Диссертация (Исследование магнитных наноструктур методами малоугловой дифракции нейтронов и синхротронного излучения)

ПРАВИТЕЛЬСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ"САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ"На правах рукописиГригорьева Наталья АнатольевнаИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНЫХ НАНОСТРУКТУРМЕТОДАМИ МАЛОУГЛОВОЙ ДИФРАКЦИИ НЕЙТРОНОВИ СИНХРОТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ01.04.07 — физика конденсированного состоянияДиссертация на соискание учёной степенидоктора физико-математических наукНаучный консультант:д.ф.-м.н.,старший научный сотрудникГригорьев С.В.Санкт-Петербург 20162ОглавлениеВведение71 Методы малоугловой дифракции нейтронов и синхротронного излучения для исследования наносистем.

Описаниетемплатного способа синтеза нанокомпозитов481.1 Методы малоугловой дифракции синхротронного излучения491.1.1Ультрамалоугловое рассеяние синхротронного излучения. Переход к малоугловой дифракции . . . . . .1.1.249Рефлектометрия синхротронного излучения. Малоугловое рассеяние синхротронного излучения в скользящей геометрии . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .631.2 Методы малоугловой дифракции нейтронного излучения . .671.2.1Малоугловое рассеяние поляризованных нейтронов.Переход к малоугловой дифракции . . . . . . . . . . .69Рефлектометрия поляризованных нейтронов . . . . .781.3 Описание экспериментальных установок . . . . . . . . . . . .831.2.21.3.1Установка малоугловой дифракции нейтронов .

. . .1.3.2Установка рефлектометрии поляризованных нейтронов 851.3.3Установка ультрамалоуглового рассеяния синхротронного излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.3.48388Установка рефлектометрии синхротронного излучения 9231.4 Описание способов синтеза магнитных наносистем с различной степенью упорядочения .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .941.4.1Синтез наночастиц в упорядоченных матрицах . . . .941.4.2Синтез наноматериалов c использованием процессовсамоорганизации изотропных коллоидных частиц . . 1031.4.3Синтез наночастиц в аморфных матрицах с неупорядоченным распределением пор . . . .

. . . . . . . . . 1072 Структурные и магнитные свойства нанокомпозитных материалов на основе мезопористой матрицы диоксида кремния (пример исследования 1D нанокомпозитов с ближнимпорядком)1092.1 Постановка задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1092.1.1Образцы . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1102.2 Аттестация структурных свойств нанокомпозитных материалов на основе мезопористой матрицы диоксида кремния . . 1112.2.1Электронная микроскопия. . . . . . . . . . . . . . . 1112.2.2Дифракция синхротронного излучения . . . .

. . . . 1142.2.3М¨ессбауэровская спектроскопия . . . . . . . . . . . . 1192.2.4Электронный парамагнитный резонанс . . . . . . . . 1232.3 Магнитные свойства нанокомпозитных материалов на основемезопористой матрицы диоксида кремния . . . . . . . . . . . 1302.3.1Магнитометрические измерения . . . . . . . . . . . . 1302.3.2Малоугловая дифракция поляризованных нейтронов1412.4 Выводы . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15543 Структурные и магнитные свойства пленочных гетероструктур SiO2 (Co)/GaAs, обладающих эффектом гигантского инжекционного магнитосопротивления (пример исследования неупорядоченных 2D нанокомпозитов)1583.1 Постановка задачи . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . 1583.2 Постановка эксперимента . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1603.3 Аттестация структурных свойств гранулированных пленокCo(x ат.%)/SiO2 на подложке GaAs . . . . . . . . . . . . . . 1623.4 МагнитныесвойствагранулированныхпленокCo(xат.%)/SiO2 на подложке GaAs . . . . .

. . . . . . . . . . . . 1693.4.1Рефлектометрия поляризованных нейтронов . . . . . 1693.4.2Магнитометрические измерения . . . . . . . . . . . . 1743.5 Обсуждение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1783.6 Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 1824 Структурные и магнитные свойства нанокомпозитов на основе мезопористых матриц Al2 O3 (пример исследования 1Dнанокомпозитов с дальним порядком)1854.1 Структура пленок анодированного оксида алюминия методом малоугловой дифракции нейтронов . . . . . . . . . . . . 1864.1.1Постановка задачи . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . 1864.1.2Образцы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1864.1.3Результаты измерений и их обсуждение . . . . . . . . 18854.2 Пространственно-упорядоченные массивы магнитных нанонитей: исследование методом малоугловой дифракции нейтронов . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1964.2.1Постановка задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1964.2.2Образцы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1964.2.3Результаты измерений и их обсуждение . . . . . . . . 1974.3 Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2065 Малоугловая дифракция в исследовании структурных имагнитных свойств опалоподобных нанокомпозитов (пример исследования 3D нанокомпозитов с дальним порядком)2095.1 Искусственные опалы - опалоподобные структуры на основешаров из диоксида кремния и полистирола .

. . . . . . . . . 2095.1.1Постановка задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2095.1.2Образцы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2115.1.3Исследование структурного упорядочения искусственных опалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2135.1.4Выводы . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . 2275.2 Инвертированные опалоподобные структуры на основе ферромагнитных материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2305.2.1Постановка задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2305.2.2Образцы . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . 2315.2.3Исследование структурных свойств инвертированныхопалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23465.2.4Исследование магнитных свойств инвертированныхопалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2425.2.5Выводы . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . 269Основные результаты и выводы273Литература2777ВведениеАктуальность темыИсследования физических свойств магнитных наноструктурированных материалов стало одним из основных направлений в современной науке. Это связано, во-первых, с быстрым развитием технологий синтеза,что позволяет создавать наноструктуры со сложным химическим составом, сложной геометрией, а значит труднопредсказуемыми физическимисвойствами.

Во-вторых, исследование пространственно упорядоченных наноструктур позволяет решать фундаментальные задачи коллективного поведения ансамблей наночастиц, связанные, например, с процессами самоорганизации. В-третьих, сочетание магнитных свойств материалов с упорядоченностью наноразмерных элементов, как правило, приводит к появлению сложной магнитной структуры, исследование которой чрезвычайноинтересно с точки зрения развития теории магнетизма. В-четвертых, магнитные наноструктурированные материалы активно используются в высокотехнологичных отраслях промышленности:• для нужд вычислительной техники и других магнетоэлектронныхустройств как магнитные материалы, позволяющие увеличиватьплотность записи и хранения информации за счет уменьшения геометрических размеров отдельного бита, или как элементы магнитнойлогики [1–11];8• в стелстехнологиях для создания универсальных экранов и перестраиваемых фильтров электромагнитного излучения в областях от 1 ГГцдо 100 ТГц [12–14];• в микро- и наноэлектронике как материалы, обладающие гигантскиммагнетосопротивлением [15–17];• в биомедицине и фармакологии [18–33]и так далее.

Таким образом, исследование магнитных наноматериалов интересно проводить для решения, как фундаментальных вопросов в областиматериаловедения, так и прикладных задач, связанных с использованием магнитных наночастиц. А определение взаимосвязи функциональныхсвойств с топологией, структурой, размерностью и параметрами магнитных наносистем дает возможность производить направленный поиск и оптимизацию процессов синтеза наноструктур для их практического применения.В 1995 году Глайтером [34] была предложена первая классификациянаноструктурированных материалов, включающая нульмерные 0D, одномерные 1D, двумерные 2D и трехмерные 3D структуры.

В 2000 и 2007годах Скороход с соавторами модифицировали и дополнили первоначальную классификацию, но принцип деления наноструктур по их размерностисохранился [35, 36]. К нульмерным наночастицам относятся массивы однородных или гетерогенных частиц (квантовые точки), квантовые точки соструктурой ядро-оболочка, с луковичной формой, в форме полых сфер,нанолинзы.

На основе 0D наноматериалах работают лазеры светоизлучающие диоды, одноэлектронные транзисторы, солнечные батареи [37–45]. На-9нопроволоки, наностержни, нанотрубки, нанополоски, наноленты, иерархические наноструктуры принадлежат к классу одномерных наноструктур 1D [46–62]. В качестве фотокатализаторов, сенсоров, нанореакторов инаноконтейнеров, шаблонов для синтеза двумерных структур с другимифизическими свойствами используются такие 2D наноструктурированныематериалы как нанопризмы, нанопластины, нанолисты, нанодиски, наносоединения (непрерывные островки), разветвленные структуры [63–73]. Кклассу трехмерных 3D наноструктур относятся нанотаблетки, наношары(дендритные структуры), наноконусы, нанокатушки, наноцветы.

Эти наноматериалы характеризуются большой удельной поверхностью и эффектами размерного квантования, что определяет области их применения: катализ, молекулярный транспорт, магнитные и оптомагнитные материалы,электроды для батарей [74–87].В зависимости от размерности и состава магнитных наноматериалов,их топологии и формы, в системе могут формироваться различные магнитные состояния. Например, изотропные наночастицы с диаметром порядкаразмер одного домена обычно являются пара- или суперпарамагнетиками,которые характеризуются малыми значениями температур блокировки ипрактически нулевой коэрцитивной силой при комнатной температуре [88].Если увеличенивать анизотропию формы магнитных наночастиц, вынуждая магнитный момент ориентироваться вдоль продольной оси частицы,это приведет к существенному улучшает ее магнитных свойств, в частности к увеличению коэрцитивной силы [89]. Пространственное распределение наночастиц и их взаимная ориентация (топология магнитных наносистем) позволяют контролировать наличие контактов между магнитными10частицами, то есть создавать объекты с различной величиной обменных идипольных взаимодействий, приводящих к коррелированному поведениюмагнитных моментов соседних наночастиц в процессе перемагничивания.В настоящее время наиболее широкое распространение получили магнитные носители информации, использующиеся для записи звука и изображения, для хранения любой цифровой информации.