Når et magnetfelt påføres et ferromagnetisk materiale, forårsaker det en liten magnetisering, representert ved den innledende delen (OA) av hysterese-kurven. Denne forskyvningen av domenegrensene kalles domengveggbevegelse, og er for det meste reversibel. Når feltstyrken øker, bidrar flere domener til en betydelig økning i magnetisering (delen AB). I denne fasen blir domengveggbevegelsen irreversibel. Videre styrking av feltet får de gunstig orienterte domenene til å vokse, til de når sitt maksimale nivå. Magnetiske momentvektorer er fortsatt justert langs den letteste aksen for magnetisering. Hvis feltet fortsetter å styrkes, roterer de magnetiske momentvektorene fra den letteste aksen til feltretningen. Magnetiseringen øker og når sitt maksimale nivå, kjent som metningsmagnetisering, Ms (delen BCI), hvor alle de magnetiske momentvektorene er justert med feltretningen. Når feltet reduseres til null, følger ikke magnetiseringen den opprinnelige kurven, men henger etter. En viss ikke-null magnetisering vedvarer selv når feltet er null, kjent som remanent magnetisering eller remanens, Mr. For å redusere denne magnetiseringen til null, må et reversert magnetfelt påføres, kjent som tvangsfelt (Hc) eller koersivitet. En lignende mønster oppstår i den reverserte magnetiseringen når styrken på det reverserte magnetfeltet økes og deretter reduseres til null. Dette ikke-reversible mønsteret i magnetiseringskurven, som danner den lukkede sløyfen CEFGKC, kalles hysterese-sløyfen.

De avgjørende punktene langs denne sløyfen er Ms, Mr og Hc, og deres verdier er viktige for å bestemme egnetheten til et magnetisk materiale for et spesifikt formål. Materialer med høy Mr og stor Hc blir merket som harde magnetiske materialer og er avgjørende for produksjon av permanente magneter. På den andre siden er materialer som lett kan magnetiseres og demagnetiseres, med små Mr- og Hc-verdier, kjent som myke magnetiske materialer. Disse materialene brukes i transformator kjerner og elektroniske kretser.

Magnetisk anisotropi refererer til avhengigheten av de magnetiske egenskapene i forhold til retningen de blir målt i. Egenskapene til et magnetisk materiale er sterkt påvirket av måleretningen. Anisotropiens natur spiller en avgjørende rolle i å bestemme et magnetisk materiales egnethet for en spesifikk applikasjon. Det finnes forskjellige typer magnetisk anisotropi, inkludert intrinsiske former som magnetokrystallinsk anisotropi, form-anisotropi og stress-anisotropi. I tillegg kan anisotropi induseres gjennom prosesser som gløding eller bestråling. En annen bemerkelsesverdig form for anisotropi, som virker på grensesnitt, er kjent som utvekslingsanisotropi. Blant disse er magnetokrystallinsk anisotropi spesielt viktig, da den sterkt påvirker magnetiseringen.

Magnetokrystallinsk anisotropi stammer fra tendensen for magnetiske momentvektorer å forbli justert langs den foretrukne krystallografiske aksen. Dette betyr at lettheten av å oppnå metningsmagnetisering er forskjellig for ulike krystallografiske akser. Den foretrukne aksen, langs hvilken metningen oppnås ved ganske lavt felt, kalles den lette aksen for magnetisering. Ulike materialer med forskjellige krystallstrukturer har forskjellige lette akser for magnetisering. For eksempel, et enkelt krystallprøve av jern (Fe) med en kroppssentrert kubisk krystallstruktur, oppnås Ms lettest når den måles langs <100>, mindre lett når den måles langs <110>, og det er vanskeligst når den måles langs <111> krystallografiske akse. Den krystallografiske aksen hvor store mengder magnetisk felt påføres for å oppnå metningsmagnetisering, kalles den harde aksen for magnetisering.

For kobolt, som er heksagonal, fungerer den eneste c-aksen som dens letteste akse for magnetisering. Magnetokrystallinsk anisotropi kan studeres ved å lage en {110} disk fra et enkelt krystall av materialet. Deretter måles magnetiseringskurven med varierende magnetiske felt langs [001], [110] og [111] krystallografiske akser innenfor disken. Det er viktig å forstå at metningsmagnetisering oppnås langs både de lette og harde aksene. Men et betydelig større magnetisk felt er nødvendig for å oppnå metning langs den harde aksen sammenlignet med den lette aksen. Dette konseptet gir innsikt i de demagnetiserte tilstandene til materialer. I denne tilstanden justerer materialene spontant sine magnetiske momenter langs den lette aksen for magnetisering. Når et eksternt magnetisk felt påføres i en annen retning, må det arbeide mot anisotropikraften for å rotere de magnetiske momentvektorene bort fra den lette aksen mot retningen for det påførte feltet. Energien som trengs for denne rotasjonen kalles anisotropi-energi.

Magnetokrystallinsk anisotropi, som stammer fra spin-orbit kobling, er et resultat av motstanden som møter når man prøver å omorientere de elektroniske banene mens det eksterne feltet prøver å justere spinne-magnetmomentet til et domene-system. Denne motstanden, målt som energien som kreves for å overvinne spin-orbit koblingen, definerer den magnetokrystallinske anisotropi-energien. Derfor, systemer med sterk orbit-lattice-kobling viser slukkede orbitalmagnetiske momenter, og det totale magnetiske momentet oppstår utelukkende fra spinne-magnetmomentene til systemet.

Magnetismen i fine partikler har tradisjonelt blitt forklart gjennom størrelseseffekten, som er basert på den magnetiske domene-strukturen til disse materialene. Som nevnt tidligere, fører balansen mellom magnetokrystallisk energi og utvekslingsenergi til en optimal domeneveggbredde på rundt 100 nm. Derfor, partikler som er mindre enn denne terskelen har ikke tilstrekkelig plass til domenevegger, noe som resulterer i dannelsen av enkeltdomene-partikler. Når vi snakker om tilstanden med lavest fri energi i ferromagnetiske partikler, har mindre partikler en ensartet magnetisering (enkeltdomene-partikler), mens større partikler viser ikke-ensartet magnetisering (flere domener). Når partikkelstørrelsen minker mot en kritisk diameter, sier vi at det blir energetisk ugunstig for domenevegger å dannes, og partiklene klassifiseres som enkeltdomene. Dette betyr at endringer i magnetisering ikke lenger skjer gjennom domeneveggbevegelse, men krever en koherent rotasjon av spinnen, noe som resulterer i høyere koersiviteter. Når partikkelstørrelsen reduseres ytterligere under denne kritiske størrelsen, synker koersiviteten på grunn av termiske effekter, til det faller til null ved en annen kritisk størrelse.

Hvordan magnetiske nanopartikler funksjonaliseres og karakteriseres: En dyptgående analyse

Magnetiske nanopartikler, som jern- og nikkelbaserte materialer, har fått økt oppmerksomhet på grunn av deres unike egenskaper, spesielt på overflaten, der magnetisk moment og spinne- og orbitalmomenter kan avvike fra bulkmaterialet. Dette fenomenet har blitt grundig undersøkt ved hjelp av synkrotronstråling, som viser at overflatemagnetiseringen i nanoform er vesentlig forskjellig fra den i bulkmaterialer. Spesielt i tilfelle av jernmagnetiske nanopartikler, kan partikler på nanoskala oppleve oksidasjon, som er en stor utfordring ved lagring. I begynnelsen skjer en overflateoksidasjon som danner en struktur lik kjerne@shell nanostrukturer, der jernoksidlaget er antiferromagnetisk. Etter hvert som tiden går, kan hele nanopartikkelen omdannes til jernoksid, og dermed få antiferromagnetiske egenskaper, noe som reduserer de magnetiske egenskapene.

Ved produksjon av nikkelbaserte nanopartikler er effekten av overflatekanting betydelig mindre, spesielt for partikler større enn 100 nm. For metalloksidbaserte magnetiske nanopartikler, som Fe3O4, CoFe2O4 og NiFe2O4, er metningen av magnetiseringen ved 1 T mindre enn bulkverdiene, som følge av overflatefeil som skaper spinne-canting. Dette er en av årsakene til den reduserte magnetiseringen, sammen med spinne-relaksasjon i enkeltdomener.

Funksjonalisering av magnetiske nanopartikler er en viktig prosess for å forbedre deres anvendelser. Takket være deres høye overflateareal og moderate magnetiske egenskaper, brukes magnetiske nanopartikler til en rekke formål, som fjerning av giftige elementer fra vann, rask separasjon av adsorbenter fra væsker ved hjelp av et eksternt magnetfelt, og forbedret adsorpsjonseffektivitet. For spesifikke bruksområder kreves det en riktig overflatefunksjonalisering, som kan oppnås ved hjelp av kapslingsmidler som sitronsyre, askorbinsyre, polyetylenglykol eller chitosan. Disse kapslingsmidlene gir forskjellige ladninger på overflaten av nanopartiklene, noe som påvirker deres interaksjoner med andre molekyler.

En vanlig metode for å oppnå kontrollert størrelse og form på ferrit-nanopartikler er den kjemiske fellesutfellingsmetoden. Denne metoden er både billig og enkel, da den kan gjennomføres i et beger med vannbasert løsning. For å øke stabiliteten til nanopartiklene, har forskere utviklet kjerne@shell-nanostrukturer, der et SiO2-lag påføres nanopartiklene. Slike kjerne@shell-nanostrukturer har blitt brukt til å forbedre biokompatibiliteten mot celler og tillater effektiv knytning av målrettede molekyler som folinsyre, FITC (for imaging og internalisering), DAPI (for internalisering), og til og med legemidler eller DNA for medisinske applikasjoner.

Videre er coating av mesoporøse materialer som SiO2 over magnetiske nanopartikler en lovende tilnærming for bruk innen legemiddellevering og kontrollert frigivelse av legemidler, samt fjerning av uønskede ioner og industrielle applikasjoner. Disse kjerne@shell-nanostrukturene kan også brukes i katalyse- og biomedisinske felt. Takket være den stabile coatingen på nanopartiklene kan disse brukes i både hypertermi-applikasjoner og energilagring, hvor deres evne til å konvertere elektromagnetisk energi til varme spiller en viktig rolle.

Når det gjelder karakterisering av magnetiske nanopartikler, er det flere teknikker som brukes for å bestemme strukturen og morfologien til nanopartiklene. X-ray diffraksjon (XRD) er et sentralt verktøy for å undersøke krystallstrukturen til nanopartiklene. Denne teknikken gir informasjon om gitterkonstanter, krystallorientering, tilstedeværelse av defekter, og strain i materialet. Neutron diffraksjon er også en viktig teknikk, spesielt når man arbeider med materialer som inneholder lette atomer som hydrogen, da denne teknikken har en fordel over XRD i slike tilfeller. For å bestemme morfologien til små magnetiske nanopartikler benyttes elektronmikroskopiske teknikker som transmisjonselektronmikroskop (TEM), skanningselektronmikroskop (SEM) og atomkraftmikroskopi (AFM).

TEM er spesielt nyttig for å undersøke atomarrangement og strukturelle detaljer, ettersom den har en oppløsning på mindre enn 0,1 nm. Ved hjelp av valgt områdeelektrondiffusjon (SAED) kan man evaluere mellomplanetavstandene i materialet, mens hurtig Fourier-transformasjon (FFT) kan brukes til å bestemme atomposisjonene. Raman-spektroskopi og FTIR-spektroskopi brukes også til å studere molekylære vibrasjoner og rotasjoner i materialet, og gir viktig informasjon om de fysiske egenskapene til de magnetiske nanopartiklene.

Disse karakteriseringsteknikkene er essensielle for å forstå de magnetiske egenskapene til nanopartiklene og deres potensial i praktiske applikasjoner. Uten en grundig forståelse av deres struktur og morfologi ville det være umulig å utvikle effektive teknologier basert på magnetiske nanopartikler.

Hvordan Defekter Påvirker Funksjonelle Egenskaper i Multiferroiske Materialer

Defekter i materialer representerer lokale avvik fra en ellers perfekt ordnet krystallstruktur. Disse defektene kan klassifiseres etter deres innvirkning på krystallgitteret i tre hovedtyper: planare defekter (som staplingsfeil og tvillinggrenser), linjedefekter (som kant- og skrue dislokasjoner) og punktdefekter (som interstitieller atomer og vakante steder). I tillegg er overflater og grensesnitt i materialer også sett på som defekter, på grunn av de bruttede bindingene og den lokale forstyrrelsen disse skaper. Substitusjonsdopanter, som endrer atomplasseringene i gitteret, er også en type defekt. Selv om defekter ofte forbindes med uønskede egenskaper, kan de også spille en avgjørende rolle i å frembringe nye og interessante egenskaper som ikke kan realiseres i et perfekt materiale.

I en materialvitenskapelig sammenheng har studiet og kontrollen av defekter utviklet seg til et eget forskningsfelt, kjent som defektteknologi. Manipulering av defektdensitet og distribusjon kan drastisk påvirke et materials fysiske egenskaper. For eksempel er det vist at defekter kan ha stor innvirkning på spintronikk, ferroelettriske egenskaper, termoelektrisitet, energilagring og en rekke andre anvendelser. Dette har ført til betydelig forskning på hvordan vi kan utnytte defektene for å utvikle materialer med spesifikke, forbedrede funksjoner.

Forskere har utviklet avanserte karakteriseringsteknikker, som for eksempel overflateforsterket Raman-spektroskopi, røntgen-fotoelektronspektroskopi, høyoppløselig transmisjonselektronmikroskopi og elektronparamagnetisk resonansspektroskopi, for å oppdage og analysere defektene som finnes i materialene. Disse teknikkene har gitt dypere innsikt i hvordan defekter dannes og hvordan de påvirker materialers strukturelle og funksjonelle egenskaper. I tillegg har teoretiske metoder, som førsteprinsips simuleringer, gjort det mulig å beregne dannelsesenergien til defekter i materialer, og dermed forutsi hvordan forskjellige defekter vil påvirke et materials egenskaper under ulike termodynamiske forhold.

Et material som har fått betydelig oppmerksomhet i forbindelse med defektteknologi, er bismuth ferrite (BiFeO₃), et klassisk romtemperatur multiferroisk materiale. Multiferroiske materialer er de som kan oppvise flere ferroiske ordensparametre i én og samme fase, som ferromagnetisme (magnetisk moment), ferroelectricitet (elektrisk dipolmoment) og ferroelasticitet (spenning). BiFeO₃ har vist seg å ha imponerende egenskaper som gjør det relevant for applikasjoner i ulike teknologiske områder, fra sensorer og energilagring til optiske enheter.

Defektene som finnes i BiFeO₃ kan sterkt påvirke de magnetiske og elektriske egenskapene til materialet. For eksempel kan oksygen-vakanser og andre punktdefekter føre til endringer i det magnetiske ordningen og den ferroelectriciteten i materialet. Slike defekter kan dermed føre til en forbedret eller modifisert magnetoelektrisk kobling, som er et sentralt trekk ved multiferroiske materialer. Denne koblingen kan brukes til å lage mer effektive sensorer, minne-enheter og andre funksjonelle komponenter for teknologi som involverer magnetoelektriske effekter.

Det er viktig å merke seg at dannelsen av defekter i faste stoffer er nesten uunngåelig, ettersom alle prosesser skjer utenfor termodynamisk likevekt og ved temperaturer over 0 K. Dette gjør at defektene spiller en uunngåelig rolle i hvordan materialer reagerer under praktiske forhold. Derimot kan de også brukes bevisst for å skape ønskede funksjonelle egenskaper. For eksempel kan et kontrollert tilførsel av defekter i BiFeO₃ åpne for nye muligheter innen områdene fotokatalyse og energilagring.

En nøkkelkomponent i å forstå defektenes innvirkning på materialer er struktur–egenskapsforholdet. Hvordan defektene interagerer med hverandre og med selve materialstrukturen bestemmer i stor grad hvordan et materiale vil oppføre seg under forskjellige forhold. Dette gir rom for design av materialer med spesifikke, skreddersydde funksjoner som kan utnyttes i avansert teknologi.

Det er derfor avgjørende å ha en dyp forståelse av hvordan defekter dannes og påvirker materialers funksjonelle egenskaper. Gjennom defektteknologi kan vi ikke bare forbedre eksisterende materialer, men også utvikle helt nye materialer med unike egenskaper. Dette kan gi løsninger på utfordringer innenfor områder som energieffektivitet, databehandling og bærekraftig teknologi.

Hvordan beregne påliteligheten i resonante konvertere og optimalisere vedlikeholdsoperasjoner
Hvordan Personlige Opplevelser og Vitenskapelige Fenomener Kan Sammenfalle i Møtet med Uforutsigbare Sykdommer
Hvordan kan åpen monogami redefinere parforholdet i dag?