Úvod do studia anorg. materiálů - MC240P33

Transkript

1 Úvod do studia anorg. materiálů - MC240P33 Magnetismus, Magneticky uspořádané a neuspořádané struktury, Feromagnetismus, Antiferomagnetismus, Magnetické materiály, Záznamové materiály. Příprava magnetických spinelových kompozitů nanokompozitů, Magnetické nanomateriály, Magnetorezistivní materiály, Magnetooptické materiály, Multiferroika, Feromagnetické supravodiče. Metody charakterizace anorganických materiálů*, chemické a fyzikální metody, rentgenová difrakce, elektronová mikroskopie. *Charakterizace magnetických materiálů: makroskopické metody, metody rozptylu neutronů a fotonů. doc. RNDr. Jana (Kalbáčová) Vejpravová, Ph.D. kontakt: vejpravo@fzu.cz

2 Magnetický záznam Historie 1819 Hans Christian Oersted objevil elektromagnetismus 1949 IBM, první záznamová média na principu magnetického ukládání dat 1952 IBM 726 Tape Unit 1956 IBM první disk RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control) IBM 8-inch disketa

3 Jak to funguje Substrát hliník nebo sklo pokrytý magnetickým materiálem (ferity) změna bitu změna směru magnetizace vložení napětí na čtecí hlavu

4 Konstrukce čtecích hlav Oxidy železa v elmag. cívkách velké, těžké s vyšší mezerou, proti kontaktu během rotace disku, nevhodné pro vysoké hustoty záznamu, zastaralé od 1980 Metal-in-gap zdvojnásobení magnetické hustoty, možnost využití materiálů s větší koercivitou (tenké filmy aj.), vyšší hustota záznamu, dodnes v LS-120 (Superdisk drives). Tenké vrstvy extrémně tenká čtecí hlava s gapem z tvrdého materiálu, vysoké hustoty, ostré magnetické pulzy, 100MB-2GB disky

5 Konstrukce čtecích hlav Moderní MR čtečky na principu magnetoresistence, dualní gap Spinové ventily (GMR efekt) změna odporu vlivem rotujícího magnetického pole, 100+ Gb PMR kolmý magnetický záznam

6 Giant magneto-resistance (GMR)

7 Transportní vlastnosti - GMR

8 Transportní vlastnosti nanosystémů GMR (spinový ventil)

9 Magnetické polovodiče Datta-Das spin field-effect transistor (SFET)

10 Spintronické materiály

11

12 Nekonvenční, magnetické supravodiče

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22 Magnetooptické materiály magnetooptický (Faraday-ův) jev:faraday (1845) princip:odlišná optická odezva záření s opačnou chiralitou využití: Magneto-optické disky Optické izolátory Proudové senzory (a) Faraday: magnetizace // směrem šíření elmag. záření (b)voigt: magnetizace směrem šíření elmag. záření

23 Magnetooptické materiály Interakce světla (elmag. záření) s magnetickým polem Fotomagnetický jev Magnetooptický disk Světlem-indukovaná magnetizace rubín, ředěné magnetické polovodiče Světlem indukovaná spinová reorientace optický motor vs. Magneto-optický jev Posun nebo štepení absorbčních čar (Zeemanův jev) Magnetická rezonance (ESR, magneto-plasmonický jev) Faradayův, Kerrův, Cotton-Moutonův jev

24 Magnetooptický 3.2 efekt Faraday Effect Magnetická rotace (Faradayova rotace) F Magnetický cirkulární dichroismus (Faradayova elipticita) F Verdetova konstanta: F =VlH (paramagnetické a diamagnetické látky) Rotace hlavní optické osy Elipticky polarizovan é světlo Lineárně polarizované světlo

25 Lineárně polarizované světlo: LCP a RCP Fázový rozdíl = změna směru lineární polarizace Rozdíl v amplitudě = eliptická polarizace Obecně elipticky polarizované světlo se stočenou hlavní optickou osou

26 Magnetooptický jev Magnetizace štepení spinových stavů není vliv na rozdíl v optické odezvě LCP and RCP Spin-orbitální interakce štepení orbitálních stavů Absorbce cirkulárně polarizovaného záření cirkulární pohyb elektronů Podmínka pro velkou magnetooptickou odezvu Silné (povolené) optické přechody Prvky s velkou SO interakcí Není přímo svázané s magnetizací

27 Magnetooptický záznam

28 MO Faradayova rotace materiálů materiál rotace figure of Vln. délka T B literat (deg) merit(deg/db) (nm) (K) (T) ure Fe RT ) Co ) Ni K ) Y 3 Fe 5 O K 1.12) Gd 2 BiFe 5 O 1 2 MnSb ) RT 1.13) MnBi ) YFeO ) NdFeO ) CrBr K 1.18) EuO K ) CdCr 2 S (80K) K )

29 MO Kerrova rotace materiálů materiál rotace E T B (deg) (ev) (K) (T) Fe RT 1.21) Co ) Ni ) Gd ) Fe 3 O ) MnBi ) PtMnSb ) CoS ) CrBr ) EuO ) USb 0.8 Te ) CoCr S ) a-gdco RT 1.30) CeSb * )

30 Využití synchrotronového záření pro výzkum anorganických látek Synchrotron generování synchrotronového záření spektrum, fokusace a polarizace synchrotronového záření Interakce synchrotronového záření s pevnou látkou úhel dopadu a detekce, penetrace záření fyzikální jev, informace o krystalové a elektronové struktuře Vybrané metody a využití SXRD + EXAFS struktura katalyzátoru v uhlíkových nanotubách XMCD SO příspěvek, specifická hysterezní smyčka GISAXS nanočástice v hybridních strukturách grafenu

31 Synchrotron...

32 Synchrotron...

33 Synchrotron - princip

34 Synchrotron charakteristika

35 Synchrotron fokusace a polarizace svazku BM PS princip U U W

36 Synchrotron fokusace a polarizace svazku

37 Interakce synchrotronového záření s pevnou látkou difrakce, GISAXS, spektroskopie XAS, PES...

38 Interakce synchrotronového záření s pevnou látkou

39 Vybrané metody a využití EXAFS struktura katalyzátoru v uhlíkových nanotubách XMCD SO příspěvek, specifická hysterezní smyčka GISAXS - nanočástice v hybridních strukturách grafenu

40 EXAFS Extended X-ray Absorption Fine Structure

41 EXAFS Extended X-ray Absorption Fine Structure

42 EXAFS Extended X-ray Absorption Fine Structure Scattering paths

43 EXAFS struktura katalyzátoru v uhlíkových nanotubách Mechanismus růstu SWCNT Purifikace SWCNT

44 EXAFS struktura katalyzátoru v uhlíkových nanotubách Purifikace SWCNT S-XRD (ANKA, FZK)

45 EXAFS struktura katalyzátoru v uhlíkových nanotubách Purifikace SWCNT EXAFS (ANKA, FZK)

46 Magnetický cirkulární dichroismus XMCD X-ray Magnetic Circular Dichroism

47 ) ( ) ( 3 4 L L L L h de de n L ) ( ) ( 4 ) ( 6 7 L L L L L h de de de n D S r q p Magnetický cirkulární dichroismus Separace spinového a orbitálního momentu - Sum rules

48 Magnetický cirkulární dichroismus Prvkově specifické, rozlišení neekvivalentních atomů Hysterezní smyčky Ni a Co v tenkých vrstvách CuNi-Al XMCD spektra železa, magnetitu a maghemitu

49 XMCD SO příspěvek, polohově rozlišitelná odezva e-fe 2 O 3 k-al 2 O 3 ccp (ABCABC ) S.G.: Pna2 1 4 neekvivalentní polohy Fe 3+ : dist. O h1 + O h2, O h, T d XMCD (%) Fe L 3 O h, T d E (ev) Fe L 2 dist. O h1 + O h2 Al0x 0T 5T 0T -5T LDA+U

50 XMCD SO a polohově rozlišená hysterezní smyčka M (Am 2 /kg) M (Am 2 /kg) SQUID SQUID 0 H(T) 200K 100 K 130 K 140 K 150 K 160 K 180 K 200 K M (a.u.) XMCD min x 10-3 (%) Al0x, 0 T H = (T) 220 K Oh1 Oh2-20 Td+Oh XMCD M L M S M L +M S M (Am 2 /kg) H (T) 0 H (T)

51 GISAXS Grazing Incidence Small Angle X-ray Scattering

52 GISAXS Grazing Incidence Small Angle X-ray Scattering I(q y, q z ) ~ F(q y, q z ) 2 x S(q y )

53 GISAXS nanočástice v hybridních strukturách grafenu Změna uspořádání částic Struktura (EXAFS)

54 GISAXS nanočástice v hybridních strukturách grafenu MNPs@GN a = 0.2 o R V = 4 nm, R L = 6 nm, a = 16 nm GN@MNPs@GN a = 0.2 o - substrát (SiO 2 /Si) hexagonální uspořádání elipsoidní částice R V = 3 nm, R L = 5 nm R V R L

55

56 Využití neutronového záření pro výzkum anorganických látek Synchrotron generování neutronových svazků spektrum, fokusace a polarizace neutronového záření Interakce synchrotronového záření s pevnou látkou úhel dopadu a detekce, penetrace záření fyzikální jev, informace o krystalové a elektronové struktuře Vybrané metody a využití difrakce magnetická struktura

57 Zdroje neutronů

58 Neutronová optika spektrum a vedení svazku Neutronové zrcadlo Neutronové zrcadlo

59 (více v prezentaci R. Stewarta...) Neutronová optika - polarizace

60 Metody neutronového rozptylu

61 Pružný rozptyl

62 Nepružný rozptyl

63 Difrakce - určení magnetické struktury

64 Difrakce - určení magnetické struktury

65 Difrakce - určení magnetické struktury

66 Difrakce - určení magnetické struktury

67 Difrakce - určení magnetické struktury (více v prezentaci k přednášce Elektornová struktura nanorozměrových systémů...

68 Difrakce - určení magnetické struktury

69