítva (megemlítendő, hogy cross-tie típusú falakat kísérletileg is megfigyeltek) A második célkitüzésem az volt, hogy tanulmányozzam a nanokristályos anyagokat. A Herzer [1990] által bevezetett modell, nevezetesen a kicserélődési kiátlagolás modellje, amely a véletlenszerű bolyongáson alapszik egy fenomenológikus modell. A Herzer modellt még a mai napig is sokan támadják és az volt a szándékom, hogy a mikromágneses számítások segítségével ellenőrizzem a modell helyességét. Sajnos a mikromágneses számolásokat csak kis térfogatú mintára lehet elvégezni, ahol a magnetosztatikus energia vagy másszóval lemágnesező energia jelentős szerephez jut. Ez egyenértékű egy alak-anizotrópiával. Herzer azonban végtelen (tömbi) anyagra állította fel modelljét, ahol csak az anizotrópia és a kicserélődési energia versenyzik egymással. A harmadik célkitűzés az egydülálló nanokristályos szemcsék világához kapcsolódik. Az orvostudományban mindennapi kérdés, hogy a gyógyszert vagy ellenanyagot céltudatosan a megfelelő helyre tudják eljuttatni. A terv egyszerű, a ma használt anyagok hatékonysága rossz. A tudomány abban áll, hogy a nanokristályokat, 3

melyek néhány tíz nanométer átmérőjüek, a szervezet számára befogadható anyaggal vonják be (így keletkezik a mágneses gyönygyszem), majd sejtláncokat fűznek ezen gyöngyszemekre, melyekhez a továbbiakban orvosság vagy ellenszer kapcsolható. Ha ezen felruházott mágneses gyöngyszemeket a véráramba juttatjuk, egy mágneses tér segítségével oda vihetjük, ahol a kívánt gyógyítást el akarjuk érni. Azonban a ma használatos nanoszemcsék mágneses vasoxidok, melyek telítési mágnesezettsége kicsi, ezáltal az általuk szállítható teher is kicsi. Szándékom az volt, hogy kiszámoljam különböző anyagok monodomén-vortex átmenetét, mely egy irányelv lenne, hogy a ma használatos vasoxid szemcséket mire érdemes lecserélni. Ezenkívül egy módszert dolgoztam ki a genetikus algoritmusra alapozva, hogy ezen nem kölcsönható nanoszemcsék méreteloszlását meghatározzam mágneses mérések segítségével, mely kivitelezése sokkal könnyebb mint más módszerek (pld. TEM, XRAY, SANS). Ezt a módszert Langevin granulometriának neveztük el, és azon alapszik, hogy a nem kölcsönható nanokristályok mágnesezési görbéje szuperparamágneses állapotban a Langevin függvényt követik, melynek alakja csak a szemcsék méretének eloszlásától függ. 3. Alkalmazott módszerek 3.1 Mikromágnesség A mikromágnesség a doméneket és doménfalakat a mágnesezettség folytonos függvényeként tárgyalja, melynek nagysága állandó azonban irányítottsága pontról pontra változik. A mágnesezettség minden egyes elemi térfogatának időbeli változását a nemlineáris Landau-Lifshitz-Gilbert egyenlet írja le r dm γ r r α r r r = M H eff + M ( M H eff ) (1) 2 dt 1+ α M S ahol a H eff egy effektív tér mely magába foglalja az anizotrópia, kicserélődési, lemágnesezési és külső teret, γ a giromágneses arány és α a Gilbert féle csillapítási együttható. A doménfalak mozgásának vagy a doménszerkezetek mágnesezettségi eloszlásának a vizsgálatához a minta térfogatát diszkrét elemi térfogatokra osztjuk, feltételezve, hogy minden egyes elemi cellában a mágnesezettség állandó, majd ezekre 4

megoldjuk az LLG egyenletet. Általában néhány százezer elemi cellára osztjuk a vizsgálandó mintákat. Minden egyes elemei cella mágnesezettsége egy egységvektorral van definiálva m r ( mx, m y, mz ) és egyben egy elemi térfogatnak felel meg, melyet az A kicserélődési együttható, a K anizotrópia konstans, az M S telítési mágnesezettség, a γ giromágneses arány es az α csillapítási paraméter jellemez. Ezek a számolási folyamat bemenő paraméterei, azaz az anyagi jellemzők, melyek meghatározzák az elemi cella méretét. A kiindulási mágnesezettségi eloszlásfüggvény minden egyes számolás esetében más és más lehet, néhány esetben célszerű elméleti megoldásokat használni vagy egyszerűen egy véletlenszerű eloszlását a mágnesezettségi egységvektornak. 3.2. Langevin granulometria Szemcseméret eloszlással rendelkező nem kölcsönható szuperparamágneses részecskék esetében, a különböző hőmérsékleteken mért mágnesezési görbék egymásra tevődnek az M(H,T)/Ms(T)-nek az Ms(T)H/T függvényében vett ábrázolásban, amely leírható Langevin függvények szuperpoziciójával. A görbe alakja csupán a szemcseméret eloszlástól függ, ezért granulóméterként használható, hogy meghatározzuk a szemcseméret (vagy mágneses momentum) eloszlást. Habár számos más módszer létezik a szemcseméret eloszlásának meghatározására (TEM, SANS, etc.), a mágneses módszer sokkal könnyebben kivitelezhető kísérletileg. Természetesen ez a módszer is ugyanazokkal a nehézségekkel küszködik mint bármely más, nevezetesen, hogy a fizikai rendszer egyértelműen meghatározza a mért eredményeket, azonban a fordított probléma, hogy meghatározzuk a fizikai rendszer paramétereit a mért adatokból nem egyértelmű. Egy szemcseméret eloszlással rendelkező szuperparamágneses minta mágnesezettsége a következő képlettel adható meg M ( H, T ) = N i= 1 µ 0µ i H w iµ i Lang (2) k BT ahol w = µ ) az i típusú, egységnyi térfogatú részecskék száma, melyek µ i i w i ( i momentummal rendelkeznek. 5

A feladat azt, hogy meghatározzuk a mágneses momentumok eloszlását, azaz a w µ ) -t, mely közvetlen kapcsolatban áll a szemcsék méretével, a kísérleti ( i i mágnesezési görbéből, M(H,T). 4. Új tudományos eredmények 1. A Bloch-Néel doménfal átmenetre a Permalloy film vastagságát sokkal pontosabban kiszámoltam. A korábbiakban meghatározott 80-90 nm ([Labonte, 1969][Hubert, 1998]) helyett a 30-35 nm-es tartományt kaptam [1]. Ezenkívül kimutattam, hogy a szimmetrikus Bloch fal egészen 35 nm-es [1] vastagságig létezik, a korábbiakban kiszmámolt 100 nm-hez képest [Labonte, 1969]. Ezek a számolások fontos szerepet játszanak a merevlemezek író-olvasó fejeinek tervezése szempontjából 2. Az átmeneti filmvastagságnál (10-70 nm) tanulmányoztam a Bloch és Néel falak kölcsönhatását és viszakaptam a kísérletileg megfigyel [Huber, 1958][Hubert, 1998] cross-tie típusú falakat [2]. Kiszámoltam ezen falak energiáját és vastagságát a Permalloy film vastagságának függvényében [2]. Mivel ezek nem felületi falak, egyetlen kísérleti módszerrel sem tudjuk pontosan meghatározni ezeket az értékeket. Azt kaptam, hogy az átmeneti tartományban energetikailag sokkal kedvezőbb konfiguráció egy cross-tie típusó fal mint egy egyszerű Bloch vagy Néel fal. Ezen számolások az író-olvasó fejek közti árnyékoló Permalloy film viselkedésére engednek következtetni. 3. Mikromágneses számolásokkal tanulmányoztam a nanokristályos anyagokra az erősen csatolt fázisra alkalmazott, a véletlenszerű bolyongásra alapozott, fenomenológikus Herzer-modellt. A szemcseméret változtatásával (a nanoszemcsék anizotrópia tengelyeinek iránya véletlenszerű eloszlású) vizsgáltam az effektív kristálytani anizotrópia állandóval jellemezhető doménfalszélesség változását, és a várt összefüggést, a szemcseméret köbének reciprokával való arányosságot találtam [3]. Ezen számolások bizonyítják, hogy a random anizotrópia modell levezetésére használt nagyságrendi becslések helyesek. 6

4. Mikromágneses számolásokkal, először az irodalomban, megbecsültem a monodomén-vortex átalakulás kritikus átmérőjét, gömb alakú lágymágneses nanoszemcsékre [4]. A Brown [1968] által analitikus számolásokkal kapott két kritikus átmérő a mikromágneses számolásokból is kijön, D mono, D vortex. A [0, D mono ] intervallumban a szemcsénk monodomének, míg a D vortex fölött az úgynevezett könnyű irányú vortex állapot létezik. Az ismeretlen köztes intervallumra azt kaptam, hogy a magnetosztatikus energia minimalizálása érdekében egy nehéz irányú vortex [4] állapot jelenik meg. Ezek a számolások tájékoztató jellegűek a biomedikális alkalmazások számára (biológiai markerek, hipertermiás kezelés). 5. Egy módszert és egy ehhez kapcsolódó számítógépes programot dolgoztam ki a genetikus algoritmusra alapozva, hogy meghatározzam a nanokristályos szemcsék méreteloszlását a szuperparamágneses mágnesezési görbékből, minden féle kezdeti feltételezéstől eltekintve az eloszlás alakjára vonatkoztatva [5]. Habár sok más módszert alkalmaztak, hogy a mágnesezési görbéből visszakapják a szemcseméret eloszlást, a honlapomról letölthető program [http://www.szfki.hu/~attilak/software.html] a legmegbízhatóbb a kísérleti görbék értelmezésében. Ez lehetővé teszi a Langevin granulometriát mágneses méréseken keresztül, akár egypúpú akár többpúpú eloszlások esetén. 7

5. Hivatkozások [Brown, 1963]: W.F. Brown, Jr., 1963 Micromagnetics John Wiley & Sons, New York. [Ewing, 1885]: J.R. Ewing, 1885 Philosophical Transactions of the Royal Society -- Part II. pp. 523-640, plus plates 57-68. [Herzer, 1990]: G. Herzer, 1990 IEEE Trans. Magn. 26 1397. [Labonte, 1969]: A.E. Labonte, 1969 J. Appl. Phys. 40 2450-2458. [Hubert, 1998]: A. Hubert, R. Schäfer Magnetic Domains ISBN 3-540-64108-4 Springer p. 110. [Huber, 1958]: E.E. Huber, JR., D. O. Smith, and J. B. Goodenough, 1958 J. Appl. Phys. 29(3) 294-295. [Redjdal, 1998]: M. Redjdal, Ph.D. thesis (Boston University) 6. Tudományos közlemények [1] T. Trunk, M. Redjdal, A. Kákay, M.F. Raune and F.B. Humphrey, Domain wall structure in Permalloy films with decreasing thickness at the Bloch to Néel transition, 2001 J. Appl. Phys. 89(11) 7606-7608. [2] M. Redjdal, A. Kákay, M.F. Raune and F.B. Humphrey, Cross-tie walls in thin Permalloy films, 2002 IEEE Trans. Magn. 38(5) 2471-2473. [3] A. Kákay and L.K. Varga, Micromagnetic simulation of random anisotropy model, 2004 J. Magn. Magn. Mat. 272-276 741-742 [4] A. Kákay and L.K. Varga, Monodomain critical radius for soft-magnetic fineparticles accepted for publication in J. Appl. Phys. in Feb. 2005 [5] A. Kákay, M.W. Gutowski, L. Takács, V. Franco and L.K. Varga, Langevin granulometry of particle size distribution, 2004 J. Phys. A.: Math. Gen. 37 6027-6041. 8