Material Science

The resistivity then depends on collisions. Quantum mechanics tells us that electrons behave like waves. One of the effects of this is that electrons do not scatter from a perfect lattice. They scatter by defects, which can be: – atoms displaced by lattice vibrations – vacancies and interstitials – dislocations, grain boundaries – impurities One can express the total resistivity ρtot by the Matthiessen rule, as a sum of resistivities due to thermal vibrations, impurities and dislocations. Fig. 19.8 illustrates how the resistivity increases with temperature, with deformation, and with alloying..

Electronic and Ionic Conduction In metals, the current is carried by electrons, and hence the name electronic conduction. In ionic crystals, the charge carriers are ions, thus the name ionic conduction. Energy Band Structures in Solids When atoms come together to form a solid, their valence electrons interact due to Coulomb forces, and they also feel the electric field produced by their own nucleus and that of the other atoms. In addition, two specific quantum mechanical effects happen. First, by Heisenberg’s uncertainty principle, constraining the electrons to a small volume raises their energy, this is called promotion. The second effect, due to the Pauli Exclusion Principle, limits the number of electrons that can have the same property (which include the energy). As a result of all these effects, the valence electrons of atoms form wide valence bands when they form a solid. The bands are separated by gaps, where electrons cannot exist. The precise location of the bands and band gaps depends on the type of atom (e.g., Si vs. Al), the distance between atoms in the solid, and the atomic arrangement (e.g., carbon vs. diamond). In semiconductors and insulators, the valence band is filled, and no more electrons can be added, following Pauli’s principle. Electrical conduction requires that electrons be able to gain energy in an electric field; this is not possible in these materials because that would imply that the electrons are promoted into the forbidden band gap. In metals, the electrons occupy states up to the Fermi level. Conduction occurs by promoting electrons into the conduction band, that starts at the Fermi level, separated by the valence band by an infinitesimal amount.

Recording data onto a disk has obvious advantages with respect to access times, as the head can readily be moved to the appropriate place on the disk whereas a tape would need to be rewound or advanced. There are two types of disk: floppy and hard. The principles of manufacturing and recording on floppy disks are very similar to that of particulate magnetic tape, i.e. the same particulate materials on a plastic substrates. Hard disk drives are formed on a rigid substrate, usually aluminium, which is around 2mm thick. On to the substrate are deposited several layers: an under layer to help adhesion (~10nm nickel phosphide); a layer of chromium (5-10nm) to control orientation and grain size of magnetic layer; the magnetic layer (50nm PtCo with various additions of Ta, P, Ni, Cr); a protective overcoat (e.g. 10-20nm zirconia) and finally lubricant to reduce friction and wear of the disk (e.g. a monolayer of long chain fluorocarbons). The magnetic layer forms a cellular structure of Co-rich magnetic cells in a non-magnetic matrix. These cells act just like particulate recording media but on a much finer scale.

Magnetic tapes are extensively used for recording audio and video signals, although it is unclear how long this technology will continue to be used with the rising popularity of the digital versatile disk (DVD). Tapes can be made with either a particulate media adhered to a plastic substrate or a metal evaporated (ME) film on the substrate. The magnetic layer on a particulate tape is only 40% magnetic material whereas ME tapes have a 100% magnetic layer. Therefore, ME tapes give better quality recording, but they are more time consuming to produce and are more expensive. Particulate tapes are much cheaper and hence account for the majority of magnetic tapes.

A great deal of information can be learned about the magnetic properties of a material by studying its  hysteresis  loop.  A  hysteresis  loop  shows  the relationship  between  the induced magnetic flux density (B) and the magnetizing force (H). It is often referred to as the B-H loop. An example hysteresis loop is shown below. The loop is generated by measuring the magnetic flux of a ferromagnetic material while the magnetizing force is changed. A ferromagnetic material that has never been previously magnetized or has been thoroughly demagnetized will follow the dashed line as H is increased. As the line demonstrates, the greater the amount of current applied (H+), the stronger the magnetic field in the component (B+). At point “a” almost all of the magnetic domains are aligned and an additional increase in the magnetizing force will produce very little increase in magnetic flux. The material has reached the point of magnetic saturation. When H is reduced to zero, the curve will move from point “a” to point “b.” At this point, it can be seen that some magnetic flux remains in the material even though the magnetizing force is zero. This is referred to as the point of retentivity on the graph and indicates the remanence or level of residual magnetism in the material. (Some of the magnetic domains remain aligned but some have lost their alignment.) As the magnetizing force is reversed, the curve moves to point “c”, where the flux has been reduced to zero. This is called the point of coercivity on the curve. (The reversed magnetizing force has flipped enough of the domains so that the net flux within the material is zero.) The force required to remove the residual magnetism from the material is called the coercive force or coercivity of the material. As the magnetizing force is increased in the negative direction, the material will again become magnetically saturated but in the opposite direction (point “d”). Reducing H to zero brings the curve to point “e.” It will have a level of residual magnetism equal to that achieved in the other direction. Increasing H back in the positive direction will return B to zero. Notice that the curve did not return to the origin of the graph because some force is required to remove the residual magnetism. The curve will take a different path from point “f” back to the saturation point where it with complete the loop. From the hysteresis loop, a number of primary magnetic properties of a material can be determined. 1.   Retentivity – A measure of the residual flux density corresponding to the saturation induction of a magnetic material. In other words, it is a material’s ability to retain a certain amount of residual magnetic field when the magnetizing force is removed after achieving saturation. (The value of B at point b on the hysteresis curve.) 2.   Residual Magnetism or Residual Flux – the magnetic flux density that remains in a material when the magnetizing force is zero. Note that residual magnetism and retentivity are the same when the material has been magnetized to the saturation point. However, the level  of  residual  magnetism  may  be  lower  than  the  retentivity  value  when  the magnetizing force did not reach the saturation level. 3.   Coercive Force – The amount of reverse magnetic field which must be applied to a magnetic material to make the magnetic flux return to zero. (The value of H at point c on the hysteresis curve.) 4.   Permeability – A property of a material that describes the ease with which a magnetic flux is established in the component.

Any ferromagnetic or ferromagnetic material that is at a temperature below Tc is composed of small-volume regions in which there is a mutual alignment in the same direction of all magnetic dipole moments. Such a region is called a domain, and each one is magnetized to its saturation magnetization. Adjacent domains are separated by domain boundaries or walls across which the direction of magnetization gradually changes. Normally, domains are microscopic in size and for a polycrystalline specimen, each grain may consist of a single domain. Thus, in a microscopic piece  of  material,  there  will  be  large  number  of  domains  and  all  may  have  different magnetization orientations

Temperature can also influence the magnetic characteristics of materials. The atomic magnetic moments are free to rotate, hence with rising temperature, the increased thermal motion of the atoms tends to randomize the directions of any moments that may be aligned. For ferromagnetic, antiferromagentic and ferrimagentic materials, the atomic thermal motions counteract  the coupling  forces  between  the  adjacent  atomic dipole moments,  causing some dipole misalignment, regardless of whether an external field is present. The result is a decrease in the saturation magnetization for both ferro and ferrimagnets. The saturation magnetization is a maximum at ) K, at which temperature the thermal vibrations are a minimum. With increasing temperature, the saturation magnetization diminishes gradually and then abruptly drops to zero at what is called the curie temperature Tc. The magnitude of the curie temparature varies from material to material; for example, for iron, cobalt, nickel., the respective values are 768,1120,335 and  585  degree  Celsius.  Antiferromagnetism  is  also  affected  by temperature;  this  behavior vanishes at what is called the Neel temperature. At temperatures above this point, antiferromagnteic materials also become paramagnetic.

Soft magnetic materials are those materials that are easily magnetised and demagnetised. They typically have intrinsic coercivity less than 1000 Am-1. They are used primarily to enhance and/or channel the flux produced by an electric current. The main parameter, often used as a figure of merit for soft magnetic materials, is the relative permeability ( mr, where mr = B/moH), which is a measure of how readily the material responds to the applied magnetic field. The other main parameters of interest are the coercivity, the saturation magnetisation and the electrical conductivity.

Hard magnets, also referred to as permanent magnets, are magnetic materials that retain their magnetism after being magnetised. Practically, this means materials that have an intrinsic coercivity of greater than ~10kAm-1. It is believed that permanent magnets have been used for compasses by the Chinese since ~2500BC. However, it was only in the early twentieth century that high carbon steels and then tungsten / chromium containing steels replaced lodestone as the best available permanent magnet material. These magnets were permanent magnets due to the pinning of domain walls by dislocations and inclusions. The movement of dislocations within a material is often hindered by the same factors that effect the motion of domain walls and as a consequence these steels are mechanically very hard and are the origin of the term hard magnetic. These magnets had an energy product of approximately 8kJm–

This phenomenon of magnetic moment coupling between adjacent atoms or ions occurs in materials other than those that are ferromagnetic. In one such group, this coupling results in an antiparallel alignment; the alignment of the spin moments of neighbouring atoms or ions in exactly opposite directions is termed antiferromagentism. Manganese Oxide (MnO) is one such material that displays this behavior. Manganese oxide is a ceramic material that is ionic in character, having both Mn and O ions. No net magnetic moment is associated with O ions, since there is a total cancellation of both spin and orbital moments. However, the Mn ions possesses s nrt magnetic moment that is Material predominantly of spin origin. These Mn ions are arrayed in the crystal structure such that the moments of adjacent ions are antiparallel. Obvioulsy, the opposing magnetic moments cancel one another and as a consequence, the solid as a whole possesses no net magnetic moment.