Magnetokristalliline anisotroopia

Magnetokristalliline anisotroopia on ferromagnetilise materjali omadus välise magnetvälja rakendamisel magneetuda teatud kristallograafilistes suundades kergemini ja teistes suundades raskemini. Magnetokristalliline anisotroopia ei sõltu kristalliitide kujust ega suurusest.

Sissejuhatus
Neid kristallograafilisi suundi, milles magneetumine on lihtsam, nimetatakse kergeteks telgedeks. See tähendab, et kui väline magnetväli on rakendatud kerge telje suunas, siis on materjali küllastuseni magneetimiseks vaja suheteliselt väikseid magnetvälju. On olemas ka sellised kristallograafilised suunad, kus on vaja suuremaid välju, et proovi küllastuseni magneetida. See telg/suund, mida mööda on küllastuvusmagneetuvuse saavutamiseks vajalik väli suurim nimetatakse raskeks teljeks. Lisaks raskele ja kergele teljele on olemas ka mõõdukas või vahepealne telg. Kergete ja raskete telgede suunad olenevad materjali kristallvõre tüübist. Näiteks tahkkesendatud kuubilise magnetiidi (Fe3O4) kerge, raske ja mõõdukas telg on vastavalt <111>, <100> ja <110> suunas, kuid ruumkesendatud kuubilise raua korral on vastavateks telgedeks <100>, <111> ja <110>  . Energia erinevust kerge ja raske telje vahel, täpsemalt nendevahelist pindala M (magneetumus) – H (magnetvälja tugevus) graafikul nimetatakse magnetokristalliliseks energiaks.

Olulisus
Suure magnetilise anisotroopiaga materjalidel on tavaliselt suur koertsitiivsus. See tähendab seda, et neid on raske demagneetida. Selliseid materjale kutsutakse kõvadeks ferromagneetikuteks ja neid kasutatakse püsimagnetite valmistamiseks. Näiteks on haruldastel muldmetallidel suur magnetokristalliline anisotroopia ning nende sulamitest valmistatakse püsimagneteid. Haruldastest muldmetallidest tehtud magnetid on tugevaimad püsimagnetid, mida saab valmistada. Tootmisprotsessi käigus rakendatakse välist magnetvälja, mis joondab metalli mikrokristallilised terakesed nii, et nende kõigi osakeste kerge magneetumustelg on ühes suunas. Seetõttu tekib materjalis endas magnetväli ning tal on magnetilised omadused.
Väikese magnetilise anisotroopiaga materjalidel on tavaliselt ka väike koertsitiivsus, mistõttu on neid kerge ümber magneetida. Selliseid materjale kutusutakse pehmeteks ferromagneetikuteks. Pehmeid ferromagneetikuid kasutatakse näiteks trafode ja induktiivpoolide südamike valmistamiseks. Magneetumuse suuna muutmiseks on vaja väikeseid energiaid, mis vähendavad südamikukadusid.

Tekke põhjused

Magnetokristallilist anisotroopiat põhjustab eelkõige spinnorbitaalne vastastikmõju. Raske ja kerge suund tekib spinnmagnetmomendi vastastikmõjul kristallvõrega. Kui spinnide magnetmomendid on joondunud kerge telje sihis, siis elektronpilved osaliselt kattuvad. Sel juhul on kristallil madalaim energia. Muutes välise välja mõjul magnetmomenti, proovib ka orbitaalmoment muutuda, kuid orbitaali vastastikmõju tõttu võrega avaldatakse muutusele vastujõudu. Pärast reorienteerimist orbitaalmomentide osad enam ei kattu ning kristall pole energeetilises miinimumis. Magnetokristalliline anisotroopia on seda suurem, mida tugevam on spinnorbitaalne vastastikmõju.

Sümmeetria

Üheteljeline anisotroopia
Paljudel kristallsüsteemidel on üks kõrgemat järku sümmeetriatelg. Sellistes kristallides kutsutakse anisotroopiat üheteljeliseks anisotroopiaks. Kui lugeda z-telg kristalli sümmeetriateljeks, siis lihtsamail juhul avaldub energiatihedus:

Valemi võib avaldada ka sfäärilistes polaarkoordinaatides, kus α = cosφ sinθ, β = sinφ sinθ ja γ = cosθ, θ on z-telje ja polaarraadiuse vaheline nurk ning φ on polaarnurk x-telje ja polaarraadiuse vahel:

Parameeter K1 on energiatiheduse ühikutes ning sõltub struktuurist ja temperatuurist.
Koordinaadi θ järgi avalduvad energiamiinimumid:

Kui K1 > 0, siis on madalaima energia suund ehk magneetumuse kerge telg ± z-telje suunas. Kui K1 < 0, siis on kerge telg z-teljega risti. Sel juhul ei saa määrata kerge telje suunda. Suuna määramiseks on vaja võrrandisse sisse tuua lisaliikmeid, mis sõltuvad kristallvõrest.

Heksagonaalne kristallvõre

Heksagonaalse kristallvõre süsteemi korral avaldub energiatihedus:
.
Olenevalt parameetrite K1 ja K2 väärtustest, eksisteerib neli erinevat anisotroopia võimalust (isotroopia, kerge telg, kerge tasand ja kerge koonus)

 K1 = K2 = 0: ferromagnetiline materjal on isotroopne (tema omadused ei ole suunast sõltuvad).
 K1 > 0 ja K2 > -K1: c-telg on kerge suund.
 K1 > 0 ja K2 < -K1: põhja/baas tahk on kerge tasand.  
 K1 < 0 ja K2 < -K1/2: põhja/baas tahk on kerge tasand.
 -2K2 < K1 < 0: kerged magneetimis suunad asuvad koonusel, s.t "kergel koonusel" (vaata joonis).
Allpool olevas tabelis on heksagonaalse võrega ferromagneetikute anisotroopia konstandid toatemperatuuril. Tabelis toodud materjalidel on kõigil kerge telg, sest K1ja K2 väärtused on positiivsed.

Kuubiline kristallvõre

Kuubilise kristallvõre korral avaldub energiatiheduse valem:

Lugedes valemi teise liikme nulliks, siis on kergeteks telgedeks <100> suunad (ehk siis ± x, ± y ja ± z suunad), kui K1 > 0 ja <111> suunad kui K1 < 0 (vaata jooniseid paremal).

Sellises olukorras, kus K2 ≠ 0 sõltub kergete telgede suund nii K1 kui ka K2 arvulistest väärtustest. Vastavate parameetrite suurused on välja toodud allpool olevas tabelis nii kergete, raskete kui ka mõõdukate telgede suunas. Selliseid energia potentsiaali pindu nagu on näidatud joonisel, võib lihtsuse mõttes ette kujutada nii, et kerged teljed on nagu orud, rasked teljed nagu mäetipud ja mõõdukad suunad mäekurud.

Kuubilise võrega ferromagneetikute anisotroopia konstandid toatemperatuuril on allpool olevas tabelis. Ühendid, mis sisaldavad Fe2O3, kutsutakse ferriitideks. Üldjuhul on kuubiliste ferromagneetikute anisotroopia parameetrid suuremad kui üheteljelistel ferromagneetikutel.

Sõltuvus temperatuurist
Magnetokristalliline anisotroopia parameetrid sõltuvad tugevasti temperatuurist. Temperatuuri lähenemisel Curie temperatuurini väheneb materjali magnetokristalliline anisotroopia. Näiteks magnetiidi isotroopsuspunkt on 130 K juures. 120 K juures toimub magnetiidis faasiüleminek kuubilisest võrest (üle 120 K) monokliinseks või isegi trikliinseks võreks (alla 120 K), sellist temperatuuri nimetatakse Verwey temperatuuriks (Tv).

Magnetostriktsioon
Magnetokristallilise anisotroopia parameetrid on defineeritud nii, et magneetumuse muutudes parameetrid ei tohi muutuda. Tegelikult materjali magnetiseerimisel võib tema pikkus natukene muutuda. Sellist nähtust kutsutakse magnetostiktsiooniks. Selleks, et ei toimuks võre deformeerumist on vaja materjali mehaaniliselt pingestada. Kui kristall ei ole pinges/pingestatud, siis megnetostriktsioon muudab efektiivset magnetokristallilist anisotroopiat. Kui ferromagnetiline materjal on ühe domeeniline või ühtlaselt magneetunud, siis muutuvad magnetokristallilise aniostroopia parameetreid. Tegelikkuses ei ole parameetrite variatsioonid suured. Näiteks heksagonaalse kristallvõre korral K1 ei muutu. Kuubiliste kristallide korral peab arvestama väikese parandiga.

Viited