Обмен пружинный магнит

Рисунок 1: Идеальная петля магнитного гистерезиса обменного пружинного магнита (пунктирная линия), а также петли гистерезиса его изолированных жесткого (синий) и мягкого (красный) компонентов. H - приложенное внешнее магнитное поле, M - общая плотность магнитного потока материала.

An Обмен пружинный магнит это магнитный материал с высоким принуждение и высокий насыщение свойства, полученные в результате обменного взаимодействия между магнитотвердым материалом и магнитомягким материалом, соответственно. Coehoorn et al. были первыми, кто смог наблюдать настоящий магнит обменной пружины.^[1] Магниты со сменной пружиной дешевле многих магнитов, содержащих редкоземельные / переходные металлы (RE-TM Магниты ), поскольку твердая фаза магнита (который обычно состоит из материала RE-TM) может составлять менее 15% от общего объема магнита.^[2]

Принцип

Впервые предложенный Кнеллером и Хавигом в 1991 году магнит с обменной пружиной использует эпитаксию между твердыми и мягкими магнитными материалами: твердый материал помогает сохранить анизотропию мягкого материала, что увеличивает его коэрцитивную силу.^[2]

В петля магнитного гистерезиса обменного пружинного магнита теоретически принимает форму, напоминающую форму суммы его твердых и мягких магнитных компонентов (как показано на рисунке 1), что означает энергетический продукт выше, чем у его компонентов. Максимальный энергетический продукт магнита (BH)_{Максимум}, что примерно пропорционально его коэрцитивности (H_C) и насыщения намагниченности (M_сидел), используется как показатель его способности совершать магнитную работу как (BH)_{Максимум} вдвое больше доступной магнитостатической энергии магнита.^[3] Магнит с обменной пружиной предлагает геометрию, позволяющую улучшить максимальную энергию продуктов, о которых ранее сообщалось, таких материалов, как комплексы редкоземельных элементов и переходных металлов; в то время как оба материала имеют достаточно большие H_C ценности и работают на относительно высоких Температуры Кюри, магнит обменной пружины может достигать гораздо более высоких M_сидел ценностей, чем комплексы редкоземельных элементов и переходных металлов (RE-TM).^[4]

Важным компонентом магнитов обменной пружины является анизотропия: в то время как магниты с обменной пружиной, которые являются изотропными по объему, все же демонстрируют больший энергетический продукт, чем многие магниты RE-TM, предполагается, что энергетическое произведение их анизотропной формы значительно выше.^[3]

Магнитная энергия

Обмен энергии

Магнитный момент массивного материала - это сумма всех его атомных моментов. Взаимодействие атомных моментов друг с другом и с приложенным извне полем определяет поведение магнита. Каждый атомный магнитный момент пытается сориентироваться так, чтобы общая магнитная энергия достигла минимума. Обычно существует четыре типа энергии, конкурирующих друг с другом за достижение равновесия: каждый происходит из эффекта обменной связи, магнитной анизотропии, магнитостатической энергии магнита и взаимодействия магнита с внешним полем.

Рисунок 2: Четыре типа магнитной энергии. Магнитные моменты малых групп атомов показаны стрелками.

Обменная связь - это квантово-механический эффект, который поддерживает выравнивание соседних моментов друг с другом. Обменная энергия соседних моментов увеличивается с увеличением угла между двумя моментами.

{ Displaystyle E_ {x} = A ({ гидроразрыва {d theta} {dx}}) ^ {2}}

где ${ displaystyle A = { frac {1} {6}} nJS ^ {2} sum Delta r_ {j} ^ {2}}$ - обменная постоянная и ${ displaystyle Delta r_ {j} = r_ {j} -r_ {i}}$ вектор положения соседа ${ displaystyle j}$ относительно сайта ${ displaystyle i}$ . Типичные значения ${ displaystyle A}$ находятся в порядке ${ displaystyle 10 ^ {- 11}}$ Дж / м.

Энергия анизотропии

Магнитная анизотропия энергия возникает из кристаллической структуры материала. В простом случае эффект можно смоделировать одноосным распределением энергии. В осевом направлении, называемом легкая ось, магнитные моменты стремятся выровняться. Энергия увеличивается, если ориентация магнитного момента отклоняется от легкой оси.

{ displaystyle E _ { text {a}} = K_ {1} sin ^ {2} theta}

Магнитостатическая энергия

В магнитостатическая энергия это энергия, запасенная в поле, создаваемом магнитными моментами материала. Поле магнита достигает максимальной напряженности, если все магнитные моменты ориентированы в одном направлении; это то, что происходит в жестком магните. Чтобы предотвратить накопление магнитного поля, иногда магнитные моменты имеют тенденцию образовывать петли. Таким образом, можно ограничить запасенную в магнитном поле энергию; это то, что происходит в мягком магните. Что определяет, является ли магнит твердым или мягким, является доминирующим термином его магнитной энергии. Для твердых магнитов константа анизотропии относительно велика, поэтому магнитные моменты совпадают с легкой осью. Противоположный случай относится к мягким магнитам, в которых преобладает магнитостатическая энергия.

Другая магнитостатическая энергия возникает при взаимодействии с внешним полем. Магнитные моменты естественным образом пытаются согласовать с приложенным полем.

{ displaystyle E_ {ext} = - MBsin ( theta)}

Поскольку в мягком магните преобладает магнитостатическая энергия, магнитные моменты имеют тенденцию успешно ориентироваться вдоль внешнего поля.

В магнитах с обменной пружиной твердая фаза имеет высокую коэрцитивную силу, а мягкая фаза - высокое насыщение. Жесткая фаза и мягкая фаза взаимодействуют через границу раздела посредством обменной связи.

Рисунок 3: Магнитные моменты на границе раздела магнитотвердого материала и магнитомягкого материала. Предполагается одномерное: синие стрелки обозначают магнитные моменты в жесткой фазе, а красные стрелки обозначают магнитные моменты в мягкой фазе. Длина стрелки показывает его намагниченность, а ширина - коэрцитивную силу. Предполагается, что легкая ось направлена в вертикальном направлении.

Слева направо на рисунке 3 сначала прикладывается внешнее поле в направлении вверх, чтобы насытить магнит. Затем внешнее поле меняет направление и начинает размагничивать магнит. Поскольку коэрцитивная сила жесткой фазы относительно высока, моменты остаются неизменными, чтобы минимизировать анизотропию и обменную энергию. Магнитные моменты в мягкой фазе начинают вращаться, выравниваясь с приложенным полем.^[5] Из-за обменной связи на границе раздела мягкий / жесткий магнитные моменты на границе мягкой фазы должны совпадать с соседним моментом в жесткой фазе. В областях, близких к границе раздела, из-за обменной связи цепочка магнитных моментов действует как пружина. Если внешнее поле увеличивается, большее количество моментов в мягкой фазе вращается вниз, и ширина переходной области становится меньше по мере увеличения плотности обменной энергии. Магнитные моменты в жесткой фазе не вращаются до тех пор, пока внешнее поле не станет достаточно высоким, чтобы плотность обменной энергии в переходной области была сопоставима с плотностью энергии анизотропии в жесткой фазе. В этот момент вращение магнитных моментов в мягкой фазе начинает влиять на жесткую фазу. Поскольку внешнее поле превышает коэрцитивную силу твердого материала, твердый магнит полностью размагничивается.

В предыдущем процессе, когда магнитные моменты в жестком магните начинают вращаться, интенсивность внешнего поля уже намного выше, чем коэрцитивная сила мягкой фазы, но все еще остается переходная область в мягкой фазе. Если толщина мягкой фазы меньше толщины переходной области более чем в два раза, мягкая фаза должна иметь большую эффективную коэрцитивную силу, меньшую, но сопоставимую с коэрцитивной силой жесткой фазы.

Рисунок 4: Магнитные моменты вокруг тонкой мягкой фазы

В тонкой мягкой фазе внешнему полю трудно вращать магнитные моменты, как в жестком магните с высокой намагниченностью насыщения. После приложения сильного внешнего поля для частичного размагничивания магнитных моментов в жесткой фазе и после последующего устранения внешнего поля вращаемые моменты в мягкой фазе могут быть повернуты назад путем обменной связи с жесткой фазой (рис. 5). Это явление показано в петле гистерезиса обменного пружинного магнита (рис. 6).

Рисунок 5: Магнитные моменты обменного пружинного магнита при введении и снятии относительно большого внешнего магнитного поля.

Рисунок 6: Кривые размагничивания^[5] обменного пружинного магнита.

Сравнение петли гистерезиса магнита с обменной пружиной с петлей обычного жесткого магнита показывает, что магнит с обменной пружиной с большей вероятностью восстановится от противоположного внешнего поля. Когда внешнее поле удалено, остаточная намагниченность может восстановиться до значения, близкого к исходному. Название «обменный пружинный магнит» происходит от обратимости намагничивания.^[2]

Размер мягкой фазы внутри магнита с обменной пружиной должен быть достаточно малым, чтобы сохранять обратимое намагничивание. Кроме того, объемная доля мягкой фазы должна быть как можно большей, чтобы достичь высокого насыщения намагниченности. Один из подходящих вариантов геометрии материала - это изготовление магнита путем встраивания твердых частиц в мягкую матрицу. Таким образом, мягкий матричный материал занимает наибольшую объемную долю, будучи близок к твердым частицам. Размер и расстояние между твердыми частицами измеряются нанометрами. Если твердые магниты представляют собой сферы на пространственной ГЦК решетке в магнитно-мягкой фазе, объемная доля твердой фазы может составлять 9%. Поскольку полное насыщение намагниченности суммируется по объемной доле, оно близко к значению чистой мягкой фазы.

Изготовление

Изготовление обменного пружинного магнита требует точного контроля структуры матрицы частиц в нанометровом масштабе. Было протестировано несколько подходов, включая металлургический метод, распыление и самосборку частиц.

Самосборка частиц - 4 нм Fe₃О₄ наночастицы и 4 нм Fe₅₈Pt₄₂ Наночастицы, диспергированные в растворе, осаждались в виде компактных структур путем самосборки путем испарения раствора. Затем путем отжига FePt-Fe₃Был сформирован Pt нанокомпозитный магнит. Плотность энергии увеличилась со 117 кДж / м3.³ однофазного Fe₅₈Pt₄₂ до 160 кДж / м³ FePt-Fe₃Нанокомпозит Pt.^[6]
Распыление - Sm и Co были совместно распылены из элементарных мишеней с использованием магнетрона постоянного тока на буфер Cr (211) на подложках MgO (110) для создания Sm₂Co₇. Слой Fe осаждали при 300–400 ° C и закрывали Cr.^[7]
Отжиг - Многослойные Fe и Pt были напылены с элементарных мишеней на стекло. Было обнаружено, что различный состав слоя и условия отжига изменяют магнитные свойства конечного материала.^[8]

использованная литература

^ Coehoorn, R .; de Mooij, D.B .; Де Ваард, К. (1989). "Материалы постоянных магнитов Meltspun, содержащие Fe₃B как основная фаза ». Журнал магнетизма и магнитных материалов. 80 (1): 101–104. Bibcode:1989JMMM ... 80..101C. Дои:10.1016/0304-8853(89)90333-8.
^ ^а ^б ^c Kneller, E. F .; Хавиг, Р. (июль 1991 г.). «Магнит с обменной пружиной: новый материальный принцип для постоянных магнитов». IEEE Transactions on Magnetics. 27 (4): 3588–3560. Bibcode:1991ITM .... 27,3588K. Дои:10.1109/20.102931.
^ ^а ^б Фуллертон, E.E .; Jiang, J.S .; Бадер, С. (1999). «Жесткие / мягкие магнитные гетероструктуры: модельные магниты со сменной пружиной». Журнал магнетизма и магнитных материалов. 200 (1–3): 392–404. Bibcode:1999JMMM..200..392F. Дои:10.1016 / S0304-8853 (99) 00376-5.
^ Coey, J.M.D; Скомски, Р. (1993). «Новые магниты из интерметаллидов внедрения». Physica Scripta T49A: 315-321.
^ ^а ^б Монтейро, Педро М. С .; Шмул, Д. С. (июнь 2010 г.). «Динамика намагничивания в системах обменно-связанных пружин с перпендикулярной анизотропией». Физический обзор B. 81 (21). arXiv:0911.4137. Bibcode:2010PhRvB..81u4439M. Дои:10.1103 / PhysRevB.81.214439.
^ Цзэн, Хао; Ли, Цзин; Liu, J. P .; Wang, Zhong L .; Сунь, Шохэн (28 ноября 2002 г.). «Обменно-связанные нанокомпозитные магниты путем самосборки наночастиц». Природа. 420 (6914): 395–398. Bibcode:2002Натура.420..395Z. Дои:10.1038 / природа01208.
^ Davies, J.E .; Hellwig, O .; Фуллертон, E.E .; Jiang, J.S .; Bader, S.D .; Zimányi, G.T .; Лю К. (2005). «Зависимость от анизотропии необратимого переключения в пленках обменных пружинных магнитов Fe Sm Co и Fe Ni ∕ Fe Pt». Письма по прикладной физике 86: 262503. Дои:10.1063/1.1954898
^ Liu, J.P .; Luo, C.P .; Liu, Y .; Селлмайер, Д.Дж. (1998). «Высокоэнергетические продукты в быстро отожженных наноразмерных мультислоях Fe / Pt». Письма по прикладной физике. 72: 483–485. Bibcode:1998АпФЛ..72..483Л. Дои:10.1063/1.120793.

[1] Coehoorn, R .; de Mooij, D.B .; Де Ваард, К. (1989). "Материалы постоянных магнитов Meltspun, содержащие Fe₃B как основная фаза ». Журнал магнетизма и магнитных материалов. 80 (1): 101–104. Bibcode:1989JMMM ... 80..101C. Дои:10.1016/0304-8853(89)90333-8.

[:0-2] а ^б ^c Kneller, E. F .; Хавиг, Р. (июль 1991 г.). «Магнит с обменной пружиной: новый материальный принцип для постоянных магнитов». IEEE Transactions on Magnetics. 27 (4): 3588–3560. Bibcode:1991ITM .... 27,3588K. Дои:10.1109/20.102931.

[Fullerton,_E.E._1999-3] а ^б Фуллертон, E.E .; Jiang, J.S .; Бадер, С. (1999). «Жесткие / мягкие магнитные гетероструктуры: модельные магниты со сменной пружиной». Журнал магнетизма и магнитных материалов. 200 (1–3): 392–404. Bibcode:1999JMMM..200..392F. Дои:10.1016 / S0304-8853 (99) 00376-5.

[4] Coey, J.M.D; Скомски, Р. (1993). «Новые магниты из интерметаллидов внедрения». Physica Scripta T49A: 315-321.

[Monteiro-5] а ^б Монтейро, Педро М. С .; Шмул, Д. С. (июнь 2010 г.). «Динамика намагничивания в системах обменно-связанных пружин с перпендикулярной анизотропией». Физический обзор B. 81 (21). arXiv:0911.4137. Bibcode:2010PhRvB..81u4439M. Дои:10.1103 / PhysRevB.81.214439.

[6] Цзэн, Хао; Ли, Цзин; Liu, J. P .; Wang, Zhong L .; Сунь, Шохэн (28 ноября 2002 г.). «Обменно-связанные нанокомпозитные магниты путем самосборки наночастиц». Природа. 420 (6914): 395–398. Bibcode:2002Натура.420..395Z. Дои:10.1038 / природа01208.

[7] Davies, J.E .; Hellwig, O .; Фуллертон, E.E .; Jiang, J.S .; Bader, S.D .; Zimányi, G.T .; Лю К. (2005). «Зависимость от анизотропии необратимого переключения в пленках обменных пружинных магнитов Fe Sm Co и Fe Ni ∕ Fe Pt». Письма по прикладной физике 86: 262503. Дои:10.1063/1.1954898

[8] Liu, J.P .; Luo, C.P .; Liu, Y .; Селлмайер, Д.Дж. (1998). «Высокоэнергетические продукты в быстро отожженных наноразмерных мультислоях Fe / Pt». Письма по прикладной физике. 72: 483–485. Bibcode:1998АпФЛ..72..483Л. Дои:10.1063/1.120793.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]