Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Межі технологій нанодатчиків
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Інші
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2024
Тип роботи:
Теорія
Предмет:
Інші
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
Межі технологій нанодатчиків
Анотація: В даній роботі всебічно розглянуто минуле, сьогодення і майбутнє нанодатчиків, що забезпечує знімок швидкого розвитку і зростаючої науково-дослідної діяльності в цій області, а також досліджено повний вплив епохи нанотехнологій на датчики. Підкріплені швидкими розвитком нанотехнологій, дослідження нанодатчиків розвивається у двох напрямках, по перше розробляються нові датчики основані на мезоскопічних явищах, і по-друге покращуються параметри існуючих датчиків. Ці нанодатчики були широко класифіковані в фізичні і хімічні категорії, з біодатчиками розташованими на межі біологічних сигналів з іншими класами. Хоча зонди для сканування та атомної силової мікроскопії все ще займають перше місце серед комерційно доступних нанодатчики, деякі нові нанодатчики, створені в результаті міждисциплінарних досліджень, починають пробиватися на ринок. Зосередження уваги на важливих подіях в галузі нанодатчиків з точки зору нових матеріалів, будови приладів і внесених функціональних можливостей, дана стаття висуває на перший план важливі перехрещені віхи і роз’яснює нові перспективи в цій області.
Ключові слова: наночастинка, наностержнень, нанотранзистор, вуглецева нанотрубка, нанопористий кремній, консоль.
1. Вступ
Нанодатчики – це датчики виготовлені з допомогою нанотехнологій які можна охарактеризувати одною з наступних ознак: або розмір датчика або його чутливість знаходиться в наномасштабі, або просторова відстань між датчиком і об'єктом вимірюється у нанометрах. Будь-який пристрій, якому відповідає люба з цих ознак буде означатись як нанодатчик, наприклад, визначення оптичного нанодатчики є: пристрій який перетворює хімічні або біологічні явища, використовуючи оптичний сигнал з довжиною хвилі < 1000 нм. Починаючи з епохального відкриття скануючого тунельного мікроскопа (СТМ) в 1981 році і атомно-силового мікроскопа (АСМ) в 1986 році, нанопристрої і нанодатчики опинились в центрі уваги. Для зручності вивчення, нанодатчики будуть класифіковані на фізичні (механічні і акустичні, теплові і радіаційні, оптичні, магнітні) і хімічні (атомної та молекулярної енергій) категорії. Біодатчики попадають і в фізичну і в хімічну категорію датчиків і буде поширюватися на ці розділи, як змішана або міждисциплінарна галузь. Ця стаття організована наступним чином: в розділі 2 спочатку описані в загальних рисах властивості найважливіших матеріалів, які використовуються у виготовленні наносдатчиків. Наступні розділи статті (розділи 3-7) описують пристрої вище згаданих категорій датчиків. Після обзору в розділі 8 робляться заключні зауваження та майбутні тенденції досліджень.
2. Матеріали нанодатчиків
Дуже великі площі поверхні є тільки в кількох наноматеріалів. Нанопористий вуглець може забезпечити площу поверхні до 2000 кв.м. / г. Вуглецеві нанотрубки, екзотичний вид звичайного графіту, являються молекулярними трубками, що складаються з SP² гексагонально зв'язаних атомів вуглецю, з розмірами в діапазоні 1-50 нм в залежності від їх структури, тобто або одностінні вуглецеві нанотрубки (ОВНТ) або багатостінні вуглецеві нанотрубки (БВНТ). Площа поверхні вирощеної одностінної вуглецевої нанотрубки лежить в діапазоні 400-900 кв.м. / г. Цеоліти, природні або штучно виготовлені матеріали, мають нанорозмірні пори. Монокристалічний кремній виготовлений з допомогою анодного травлення з використанням високочастотного буфера з етанолом, дозволяє створити нанопористий кремній. Він має велике значення відношення площі поверхні до об'єму.
3. Механічні та акустичні нанодатчики
3.1. Нанодатчики переміщення і прискорення
Винайдений Г. Біннігом та ін., СТМ – являє собою неоптичний мікроскоп використовуваємий в діапазоні від 0,01 нм до 1 пм. Щоб отримати уявлення про дані величини: діаметр атома водню становить 75 пм., діаметр молекули води 0,275 нм., а одностінної вуглецевої нанотрубки (ОВНТ) становить від 0,8 до 1,5 нм. Ширина молекули ДНК становить 2,5 нм. Як показано на схематичному зображенні на мал.1, гострий наконечник зонда переміщається по поверхні і досліджує її з допомогою зміни нахилу між поверхнею і зондом. Між поверхнею і наконечником зонда виникає квантово – механічний тунелюючий струм. Величина цього струму міняється експоненційно залежно від відстанні S між наконечником і поверхнею, як Iα ехр (- 2ks) де k – швидкість розпаду. Петля сервомотора підтримує величину струму постійною, змінюючи відстань s за допомогою нахилу зонда п'єзоелектричним приводом, а зображення поверхні будується шляхом вимірювання висоти зонда над поверхнею від прикладеної напруги. Тунелюючий акселерометр являє собою мініатюризований датчик використовуючий принцип СТМ. У тунелюючому акселерометрі (рис. 1 (б)), розташування електродів змінюється електростатично. Наконечник датчика інтегрується в мікромашинну пружину і покриття всіх активних поверхонь виконується плівкою золота, напруга прикладається між відхиляючими електродами внаслідок чого ці електроди взаємно притягуються. Коли відстань між наконечником і тунелюючим антиелектродом приближається до 1 нм. виникає тунелюючий струм між ними (в діапазоні нанометр). Цей струм ,а отже і напруга відхилення підтримуються на постійному рівні за допомогою кола зворотного зв'язку, тим самим зберігаючи постійне положення верхньої пластини відносно нижньої. Відхиляюча напруга є вихідним сигналом, що забезпечує перемещіння. Під час прискорення встановлюється баланс між силою зворотного зв'язку й силою інерції, а прискорення вимірюється за величиною напруги відхилення. Реакція на прискорення оцінюється як 1 × 10-7 g/Hz1/2 при 10 Гц.
/ Рис. 1. Скануючий тунельний мікроскоп (а); тунелюючий акселерометр (б).
3.2. Нанодатчики сили
Нанодатчик в АСМ, було винайдено в 1986 році Біннігом, Квейтом і Гербером, являє собою мікровиготовлену консольну балку, як правило зроблену з кремнію / нітриду кремнію / кварцу, з інтегрованим наконечником на його кінці, який переміщається по поверхні зразка. У межах пружності, відхилення Δz консолі пропорційне величині прикладеної сили відповідно до закону Гука: F = с (Δz), де с – коефіцієнт пружності. Відхилення консолі вимірюється оптично, або лазерним променем відображеним в масив фотодіодів (рис. 2а) або з допомогою лазерної інтерферометрії. Крім того є електричні методи з вимірюванням ємності або пєзоопору. Силу до 10-9 N легко експериментально виміряти в контактному режимі, і до 10-12 N в безконтактному режимі, але теоретично можна оцінити межу 10-18 N. Прикладами сил, виміряних АСМ,являються: сила механічного контакту, сила ван дер Ваальса, сила хімічного зв'язку, електростатична сила, магнітна сила, сила Казимира, сила сольватації і т. д. Величина сили ван дер Ваальса у вакуумі оцінюється як ~ 10-10 N, Кулонівська сила у вакуумі 10-8-10-9 N, сила гідратації гідрофобною поверхні ≤ N 10-9 і капілярна сила в повітрі ≤ 10-6 N.
У таблиці 1 наведені порівняльні дослідження СТМ та АСМ
№
Характеристика
СTM
AСM
1.
Принцип дії
Залежність тунельного струму від відстані між наконечником зонду і скануємою поверхнею
Залежність сили, що діє між наконечником зонда, прикладеним до консолі і скануємою поверхнею від відстані між ними.
2.
Можливості
Чутливі до слабо зв’язаних електронів з енергією на рівні Фермі.
Чутливий до електронів. Також електрони на рівні Фермі просторово менш обмежені ніж ті, що в ядрі теоретично більше просторове розширення досягається з АСМ ніж СТМ, яке було підтверджено експериментально
3.
Застосування
Проведення лише поверхонь. Дослідження у вакуумі і галузь матеріалознавства і поверхонь у фізиці і хімії
Обидва проведення на ізоляційних поверхнях. У вакуумі дослідження на матеріалах і поверхонь в фізиці і хімії
3.3. Консольні біонанодатчики
Дослідження біонанодатчиків на консольній основі різко виросло після історичної роботи Фріца і ін. в 2000 р. Мікроконсольні балки, з біологічно функціональними поверхнями, які використовуються для інтерпретації молекулярного розпізнавання біомолекул через наномеханічний рух в межах від декількох нанометрів до сотень нанометрів. Вони перетворюють багато різних явищ: у статичному режимі, вони перетворюють зміну маси, в'язкопружність, температуру, вигин балки або відхилення; і в динамічному режимі, вони перетворюють зміни вимірюваних величин в такі з резонансної частоти коливання консольної балки (рис. 2, b). Резонансна частота знаходиться за допомогою сканую чого мікроскопа лазерного Доплерівського віброметра. Зміну резонансної частоти виявлено, знаходячи теплові шуми консолі. Джонсон і ін. використовували вірус коров'ячої віспи, член сімейства вірусів Poxviridae і основу вакцини проти віспи, як тестові зразки. Вони характеризували ці частинки використовуючи АСМ і консольні балки мікронних розмірів. Лам і ін., використовуючи комерційно доступні АСМ консолі з метою виявлення ВІЛ-1 Env gp120 з розчину, оскільки це зв’язано конкретно з mAb А32 розташовваного на поверхні консолі.
/
/ /
Рис. 2. АСМ (а); коливання консолі датчика маси (б); вигин консолі з температурою (с).
3.4. Нанодатчики тиску, напруги, маси і потоку на основі вуглецевих нано трубок
Було запропоновано декілька механічних датчиків на основі вуглецевих нанотрубок. Вуд і Вагнер продемонстрували можливість використання ОУНТ як молекулярні та макроскопічні датчики тиску. Спектр КР ВНТ був провірений під різними тисками і були зареєстровані зміни в різних смугах КР. Чжао і ін. використовували ВНТ впроваджений в полімер, для вимірювання напруги в ньому. Вони показали, можливості ОУНТ як тензодатчиків, пов'язуючи напруження/деформацію нанотрубок з зсувом смуги КР. Володін і ін. розробили механічний резонансний датчик для визначення маси. Вони використовували номотанну спіраллю багатостінкову нанотрубку в якості резонатора. Гош і ін. побудували датчик витрат на на основі ВНТ, оснований на генерації струму/напругив зв’язці одностінкової вуглецевої нанотрубки, який мав місце коли зв’язка була поміщена в контакт з рідиною, що рухається.
3.5. Акустичний датчик на основі вуглецевих нанотрубок
Ю. і ін. повідомили про прозорі тонкоплівкові акустичні перетворювачі, які могли б працювати, як акустичні випромінювачі у вигляді колонок, а також датчиків у вигляді мікрофонів. Ці перетворювачів складалася з п'єзоелектричних політонких плівок, покритих ВНТ сумісним прозорим провідником, виготовленим шляхом обробки кислотою ВНТ і пошаровою модифікацією поверхні підкладки.
3.6. Датчики дотику
Махешварі і Сараф продемонстрували тонко плівковий пристрій з високою роздільною здатністю для зчитування текстуру об'єкта на дотик. Приблизно 100 нм. товщиною, велика площа, тонкоплівковий пристрій було створено при використанні метала і напівпровідникових наночастинок.
4. Теплові та радіаційні нанодатчики
4.1. Консольні нанодатчики температури
Зміна температури згинає консольну балку виготовлену з двох матеріалів з різними коефіцієнтами теплового розширення (біметалевий ефект), а значення вигину можна виявляти дуже малі зміни температури ~ 10-5 К (рис. 2 (с)).
4.2. Температурні нанодатчики на основі вуглецевих нанотрубок
Вуд і Вагнер спостерігали появу зсуву в смузі КР D* з температурою в ВНТ вбудованих в полімерні матриці. Вони виявили, що хвильове число групи D* збільшилось з зменшення температури, оскільки нанотрубки зазнають стиснення.
4.3. Тунелюючий термометр
Він виконаний на основі СТМ, включаючи його електронну схему зворотнього зв’язку. Потенціал розімкнутого кола між наконечником і об’єктом визначає місцевий термоелектричний потенціал.
4.4. Датчики інфрачервоного випромінювання на основі тунельного ефекту
Датчики інфрачервоного випромінювання складаються з невеликої порожнини наповненої газом, сформованої між двома пластинами кремнію, його поперечний переріз показано на рис. 3. Одну з пластин було піддано травленню, залишивши позаду мембрану товщиною 0,5 мкм. На верхню частину цієї мембрани нанесено плівку золото для формування антиелектрода. Після поглинання інфрачервоного випромінювання газом в порожнині, мембрана розтягується, змінюючи тунелюючий струм.
/
Рис.3 Датчики інфрачервоного випромінювання на основі тунельного ефекту
5. Оптичні нанодатчики
5.1. Датчик вологості на основі наноматеріалів
Цей датчик представляє собою простий і недорогий оптичний датчик коефіцієнта відбивання, що складається з сольватохромної фарби Червоний Ніл захопленої в кристали Цеоліту.
6. Магнітні Наносенсори
6.1. Нанодатчики виявлення магнітного поля на основі тунельного ефекту
На Рис. 5 показано датчик магнітного поля заснований на принципі тунельного виявлення. У ньому використано аморфну магнітострикційну ленту 10-см завдовжки, оточену соленоїдними котушками.
/
Рис. 5. Нанодатчик виявлення магнітного поля на основі тунельного ефекту
7. Хімічні наносенсори
7.1. ДНК нанобіодатчик
Це хімічний датчик, що використовує одиночні молекули ДНК, як хімічний елемент розпізнавання і польові транзистори на одностінних вуглецевих нанотрубках, як електронний зчитуючий елемент.
/
8. Обговорення, перспективи і завершаючи коментарі
На рис. 11 зображено короткий огляд всіх видів нанодатчиків. Практично в основі їх всіх лежать СТМ і АСМ, що використовують зонди з гострими наконечниками і консолі, і працюють на принципі тунельних струмів для побудови зображення об’єктів.
/
Ефект гігантського магнітоімпеданса (ГМІ) полягає в різкій зміні комплексного опіру м'яких магнітних матеріалів при прикладанні зовнішнього магнітного поля. Ефект ГМІ у значній мірі залежить від частоти прикладеного струму та магнітної анізотропії матеріалу, серед інших факторів, які породжують ряд цікавих нових магнітних явищ. У цьому контексті, можна грубо розділити дослідження ГМІ на приблизно три аспекти: (I) теорія; (II) використання (III) інструмент для дослідження інших магнітних параметрів.
Хоча залежність електричного імпедансу Z феромагнітного дроту від магнітного поля була вперше виявлена близько шість десятків років тому [1], інтенсивне дослідження того, що зараз називається гігантський магнітоімпеданс (ГМІ) почалось з 1994 року [2-5] , тобто всього близько 7 років тому. Незважаючи на цей факт, дивовижно помічати прогрес у розумінні того що лежить в основі фізичного механізму ГМІ та розробки практичних пристроїв та програми, що використовують цей ефект. Прикметник '''гігантський» був використаний з добре знаного гігантського магнітоопору, який має велику різноманітність опорів матеріалів при прикладанні зовнішнього магнітного поля [6]. Аналогічно, у разі ГМІ, це комплексний опір матеріалу, який володіє різкими змінами в залежності від зовнішнього магнітного поля. Хоча практичні результати дуже близькі, тобто в обох випадках спостерігається велика різноманітність падіння напруги зразків при прикладанні зовнішнього поля, фізичне джерело обидвох явищ абсолютно інша. Грубо кажучи, у випадку ГМІ магнітне поле прикладається для того щоб викликати сильні зміни в ефективній магнітній проникності, фактора, який має відношення до визначення поля та розподілу струму в зразках. При використанні м'якого магнітного матеріалу, магнітна проникність може змінитись на порядок при порівняно невеликих полях, викликаючи сильні зміни у внутрішньому полі і густині електричного струму, а отже, і в опорі зразка. Ефект сильно залежить від частоти прикладеного струму та магнітної анізотропії матеріалу, який породжує ряд цікавих нових магнітних явищ. У цьому контексті, можна розділити дослідження ГМІ на приблизно три аспекти:
1)Теорія: З теоретичної точки зору, дослідження ГМІ почалося з феноменологічної моделі розробленої, щоб зрозуміти деякі основні аспекти знайдені в експериментальних даних, таких як частота, залежність ефекту від поля, і поява подвійного піку в анізотропних матеріалах. Після цього дослідження ГМІ розвивалось більш точно на основі описів формальної еквівалентності ГМІ з феромагнітним резонансом. Після коректування геометричних конфігурацій і граничних умов, можна отримати більш точний опис явища. Цей факт відкрив абсолютно нові перспективи у вивченні ГМІ, але прийшлось мати справу з більш складною математикою.
(II) Застосування: Після спостереження ГМІ у магнітно-м'яких аморфних стрічках і проводах, ефект був вивчений в декількох системах, в тому числі в звичайних матеріалах, тонких плівках, в шаруватих структурах, монокристалах, аморфних мікродротах, нанонитках та інших. Кожна інша система відображає особливості, які можуть бути цікавими для низки практичних застосувань, багато які з них вже запропоновані і випробувані як лабораторні зразки.
(III) Як інструмент: Глибше розуміння механізму ГМІ дозволяє прогнозувати деяку очікувану поведінку, зокрема припущення, і дозволяє використовувати ГМІ в якості додаткового інструменту для дослідження деяких внутрішніх і зовнішніх магнітних властивостей нових штучно вирощених м'яких магнітних матеріалів.
2. ГМІ: ОСНОВНІ АСПЕКТИ І ТЕОРІЇ
У залежності від частоти f протікання змінного струму I, який проходить через зразки, гігантський магнітоімпеданс можна грубо розділити на три різні режими: (I) в низькочастотному діапазоні від 1 -10 кГц зміна напруги на кінцях зразка виникає через магнітну індукцію, яка була широко вивчена Морі і співавторами [11]. (II) На більш високих частотах, аж до декількох МГц, інтенсивно вивчається гігантський магнітоімпеданс, ефект в основному викликаний зміною глибини магнітного проникнення через сильну зміну ефективної магнітної проникності викликане зовнішнім магнітним полем [3]. (III) При дуже високих частотах, порядку ГГц, спостерігаються величезні зміни глибини проникнення, і сильні зміни імпедансу зразка відбуваються за рахунок феромагнітного резонансу (ФМР) [12]. Опишемо кожен режиму більш докладно.
2.1. Низькочастотний режим
В області низьких частот струму, він створює окружне магнітне поле, яке змінюються в часі. Це поле викликає кругові зміни магнітного потоку, яке створює поздовжнє електричне поле Е, значення якого на поверхні визначає напруга індуктивності провідника: / / де l довжина провідника і Li внутрішня індуктивність провідника [13]. Якщо провідник однорідний, вираз для Li просто /[14].
Загалом, завдяки напрузі індуктивності визначається внутрішня індуктивність яка, у свою чергу, залежить від просторового розподілу кругової проникності в провіднику. При зміні в часі струму низької частоти, який тече через феромагнітний зразок, з'являється змінна напруга VT (повна напруга) між кінцями провідника. Ця загальна напруга є сумою резистивної напруги VR, і індуктивної напруги VL, так що VT = VR + VL = RI - (iw/c2)LiI, де R є опір зразка. При прикладанні зовнішнього постійного магнітного поля Hex застосовується, кругова компонента намагніченості і кругова проникність змінюються, що призводить до суттєвої зміни загальної напруги. Якщо визначити електричний комплексний опір як Z=VT / I= Z1 + iZ2, він враховує те, що при відносно низьких частотах, залежність опору від поля пов'язана з її індуктивністю, яка просто пропорційна окружній проникності [14]. Це основна і проста ідея також відноситься і до інших режимів, тобто зовнішнє поле діє тільки як агент, щоб викликати зміни в ефективній проникності.
2.2Помірний частотний режим
У помірному масштабі частот кілька МГц, поле створювало зміну імпедансу зразків, яку було вперше визнано в якості ефекту ГМІ [2,5]. Різку зміну імпедансу незабаром інтерпретували в термінах класичного скінефекту в магнітних провідниках зі скалярною магнітною проникністю, як наслідок зміни глибини проникнення змінного струму спровокованого зовнішнім магнітним полем.
Комплексний опір Z циліндричного магнітного провідника і нескінченно плоскої плівки, відповідно [15,16],
/
І
/
де /, J0 і J1 функції Бесселя першого роду, а радіус провідника, t товщини плівки і δ є глибина магнітного проникнення, визначається з:
/
де σ -- електропровідність, f-частота струму вздовж зразка і μΦ- магнітна проникність. У зв'язку з високою магнітною проникністю м'яких магнітних матеріалів, скін-ефект проявляється на частотах нижчого порядку, ніж очікується для немагнітних провідників з аналогічною провідностю. Hex знову викликає зміни в круговій проникність а отже зміну глибини проникнення і в результаті зміну Z. Таким чином, для феромагнетика магнітне поле залежить від проникності що є основним чинником, що визначає поведінку ГМІ.
Таким чином, проблема пояснення ГМІ полягає в реакції конкретного зразка еквівалентній проблемі розуміння тенденцій її проникністі. У феромагнітних матеріалах, завдяки спричиненому зв'язку між магнітним полем Hex та індукції В, змінюється проникність, і як правило, комплексний тензор, який залежить не тільки від частоти f і зовнішнього магнітного поля Hex, але й від деяких інших параметрів, таких, як амплітуда змінного магнітного поля, створюваного змінним струмом, механічні напруги, температури і т. д. Для розуміння експериментальних результатів і для поліпшення нових матеріалів ГМІ було розвинено декілька теоретичних моделей ГМІ. Основне завдання теорії, знайти наближене вираження для ефективної окружної проникності, яка найкраще описує реакцію доменної структури від змінного струму накачування і прикладеного зовнішнього поля. Зазвичай, як рух доменних стінок так і обертання намагніченості сприяють проникності [14,17]: //, де μfot і μmov є відповідні внески до ефективної окружної магнітної проникності. При відносно низьких частотах, f <500 кГц, обидва вклади несуть відповідальність за процес намагнічування. На більш високих частотах, коли скінефект сильніший, рух
//
Рис.1(а).Залежність імпедансу Z від поля (випадок подвійного піку) для стрічки складу (Fe0.053Co0.947) 70Si12B18 представлений попереднім відпалом при 360˚C (1год) і наступний відпал напруження при 340˚C (застосовується напруження розтягу 400 МПа). (б) Те ж саме для стрічки до згаданого відпалу (одно-пікова поведінка) і частотна залежность імпедансу при прикладанні нульового поля.
доменної стінки сильно загасає через вихрові струми і намагніченість обертання домінує [18]. Високочастотне зростання опору виражається формулою. (1) і показує, що Z пропорційна квадратному кореню з добутку проникності та частоти [15]. У цьому виразі, вважають кругову проникність скалярною величиною, розглянемо приклад з перпендикулярною магнітною анізотропією. Коли Hex збільшується вздовж напрямку, осі жорсткого намагнічення, намагніченість в кожному домені обертається в напрямку осі, тому підвищується проникність і тим самим збільшуюється опір Z. Максимальна проникність досягається при прикладанні статичного поля, що зрівноважується з поперечним анізотропним полем Нк, точка де опір має максимальне значення [19,20]. Подальше збільшення Hex призводить до ситуації, коли циклічний процес намагнічування стає домінуючим над обертанням намагніченості і в наслідок цього / зменшується, досягаючи постійної і дуже малої величини. Імпеданс Z має таку ж поведінку. Таким чином, якщо прикладене зовнішнє магнітне поле приймає значення від / до / в повздовжньому напрямку, в кривій імпедансу від прикладеного поля спостерігаються два піки (два піки поведінки GMI) як видно на рис. 1(а) для аморфної стрічки / , яка представлена попередньо відпалом при 360 ° С(через 1 год) і з наступним відпалом напруження при 340 ° C (використовується тиск, 400 МПа) [21 , 22]. Термічна обробка індукує чітку магнітну анізотропію перпендикулярну осі стрічки [21,22]. З іншого боку, якщо зразок має легку поздовжню вісь намагнічування (поздовжня магнітна анізотропія), поперечна намагніченість завжди домінує над обертальними процесами і опір відображає одноманітне зменшення від / (виражається одним піком) для того ж зразка, як на рис. 1 (а), але виміряний до вище зазначеного відпалу.
2.3. Високочастотний режим
Для того щоб повністю зрозуміти експериментальні дані, деякі автори [19,20] спочатку представляють квазістатистичні моделі засновані на мінімізації рівняння вільної енергії для деякої конкретної доменної структури. Хоча такого роду моделі не враховують динамічні ефекти, пов'язані з швидким рухом намагніченості, вони корисні для пояснення експериментальних результатів в області низьких частот і для отримання важливих магнітних параметрів (див. розділ 4 нижче). Паніна і Морі теоретично дослідили вплив вихрострумового загасання руху доменних меж на ефекті ГМІ [13]. Їхня модель діє в проміжному режимі частоти, де кругова намагніченість руху доменних меж, як і раніше значна. На більш високих частотах, коли намагніченість обертання повністю домінує над процесом намагнічування, динамічні характеристики відіграють важливу роль, і більш складна модель повинна бути заснована на спільному рішенні рівнянь Максвелла та рівняння Ландау-Ліфшиця намагніченості руху. Ця процедура добре відома з теорії феромагнітного резонансу [23]. Для досягнення цього завдання, Панін та ін. [14] вивели ефективну динамічну проникність / провідника з круговою або гвинтовою анізотропією і тонкої плівки з площинною одноосьовою анізотропією. Ця модель, та ін [24,25], не враховують обмінної взаємодії в скін-шарі, і тому є просто наближенням для феромагнітних металів. Єлен та ін. [12] показали, що теорія феромагнітного резонансу в металах, розроблена більш ніж 40 років тому, яка явно враховує обмінний ефект, повністю узгоджується зі спостережуваним ефектом ГМІ при досить високих частотах. Після такого роз'яснення зявилася велика кількість робіт, що використовують цей підхід для пояснення ефекту в різних ситуаціях. Менар і ін. [26] вирішили задачу для ізотропних аксіально насичених провідників і, пізніше для ненасичених анізотропних провідників [27]. Краус застосував підхід для плоскої геометрії, беручи плівку з одноосьовою анізотропією [16], яка показує, що обмінний ефект відіграє важливу роль у реакції ГМІ. Брітель та ін. [28] недавно повідомили про спостереження як феромагнітного резонансу так і антирезонансу в магнітному металі з використанням техніки ГМІ.
3. НЕДАВНІ ЕКСПЕРЕМЕНТАЛЬНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ЗАСТОСУВАННЯ
Надзвичайно важко зробити повний огляд всіх опублікованих експериментальних даних по ГМІ, тому що велика кількість робіт були опубліковані за останні кілька років. Кажучи загалом, звичайні вимірювання досдіджуються для перевірки обгрунтовання деяких теоретичних моделей, у той час як різні геометричні конфігурації та методи використовуються для збору нових ідей для якихось незрозумілих моментів. Крім того, велика кількість досліджень має справу з різними видами матеріалів, які піддаються широкому спектру відпалів, які застосовують з метою спонукання конкретної магнітної анізотропії і зміни реакції ГМІ.
3.1. Останні експериментальні результати
З моменту свого відкриття,ГМІ вивчався в широкому діапазоні систем. По-перше, ГМІ спостерігався в однофазних обємних структурах, як магнітно-м'які аморфні провідники [2,5,17] і стрічки [4,29,30]. Невдовзі зрозуміли, що найбільш важливою характеристикою хорошого елементу ГМІ є магнітна м'якість, і тому він був вивчений в м'яких нанокристалічних феромагнетиках [31-33], в кристалічних смугах Mumetal [34,35], розпорошених тонких плівках [30,36 ], в багатошарових структурах [37,38]. Крім того, добре відомо, що магнітна анізотропія системи (її інтенсивність, напрям і розподіл) може сильно вплинути на поведінку ГМІ [16,39,40]. Таким чином, ряд досліджень виконують всіма видами відпалів, для того щоб спонукати конкретну анізотропію: поле відпалу [41], тиск відпалу [42,43], кручення відпалу [44,45] і джоулевий нагрів [35,46] та їх комбінації [47,48] вони були випробувані в різних системах, з дуже цікавими результатами. Більштого, магнітопружна анизотропія може відігравати важливу роль навіть при кімнатній температурі, і вивчення ГМІ як функції застосування розтягування [17,49,50] або торсіонного кута [51,52] показали, що опір може бути хорошим показником для створення чутливих датчиків розтягу чи кручення. Крім того, ГМІ широко досліджувався в засклених аморфних мікронапівпровідниках [46,53-55].
Останнім часом багато уваги приділяється асиметричному вигляду ГМІ тому що це може бути дуже цікаво для сенсорних пристроїв. У принципі, асиметричний ефект GMI може бути досягнутий при використанні поля зсуву постійного струму, який виробляється від котушки або зсуву постійних магнітів покладених навколо зразка. Іноді ця процедура може бути проблематичною і потребувати іншого механізму. Асиметричний GMI був знайдений в кручених провідниках з гвинтовою анізотропією відхилений постійним струмом [56].. [57]. На основі тензора поверхневого імпедансу, Паніна та ін проаналізували механізм асиметричного ГМІ у крученому провіднику і без кручення (циркулярної анізотропії) обумовлений імпульсом струму, що протікає через зразок і котушку встановлену на ньому [58] . Кілька досліджень заявляють що асиметричний ГМІ у стрічках і провідниках відхиляється постійним струмом [59-61]. Асиметричний ГМІ був також знайдений при взаємодії аморфної стрічки відпаленої в повітрі і слабкого поля (не більше 3 е.) в напрямку осі зразка [62], в взаємодії провідника відпаленого окружним полем, яке створене зсувом постійного струму [63] і крученого відпаленого провідника [64]. У деяких випадках походження досліджуваної асиметрії як і раніше залишається для обговорення [65-67].
Хоча ГМІ здається перспективним для застосування, є деякі недоліки, які необхідно подолати з метою розробки матеріалів для певного пристрою. Наприклад, ГМІ містить релаксації за рахунок післядії проникності [68,69]. Ця післядія ГМІ не бажана для технологічного застосування, але може бути сильно скорочена завдяки відповідним відпалам [22]. Серед інших небажаних ефектів для деяких застосувань ГМІ є гістерезисна поведінка, яка пов'язана з процесом намагніченості. [70]. Як післядії GMI, гістерезис може бути сильно скорочений за допомогою адекватної термічної обробки [71].
3.2. Програми
Багато застосувань ГМІ запропоновані до цих пір. При виборі відповідного матеріалу, а також виконанні конкретної термічної обробки можна адаптувати спеціальну реакцію опору, в залежності до бажаного застосування. Висока чутливість ГМІ до зовнішнього поля постійного струму, частоти струму і напруження розтягу робить магнітно-м'які матеріали особливо зручними для датчиків. Таким чином, з точки зору застосування, багато матеріалів для використання ГМІ були ідеалізовані і розвинені, з дуже цікавими перспективами.
Перша доповідь про технологічне застосування ГМІ з'явилося в 1991 році, ще до його тлумачення, в розвитку магнітних датчиків [64]. Морі запропонував таблицю даних на основі ефекту магнітної індукції для введення рукописних символів в персональний комп'ютер пересуванням звичайної клавіатури персонального комп'ютера [47]. Датчик на основі ГМІ був розроблений з слабкого негативного магнітострикційного провідника CoFeSiB [10]. Залежність ГМІ від тиску на відпалених CoFeB стрічках виявилася перспективною для розробки високочутливих датчиків-тиску [38]. Недавно був розроблений чутливий датчик напрямку з використанням ефекту ГМІ в провіднику FeCo-SiBNd [39]. Можна оцінити широкий спектр нових чутливих елементів [72], таких, як комп'ютерна-головока диска, роторний регулятор, PIN-отвір детектора, датчик напрямку для навігації (електронні компаси), датчики струму, біомедичні датчики, моніторинг автомобільного руху [73] та екологічні датчики [74]. Добрі відгуки стосовно датчиків ГМІ можуть бути знайдені у роботах. [7,35,72]. Порівняння з числом магнітних датчиків може бути знайдено в роботі [50].
4. ГМІ В ЯКОСТІ ІНСТРУМЕНТУ
Оскільки явище ГМІ зараз є більш зрозумілим, то можна передбачити деякі очікувані тенденції, а також використати ГМІ в якості додаткового інструменту для дослідження деяких внутрішніх і зовнішніх магнітних властивостей нових штучно вирощених м'яких магнітних матеріалів. У цьому розділі дається огляд деяких робіт, які використовують ГМІ для отримання відповідних параметрів зразків.
Потенційне застосування ГМІ ефекту як інструменту для дослідження було вже реалізоване в одній з перших робіт, де пристосування опору порівняно з частотною кривою дала в результаті скалярну кругову проникність для провідника FeCoSiB [2,74], параметр, який важко отримати з використанням звичайних магнітних методів. За допомогою простих наближень, можна було розвивати корисну модель для візуалізації ефекту ГМІ у аморфних і нанокристалічних напівпровідниках, що призводить до грубих підрахунків глибини магнітного проникнення /, а також кругової проникності /, використовуючи одне єдине вимірювання замість всієї частотної залежності [31,74]. Альтернативний підхід був розроблений Валенсуелою та іншими [75], досліджування ГМІ використанням еквівалентних схем. У цьому імпедансному спектроскопічному формалізмі можна показати, що провідник CoFeBSi може бути наближений до серії / ланки, пов'язаної з паралельним плечем . Ls і Lp є індуктивностями, пов'язаними з обертальним вкладом і доменними стінками /відповідно. / резистивний елемент пов'язаний з згасанням стінок і / пов'язаний з усіма опорами в колі, як в провіднику так і в контактактах. Дана методика дозволяє не тільки оцінити окружну проникність залежно від прикладеного поля, але і для оцінки відповідного обертального вкдаду і внеску доменних стінок для здатності проникності [76].
Зовсім недавно, новий підхід був введений для вивчення ефекту ГМІ [61]. У цьому методі, середнє значення окружної проникності і циклічної петлі гістерезису може бути оцінене за допомогою аналізу Фур'є, розраховується похідна намагніченості від простої ротаційної моделі, зводячи до мінімуму рівнянні вільної енергії. Проста модель пояснює досить добре експериментальні результати для FeCoSiB джоулівським підігрівом провідника створеного постійним струмом (асиметричний випадок), і в даний час проходить випробування для декількох м'яких магнітних систем [77].
Магнітопружні параметри можуть бути вивчені шляхом вимірювання імпедансу. Вплив застосовуватися напруження розтягу на ефект ГМІ було досліджено в закритих аморфних провідниках [17,19,49] і стрічках [78]. Напруження залежності ГМІ можна з легкістю застосувати для оцінки насичення магнетострикційної постійної (Ls) негативних зразків магнітострикції [79].
Пірота та ін. [39] вивчали ГМІ при відпалі напружень в аморфних стрічках і його залежності від кута застосування зовнішнього магнітного поля для перевірки ролі індукованої анізотропії (і її розподілу) і розмагнічувальних чинників у явищі ГМІ. Авторами запропоновано методику експерименту для стримування отриманої "легкої вісі" функції розподілу. Карара та ін. [80] показали, що відповідна інформація про намагніченість динамічних м'яких магнітних матеріалів може бути отримана з вимірів ГМІ. Зовсім недавно, техніка ГМІ була застосована для оцінки еволюції поля анізотропії аморфної стрічки FeNbB в залежності від вмісту заліза [81], у той час ГМІ був поєднаний з магнітною силовою мікроскопією для характеристики доменної структури електроосадження мікропробірок / [82].
Однак, великий потенціал GMI як характеристичного інструменту для м'яких феромагнітних металів виявився лише нещодавно, після величезних успіхів у теоретичних моделях. Менар і ін. [26] встановили чітку відповідність між ГМІ і кривою намагнічування, і використовували його для дослідження і моделі доменної структури в заскленій аморфній дротині. Сірану та ін. [83] виміряли ГМІ аморфних і полікристалічних дротин (поточні частоти лежать у діапазоні 10-6 ГГц). З піка кривих ГМІ, вони змогли оцінити намагніченість насичення /, яка добре узгоджується з безпосередньо виміряними значеннями за допомогою вібраційного магнітометра. Вони використовували динамічну модель намагнічування для ГМІ на основі феромагнітного резонансу, який передбачає пряму лінію (нахил якої залежить тільки від/) /в порівнянні з ділянкою /, будучи в резонансі частот і резонансі поля /. Пізніше, Менар і ін. [84] розробили модель для високочастотного опору в випадку м'яких магнітних провідниках, отримуючи вираз Ландау-Ліфшиця , який пов'язаний з згасанням параметра / для максимального значення імпедансу провідника в феромагнітному резонансі. Ця модель отримала подальший розвиток і застосовується для виведення комплексної проникності аморфних провідників з вимірів ГМІ [85]. Дослідження, розроблені у групі Єлонса завершилися спостереженням як феромагнітного резонансу так і антирезонансу в магнітних металах з використанням ГМІ техніки з яких можна вивести, придатну залежність поля резонансної і антирезонансної частоти, гіромагнетне відношення, поле анізотропії і намагніченість насичення зразка з добре узгодженими параметрами, отриманими за допомогою традиційних вимірів [86].
Така різноманітність експериментів ясно показує, що гігантський магнітоімпеданс дійсно надає потужний інструмент для характеристики внутрішніх властивостей магнітних металів. Завдяки підвищеній чутливості і простоті використання, ГМІ можна порівняти, включаючи ряд переваг, з традиційними методами, такими як поперечна сприйнятливість і феромагнітний резонанс.
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора