Institutionen för fysik och astronomi

Kontroll på atomnivå avslöjar mekanismer i amorfa magnetiska nanokompositer

Gabriella Andersson. Foto: Mikael Wallerstedt.

Projekttitel: Kontroll på atomnivå avslöjar mekanismer i amorfa magnetiska nanokompositer
Huvudsökande: Gabriella Andersson, avdelningen för materialfysik
Beviljade medel: 3 600 000 för perioden 2017-2021

Projektbeskrivning

Ett magnetiskt material innehåller en mängd atomer som var och en har ett magnetiskt moment, vilket kan liknas vid en kompassnål. När många moment pekar åt samma håll kommer materialet att uppvisa ett sammanlagt moment mot omvärlden, och detta kallas magnetisering. Mättnadsmagnetisering uppnås när alla atomer i materialet har sina moment riktade åt ett och samma håll. Den här upplinjeringen kan vara mer eller mindre lätt att åstadkomma, och om momenten föredrar att lägga sig i vissa riktningar i materialet, t.ex. parallellt med ytan på en tunn film, talar man om magnetisk anisotropi. Ett isotropt material har, i motsats till det anisotropa, likadana egenskaper åt alla håll.

Magnetisk anisotropi är viktig på så sätt att den erbjuder en möjlighet att låsa momenten så att de blir svåra att vrida. Permanentmagneter (t.ex. vanliga kylskåpsmagneter) har dessa fastlåsta magnetiska moment, som ger upphov till det magnetfält som kommer ut ur materialet. Om momenten svänger lättare kommer de istället att lägga sig i andra mönster (domäner) som åstadkommer att magnetfältet stannar helt inuti materialet, vilket kostar mindre energi. Beroende på om det är lätt eller svårt att vrida momenten talar man om mjuka respektive hårda magnetiska material. Mjukmagnetiska material används t.ex. i transformatorer som omvandlar elektriska spänningar, och då vill man att momenten ska svänga lätt för att inte energin ska gå till spillo. 

Det här föreslagna projektet syftar till att undersöka möjligheten att framkalla önskade magnetiska egenskaper hos extremt tunna skikt, typiskt 10-1000 atomlager, av amorfa magnetiska legeringar, som ligger på plana ytor av exempelvis kisel. Ett amorft material (t.ex. vanligt fönsterglas) har inte samma ordnade inre struktur som ett kristallint material: atomerna sitter huller om buller istället för i bestämda mönster. Detta påverkar många egenskaper, såväl mekaniska som magnetiska och elektriska, och medför bland annat att materialet borde bli isotropt. Vi har tidigare tagit reda på att det trots allt går att skapa en föredragen riktning för de magnetiska momenten, d.v.s. ”skriva in” anisotropi, i tunna skikt av både mjukmagnetiska och hårdmagnetiska amorfa legeringar som innehåller metallen kobolt. Detta har gjorts genom att tillverka skikten i närvaro av ett extra magnetfält. Nu vill vi undersöka vidare varför det går att påverka anisotropin på detta sätt, eftersom de fysikaliska mekanismer man tidigare trott låg bakom ”inskrivningen” inte räcker till för att förklara fenomenet.

Vi vill dessutom experimentellt testa om vi kan skapa en stark kompositmagnet, med särskilt attraktiva egenskaper, genom att kombinera ett hårt och ett mjukt magnetiskt amorft material, antingen i skikt eller mer punktvis, som russin inuti en omgivande kaka. Materialen påverkar då varandra (den hårda magneten låser fast momenten i en del av den mjuka) och beteendet för kombinationen blir i bästa fall en gynnsam förstärkning av vardera komponentens önskvärda egenskaper (svårvridna moment i den hårda, hög mättnadsmagnetisering i den mjuka fasen), medan eventuella nackdelar förhoppningsvis dämpas. Vi hoppas alltså på att uppnå ett exempel på att 2+2 kan bli 5. För att undersöka möjligheterna att styra egenskaperna kommer vi prova oss fram till lämpliga kombinationer av mjuka och hårda magnetiska faser med olika sammansättning, mäta deras magnetiska beteende, och framför allt studera vilka atomer som sitter var i materialen för att kunna koppla ihop struktur, kemisk sammansättning och magnetism. Eftersom nyckeln till finjustering verkar finnas på atomär nivå behöver vi kunna kontrollera i detalj hur materialen tillverkas, och detta är möjligt genom en ny framställningsmetod för extremt tunna skikt i kombination med teoretisk modellering. 

Om vi kan ta reda på vilka mekanismer som ligger bakom de egenskaper vi observerar kommer det att öppna för framtida användning i diverse högteknologiska komponenter där det behövs specialanpassade magneter. Detta bidrar också till minskad användning av vissa så kallade sällsynta jordartsmetaller, vilket är önskvärt ur ett hållbarhetsperspektiv.