Struktura i właściwości magnetyczne - Instytut Fizyki PAN

taśm amorficznych, typu FINEMET lub NANOPERM), oddziaływania dipolowe pomiędzy
cząstkami mogą być zdominowane przez krótkozasięgowe oddziaływania wymienne.
Właściwości magnetyczne takiego układu cząstek mogą być wówczas opisane w modelu
anizotropii przypadkowej (ang. random anisotropy model - RAM). Model RAM,
sformułowany pierwotnie przez Albena et al. [56] dla ferromagnetyków amorficznych, został
następnie zaadoptowany przez Herzera [57] do uproszczonego opisu materiałów
nanokrystalicznych, jak równieŜ - w nieco mniej uproszczonej formie - przez Löfflera [58]
do opisu właściwości magnetycznych nanocząstek metalicznych po procesie ich konsolidacji.
W modelu RAM lokalna anizotropia cząstek (o jednakowej średnicy D) sprzęŜonych
ferromagnetycznie w objętości określonej przez zasięg oddziaływania wymiany L mag (zwany
takŜe długością korelacji magnetycznej) jest znacznie zredukowana w wyniku jej uśrednienia.
W przypadku, gdy rozmiar cząstek jest znacznie mniejszy niŜ długość korelacji (D < L mag ),
oddziaływanie wymiany wymusza wzajemnie równoległe ustawienie momentów
magnetycznych w sąsiednich cząstkach. Oddziaływanie to prowadzi do powstania efektywnej
anizotropii, której wielkość jest zredukowana w wyniku uśrednienia anizotropii wielu
magnetycznie skorelowanych cząstek. Oś łatwą powstałego klasteru magnetycznego określają
fluktuacje statystyczne. Przykładowo dla cząstek Co, Fe i Ni ich krytyczny zasięg korelacji
magnetycznej wynosi odpowiednio:
L
Co
kryt
∼ 20 nm,
L
Fe
kryt
∼ 35 nm oraz
Ni
L
kryt
> 100 nm [58].
SprzęŜenia wymienne w układzie cząstek, prowadzące do powstania korelacji
ferromagnetycznych oraz redukcji anizotropii efektywnej, powodują zmniejszenie pola
koercji H C . Efekt ten obserwowany był na przykład dla jednofazowych cząstek Fe
(D ~ 11 nm) (wytworzonych techniką niskoenergetycznego mielenia mikrokrystalicznego
Ŝelaza w młynku kulowym, w warunkach wysokiej próŜni), w których chemia i struktura ich
powierzchni (obszarów o grubości ~0.8 nm) były bliskie ich krystalicznym rdzeniom [59].
Cząstki te w temperaturze pokojowej wykazywały bardzo małą koercję (~20 Oe), mniejszą
od H C ich mikrokrystalicznego prekursora (~35 Oe) oraz o rząd wielkości mniejszą od H C
typowego dla aglomeratów cząstek Fe (10 – 15 nm), po procesie utlenienia ich powierzchni
[15, 18, 60]. W przypadku jednofazowych cząstek Fe, ich miękkie właściwości magnetyczne
moŜna z powodzeniem opisać w modelu RAM uwzględniającym pewną redukcję sprzęŜenia
pomiędzy cząstkami, wynikającą z obecności warstw powierzchniowych, wykazujących
niewielki spinowy nieporządek topologiczny [59]. Zaobserwowano, Ŝe silne oddziaływania
wymienne cząstek są przenoszone za pośrednictwem tych cienkich obszarów granicznych
(~2 - 3 warstw atomowych). Obszary te nie zaburzają jednak korelacji ferromagnetycznych
18