Магнитные свойства нанодиспергированных структур
Как известно, ферромагнитные частицы, имеющие размер d, соответствующий одному магнитному домену, обладают максимальной коэрцитивной силой
Hc = 2K/Is
где K - константа магнитной анизотропии ферромагнетика (энергия перемагничивания), Is – намагниченность насыщения.1\petlja_gisteresisa.gif
Наибольший размер d однодоменных частиц Fe не превышает 20нм.10\magnitniy_moment.gif При уменьшении размеров частиц Hc стремится к нулевому значению и нанокластер постепенно переходит в суперпарамагнитное состояние. В этом состоянии на ферромагнитный порядок в нанокластерах оказывают значительное влияние тепловые флуктуации, вызывающие разориентацию магнитных моментов атомов. Частица теряет ферромагнитные свойства при всех температурах, когда d~ 1нм. Это является прямым следствием соотношения неопределенности Гейзенберга, исходя из которого импульс электрона p, находящегося в наночастице размером d обладает неопределенностью Dp
Dp = h/(2pd),
где h/2p= 1,055·10-34 Дж*с – постоянная Планка.
«В 1927 году Вернер Гейзенберг, анализируя возможность измерения координаты импульса электрона, пришёл к заключению, что условия, благоприятные для измерения положения, затрудняют нахождение импульса, и наоборот. Эти два понятия дополнительны друг другу. Для доказательства он ставил мысленные эксперименты: чтобы определить координату электрона, нужно осветить его и посмотреть в «микроскоп». Такой способ даёт неопределённость координаты ∆q порядка длины волны λ использованного света ∆q~ λ.
Для уточнения положения электрона надо брать возможно меньшую длину волны света. Но при взаимодействии с электроном свет передаёт ему импульс, который растёт при уменьшении длины волны Минимальный передаваемый электрону импульс будет порядка импульса одного фотона, а импульс фотона связан с его длиной волны соотношением: p=2p h/λ (здесь - постоянная Планка), поэтому неопределённость импульса электрона должна быть больше чем 2 ph/λ.»
Энергия DE, соответствующая Dp равна
DE = (Dp)2/2m = h2/2m(2pd)2 = 6,1·10-39/d2 Дж/м2
Данная энергия вызывает нарушение ферромагнитного порядка и соответствует средней тепловой энергии, приходящейся на один атом, достаточной для разупорядочения в макрообразце. Для железа
DE = k·Tк = 1,44·10-20 Дж,
где k= 1,38·10-23постоянная Больцмана, Tк = 1041К – температура точки Кюри для Fe.
Тогда размер d
d = (6,1·10-39/1,44·10-20)0,5= 0,65·10-9м
Таким образом, для железа с диаметром атома ~0,25 нм в нанокластере полученного размера d разместится примерно 13 атомов. Считается, что при этом нанокластер переходит полностью в суперпарамагнитное состояние, в котором магнитные моменты атомов могут сохранять после выключения внешнего поля одинаковое направление некоторое время, называемое временем релаксации tр
tр = t0 exp (K·V/kT),
где t0 @ 10 -10с, V @ 0,27·10-27м3 – объем кубического нанокластера, K = 4,2 ·104 Дж/м3, T = 300К,
Отсюда время tи, в течение которого может происходить исследование или использование суперпарамагнитного состояния
tи= tр @ 10-10с
Если данное время слишком мало, то его можно увеличить, изменяя параметры V, T и используя материалы с большим значением K.
Дата добавления: 2015-06-22; просмотров: 637;