Barkhausen-ilmiö ja hystereesi ferromagneettisissa ohutkalvoissa
Voimanen, Eerik (2020)
2020
Tekniikan ja luonnontieteiden kandidaattiohjelma - Degree Programme in Engineering and Natural Sciences, BSc (Tech)
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2020-05-25
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202005155380
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202005155380
Tiivistelmä
Tässä kandidaatintyössä tutkitaan epäjärjestyksen voimakkuuden vaikutusta hystereesiin ferromagneettisissa ohutkalvoissa. Barkhausenin ilmiö liittyy statistisen fysiikan ongelmiin. Siinä ulkoisen magneettikentän muuttuessa tasaisesti kappaleen magnetisaatio muuttuu hyppien. Barkhausenin ilmiötä voidaan analysoida simulaatioiden avulla. Barkhausen-hyppyjen analyysiä ei ole tehty juurikaan mikromagneettisen simuloinnin avulla, ja tämän vuoksi tulokset ovat mielenkiintoisia.
Työssä tehdään Barkhausen-analyysiä mikromagneettisen simuloinnin avulla. Simulointiin käytetään avoimen lähdekoodin Mumax-ohjelmistoa. Tässä työssä simuloitava alue on kooltaan 512 nm x 512 nm x 2 nm ohutkalvo. Simulointialue koostuu kuutiokopeista, joiden kunkin sivun pituus on 2 nm. Tuolle alueelle simuloidaan kvasistaattista hystereesiä, jossa ulkoinen magneettikenttä muuttuu äärettömän hitaasti. Tämä on toteutettu Mumaxissa muuttamalla ulkoista magneettikenttää pienissä askelissa ja minimoimalla askeleiden välissä magneettinen energia koko systeemille. Epäjärjestyksen voimakkuutta säädetään kunkin alkeismagneettikopin anisotropia-akselin suuntaa muuttamalla. Työssä käydään läpi myös lyhyesti Mumaxin ominaisuuksia ja tässä työssä ohjelmiston käyttämää laskentatapaa.
Tulosten analysointia varten muodostetaan simuloinneista hystereesikäyriä ja redusoidun magneetisaation konfiguraatioiden kuvia. Simulaatiodatasta saadaan myös hystereesikäyrien pinta-alojen kuvaaja epäjärjestyksen voimakkuuden funktiona ja Barkhausen-kuvaajia. Epäjärjestyksen voimakkuuden havaitaan vaikuttavan hystereesikäyrien muotoon ja pinta-alaan. Epäjärjestyksen voimakkuuden vaikutus hystereesikäyriin havaitaan jakautuvan kahteen osaan. Heikommalla epäjärjestyksellä hystereesikäyrien pinta-ala pienenee epäjärjestyksen voimakkuuden kasvaessa, kun taas vahvemmalla epäjärjestyksellä epäjärjestystä kasvattaessa hystereesikäyrän pinta-ala pysyy likimain vakiona.
Statistista analyysiä Barkhausen-hyppyjen kokojakaumalle suorittaessa voimakkaalla epäjärjestyksellä magnetisaation muutokset noudattavat potenssilakia. Heikommalla epäjärjestyksellä magnetisaation muutokset noudattavat potenssilakia tiettyyn maksimikokoon asti. Tuo maksimikoko pienenee epäjärjestyksen voimakkuuden madaltuessa.
Työssä tehdään Barkhausen-analyysiä mikromagneettisen simuloinnin avulla. Simulointiin käytetään avoimen lähdekoodin Mumax-ohjelmistoa. Tässä työssä simuloitava alue on kooltaan 512 nm x 512 nm x 2 nm ohutkalvo. Simulointialue koostuu kuutiokopeista, joiden kunkin sivun pituus on 2 nm. Tuolle alueelle simuloidaan kvasistaattista hystereesiä, jossa ulkoinen magneettikenttä muuttuu äärettömän hitaasti. Tämä on toteutettu Mumaxissa muuttamalla ulkoista magneettikenttää pienissä askelissa ja minimoimalla askeleiden välissä magneettinen energia koko systeemille. Epäjärjestyksen voimakkuutta säädetään kunkin alkeismagneettikopin anisotropia-akselin suuntaa muuttamalla. Työssä käydään läpi myös lyhyesti Mumaxin ominaisuuksia ja tässä työssä ohjelmiston käyttämää laskentatapaa.
Tulosten analysointia varten muodostetaan simuloinneista hystereesikäyriä ja redusoidun magneetisaation konfiguraatioiden kuvia. Simulaatiodatasta saadaan myös hystereesikäyrien pinta-alojen kuvaaja epäjärjestyksen voimakkuuden funktiona ja Barkhausen-kuvaajia. Epäjärjestyksen voimakkuuden havaitaan vaikuttavan hystereesikäyrien muotoon ja pinta-alaan. Epäjärjestyksen voimakkuuden vaikutus hystereesikäyriin havaitaan jakautuvan kahteen osaan. Heikommalla epäjärjestyksellä hystereesikäyrien pinta-ala pienenee epäjärjestyksen voimakkuuden kasvaessa, kun taas vahvemmalla epäjärjestyksellä epäjärjestystä kasvattaessa hystereesikäyrän pinta-ala pysyy likimain vakiona.
Statistista analyysiä Barkhausen-hyppyjen kokojakaumalle suorittaessa voimakkaalla epäjärjestyksellä magnetisaation muutokset noudattavat potenssilakia. Heikommalla epäjärjestyksellä magnetisaation muutokset noudattavat potenssilakia tiettyyn maksimikokoon asti. Tuo maksimikoko pienenee epäjärjestyksen voimakkuuden madaltuessa.
Kokoelmat
- Kandidaatintutkielmat [10016]