Magnetisk anisotropi och magnetostriktion
1 Beskriv kortfattat vad begreppen spontan och fältinducerad magnetostriktion innebär.
2 Det finns legeringar som uppvisar osedvanligt stor magnetostriktion med λ s ≈ 10 −3 . Ge
exempel på sådan legering.
3 Ett materials magnetiska anisotropi kan ha bidrag från tre olika källor – diskutera kort dessa
bidrag.
4 Förklara varför materialets form kan skapa magnetisk anisotropi, d.v.s. varför förändras
materialets energi då magnetiseringen inuti materialet byter riktning?
5 Vilka två energier avgör hur stor magnetostriktion ett magnetiskt material har?
Domäner, domänväggar och magnetiseringsprocesser
6 Fastlåsning (”pinning”) av domänväggar sker vid materialdefekter. Nämn minst två olika
typer av defekter som kan ”pinna” domänväggar och förklara varför fastlåsning sker vid dessa
defekter.
7 Beskriv med ord magnetiseringsprocesserna (från nollfält till magnetisk mättnad) för
proverna till höger. Det är samma enkristallina
material i bägge fallen, det som skiljer är provstorleken. Det ena provet har i nollfält ett multi-
multidomäntillstånd
endomäntillstånd
domäntillstånd, medan det andra provet är tillräckligt litet för att vara en endomänpartikel
(dock tillräckligt stor för att vi ska kunna bortse
från termiska effekter). Notera att fältet H inte är
riktat längs en lätt magnetiseringsriktning.
H
8 a) Figuren till höger visar en tunn enkristall av Fe och vad
som händer när ett magnetfält H påverkar materialet; (100) planet syns i bilderna och pilarna visar riktningen hos
domänmagnetiseringen. Den övre bilden visar
domänkonfigurationen i nollfält, medan de två undre
bilderna visar domänkonfigurationen för två
olika magnetfält. Beskriv magnetiseringsprocessen.
Åt vilket håll är magnetfältet riktat?
b) Beskriv vad som händer om det finns defekter i kristallen.
Hur påverkas hystereskurvan av defekter?
c) Magnetisk anisotropi kan ha flera olika bidrag. Nämn två
bidrag.
9 Beskriv kortfattat varför magnetiseringen i ferromagnetiska/ferrimagnetiska material är
uppdelat i magnetiska domäner.
10 Vilka två energier bestämmer kritiska storleken för en sfärisk endomänpartikel?
11 Diskutera kortfattat hur materialdefekter (ex. dislokationer, håligheter, föroreningsfaser,
etc.) påverkar magnetiseringsprocessen.
12 Vilka två energier bestämmer domänväggens energi och storlek? Jämför hård- och
mjukmagnetiska material; vilken materialtyp har störst domänväggsenergi och vilken
materialtyp har tjockast domänvägg?
13 Hur definieras energin för en domänvägg? I svaret måste två energibidrag
diskuteras (det kostar energi att skapa en domänvägg).
Mjukmagnetiska material
14 För mjukmagnetiska material som ska användas i AC-tillämpningar (där materialet
magnetiseras av ett AC-fält) brukar man skilja på tre typer av elektromagnetiska förluster; i)
DC-hysteresförluster, ii) virvelströmsförluster och iii) anomala virvelströmsförluster. Förklara
för varje förlustbidrag vad som är viktigt om man vill minimera bidragets storlek.
15 Beskriv kortfattat hur nanokristallina mjukmagnetiska material tillverkas och hur
materialen är uppbyggda. Nämn även några karakteristiska egenskaper för materialen.
16 Förklara varför det krävs lägre magnetfält för att nå mättnadsmagnetisering för orienterad
elektroplåt i jämförelse med icke-orienterad plåt; det magnetiserande fältet är riktat längs
plåtens valsriktning.
17 Vilka positiva effekter erhålls då järn legeras med en liten mängd kisel?
18 Förklara vad som avses med orienterad elektroplåt. Förklara dessutom på vilket sätt
magnetiseringsprocessen underlättas i orienterad elektroplåt.
19 Bilden till höger visar ett
kristallkorn i en orienterad elektroplåt. I
den övre bilden ser man
domänstorleken utan isolationsskikt,
medans den undre bilden visar
domänstorleken med isolationsskikt.
Varför är det bra att minska
domänstorleken i elektroplåten?
20 Vad skiljer orienterad elektroplåt (Fe-Si plåt) från icke-orienterad elektroplåt?
21 Mjukmagnetiska material uppvisar ofta förbättrade egenskaper (lägre elektromagnetiska
förluster) om materialets kornstorlek kan göras större. Ge en rimlig förklaring till denna
observation. (2p)
22 Vad är den främsta orsaken till att järn legeras med kisel i elektroplåt?
23 Vad görs för att kontrollera/begränsa domänstorleken i orienterad elektroplåt? Varför är
det viktigt att kontrollera domänstorleken i orienterad elektroplåt?
24 Hur tillverkas amorfa magnetiska metallglas? Vilka egenskaper har materialen?
25 Fe1-xNix systemet är känt för sina mjukmagnetiska egenskaper. Ge en rimlig förklaring till
varför man kan uppnå relativa magnetiska permeabiliteter på 105-106 då x ≈ 0.8.
26 Du behöver ett mjukmagnetiskt material i en AC-tillämpning och för frekvenser av
storleksordningen 100 MHz. Du kan välja mellan i) elektroplåt, ii) amorf magnetisk
metallglas och en iii) NiZn ferrit, (Ni,Zn)Fe2O4. Vilket material väljer du?
Hårdmagnetiska material
Räkneproblem, se räkneövningar.
Magnetiska lagringsmedia
27 Vilka egenskaper vill man att magnetiska lagringsmedia ska uppvisa? Diskutera utifrån
den magnetiska hystereskurvan.
28 När man diskuterar gränsen vad gäller lagringskapacitet för magnetiska lagringsmedia
nämns ofta den superparamagnetiska gränsen. Förklara vad detta begrepp innebär.
29 Förklara hur man skriver/läser bit-information på en modern hårddisk.
30 Vilken typ av magnetiskt material används i en modern hårddisk? (1p)
31 I audio- och videoband används magnetiska endomänpartiklar. Vad skulle hända om man
minskade partikelstorleken till d ≈ 1 nm ? Kan man använda så små partiklar för magnetisk
lagring? Motivera svaret!
32 Nanopartikelsystem som på ett substrat spontant inordnar sig i ett 2-dimensionellt gitter
(modeord är ”self-organization” och ”self-assembling”) har potential att ge magnetiska
minnen med Tbit/inch2 lagringskapacitet. Exempel på system som nu undersöks är sfäriska
FePt nanopartiklar med enaxlig magnetisk anisotropi och en magnetisk anisotropikonstant
K1 ≈ 2 × 10 6 J/m3. Om vi antar att en bit kan lagras i varje FePt partikel, hur liten kan en
sfärisk nanopartikel vara (ge svaret som partikeldiameter) om kravet är att partikelmomentet
och därför den lagrade informationen ska vara stabilt i 10 år. Karakteristisk
relaxationstid/‘flip’-tid för partikelmomentet är τ = τ 0 × exp(Eb k B T ) , där τ 0 = 1 × 10 −10 s
och Eb är energibarriären (skillnaden i energi mellan hård och lätt magnetiseringsriktning).
Vad gäller temperaturen ska svaret ges för rumstemperatur (T = 300 K).
Magnetoresistans; GMR och TMR
33 Beskriv kortfattat hur MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory) fungerar:
Beskriv ett minneselement; beskriv hur man lagrar/läser information.
34 Den så kallade GMR (Giant MagnetoResistance) effekten är något som förknippas med
magnetiska multilager (där tunna magnetiska skikt varvas med likaledes tunna omagnetiska
men metalliska skikt) och magnetiska sandwichstrukturer (där bara två tunna magnetiska
skikt åtskiljs av ett tunt omagnetiskt metalliskt skikt). Ge en fysikalisk förklaring till GMR
effekten. I svaret ska du använda begrepp som majoritets- och minoritetselektroner, och
diskutera varför resistansen förändras under inverkan av ett magnetfält.
35 En viktig egenskap hos GMR material är att magnetiseringarna i närliggande magnetiska
skikt, i något fältintervall, är motriktade. Nämn två sätt som används för att uppnå detta.
M
36 För en spinn-tunnelövergång (två magnetiska metalliska
elektroder separerade av ett tunt isolerande skikt) har man uppmätt hystereskurvan (magnetisering som funktion av magnetfält)
som finns avbildad till höger. Hur ser resistansen som funktion av
H
- H1 - H2
H2 H1
magnetfält ut? Rita en figur där fältet varierar enligt
H1 → − H 2 → − H1 → H 2 → H1 . Vilken fältcykel använder du
för att tunnelövergången ska bli ’fast’ i högresistanstillståndet
(även då fältet = 0 i slutet på fältcykeln)?
37 Figuren härunder visar magnetoresistansen för ett magnetiskt multilager (vänster figur; 60
repetioner av (Fe 30Å/Cr 9Å)) och en s. k. sandwichstruktur (höger figur; här finns bara två
NiFe lager). Vilken filmstruktur väljer du om du vill bygga en känslig sensor för magnetfält
(du vill mäta SMÅ magnetfält)? Sensorn ska exempelvis kunna användas för att läsa lagrad
information i en hårddisk. Svaret måste motiveras. (1 G = 10-4 T).
(Fe 30Å / Cr 9Å)
60
R / R(H=0)
1
60Å NiFe/22Å Cu/40Å NiFe/70Å FeMn
5
4
ΔR/R [%]
0.8
0.6
B (kG)
-40
-20
0
20
40
3
2
1
0
-100
B (G)
-50
0
50
100
38 Hög resistans innebär att magnetiseringarna i närliggande magnetiska skikt är motriktade.
Förklara hur motriktade magnetiseringar erhålls i magnetiska multilager av typ (Fe/Cr)n och i
magnetiska sandwichstrukturer av typ (NiFe/Cu/NiFe/FeMn).
