Автореферат (Исследование магнитных свойств суперпарамагнетика в области точки Кюри)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТИМЕНИ М.В.ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиУДК 537.621, 537.634.2, 537.638.214,537.638.5, 538.955РОД Ирина АндреевнаИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВСУПЕРПАРАМАГНЕТИКА В ОБЛАСТИ ТОЧКИ КЮРИСпециальность 01.04.11 – физика магнитных явленийАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМОСКВА2007Работа выполнена на кафедре общей физики физического факультетаМосковского государственного университета им. М.В.ЛомоносоваНаучный руководительдоктор физико-математических наук,профессор В.И.НиколаевОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор С.А.Никитиндоктор физико-математических наук,профессор Ю.Г.РудойВедущая организацияЯрославский государственный техническийуниверситетЗащита состоится «19» апреля 2007 года вчасов на заседаниидиссертационного совета К 501.001.02 в Московском государственномуниверситете им.

М.В.Ломоносова по адресу: 119992 ГСП-2, г. Москва,Ленинские горы, МГУ, физический факультет, аудитория.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУим. М.В.Ломоносова.Автореферат разослан «» марта 2007 года.Ученый секретарьдиссертационного совета К 501.001.02,кандидат физико-математических наукИ. А. Никанорова21. Общая характеристика работыАктуальность темы. В последние годы особый интерес у специалистов,занимающихся синтезом и исследованием новых материалов, вызываютфизические свойства наночастиц вещества. Среди прочих их особенностейбольшой интерес представляют магнитные свойства. Интерес к малымчастицам мотивирован прежде всего тем, что их свойства могут сильно, дажекачественно, отличаться от свойств сплошных макроскопических тел. Кпримеру, в определенных условиях теплоемкость атомных кластеров можетстать отрицательной [1] − явление, не наблюдавшееся в макроскопическихтелах. Другое качественное изменение при переходе от сплошной среды кнаночастицам − появление магнетизма в неферромагнитных материалах [2−6].Магнитные наночастицы обладают уникальной структурой и свойствами,многие из которых имеют практическую ценность.

В таких объектах частозависятотструктурыфундаментальные,обычно«структурно-нечувствительные» в случае «массивных» магнетиков характеристики [7],такие как температура Кюри, намагниченность насыщения и др. Этаособенностьдаетвозможностьулучшатьсуществующиеисоздаватьпринципиально новые конструкционные и функциональные материалы.Магнитные свойства наночастиц до сих пор остаются малоизученными.Этот нетривиальный факт можно связывать с тем, что для реальных системнаночастиц характерен разброс их размеров, что с неизбежностью приводит кразмытию измеряемых на опыте величин, описывающих их свойства, в томчисле и магнитные. В такой ситуации представляет несомненный интересисследование магнитных свойств систем наночастиц в рамках достаточнореалистичной модели, которая позволила бы выявить их особенности изакономерности.Цель работы. Основная цель исследований − выявление особенностей изакономерностей магнитных свойств наночастиц в области точки Кюри наоснове формализма, использующего модель Ланжевена, модифицированнуюпри помощи теории молекулярного поля.Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:31) изучение основных особенностей магнитной фазовой диаграммысуперпарамагнетика;2) выявление особенностей парапроцесса в суперпарамагнетике на основеанализа температурно-полевых зависимостей его магнитной восприимчивости;3) исследование температурно-полевых зависимостей магнитострикции,теплоемкости и магнетокалорического эффекта в суперпарамагнетике вобласти точки Кюри;4) исследование магнитных свойств суперпарамагнетика на основепредставлений о критических явлениях.Научная новизна.

Научная новизна диссертационной работы состоит втом, что впервые в рамках модифицированной модели Ланжевена проведенодетальное исследование магнитных свойств (намагниченности, магнитнойвосприимчивости магнитострикции, магнитной аномалии теплоемкости,магнетокалорического эффекта) суперпарамагнетика в области температурвыше точки Кюри.

Показано, что при анализе парапроцесса в наночастицах вдополнение к обычной полевой восприимчивости необходимо ввести врассмотрение восприимчивость, которая связана с ростом релаксирующегомагнитного момента частицы. На основе представлений о критическихявлениях проведен расчет критических индексов для температурно-полевыхзависимостей магнитных свойств суперпарамагнетика. Показано, что дляполученныхзначенийкритическихиндексоввыполняютсяизвестныетермодинамические неравенства Рашбрука, Гриффитса, Куперсмита, чтоподтверждает реалистичность используемой модели описания магнитныхсвойств суперпарамагнетика. Проведен анализ двух механизмов влиянияангармонизма колебаний поверхностных атомов на температуру Кюримагнитных наночастиц, −обусловленных обрывом обменных связейповерхностных атомов и тепловым расширением наночастиц.

Предсказанавозможность наблюдения «возвратного» магнетизма в системе наночастиц.Практическая ценность работы. Полученные результаты могут бытьиспользованы при интерпретации экспериментальных данных о температурнополевых зависимостях магнитных свойств суперпарамагнетика.4На защиту выносятся следующие основные положения:1. НаосновемодифицированноймоделиЛанжевенапроведенокомплексное исследование магнитных свойств наночастиц в области точкиКюри−магнитострикции,магнитнойаномалиитеплоемкости,магнетокалорического эффекта.

Выявлены характерные особенности этихсвойств.2. Впервые проведен анализ основных механизмов влияния ангармонизмаколебанийповерхностныхатомовнатемпературуКюримагнитныхнаночастиц.3. Показано, что вклад в изменение точки Кюри наночастиц, вызванныйангармонизмомколебанийповерхностныхатомов,можетбытькакотрицательным, так и положительным, и его величина может достигатьнескольких десятков процентов от величины точки Кюри.4.

Впервые рассмотрен вопрос о возможности возникновения состояния«возвратного» магнетизма наночастиц.5. Впервые магнитные фазовые переходы в ансамбле наночастицрассмотрены на основе представлений о критических явлениях.Апробация работы. По результатам работы автором сделаны доклады наследующих конференциях: Международной конференции “Physics of liquidmaterials: modern problems” (Киев, 31 мая 2001 г.), Международномсимпозиуме по магнетизму (Москва, 20−24 июня 2002 г.), 2-й Международнойконференции “Physics of liquid matter: modern problems” (Киев, 12–15 сентября2003 г.), Всероссийской научной конференции ВНКСФ–10 (Москва, 1–7апреля 2004 г.), Международной конференции “Physics of liquid materials:modern problems” (Киев, 27–31 мая 2005 г.), Международном симпозиуме помагнетизму (Москва, 25−30 июня 2005 г.), Международном форуме понекристаллическим телам “International Workshop on Non-Crystalline Solids”(Gijon, Spain, 20−23 июня 2006 г.), 12-й Международной Плесскойконференции по магнитным жидкостям (Плес, 30 августа–2 сентября 2006).Публикации.Основныерезультатыдиссертационнойработыопубликованы в 13 работах, список которых приведен в конце автореферата.5Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения,шести глав, заключения, списка научных публикаций автора и спискацитируемой литературы из 115 наименований. Общий её объём составляет124 страницы текста, включая 51 рисунок и 8 таблиц.2. Краткое содержание работыВо Введении обоснована актуальность проводимых исследований,сформулированы цель и основные задачи работы, охарактеризована научнаяновизна полученных результатов.Глава1представляетсобойобзорлитературныхданныхпоисследованию магнитных свойств наночастиц.Общие свойства наночастиц как объекта физических исследованийобсуждаются в разделе 1.1, где описаны условия, при которых наночастицыпроявляютсуперпарамагнитныесвойства,атакжеперечисленытакназываемые экспериментальные критерии суперпарамагнетизма.

Описаниюхарактерных магнитных свойств наночастиц посвящен раздел 1.2. В этомразделе обсуждается влияние размеров частиц на намагниченность, точкуКюри наночастиц, их магнитотепловые свойства. В разделе 1.3 данаклассификация систем наночастиц по структурным свойствам, которыеобуславливаюттеилииныемагнитныеихсвойства,атакжесистематизированы литературные данные о возможных типах распределениячастиц по размеру. Методы синтеза систем магнитных наночастиц краткоописаны в разделе 1.4.

Здесь же обсуждаются возможности контроля основныххарактеристик систем наночастиц в процессе их синтеза. Раздел 1.5 посвященосновным методам исследования свойств магнитных наночастиц.Основные модели описания магнитных свойств наночастиц обсуждаютсяв разделе 1.6. Подробно охарактеризована модель описания температурнополевых зависимостей намагниченности суперпарамагнетика, сочетающая всебе возможности обычной модели Ланжевена и модели молекулярного поля.Модифицированная таким образом модель Ланжевена позволяет описывать6температурную зависимость намагниченности σ(T) суперпарамагнетика вобласти температур вблизи точки Кюри TC, − как ниже нее, так и выше [8].В разделе 1.7 обсуждается классификация фазовых переходов поЭренфесту, а также известные экспериментальные данные об особенностяхмагнитных фазовых переходах в системах магнитных наночастиц.В Главе 2 приводятся результаты исследования парапроцесса в системаходинаковых невзаимодействующих магнитных частиц.

В качестве основыформализма была выбрана модифицированная модель Ланжевена. Онапозволяет получить систему из следующих двух уравнений, описывающих какповороты момента µ, вызванные тепловым движением, так и истинноенамагничивание частицы (парапроцесс) [8]:⎧ σΜ ⎛ µ0Η Μ ⎞⎟,=L⎜⎜⎪⎟ΜΜ0 ⎝ kΤ Μ 0 ⎠⎪ 0⎪⎪Μ⎡⎤⎨⎢1 Τ 1+ Μ⎥kΤΜσΜ⎪C ⎢0⎥.ln−=⎪ΜΜΜ0 ⎥Μ 0 µ B Η ⎢ 2 ΤC1−⎪ 0⎢⎥Μ0⎪⎩⎣⎦(1)( 2)Здесь M и σ − соответственно удельная намагниченность частицы и средняя еёпроекция на направление поля H, M0 − удельная намагниченность M приабсолютном нуле температур, L(x) − функция Ланжевена, Η′ ≡ kΤС/µ0 −характеристическое поле, N (≡ µ0/µB) − номинальный магнитный моментчастицы, выраженный в магнетонах Бора.В разделе 2.1 показано, что в области парамагнетизма (T > TC) приналожении магнитного поля, превышающего некоторое критическое значениеHcrit, может наблюдаться восстановление магнитного порядка внутринаночастиц, в результате чего для них возможен переход из парамагнитногосостояния в состояние индуцированного суперпара-магнитизма.