Materiales magnéticos con aplicaciones en electronica


Los materiales magnéticos constituyen unos de los grupos de materiales con diversas aplicaciones en el campo de las ciencias e ingenieríasActualmente el uso de estos materiales es de sumo interés en el ámbito de almacenamiento de información, en especial en el caso de las computadoras, mientras que los semiconductores sirven como base a la memoria primaria, los discos magnéticos y las cintas son capaces de almacenar grandes cantidades de informaciónPero, ¿Qué hace tan especial a este tipo de materiales?

Las propiedades magnéticas macroscópicas de los materiales son consecuencia de los momentos magnéticos asociados a los electrones individuales. En un átomo cada electrón tiene momentos magnéticos que se originan de dos fuentes distintas. Cuando el electrón se mueve alrededor del núcleo, genera un campo magnético muy pequeño debido a que es una carga en movimiento, por lo tanto presenta un momento magnético a lo largo de su eje de rotación, simultáneamente el electrón gira sobre sí mismo alrededor de un eje, el otro momento magnético se origina del espín del electrón, el cual está dirigido a lo largo el eje de spin. Entonces un electrón en un átomo se puede considerar como un pequeño imán que tiene momentos magnéticos tanto de orbitales como de spin. 
En cada átomo individual, los momentos orbitales y de spin de algunos pares electrónicos se cancelan unos con otros, por lo cual el momento magnético neto de un átomo es la suma de los momentos magnéticos de los electrones constituyentes.
Por lo tanto las propiedades magnéticas se derivan de la naturaleza de los electrones apareados o desapareados. Los compuesto con todos los electrones apareados son muy débilmente repelidos por un imán o campo magnético y se conocen como compuestos diamagnéticos (p. ej.: NaCl, Xe, K2SO4). Los materiales que tienen electrones desapareados son débilmente atraídos por un campo magnético y se conocen como paramagnéticos. En los compuestos paramagnéticos los espines debidos a los electrones desapareados están desordenados al azar debido a la agitación térmica. Sin embargo, cuando se enfría esos materiales suelen tener una transición a un estado ordenado magnéticamente. Cuando los espines se ordenan de forma paralela resulta un momento magnético neto y estos compuestos se denominan ferromagnéticos (conocidos generalmente como imanes). Cuando los espines se ordenan de forma antiparalela el momento neto es cero y los compuestos se denominan antiferromagnéticos. La temperatura de transición puede ser mayor o menor que temperatura ambiente. Para compuestos antiferromagnéticos se denomina temperatura de Neel y para ferromagnéticos temperatura de Curie. Por ejemplo, las temperaturas de Curie de Fe, Co y Ni son 770, 1123 y 358 ºC, respectivamente. Mientras que el Fe-α CCI es ferromagnético, el Fe-γ es paramagnético.
Los ferromagnéticos son muy importantes debido a las diferentes aplicaciones que se derivan de la propiedad de tener los espines alineados. Dentro de un material ferromagnético hay subestructuras conocido como dominios. Un dominio magnético es una porción del cristal de volumen pequeño 10-4 mmdonde todos los espines están alineados de forma paralela mientras que el momento magnético resultante de cada dominio está aleatoriamente orientado respecto de los restantes. Cuando un campo magnético externo se aplica sobre un material ferromagnético desmagnetizado, los dominios alineados en la dirección del campo crecen y se produce la rotación de los momentos de los dominios. Una vez retirado el campo magnético del ferromagnéto, este permanecerá magnetizado.
Se pueden distinguir dos tipos de materiales según sean sus propiedades para magnetizarse o desmagnetizarse, los materiales blandos y duros.
Los materiales magnéticos blandos son aquellos que se pueden magnetizar y desmagnetizar fácilmente con campos H externos de baja intensidad, cuando se remueve el campo H, muestran una baja magnetización, muestran alta permeabilidad magnética y baja coercitividad Hc.
Los materiales magnéticos duros son aquellos difíciles de magnetizar debido a que requieren altos campos coercivos Hc, esta característica se ve reflejada en las curvas de histéresis de los materiales duros vs materiales blandos. 
Aplicaciones materiales magnéticos blandos
Los vidrios metálicos son una clase relativamente nueva de materiales magnéticos suaves cuya característica dominante es una estructura no cristalina (amorfa). Se fabrican por un proceso de solidificación rápida. Los vidrios metálicos tienen propiedades notables: son fuertes, duros y muy resistentes a la corrosión. Consisten esencialmente en combinaciones de los metales ferromagnéticos Fe, Co y Ni con los metaloides B y Si. En los vidrios metálicos, al no haber fronteras de grano, las paredes de los dominios se mueven con facilidad, las pérdidas de histéresis son muy pequeñas y poseen una alta permeabilidad. El material más común se denomina Metglas (Fe80B20 ® Metglas 2605). Este tipo de materiales encuentra aplicaciones en transformadores de energía, sensores magnéticos de posición ó deformación y cabezas de grabación.
Las ferritas magnéticas blandas son otro tipo de materiales magnéticos blandos, Tienen la composición MO×Fe2O3 (M = Fe2+, Mn2+, Zn2+) con estructura de espinela inversa. Presentan emanaciones de saturación elevadas aunque menor que en los materiales ferromagnéticos. Presentan una alta resistividad eléctrica siendo prácticamente aislantes. Esto motiva bajas pérdidas de energía por corrientes parásitas, factor importante por ejemplo en aplicaciones a altas frecuencias. Sus aplicaciones más importantes son en baja señal transformadores e inductores de baja energía, núcleos de memoria, cabezas de grabación, por ejemplos espinelas Mn-Zn y Ni-Zn, aparatos audiovisuales, transformadores de líneas ó bobinas de convergencia para televisión.
Las ferritas magnéticas blandas como MnZn y NiZn tienen aplicaciones en la supresión de interferencia electromagnética (EMI supression) de los circuitos o componente electrónicos esta interferencia es producida por una fuente externa al mismo.
Aplicaciones de los materiales magnéticos duros
El oxido de hierro es un material magnético duro que se ocupa como recubrimiento de los platos de los discos duros, estos pueden almacenar información digital mediante el medio magnético el cual puede ser fácilmente borrado y escrito y puede recordar la información de las partículas magnetizadas por un largo periodo de tiempo.
La información en un disco duro es almacenada en dominios magnéticos muy pequeños por lo cual es posible que pueda almacenar una gran cantidad de información en un espacio pequeño.
Los platos del disco duro están hechos de cerámicas o aluminios finamente pulidos y revestidos por ambos lados de una fina capa de oxido de hierro, el número de discos así como la composición del material magnético que los recubre determinan la capacidad de este. Las cabezas son las responsables de la lectura y escritura de los datos en los discos. Las cabezas escriben en los discos los datos procedentes del controlador de disco alineando las partículas magnéticas sobre las superficies de los discos, para escribir la cabeza se sitúa sobre la celda a grabar, esta recibe una corriente que provoca un campo magnético el cual pone la posición en que se encuentra en 0 ó 1 dependiendo del valor del campo magnético provocado por la corriente (fenómeno histéresis magnética, el campo induce una magnetización en el disco que codifica 1 ó 0, esta codificación permanece en ausencia del campo pero se puede borrar aplicando un campo de sentido contrario). Las cabezas leen los datos mediante la detección de las polaridades de las partículas.
Los materiales como FE-Pt, Fe-Pd y Co-Pt son de igual manera materiales magnéticos duros que se usan en memorias Mram.
Un chip de Mram está hecho de millones de pares de platos delegados ferromagnéticos llamados células memoria, estos sándwiches magnéticos consisten en dos capas magnéticas (Fe-Pt, fe-Pd, co-Pt), separadas por una delgada capa aislante. Cada capa magnética tiene una polaridad, ambas capas pueden orientarse paralelamente, donde las dos tienen sus momentos magnéticos en la misma dirección o donde sus momentos magnéticos están orientados en distintas direcciones, estas orientaciones magnéticas corresponden a los estados de memoria binaria 0 y 1.


Otros casos especiales
La molécula C60 se hace un ferromagnéto orgánico con el complejo TDAE-C60 (TDAE= tetrakisdietilaminoetileno), de igual manera los fullerenos polimerizados a altas temperaturas muestran también un comportamiento ferromagnético, esto podría ser debido al auto dopaje, en donde electrones provenientes de cajas rotas incrementan la conductividad. Con este tipo material se podrían tener grandes aplicaciones en el área de la microelectrónica, en el recubrimiento de platos de discos duros usando técnicas de spintronica, sensores magnéticos, barras magnéticas, códigos de identificación etc. 
Patricia Martínez Mtz. ID:125984 
Jorge Martínez Díaz ID:132373 

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