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Modelamiento y simulación de nanoestructuras magnéticas granulares

Agudelo Giraldo, José Darío (2018) Modelamiento y simulación de nanoestructuras magnéticas granulares. Doctorado thesis, Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín.

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Resumen

Por medio de técnicas computacionales fue posible simular las propiedades físicas de los materiales magnéticos nanogranulares con parámetros ajustados al rango experimental. El modelado a diferentes volúmenes de partícula entregó información acerca de las variables que producen una tendencia al monodominio por grano. La generación de granos virtuales se ajustó a una distribución lognormal de volumen como se exhibe en los informes experimentales. Se consideraron condiciones de contorno periódicas de crecimiento para el en el plano x-y. Se implementó el potencial de Morse bajo el Método de Monte Carlo para la relajación estructural en los límites de grano. Las interacciones magnéticas se simularon bajo el modelo clásico de Heisenberg, con anisotropía magnetocristalina cúbica, donde las direcciones de anisotropía fueron generadas aleatoriamente para cada grano. Las condiciones de contorno periódicas también se consideraron para los momentos magnéticos en el plano x-y. La dinámica de relajación para obtener estados magnéticos probables se realizó por medio del algoritmo Metrópolis a través del Método Monte Carlo clásico. El hamiltoniano utilizó cuatro componentes: i) la interacción de intercambio a vecinos cercanos, con una dependencia de la magnitud con la distancia ii) las contribuciones de anisotropía magnetocristalinas, de superficie y de límite de grano iii) La influencia del campo magnético externo y iv) el efecto de interacción dipolar. El desorden en las fronteras se introdujo en el Hamiltoniano a través de un vector de anisotropía dependiente de las deformaciones por punto reticular. El efecto de la anisotropía con la temperatura también fue tenido en cuenta. Debido al costo computacional, el código requirió ser paralelizado. La muestra se dividió en celdas con acceso a memoria compartida. La implementación de la interacción dipolar consideró la interacción spin-spin con las celdas vecinas más cercanas y una interacción spin-celda con un radio de corte de 5 réplicas. Los resultados se obtuvieron principalmente de la dependencia de la magnetización con la temperatura y los ciclos de histéresis bajo diferentes condiciones. Se presenta un enfoque especial hacia los procesos de ZFC-FC como función de los parámetros del Hamiltoniano y la estructura de la muestra, donde las temperaturas de bloqueo e irreversibilidad proporcionaron información de escenarios en los que se encuentran estados multidominio. Los resultados permitieron concluir que i) Se pueden encontrar tendencias al monodominio por grano con el incremento del espesor, el volumen del grano y los cambios en los parámetros de anisotropía de frontera ii) Se obtuvo un escenario de cambio de estado de monodominio perpendicular a multi-dominio en el plano mediante el incremento del espesor, generado principalmente por la competencia entre la anisotropía superficial y la interacción dipolar iii) la metaestabilidad en películas con tendencia al monodominio simuladas bajo condiciones similares evidencia que se puede producir un efecto superparamagnético producto del efecto aislante de la anisotropía en las fronteras de grano., Abstract: By mean of computational techniques, it was possible to simulate the physical propertiesof nano-granular magnetic materials with adjusted experimental parameters. The modelling at different particle volumes delivered information about the variables which produce a monodomain tendency by grain. The generation of virtual grains was adjusted to a lognormal volume distribution as is presented in experimental reports. The periodic boundary conditions for the growth were considered in x-y plane. The Morse potential under the Monte Carlo Method was implemented for the structural relaxation in the grain boundaries. The magnetic interactions were simulated under the classical Heisenberg model with cubic magneto-crystalline anisotropy, where anisotropy directions were randomly generated by each grain. Periodic boundary conditions were also considered for magnetic moments in x-y plane. The relaxation dynamic for obtaining probable magnetic states was performed by mean of Metropolis algorithm, via classic Monte Carlo Method. The Hamiltonian used presented four components: i) the exchange magnetic interaction to near neighbours with a distance dependency ii) the magneto-crystalline, surface and grain boundary anisotropy contributions iii) The external magnetic field influence and iv) The dipolar interaction effect. The boundary disorder was introduced in the Hamiltonian through a disorder vector that depended on the cubic deformations by lattice point. The effect of anisotropy temperature dependence was also introduced. Due to the computational cost, the code required to be parallelized. The sample was divided in cells with shared memory access. Dipolar interaction implementation considered spinspin interaction to nearest neighbour cells and a spin-cell interaction with a cut-off radius of 5 replicas. The results were obtained mainly from magnetization temperatura dependence and hysteresis loops at different conditions. A special focus was presented to the ZFC-FC processes as a function of sample structure parameters, where blocking and irreversibility temperatures provide information about the scenarios in which multidomain sample states are found. The results allowed to conclude i) Tendencies to monodomain per grain can be found with the increments of thickness, the grain volume and changes of boundary anisotropy parameters ii) a change of mono-domain state in the film from perpendicular direction to multi-domain state presenting mono-domain per grain (or small set of grain) and in-plane directions is obtained by thickness increments. That situation is mainly generated by surface and dipolar interaction competence iii) metastability around of mono-domain in films with similar simulation condition evidenced that an superparamagnetic

Tipo de documento:Tesis/trabajos de grado - Thesis (Doctorado)
Colaborador / Asesor:Restrepo Parra, Elisabeth
Palabras clave:Nanotecnología, Modelamiento y Simulación, Propiedades Magnéticas, Nanogranular magnetic materials,, Thin films, Monte Carlo, Grain volume, Heisenberg model,, Boundary anisotropy, Superparamegnetic effect, Mono-domain pergrain, Blocking temperature
Temática:6 Tecnología (ciencias aplicadas) / Technology > 62 Ingeniería y operaciones afines / Engineering
Unidad administrativa:Sede Medellín > Facultad de Minas > Escuela de Ingeniería de Materiales
Código ID:70342
Enviado por : Jose Dario Agudelo Giraldo
Enviado el día :16 Enero 2019 13:18
Ultima modificación:16 Enero 2019 13:18
Ultima modificación:16 Enero 2019 13:18
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