Úvod do studia anorg. materiálů - MC240P33

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 http://jana-vejpravova.webnode.cz/links-/courses-2015-2016/anorganicke-materialy/

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 - 305 RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control). 1971 IBM 8-inch disketa

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

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

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

Giant magneto-resistance (GMR)

Transportní vlastnosti - GMR

Transportní vlastnosti nanosystémů GMR (spinový ventil)

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

Spintronické materiály

Nekonvenční, magnetické supravodiče

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

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

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

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

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

Magnetooptický záznam

MO Faradayova rotace materiálů materiál rotace figure of Vln. délka T B literat (deg) merit(deg/db) (nm) (K) (T) ure Fe 3.825 10 5 578 RT 2.4 1.11) Co 1.88 10 5 546 2 1.11) Ni 1.3 10 5 826 120 K 0.27 1.11) Y 3 Fe 5 O 12 250 1150 100 K 1.12) Gd 2 BiFe 5 O 1 2 MnSb 2.8 10 5 500 1.14) 1.01 10 4 44 800 RT 1.13) MnBi 5.0 10 5 1.43 633 1.15) YFeO 3 4.9 10 3 633 1.16) NdFeO 3 4.72 10 4 633 1.17) CrBr 3 1.3 10 5 500 1.5K 1.18) EuO 5 10 5 10 4 660 4.2 K 2.08 1.19) CdCr 2 S 4 3.8 10 3 35(80K) 1000 4K 0.6 1.20)

MO Kerrova rotace materiálů materiál rotace E T B (deg) (ev) (K) (T) Fe 0.87 0.75 RT 1.21) Co 0.85 0.62 1.21) Ni 0.19 3.1 1.21) Gd 0.16 4.3 1.22) Fe 3 O 4 0.32 1 1.23) MnBi 0.7 1.9 1.24) PtMnSb 2.0 1.75 1.7 1.8) CoS 2 1.1 0.8 4.2 0.4 1.25) CrBr 3 3.5 2.9 4.2 1.26) EuO 6 2.1 12 1.27) USb 0.8 Te 9.0 0.8 10 4.0 1.28) CoCr 0.2 2 S 4 4.5 0.7 80 1.29) a-gdco 0.3 1.9 RT 1.30) CeSb * 90 2 1.31)

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

Synchrotron...

Synchrotron...

Synchrotron - princip

Synchrotron charakteristika

Synchrotron fokusace a polarizace svazku BM PS princip U U W

Synchrotron fokusace a polarizace svazku

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

Interakce synchrotronového záření s pevnou látkou

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

EXAFS Extended X-ray Absorption Fine Structure

EXAFS Extended X-ray Absorption Fine Structure

EXAFS Extended X-ray Absorption Fine Structure Scattering paths

EXAFS struktura katalyzátoru v uhlíkových nanotubách Mechanismus růstu SWCNT Purifikace SWCNT

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

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

Magnetický cirkulární dichroismus XMCD X-ray Magnetic Circular Dichroism

3 2 3 2 ) ( ) ( 3 4 L L L L h de de n L 3 2 3 2 3 ) ( ) ( 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

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

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 (%) 0.03 0.02 0.01 0.00-0.01-0.02-0.03 Fe L 3 O h, T d E (ev) Fe L 2 dist. O h1 + O h2 Al0x 0T 5T 0T -5T -0.04 705 710 715 720 725 730 LDA+U

XMCD SO a polohově rozlišená hysterezní smyčka M (Am 2 /kg) M (Am 2 /kg) 33 27 20 13 7 0-7 -13-20 -27-33 20 15 10 5 SQUID -6-4 -2 0 2 4 6 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 (%) 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00-0.05-0.10-0.15-0.20-6 -4-2 0 2 4 6 Al0x, 0 T H = (T) 220 K 0-5 -10-15 Oh1 Oh2-20 Td+Oh3-25 -30 XMCD M L M S M L +M S 20 15 10 5 20 15 10 5 M (Am 2 /kg) 0 0 1 2 3 4 5-35 0 0 1 2 3 4 5 0 0 H (T) 0 H (T)

GISAXS Grazing Incidence Small Angle X-ray Scattering

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

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

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

www.esrf.eu http://www.anka.kit.edu/ http://www.diamond.ac.uk/ http://www.elettra.trieste.it/ http://www.spring8.or.jp/...

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

Zdroje neutronů

Neutronová optika spektrum a vedení svazku Neutronové zrcadlo Neutronové zrcadlo

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

Metody neutronového rozptylu

Pružný rozptyl

Nepružný rozptyl

Difrakce - určení magnetické struktury

Difrakce - určení magnetické struktury

Difrakce - určení magnetické struktury

Difrakce - určení magnetické struktury

Difrakce - určení magnetické struktury (více v prezentaci k přednášce Elektornová struktura nanorozměrových systémů... http://jana-vejpravova.webnode.cz/links-/courses-2015-2016/elektronova-struktura/)

Difrakce - určení magnetické struktury

www.ill.eu http://www.frm2.tum.de/startseite/...