Kiinteiden'materiaalien'magnee-set'ominaisuudet'

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "Kiinteiden'materiaalien'magnee-set'ominaisuudet'"

Helinä Koskinen
8 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 Kiinteiden'materiaalien'magnee-set'ominaisuudet' Peruskäsite:' Yhdisteessäelektronien orbtaaliliike ja spinvaiku7avatmagnee:siin ominaisuuksiin(spininvaikutuson merki7ävämpi) ' Diamagne6smi' Kaikkiorbitaalittäysinmiehite7yjätai täysintyhjiä. Ulkoisenkentänsuljetuissakuorissa indusoimamagnee:nenmomen: suuntautuuulkoistaken7ää vastustavasa. DiamagneAsmieiriipulämpöAlasta Paramagne6smi' ' materiaalissapari7omiaelektroneja ulkoisenkentänindusoimamagnee:nen momen:onkentänsuuntainen lämpöliikehäiritseemagnee:sten momen:ensuuntautumista=> paramagnee:suusonlämpöalasta riippuvainen μ'<'1' μ'>'1' Magnee-nen'sukep6bilitee-' ' ulkoisessamagnee:kentässä(h)yhdisteessäolevamagnee:vuon(b)aheysvoidaan ilmaistaseuraavasa: tyhjiön' permeabilitee-' ( ) B = µ 0 H + M yhdisteen' magne6saa6o' B µ 0 H = 1+ M H = 1+ Χ Χ = M H magnee-nen' suskep6bilitee-' Χvoidaanmitata=>ΧvjaΧV m &voidaanlaskea(v=ominaisalavuus,v m =moolialavuus) paramagnee:selleyhdisteelle magnee-nen' momen-' Χ = µ 0 m 2 N A 2 3RTvM kaasuvakio' lämpö6la' Avogadron' vakio' suhteellinen' moolimassa' Χ m Χ 1 T magnee-set'momen6t' suuntautuvat'ulkoisen'kentän' suuntaisiksi' lämpöliike'hajodaa' orientaa6ota'

2 Curien'ja'CurieFWeissin'laki' C Χ = T +T N Χ = C T Χ = C T T C Esimerkki'''ParaF,'ferroF'ja'an6ferromagne6smi( Voimakas'suuntautuminen'elektronien' spinien'vuorovaikutusten'johdosta' IΧ:nnopeapieneneminenT:nfunkAona 1 T Spinien'an6paralleelinen'suuntautuminen' IΧkasvaaT:nfunkAona Lämpöliike'pienentää' magnee-sten'momen-en' suuntautumista'ulkoisen' kentän'suuntaan

3 Magnee-nen'momen-' elektroninmagnee:seenmomen:in vaiku7aasekäratakulmamomen:l e7äspinkulmamomen:s. => magnee:nenmomen:m: SpinkulmamomenAnvaikutus suurempikuinratakulmamomenan 1 BM (Bohrin magnetoni) = m = m B 4S ( S +1) + L( L +1) m = gm B S ( S +1) gyromagnee-nen'tekijä'='2,0023' elektronin'varaus' Planckin'vakio' eh 4πmc = m B valon'nopeus' elektronin'massa' Esimerkki'''1.'vaakajakson'siirtymämetalleja( Ioni d n m S (lask) m S+L (lask) m(hav) V ,73 3,00 1,8 V ,83 4,47 2,8 Cr ,87 5,20 3,8 Mn 2+ 5 (HS) 5,92 5,92 5,9 Fe 3+ 5 (HS) 5,92 5,92 5,9 Fe 2+ 4 (HS) 4,90 5,48 5,1-5,5 Co 3+ 4 (HS) 4,90 5,48 5,4 Co 2+ 3 (HS) 3,87 5,20 4,1-5,2 Ni ,83 4,47 2,8-4,0 Cu ,73 3,00 1,7-2,2 Josg 2,orbitaaliliikkeelläon merkitystä =>&m S (lask)onuseissatapauksissahyväarvio Kiinteässä'olomuodossa'sähkökenDä' rajoidaa'orbitaaliliikedä' Ferromagnee-set'alueet' Ferromagnee:sillamateriaaleillaalueita,joissaelektronienspinitsamansuuntaisia ErialueillaeriorientaaAoita(analogiaferroelektrisitee:) M( H C ( A( M r ( Kaikkienalueidenspinitovat samansuuntaisia=saturaa6o' H( YhdenhystereesisyklinaikanatapahtunutenergiahäviöA( PehmeätmagneeAt:pieniH c & KovatmagneeAt:suuriH c

4 Eräitä'magnee-sia'metalleja' Cr,Mn,Fe,Co,Ni,lantanoidit Esimerkki'''Fe,'Co,'Ni( 'αffe:t c =1043K Ni:T c =631K Co:T c =1404K a& a& c& 'bcc[100] fcc[111] hcp[001] Magnee-nen'anisotropia' Energia,jokatarvitaankääntämäänmagnee:nenmomen:pois luonnollisestasuunnasta Toisenkertaluvunfaasimuutos ferromagneasmi paramagneasmi(t c ) M s ( C p ( Χ F1' T c ( T( T c ( T c '='1043'K( T( T(

5 Ferromagne6smi'ja'metallin'elektronikonfiguraa6o' Tarkastellaanesimerkkinärautaa: 1. ElektronikonfiguraaAo[1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 ]4s 2 3d 2 HS:4paritontaelektronia 2. Energiavyölaskut 4sIja3dIvyötmenevätpäällekkäin 7,4dIelektronia(4,8e I spin+;2,6e I spini) metalli' elektronif' konfiguraa6o' Ni d 8 s 2 0,6 paridomien' elektronien' lkm' Fe d 6 s 2 2,2 d 7,4 s 0,6 Co d 7 s 2 1,7 konfiguraa6o' Perusongelma:2,4paritontaelektroniaantaamaksimikontribuuAon ferromagneasmiin Esimerkki'''Havainnot( Fe 'Fe 0,8 Co 0,2 'Ni 0,4 Cu 0,6 ' 2,2'e F '2,4'e F '0'e F E( 4s,4p spin E( spin 3d E F( E F( pari7omat spinit N(E)( N(E)(

6 Metallioksidit' TiO,VO,CrO(dIelektronitdelokalisoituja) diamagnee:sia sähkönjohtajia MnO,FeO,CoO,NiO(dIelektronitlokalisoituja) anaferromagnee:sia(tmatala) paramagnee:sia(tkorkea) T N : I153 o C MnO &I75 o C I2 o C FeO CoO +250 o C NiO Perusongelma:2,4paritontaelektroniaantaamaksimikontribuuAon ferromagneasmiin FerroF'ja'an6ferromagne6smin'mekanismi' Paramagne6smi:magnee:stenmomen:ensuuntautuminenvainulkoisessa magnee:kentässä FerroF'ja'an6ferromagne6smi:magnee:stenmomen:ensuuntautuminenspontaania' Esimerkki'''NiO:'elektroninen'magnee-nen'kytkentä' ( 7 (Ni 2+ ''d 8 '((oktaedrinen'kendä'e g '('''''''''''''')' d 1 d 1 z 2 7 (O 2F (2p 6 ' x 2 y 2 d z 2 p z d z 2 'Ni 2+ 'O 2F 'Ni 2+ ' z&

7 T>250 o C,NaClIrakenne [100],[101],[001]:Ni 2+ IO 2 Ni 2+ [111]:Ni 2+ INi 2+ Ni 2+ romboedrinenvääristymä[111] Ni 2+ IionienanAferromagnee:nenorientoituminen C 3 ( Esimerkki'''MnO:n'neutronidiffrak6odiagrammi' Ylirakenteestajohtuentodellinensymmetriaonromboedrinen,mu7a voidaanapproksimoidakuuaollisenaa =2a.

8 Spinellit' Perusspinelli:MgAl 2 O 4 Muitaspinellejä: Mg 2 TiO 4 LiAlTiO 4 Li 0,5 Al 2,5 O 4 LiNiVO 4 Na 2 WO 4 Normaalispinelli:AB 2 O 4 [A] TET [B] OKT O 4 Käänteisspinelli:[B] TET [A] OKT O 4 50%Btetraedrisessäpaikassa A+50%Boktaedrisessäpaikassa epäjärjestynytrakenne MgFe 2 O 4 Mg 2 TiO 4 Esimerkki'''Ferrii6t'MFe 2 O 4 '(M'='Fe 2+.'Ni 2+,'Cu 2+,'Zn 2+,'jne.' KaikkiferriiAtovatjokoosi7aintaikokonaankäänteisspinellejä Spinoktaedrisessäasemassaerisuuntaankuintetraedrisessäasemassa Tetraedrinenpaikka:8a Oktaedrinenpaikka:16d [Fe 3+ ] TET [Zn 2+,Fe 3+ ] OKT O 4' [Fe 3+ ] TET,[Fe 3+ ] OKT [Zn 2+ ] OKT m&=&0 =>m=0

9 Esimerkki'''M 1Fx Zn x Fe 2 O 4 ' AnAferromagnee:nen kytkentätuhoutuu ArviokäänteisI spinelleille m=5 m=4 m=3 m=2 m=0 BM' 8' Mn' 6' Co' Fe' 4' Ni' 2' Mg' 0' 0' 0,2' 0,4' 0,6' 0,8' 1' ZnFe 2 O 4' normaalispinelli paramagnee:nen =>Rakenteenmuutosnormaaliksispinelliksi Sovellutuksia' 1. Muuntajat magnee:sesapehmeitä pienethystereesihäviöt suuritehokapasitee: 2. InformaaAonvarastoinA magnee:sesapehmeitä suorakulmainenhystereesikuvaaja 3. MuisAkupla Granaa:ohutkalvo,jokaonpäällyste7yeiImagnee:sella materiaalille(korkeat) 4. PysyvätmagneeAt CoI,NiIpohjaisetmateriaalit

Samankaltaiset tiedostot

Kiinteiden materiaalien magneettiset ominaisuudet

Kiinteiden materiaalien magneettiset ominaisuudet Peruskäsite: Yhdisteessä elektronien orbtaaliliike ja spin vaikuttavat magneettisiin ominaisuuksiin (spinin vaikutus on merkittävämpi) Diamagnetismi Kaikki