Değiş-tokuş etkileşimi çiftlenimli nanomıknatısların manyetik özelliklerinin incelenmesi
Investigation of magnetic properties of exchange-coupled nanomagnets
Yazar: TELEM ŞİMŞEK
Danışman: PROF. DR. ŞADAN ÖZCAN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu çalışmada, değiş-tokuş etkileşim çiftlenimi özelliğinden faydalanarak, nadir yer elementi içermeyen manganbizmut/manganbor (MnBi/MnB) ve demirplatin/manganbor (FePt/MnB) nanokompozit mıknatısların üretilmesi, yapısal ve manyetik özelliklerinin araştırılması amaçlandı. Bu amaca ulaşmak için öncelikle, yoğunluk fonksiyonel teorisi (YFT) hesaplamaları sonucunda MnB alaşımının yumuşak manyetik faza, metalik özelliğe ve mutlak sıcaklıkta 158 emu/g'a karşılık gelen 1,915 μB'na sahip olduğu belirlendi. Ayrıca ark ergitme yöntemi kullanılarak MnxB100-x alaşımları üretildi. Alaşımların yapısal karakterizasyonlarından x=55 atomik yüzdesinden tek fazlı ve ortorombik sistemde kristalleşen MnB alaşımının başarı ile sentezlendiği belirlendi. Üretilen MnB alaşımının doyum mıknatıslanması 130 emu/g, anizotropi sabiti 517x103 erg/g ve Curie sıcaklığı ise 566 K olarak belirlendi.
Nanokompozitlerin değiş-tokuş etkileşimi ile çiftlenmesi için, yumuşak ve sert manyetik fazlarının büyüklükleri en önemli etkin parametredir. Bu nedenle, MnB alaşımı mekanik öğütücü ile farklı sürelerde öğütülerek, büyüklüğün yapısal ve manyetik özelliklere etkileri incelendi. 7 saat süre ile öğütme sonrası 11,6 nm kristalit büyüklüğünde ve 85 emu/g doyum mıknatıslanmasına sahip olan örnekler, değiş-tokuş etkileşimi çiftlenimli nanokompozit mıknatıslarda kullanılmak üzere yumuşak manyetik faz olarak seçildi.
Çalışma kapsamında ayrıca literatürde ilk kez sonokimyasal yöntem kullanılarak MnB nanoparçacıkların üretimi üzerinde çalışıldı. Sonokimyasal işlemin ardından 800 °C sıcaklığında ve forming gaz atmosferinde ısıl işlem uygulanan örneğin, kütlece %48,2 MnB, %19,9 MnO ve %7 B2Mn3O6 ve %24,9 B yapılarını içerdiği belirlendi. Yöntemde tek fazlı MnB yapısının başarı ile elde edilebilmesi için daha fazla araştırma yapılması gerektiğinden, nanokompozit mıknatısların üretiminde bu nanoparçacıklar kullanılmadı.
İkinci olarak, nanokompozit mıknatıslarda sert manyetik faz olarak kullanılması için MnBi alaşımı üzerinde çalışıldı. Teorik olarak mutlak sıcaklıkta 76,3 emu/g doyum mıknatıslanmasına sahip olduğu belirlenen yığın alaşım, deneysel olarak ark ergitme yöntemi ile hazırlandı. Ardından alaşımın yüksek manyetokristalite anizotropisine sahip olan düşük sıcaklık fazına geçmesi için örnekler, farklı süreler boyunca ve 575 K sıcaklığında vakumda fırınlandı. Örneklerin 10 saat süre ile ıslak öğütme sonrası 51,7 emu/g doyum mıknatıslanmasına ve 12,2 kOe koerziviteye sahip olduğu belirlendi. Bu örnek MnBi/MnB nanokompozitlerde sert manyetik faz olarak kullanılmak üzere seçildi.
Sert manyetik faz olan FePt yapısının YFT hesaplamaları alaşımın FePt birim formülü başına 3,3 μB'luk mıknatıslanmaya ve 2,7 meV değerinde anizotropi enerjisine sahip olduğunu gösterdi. Ardından ark ergitme yöntemi ile üretilen yığın alaşımın kristalit büyüklüğü, 12 saat kuru öğütme sonrası 19,3 nm'ye indirildi. Örneğin 2,9 kOe koerziviteye ve 56,4 emu/g doyum mıknatıslanmasına sahip olduğu belirlendi. Bu örnek FePt/MnB nanokompozit mıknatıslarında sert manyetik faz olarak kullanılmak üzere seçildi.
Çalışmanın son bölümünde ise, MnBi/MnB ve FePt/MnB nanokompozit mıknatısları üretildi ve sert ve yumuşak manyetik fazlar arasındaki değiş-tokuş etkileşimi incelendi. Kütlece %10 MnB içeren MnBi/MnB nanokompozit mıknatısın maksimum enerji çarpanı (BH)maks'ın 5,74 MGOe değerinde olduğu belirlendi. Bu sonuç, %10 yumuşak manyetik MnB fazı ile değiş-tokuş etkileşimi çiftleniminin, MnBi/MnB nanokomopozit mıknatısın maksimum enerji çarpanında %12 değerinde bir artış sağladığını göstermektedir. Böylece sert manyetik MnBi ve yumuşak manyetik MnB yapılarını içeren nanokompozit bir mıknatısın performansının, değiş-tokuş etkileşimi çiftlenmesi yoluyla anlamlı bir şekilde artırılabildiği kanıtlandı. Son olarak, FePt/MnB nanokompozit mıknatıslar üretildi. Kütlece %20 oranında MnB içeren mıknatısın 2,32 MGOe değerinde (BH)maks çarpanı olduğu hesaplandı. Sonuç olarak, MnB ve FePt yapılarının değiş-tokuş
etkileşimi çiftlenimi yoluyla FePt mıknatısın performansının %25 artırıldığı gösterildi.

Abstract:
In this
manganesebismuth/manganeseboron (MnBi/MnB) and ironplatinum/manganeseboron (FePt/MnB) nanocomposite magnets were produced. Firstly, the functionality of the magnetically soft MnB phase was proved by density functional theory (DFT) calculations which predicts 1.915 μB magnetic property per MnB unit that corresponds to 158 emu/g at 0 K. MnxB100-x alloys were fabricated by arc melting technique. Structural analysis showed that starting melting from Mn55B45 composition results single phase orthorombic MnB structure. Saturation magnetization, anisotropy constant and Curie temperature of MnB alloy were determined by magnetization measurements as 130 emu/g, 517x103 erg/g and 566 K, respectively. For exchange-coupling with a hard magnetic phase, bulk MnB alloy was milled for controlled durations. Results showed that 7 h of milling reduced the crystallite size to 11.6 nm and saturation magnetization to 85 emu/g.
In the scope of this work, MnB nanoparticles were also produced by sonochemical method for the first time in the literature. After sonication, sample was annealed under forming gas. Structural analysis showed that sample contains %48.2 MnB, %19.9 MnO ve %7 B2Mn3O6 ve %24.9 B structures. Because single phase MnB nanoparticles could not be produced by this technique, these particles were not used for the production of nanocomposite magnets.
Secondly, the promising hard magnetic MnBi alloys were fabricated by arc melting. In order to promote transformation into low temperature phase with high magnetic
work, high performance
exchange-coupled anisotropy, samples were annealed for controlled durations at 575 K in a vacuum furnace. Then samples were milled for 10 h. As produced MnBi nanoparticles were found to have 51.7 emu/g saturation magnetization and 12.2 kOe coercivity. This sample was chosen to be the hard magnetic phase in MnBi/MnB nanocomposite magnets.
Magnetic properties of FePt which is another promising hard magnetic phase, were also calculated by DFT method. Results showed 3.3 μB magnetic property per FePt unit and 2.7 meV of anisotropy energy. Bulk samples were fabricated by arc melting. Afterwards samples were milled for 12 h and crystallite size was reduced to 19.3 nm. As-made nano FePt sample has 2.9 kOe coercivity and 56.4 emu/g saturation magnetization. This sample was chosen as the hard magnetic phase in FePt/MnB nanocomposite magnets.
In the last part of the study, MnBi/MnB ve FePt/MnB nanocomposite magnets were fabricated. When MnBi/MnB composite contains 10% MnB in weight, maksimum energy product (BH)max was increased to 5.74 MGOe value. This result shows that the addition of 10% soft magnetic phase to the MnBi leads 12% increase in the (BH)max of the magnet. Exchange-coupled FePt/MnB nanocomposite magnets were also produced. This nanocomposite has (BH)max of 2.32 MGOe as a result of addition of 20% soft magnetic MnB phase, leading to 25% increase in (BH)max. To sum up, the exchange-coupling of the soft magnetic MnB and hard magnetic MnBi, FePt phases increases the magnets performance significantly.