Техника - молодёжи 2010-02, страница 13
Рис. 2. Слева — магнитная структура обычного жёсткого диска; справа — ансамбль упорядоченных наночастиц FePt размером 4 им (а) Т < Тв «О» ЗОмкм 160 нм О 180 Рис. 4. Энергетический барьер KV, разделяющий два состояния намагниченности частицы: «вверх» и "ВНИЗ" (аналогично «влево и «вправо» на рис. 3) Рис. 3. Петля гистерезиса ферромагнитной наночастицы при Т< Тв (а) и при Т > Тв, то есть в суперпарамагнитном режиме (б) (а) Т < Тв М «1» отрицательное поле. Направлениям присваиваются значения логического «О» и 41», и таким образом получается один бит информации. Как видно из рис. За, перемагничивание из состояния «вправо» в состояние «влево» проходит разными путями (они обозначены тонкими стрелками). Чтобы изменить направление намагниченности, требуется приложить критическое поле, или так называемую коэрцитивную силу Нс, направленную в противоположную сторону1. Значение этого критического поля не должно быть очень маленьким. Иначе при воздействии малых магнитных полей, которые нас окружают, частица будет спонтанно менять намагниченность - «терять память». Как и в обычном ферромагнетике, намагниченность наночастицы нс обращается в ноль даже при отсутствии внешнего магнитного поля. Это уникальное свойство ферромагнетиков и лежит в основе магнитных носителей информации. Трудность в том, что величина критического поля будет зависеть от температуры или, другими словами, от того, в каком состоянии находится частица - в ферромагнитном или супер пара магнитном. Явление суперпарамашетизма состоит в том, что частица будет вести себя как ферромагнетик - то есть так, как нам надо, - только при температурах ниже Тв. При комнатной же температуре, которая, как правило, гораздо выше Тв, частица ведёт себя как парамагнетик (рис. 36), и в этом состоянии ее коэрцитивная сила становится равной нулю. А это значит, что намагниченность наночастицы обращается в ноль при отсутствии внешнего магнитного поля, что, конечно, неприемлемо для устройства хранения информации. Давайте остановимся более подробно на этом явлении, так как, благодаря ему был введён термин «суперпарамагнитный преде;!» (superparamagnetic limit). Слово «предел» в этом словосочетании очень не нравится производителям жёстких дисков нового поколения - они считают, что термин крайне неудачен. Суперпарамагнетизм наночастиц — большой минус Для простоты дальнейших рассуждений возьмём идеально сферическую ферромагнитную частицу - таким образом мы избежим необходимости учитывать анизотропию формы, т.е. зависимость магнитных свойств от формы наночастицы, - в которой все атомы ведут себя одинаково и никакого деления на «ядро» и «оболочку» не существует. Каждому магнитному материалу присуща магнитная анизотропия, т.е. магнитные свойс тва различны для разных направлений внутри кристалла. Следовательно, намагниченность во внешнем магнитном поле будет разная в зависимости от того, как повёрнут кристалл относительно силовых линий, В ферромагнетике выделяют оси лёгкого намагничивания (ОЛП), вдоль которых намагниченность ориентирована даже в отсутствие внешнего магнитного поля. Если к ферромагнитной нано-частице приложено магнитное поле, которое не сонаправлепно с ОЛН, то энергия магнитной анизотропии будет препятствовать изменению намагниченности вдоль этого поля. Чем больше энергия магнитной анизотропии (она обозначается буквой Е), тем большее магнитное поле надо приложить, чтобы персмагнитить частицу. «о» *-о—— «1» В формулу, определяющую величину Е, входит квадрат синуса угла 9 между направлением намагниченности от внешнего ноля и ОЛН. Поэтому на графике зависимости Е(6) мы увидим два минимума - при углах, равных 0° и 180", - разделённых энергетическим барьером (рис. 4). Величина 6api>epa рассчитывается как произведение константы анизотропии на объём наночастицы: KV Таким образом, минимум энергии достигается тогда, когда намагниченность частицы лежит вдоль ОЛН. Поэтому магнитная анизотропия будет «сопротивляться» внешнему полю, если оно не направлено вдоль ОЛН. - ведь такое поле стремится вывести частицу из «положения равновесия». Допустим, что нам понадобилось изменить направление намагниченности МНЧ из состояния «вверх» (0 = 0°) в состояние «вниз» (9 - 180[)). Как видно из рис. 4, ;[ля этого придётся преодолеть энергетический барьер высотой KY Если нагреть частицу до температуры выше, чем Тв, её тепловая энергия будет достаточно высока для совершения неконтролируемых «прыжков» через барьер. Намагниченность частицы будет хаотично меняться между двумя состояниями «вверх» и «вниз»; или, в терминах рис. 3, между логическими состояниями «0» и «1». Это и есть суперпарамагнетизм, который наблюдается в наночастицах выше температуры блокировки Т|}. На сегодняшний день это одно из основных препятствий на пути к созданию высокоплотных магнитных устройств памяти на основе МНЧ. Неконтролируемые «скачки» намагниченности при температурах выше Тв 1 Коэрцитивная сила в этом случае связана нс с наличием доменов, а с вращением намагниченности наночастицы. |
