 |
Глава 2 Методики исследований
|
|
|
|
БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Выпускная работа по
«Основам информационных технологий»
Магистрантки
физического факультета
кафедры энергофизики
Касюк Юлии Владимировны
Руководители:
к. ф.-м. н. Федотова Юлия Александровна
ст. преподаватель Кожич Павел Павлович
Минск – 2008
Оглавление
Оглавление 2
Список обозначений к выпускной работе 3
Реферат на тему «Применение ИТ в исследовании свойств нанокомпозиционных материалов» 4
Введение. 4
Глава 1 Обзор литературы.. 5
Глава 2 Методики исследований. 8
Глава 3 Пример использования ИТ в исследовании структуры нанокомпозитов FeCoZr-Al2O3 14
Глава 4 Обсуждение результатов. 22
Заключение. 22
Список литературы к реферату. 23
Предметный указатель к реферату. 25
Интернет-ресурсы в предметной области. 26
Действующий личный сайт в WWW.. 28
Граф научных интересов. 29
Презентация магистерской диссертации. 31
Список литературы к выпускной работе 32
Приложение 33
Список обозначений к выпускной работе
ИТ – информационные технологии,
ЯГР-спектроскопия – ядерная гамма-резонансная спектроскопия,
δ – изомерный сдвиг спектральных линий,
ΔЕ – квадрупольное расщепление спектральных линий,
Нэфф – эффективное сверхтонкое магнитное поле на ядрах железа
Реферат на тему «Применение иТ в исследовании свойств нанокомпозиционных материалов»
Введение
В настоящее время одним из актуальных направлений материаловедения является изучение нанокомпозитных материалов. Нанокомпозитами называются материалы, состоящие из частиц, по своим размерам меньших 100 нм (обычно от единиц до нескольких десятков нм). Такой размер частиц приводит к значительному увеличению их активной площади, что способствует более активному протеканию многих физических и химических процессов. Это, в свою очередь, проявляется в формировании у таких материалов особых механических [1], электрических [2], магнитных [1], магнитотранспортных, оптических [3] и прочих свойств, обусловивших их дальнейшее применение. Магнитные наноматериалы вызывают особый интерес в связи с возможностью создания на их основе сверхчувствительных сенсоров магнитного поля, запоминающей среды с высокой плотностью записи и т.п.
|
|
|
ЯГР-спектроскопия (ядерная гамма-резонансная спектроскопия), основанная на эффекте Мёссбауэра (явлении резонансного поглощении ядерных γ-квантов без отдачи), является мощным инструментом в исследовании структурных и сверхтонких магнитных свойств наноматериалов. Ее достоинствами являются высокая точность определения изменения энергии, позволяющая обнаруживать весьма тонкие эффекты (сверхтонкое расщепление ядерных уровней при электрическом квадрупольном и сверхтонком магнитном взаимодействиях ядер), и возможность обнаружения локальных образований (фаз), присутствующих в образцах в малых количествах.
ИТ (информационная технология) – это совокупность методов, производственных процессов и программно-технических средств, объединенных в технологическую цепочку, обеспечивающую сбор, хранение, обработку, вывод и распространение информации.
В настоящее время информационные технологии широко используются на всех этапах изготовления и, в основном, исследования наноструктурных материалов. И хотя при разработке наноматериалов сегодня пока еще используются в основном экспериментальные методы, все активнее начинают развиваться компьютерные методы моделирования нанотехнологических процессов и наноструктур и создаются специальные программы, способные спрогнозировать состав, характеристики и свойства будущего наноматериала. Подобный подход способствует снижению финансовых затрат и времени на создание нанокомпозита.
|
|
|
Хотя информационные технологии в сфере прогнозирования и создания новых функциональных наноматериалов с заданными характеристиками только начинает развиваться, программное обеспечение в области обработки и интерпретации данных, полученных в ходе исследования свойств нанокомпозитов, достигло достаточно высокого уровня.
Для обработки, интерпретации и анализа данных, полученных методом ЯГР-спектроскопии, достаточно широко применяется программный пакет MOSMOD. Важным средством визуализации данных в научных работах, отчетах и презентациях являются графики, которые удобно создавать с помощью программы Origin. Эти программные средства будут рассмотрены подробно в данной работе.
Таким образом, целью данной работы является анализ подходящих компьютерных программ и рассмотрение процесса проведенной с помощью них последовательной обработки данных, полученных в результате ЯГР-спектроскопии, для описания структуры и некоторых свойств нанокомпозиционных материалов FeCoZr-Al2O3.
Глава 1 Обзор литературы
Как известно, одна наночастица, содержащая небольшое количество атомов, не является стабильной системой при комнатной температуре. Поэтому разработка различных приборов и электронной аппаратуры на основе отдельных наночастиц представляет определенные сложности. В связи с этим ведутся активные работы по созданию более стабильных структур наночастиц, которые при этом сохраняют преимущества наноразмерных систем.
Одним из таких перспективных направлений является изучение нанокомпозиционных материалов, состоящих из металлических наночастиц, хаотически или упорядоченно расположенных в матрице другого, не взаимодействующего с наночастицами материала: металла, полупроводника или диэлектрика. Такие композиции позволяют стабилизировать наночастицы при комнатной температуре.
В настоящее время большой интерес для магнетоэлектроники, включая спинтронику, представляют нанокомпозиционные материалы, содержащие магнитомягкие ферромагнитные наночастицы на основе FeCo, внедренные в диэлектрическую матрицу [4]. Такие гранулированные композиты обладают уникальными физическими свойствами: гигантское магнитосопротивление [5], магниторефрактивный эффект [6], хорошие магнитооптические характеристики [7], высокая поглощающая способность электромагнитного излучения в радиочастотном и микроволновом диапазонах [8], широкий интервал изменения удельного электрического сопротивления [9] и т.п.
|
|
|
Низкая коэрцитивность наряду с высокой намагниченностью насыщения, значительной анизотропией поля в плоскости образца, высокое удельное сопротивление и гигантское положительное или туннельное отрицательное магнитосопротивление обусловили применение этих нанокомпозиционных материалов для конструирования различных магнитоэлектрических устройств с целью создания запоминающей среды со сверхвысокой плотностью магнитной записи, экранирования СВЧ и радиочастот и т.п.
Исследования показали, что максимальные значения МС подобных материалов наблюдаются вблизи такого соотношения металл-диэлектрик, при котором происходит формирование токопроводящей (перколяционной) сети нанокластеров и изменение механизма проводимости с активационного на металлический. Данное соотношение концентраций именуется порогом перколяции. Достижение перколяционной конфигурации в процессе синтеза представляет определенные сложности. Поэтому зачастую необходимо варьировать значение порога перколяции композита путем изменения его структуры.
Изменение структуры и свойств нанокомпозиционных материалов возможно как путем вариации размеров и формы наночастиц при синтезе (изменением методики и условий синтеза), так и применяя различные виды обработки образцов (отжиг, гидрогенизация и т.п.).
Ранее было показано [10], что введение в композиты Fe45Co45Zr10-Al2O3 химически активной примеси (кислорода) препятствует формированию в них токопроводящей сети из-за процессов окисления, происходящих в образцах. Как следствие, синтез образцов в кислород-содержащей среде приводит к существенному изменению их свойств (увеличению коэрцитивности, уменьшению намагниченности, изменению типа проводимости и т.п.) по сравнению с композитами, синтезированными в атмосфере аргона.
|
|
|
Для изучения влияния на структуру и свойств композитов FeCoZr-Al2O3 химически инертной примеси, в образцы вводился водород путем их гидрогенизации. Это позволило повлиять на структуру и свойства указанных композитов в диапазоне концентраций вблизи порога перколяции. Соответствующие изменения были зафиксированы методом ЯГР-спектроскопии и исследованы при помощи специального программного пакета MOSMOD, который является достаточно простым, но вместе с тем исчерпывающим средством обработки данных.
Сегодня ЯГР-спектроскопия (Mossbauer spectroscopy в англоязычной литературе), наряду с различными видами микроскопии, рентгеноструктурным анализом, - один из основных и часто используемых методов исследования структуры материалов (в том числе и наноразмерных). В статьях, посвященных исследованию различных образцов этим методом, редко упоминаются те методы и программы, которые применялись для обработки спектров. Однако в большинстве случаев используются аппроксимация численными методами полученного спектра частично перекрывающимися кривыми Лоренца и программы, построенные на ее основе.
Программа MOSMOD, разработанная в Канаде группой исследователей (Prof. Denis G. Rancourt, Department of Physics, University of Ottawa), занимающихся анализом ЯГР-спектров, несомненно не является единственной в своем роде. Несмотря на то, что она работает под операционной системой DOS, ее широкое распространение связано с удобством и простой использования. Еще одним, широко применяемым пакетом для обработки ЯГР-спектров, является программа, разработанная чешскими исследователи в области ЯГР-спектроскопии, CONFIT2000, работающая с операционной системой Windows. Ее интерфейс несколько сложнее, однако она обладает большими возможностями. Одной из ее принципиальных отличительных особенностей является возможность учета распределения сверхтонких магнитных полей на ядрах изотопа железа [11]. Тем не менее, в большинстве случаев для успешной обработки ЯГР-спектров вполне достаточно возможностей, предлагаемых программой MOSMOD.
В завершении следует отметить, что технический прогресс, способствовавший развитию ИТ, существенно упростил процедуру интерпретации ЯГР-спектров. Первые установки для ЯГР-спектроскопии не подключались к вычислительной технике, и, соответственно, еще не существовало программ для обработки спектров, которые оценивались «на глаз». Такая оценка дает возможность получить некоторую информацию о структуре образца. Однако она – лишь малая часть тех результатов, которые удается «выудить» программными методами из данных ЯГР-спектроскопи.
|
|
|
Глава 2 Методики исследований
Методика синтеза образцов
Для получения наноструктурированных композиционных материалов (Fe45Co45Zr10)x(Al2O3)100-x (x = 42 - 63 ат.%) был применен метод ионно-лучевого распыления (см. рис. 2.1).
1 - вакуумная камера; 2 - вращающийся держатель подложки; 3, 4 - охлаждаемые водой мишени; 5 - источники ионно-лучевого распыления; 6 - источник ионного травления; 7 – компенсатор; 8 - подложки
Рисунок 2.1 - Установка для ионно-лучевого распыления
При использовании этой технологии синтеза образцов необходимо распылять мишени 3 и 4 соответствующего состава и направлять атомы на подложку 8, на которой и синтезируется композит. Испарение материала мишени проводится с использованием пучка ионизированного аргона, направленного на распыляемые мишени. Два источника аргона 5 служат для распыления металлической и диэлектрической компонент материала. Источник 6 используется для предварительной очистки подложки. Держатель 2 подложки 8, который может вращаться с частотой до 2 оборотов в минуту, расположен по периметру вакуумной камеры 1. При осаждении непроводящего материала положительный потенциал, который возникает на поверхности диэлектрика, нейтрализуется специальным компенсатором 7 – источником интенсивного электронного излучения (вольфрамовая проволока диаметром 0,2 мм, которая подключена к отдельному источнику питания).
Магнитная система создает большую напряженность магнитного поля (~80 кА/м) в магнитном зазоре. К аноду прикладывается высокое положительное смещение (1 - 5 кВ). Перпендикулярная конфигурация магнитного и электрического полей в области магнитного зазора приводит к возникновению самостоятельного тлеющего разряда. Выталкиваемые электрическим полем из плазмы ионы аргона создают поток частиц высокой энергии, который направляется на мишень от источника распыления или на подложку от источника ионного травления.
Для напыления аморфных нанокомпозиций использовались составные мишени. Составная мишень представляла собой сплавную мишень заданного состава с закрепленными на ее поверхности несколькими пластинами из алюмооксида толщиной ~ 2 мм и шириной ~ 9 мм, расстояние между которыми изменялось от 3 мм на одном краю мишени до 24 мм на другом. Изменяя число пластин диэлектрика и расстояние между ними, можно изменять соотношение объемов напыляемых магнитного и диэлектрического слоев. Сплавные мишени Co45Fe45Zr10 готовились плавкой в вакууме с использованием индукционной печи из металлов соответствующего состава. Приготовление навесок сплавов осуществлялось из карбонильного особо чистого железа (99,9 %), особо чистого кобальта (99,98 %) и циркония (99,8 %) с весовым содержанием компонентов в соответствии с составом сплава. Расплав соответствующего состава заливался в специально приготовленную керамическую форму в вакууме. Из одной навески сплава выплавлялось две мишени размером 270´70´14 мм. Мишени подвергались шлифовке с двух сторон, припаивались к водоохлаждаемому основанию и устанавливались в позицию распыления.
Напыление проводилось в атмосфере чистого Ar. Предварительно рабочая камера откачивалась примерно в течение одного часа до давления не больше 1·10-5 Торр.
Прежде чем получать аморфные слои, производилось предварительное распыление мишени в течение 30 минут при закрытой подложке с целью снятия верхнего слоя мишени и осаждения его на экранах и других частях камеры. После этого в течение 20 - 30 минут производилась ионная очистка подложки в процессе вращения подложкодержателя. Очистка подложки необходима для улучшения адгезии осаждаемого слоя к подложке. Затем производилось распыление в рабочем режиме получения пленки композиционного материала заданной толщины в течение нескольких часов. Толщина напыляемого слоя определялась временем напыления.
В качестве подложек с целью последующего проведения экспериментов методом ядерной гамма-резонансной спектроскопии в трансмиссионной геометрии была использована алюминиевая фольга.
Гидрогенизация проводилась посредством ионно-лучевой обработки композитов водородом при 350±25 °С в течение 40 мин на первом и 50 мин на втором этапах. Плотность тока составляла 0,18 мА/см2 с энергией 250 эВ. Давление водорода в камере достигало 6,1×10-2 Па.
|
|
|
