Nonomanyetizma

1) Nanoparçacıkların Manyetizması
Malzemeler normal boyutlarından nano ya da mikro boyutlara indirgendikçe birçok özelliğinde
değişikler olur. Bu bölümde malzemelerin nano boyuta indirildikleri zaman gösterdikleri
manyetik özellikleri açıklanacaktır. Fakat bu açıklamadan önce nanoparçacıkların
manyetizmasında oldukça önemli etkenler olan anizotropi ve parçacıklar arası değiş tokuş
etkileşimleri konularından bahsetmek gerekmektedir.
1.1) Manyetik anizotropi
Nano boyuttaki malzemelerde manyetik anizotropinin iki farklı kaynağı vardır. Bu kaynaklar
manyetokristal anizotropi ve şekil anizotropisidir. Ve malzemenin toplam anizotropik karakteri
bu iki farklı anizotropinin ortak etkisi olarak tanımlanır.
1.1.a) Manyetokristal anizotropi
Manyetik malzemelere manyetik alan uyguladığımızda malzeme içerisindeki manyetik
momentlerin düzenlendiklerini yani manyetik alan doğrultusunda yönlendiklerini biliyoruz.
Bazı manyetik malzemelerde dışarıdan uyguladığımız manyetik alanın yönü önemlidir, çünkü
manyetik anizotropi gösteren malzemelerdeki manyetik momentler kristalin bir doğrultusunda
uyguladığımız dış manyetik alanın altında hemen düzenlenirken, başka bir doğrultusunda
uyguladığımız dış manyetik alan için daha zor düzenlenirler. Yani burada manyetik
düzenlenimin kolay mı yoksa zor mu olacagı uyguladığımız alanın yönünün kristalin hangi
doğrultusunda olacağına bağlıdır. İşte bu tip özellik gösteren malzemelere“manyetik
anizotropik” malzemeler denir. Ayrıca düzenlenimin hemen olduğu eksene “kolay eksen”,
düzenlenimin daha geç olduğu eksene zor eksen denir. Bu olayı özetlersek kolay eksen
doğrultusunda manyetik düzenlenim daha az dış manyetik alanla sağlanırken, zor eksen
doğrultusunda düzenlenimin sağlanması için yüksek dış alan gerekir. Şekil1’de kristal bir
yapının kolay ve zor eksenlerinin yönelimlerine bir örnek verilmiştir.
Şekil 1: Manyetik anizotropiye sahip bir kristaldeki manyetik eksenler
Şekil 2: Manyetik anizotropik bir malzemenin manyetik eksenlere göre
M-H grafiği
Şekil 2 ‘de anizotropik bir manyetik malzemenin kolay ve zor eksenlerinin dış manyetik alana
gösterdikleri tepkiler gösterilmiştir. Kolay ve zor eksenler arasındaki bu farklılık elektron
yörüngelerindeki eşleşmedenkaynaklanır. Kolay eksen doğrultusundaki yörüngeler daha düşük
enerji düzeylerindedirler. Bu nedenle, bu eksen doğrultusundaki manyetik momentleri
yönlendirmek daha kolaydır. Zor eksen doğrultusundaki yörüngeler için ise bu olayın tam tersi
geçerlidir.
1.1.b) Şekil anizotropisi
Manyetik parçacıklarda kendi yüzeylerinde tıpkı büyük mıknatıslar gibi manyetik kutuplar
oluştururlar. Bu kutupların oluşumu daha çok bu parçacığın şeklinden kaynaklanan manyetik
yüklerin parçacık yüzeyi üzerindeki dağılımıyla ilgilidir. Şekil3’de eliptik bir parçacığın
manyetik yapısı verilmiştir.
Şekil 3: Eliptik bir parçacığın manyetik yapısı
Şekil 3’de görüldüğü gibi manyetik parçacık üzerinde oluşan manyetik kutuplardan dolayı
parçacığın ‘N’ kutbundan ‘S’ kutbuna doğru bir manyetik alan oluşur. Bu durumda da görünen
ok boyunca bu manyetik parçacık için bir kolay eksen tanımlanırken, bu eksene dik olan bütün
durumlar için de bir zor eksen tanımlanır. Sonuç olarak tek bir parçacık için bu durumda
şeklinden kaynaklı olar bir anizotropi tanımlanmış olur.
1.2) Parçacıklar arası değiş-tokuş etkileşimleri
Parçacıklar arası değiş tokuş etkileşimleri malzemenin genel manyetik karakterini
etkileyen önemli bir parametredir. Çünkü parçacıklar arası bu etkileşimler parçacıkların
manyetik momentlerinin yönelimlerini etkiyebilecek durumda olabilirler. Parçacıklar arası bu
etkileşimler parçacıkların yüzeylerindeki atomların sayısı ile doğru orantılı artarken,
parçacıklar arası uzaklıkla ters orantılı olarak azalmaktadır. Parçacık boyutu azaldıkça
yüzey/hacim oranı artar ve bu da diğer atomlarla etkileşebilecek atomların sayısını arttırır,
dolayısıyla da küçülen parçacık çevresindeki parçacıklarla daha çok etkileşmeye başlar. Bu
etkileşimin parçacıklar arasındaki mesafeye ile ters orantılı olmasının nedeni ise mesafenin
azaldıkça bu dış yüzey atomlarının etkileşme mesafesinin değişmesidir. Yani parçacıklar
birbirlerine yaklaştıkça yüzey atomları birbirleri ile daha etkin etkileşirken, mesafe arttığında
bu etkileşme azalır.
NANOMANYETİZMA
Makro boyuttaki malzemelerin manyetik özellikleri genel olarak malzemelerin elektronik
özelliklerinden ve kristal yapılarından kaynaklanmaktadır. Elektron kaynaklı manyetizma yapı
içerisinde bulunan atomlarındaki elektronların enerji düzeyleri ve elektronların birbirleriyle
olan ilişkilerinden kaynaklanır. Bu etkileşimler genelde atomların kendi manyetik
momentlerinden sorumludurlar. Kristal yapı kaynaklı manyetizma ise atomların kristal örgü
içerisinde yerleşimiyle ilgilidir. Bu yerleşim yapıdaki anizotropi, atomlar arası etkileşim ve
malzemenin genel manyetik düzenlenmesinden sorumludur.
Nano boyuttaki malzemelerde ise malzeme içerisinde parçacıklar oluşması genel yapının
manyetizmasını etkileyen faktörleri değiştirmektedir. Çünkü bu durumda malzeme içerisinde
parçacıkların boyutları, parçacıkların kendi manyetik düzenlenimleri ve birbirleri arasındaki
etkileşimleri malzemenin genel manyetik yapısından sorumludur. Parçacık boyutuna ve bu
boyuttaki manyetik bölge yapısına göre nanomanyetik malzemeler üç farklı yapıda
bulunabilirler. Bu yapılar çok-bölgeli yapılar, tek-bölgeli yapılar vesüperparamanyetik
yapılar olarak adlandırılırlar. Şekil 4’de bu yapıların parçacık büyüklüğüne göre nasıl
değiştikleri verilmiştir.
Şekil 4: Parçacık büyüklüğü – Zorlayıcı Alan Eğrisi
Sekil 4’de “Çok-bölge” olarak adlandırılan bölgede tek bir manyetik parçacık içerisinde birçok
manyetik bölgenin bulunduğu vurgulanırken, “Tek-bölge” olarak adlandırılan bölgede ise tek
bir manyetik parçacık içerisinde tek bir manyetik bölgenin bulunduğu yani parçacığın
kendisinin aslında bir manyetik bölge olduğu vurgulanmıştır. DP olarak belirtilen parçacık
büyüklüğü ise genel olarak 2–10nm olarak tanımlanmakta ve bu büyüklüğün altındaki
büyüklükler “Tek-bölge” durumunun bir alt durumu olan “Süperparamanyetik” durumu
göstermektedir.
Çok-bölge’de bir manyetik nanoparçacık içerisinde birden fazla manyetik bölge vardır ve bu
parçacığın manyetik özellikleri bu manyetik bölgelerin ortak davranışları ile belirlenir. Bu
bölgede parçacık büyüklükleri çok ufak olmadıklarından toplam anizotropiye manyetokristal
anizotropi, şekil anizotropisinden daha fazla katkıda bulunur. Parçacık büyüklüğü tek-bölge’ye
doğru kaydıkça parçacık içinde artık tek bir manyetik bölge kalır ve bu yüzden, bu bölgeye tekbölge denir. Bu bölgede parçacıkların boyutları oldukça azaldığından parçacıklarda şekil
anizotropisi görülmeye başlar yani, bu durumda ise toplam anizotropiye şekil anizotropisinden
gelen katkı manyetokristal anizotropiden gelen katkıdan daha fazladır. Parçacık boyutları daha
da küçüldüğünde ise artık parçacıklar üzerinde ısıl etkiler oluşmaya başlar ve bu ısıl etkiler
yüzünden artık hiçbir manyetik özellik oluşmaz, işte bu bölgeye de süperparamanyetik bölge
denir.