Самоорганизованные суперрешетки магнитных частиц

Ансамбли магнитных наночастиц являются одним из типов систем магнитных наноточек и предметом активных исследований [21] по тем же причинам, что и обсуждавшиеся выше наноточки, получаемые осаждением через пористые материалы. Потенциально такие ансамбли могут найти ряд применений [22-25]: в качестве среды для магнитной записи высокой плотности [26], в медицине, как датчики, усилители контраста в магниторезонансных методах и управляемые транспортеры лекарств [27], в технике – как добавка в смазочный материал [28] и т.д. Исследуются различные способы получения самоорганизованных ансамблей, формирующих суперрешетку частиц. Некоторые из способов обсуждаются ниже. Разрабатываемые методы нацелены на развитие технологий с возможностью управлять размером и внутренней структурой осаждаемых наночастиц, с высокой плотностью упаковки, монодисперсностью [29-31], высокой электрической и магнитной изоляцией, требуемыми магнитными характеристиками, требуемыми механическими и антикоррозионными свойствами и т.д.

На рис. 12.15. схематично показан способ осаждения наночастиц из коллоида. Этот способ, по заверениям авторов [32] позволяет получать ансамбли наночастиц частиц контролируемого размера, необходимой координацией поверхности, кристалличности, с монодисперсностью до 1 атомного слоя. Процесс осаждения включает преципитацию с селекцией по размеру, самоорганизацию, формирование сверхрешетки. На рис. 12.15е изображена схема наночастицы с кристаллическим металлическим ядром, окисной поверхностью и монослойной «шубы» органического стабилайзера (сурфактанта). Магнитные свойства наночастицы определяются конкуренцией сильного, но короткодействующего, обменного взаимодействия и дальнодействующего дипольного взаимодействия между спинами, формирующего магнетик. Обрезание дальнодействующего дипольного взаимодействия приводит к (почти) параллельному выстраиванию спинов и формированию однодоменной микромагнитной структуры в наночастицах. Не вдаваясь в детали технологии [33-36], отметим, что вариацией условий осаждения добиваются либо осаждения наночастиц (не обязательно кристаллически бездефектных), либо нанокристаллов (кристаллически

достаточно совершенных). На рис. 12.16 приведено изображение в просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) ансамбля нанокристаллов (6 нм) гпу Со. На рис. 12.17 изображены ансамбли наночастиц четырех составов: (а) ПЭМ с низким увеличением 8 нм частиц сплава Co-Ni; (b) дифракционная картина показывает преимущественную гцк структуру наночастиц; (с) ансамбль многодвойниковых (mt) 8 нм гцк (fcc) наночастиц Со; (d) ПЭМ высокого разрешения более наглядно показывает mt-структуру; (е) ансамбль 6 нм частиц Fe; (f) более высокое разрешение показывает окисный слой; (g) ансамбль 6 нм частиц FePt; (h) изображение наночастицы FePt с высоким разрешением после отжига и формирования гранецентрированной тетрагональной решетки.

 

Магнитные свойства. Суперпарамагнетизм.

Все выше упоминавшиеся наночастицы (Co, Ni, Fe и сплавы) являются однодоменными, как и следовало ожидать из обсуждения в главе VII. Намагниченность M ансамбля невзаимодействующих однодоменных наночастиц после устранения насыщающего поля уменьшается со временем по закону

M(t) µ exp(-t/τ), где τ = f₀^-1exp(KV/k_BT) (12.9)

(см. главу 11), где f₀ ~ 10⁹-10¹⁰ Гц – так называемая частота попыток, К – коэффициент анизотропии, V – объем частицы. Т.е. изолированные ферромагнитные наночастицы подвержены влиянию тепловых флуктуаций как парамагнитные. В главе 10 отмечалось, что такого

рода последействие, падение намагниченности, особенно проявляется при KV £ k_BT. Это явление называется суперпарамагнетизмом.

На рис. 12.18 приведены петли гистерезиса для гпу-Со для Т = 5 К и для диаметров от 3 до 11 нм. (а) и для ε-Со диаметром частиц 9.5 нм при Т от 5К до 300 К (b). Коэрцитивность Н_с уменьшается с уменьшением размера гцк-Со частиц, как это видно из измерений при Т =5 К, рис.12.18а. Резкий спад намагниченности насыщения М при уменьшении размера частиц отражает усиление влияния поверхности по отношению к объему и присутствие 1-2 монослоя окиси Со. Из рис.12.18b видно, что увеличение тепловой энергии (температуры) уменьшает коэрцитивность, т.е. помогает переориентироваться частице вдоль поля. Это также характеризует суперпарамагнитное поведение частиц при Т > T_B (температура блокировки).

На рис. 12.19а намагниченность в функции температуры показана для различных размеров наночастиц при охлаждении в присутствии небольшого поля (10 Э) (FC), и в отсутствии оного (ZFC). В FC (открытые значки) поле фиксирует намагниченность при понижении температуры. В ZFC образец охлаждался в отсутствии поля (при этом намагниченность была малой), а регистрировалась намагниченность при росте температуры в присутствии небольшого поля (сплошные значки). Видно, что теплота помогает выстраивать магнитные моменты вдоль поля, а при Т = T_B две кривые сливаются. На рис. 12.19б приведены коэрцитивные силы в функции размера частиц для различных модификаций кобальта.

Эти результаты демонстрируют возможности технологии самоорганизованных ансамблей монодисперсных наночастиц и оттеняют имеющиеся проблемы с коэрцитивностью наночастиц и суперпарамагнетизмом.

 

 

⇐ Предыдущая10111213141516171819Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: