Диссертация (Исследование магнитных наноструктур методами малоугловой дифракции нейтронов и синхротронного излучения), страница 4

. . (или ACBACB. . . ) соответствует гранецентрированной кубической решетке (ГЦК) опалоподобного кристалла. Двуслойная последовательность ABABAB. . . соответствуетгексагональной плотнейшей упаковке (ГПУ). А произвольное чередованиеслоев A, B и C образует случайную гексагональную плотнейшую упаковку (СГПУ). Далее проводящие подложки использовались в качестве электрода для электрохимического осаждения металлов никеля или кобальта в поры опаловой матрицы.

В зависимости от времени электрофореза иэлектрохимического осаждения металлов получались пленки прямых (матрица) и инвертированных (ферромагнитный материал) опалов различнойтолщины от 500 нм до 20-25 мкм.Очевидно, что постоянный рост производства периодических наноразмерных структур требует как развития новых исследовательских инструментов, так и пересмотр уже имеющихся методик исследования. До23недавнего времени большинство исследователей использовали малоугловое рассеяние нейтронов (МУРН) и малоугловое рентгеновское рассеяние(МУРР) [208–217] для изучения разупорядоченных сред с наномасштабными частицами и неоднородностями - гели, микроэмульсии, коллоидныесистемы, полимерные цепи с различной конформацией и степенью запутанности [217–219], стали и сплавы с радиационными повреждениями структуры [220], гранулированные наноматериалы [208], керамика и пористыематериалы [221–223], ферромагнитные или ферримагнитные частиц в органических или неорганических жидкостях [224–226], биологические макромолекулы и клетки [227].

Как правило, в таких объектах характеризуетсяформа и размер рассеивающих частиц [228–234], термическая стабильность(процессы агломерации и фазового разделения) [235–239], типы взаимодействия между частицами и зависимости потенциалов взаимодействия отконцентрации частиц [240–246], размеры агломератов [243, 247–253] и кластеров [252, 254, 255].Искусственно создаваемые пространственно упорядоченные наноразмерные структуры с периодом от единиц до сотен и тысяч нанометров меняют характер рассеяния, трансформируя его в Брэгговскую дифракциюс характерными для нее максимумами. Отличия данной дифракционнойкривой от обычных дифракционных кривых рассеяния на атомарных объектах будут следующие:1.

она регистрируется в области очень малых значениях переданныхимпульсов, благодаря чему этот метод получил название малоугловаядифракция;242. размер рассеивающих объектов в упорядоченных наноструктурах гораздо больше атомных размеров, значит взаимодействие излученияс наночастицами, как правило, на порядки сильнее, чем с индивидуальным атомом. Поэтому наноструктуры дают мощное когерентноерассеяние, что позволяет исследовать небольшие по размерам образцы;3.

наночастица - уже не квантовый объект, и, следовательно, она индивидуальна, не похожа на другие частицы в структуре, что всегдаприводит к некоторому беспорядку. То есть брэгговские максимумыпри малоугловой дифракции всегда значительно уширены,4. в случае исследования магнитных наночастиц система брэгговскихмаксимумов от ядерной и магнитной структур будут совпадать.Суммируя все вышесказанное, целью настоящей диссертационной работы является разработка методов малоугловой дифракции нейтронов исинхротронного излучения, демонстрация их использования в исследовании структуры и магнитных свойств пространственно упорядоченных двумерных и трехмерных ферромагнитных нанокомпозитов, синтезированныхна основе матриц с упорядоченным или разупорядоченным распределением пор, а также, определение корреляции магнитных и структурныхсвойств исследованных метаматериалов на базе комплиментарного подходас привлечением набора исследовательских методик - электронный парамагнитный резонанс, широкоугольная дифракция синхротронного излучения,мессбауэровская спектроскопия, SQUID магнитометрия, электронная микроскопия.25Для достижения цели исследования были поставлены и решены следующие задачи:1.

Разработать способ исследования нанокомпозитных материалов наоснове мезопористой матрицы диоксида кремния с внедренными нанонитями железа методом малоугловой дифракции нейтронов.2. Интегральными магнитными методами и методом малоугловой дифракции поляризованных нейтронов исследовать магнитные свойства нанонитей железа, внедренных в поры мезопористой матрицыдиоксида кремния, полученных при разных температурах отжига нафинальной стадии синтеза образцов.3. Взаимодополняющими методами электронной микроскопии, широкоугольной дифракции синхротронного излучения, Мессбауэровскойспектроскопии и электронного парамагнитного резонанса провестикомплексное исследование структурных свойств нанокомпозитныхматериалов на основе мезопористой матрицы диоксида кремния.4. На основании полученных данных о структурных и магнитных свойствах нанокомпозитов железо/мезопористая матрица показать применимость метода малоугловой дифракции для однозначного определения причин скоррелированного поведения магнитной и пространственной структуры образцов и когерентного поведения ансамбля нанонитей железа.5.

Исследовать структурные и магнитные свойства пленочных гетероструктур гранулированная пленка/полупроводниковая подложка, об-26ладающих эффектом гигантского инжекционного магнетосопротивления, методами рефлектометрии поляризованных нейтронов и синхротронного излучения в скользящей геометрии.6. Исследовать интегральные магнитные свойства пленочных гетероструктур гранулированная пленка/полупроводниковая подложка методом SQUID-магнитометрии.7.

На основании данных, полученных из экспериментов рефлектометрии поляризованных нейтронов и малоуглового рассеяния синхротронного излучения в скользящей геометрии определить влияниепространственной структуры гранулированной пленки на ее магнитные свойства и, как следствие, на эффект гигантского инжекционногомагнитосопротивления.8. Методом малоугловой дифракции нейтронов исследовать структурупленок мезопористого оксида алюминия, полученных методом двухстадийного окисления, определить параметры структуры (диаметрпор, их периодичность) в зависимости от качества исходного алюминия.9. Исследовать магнитные свойства пространственно-упорядоченныхмассивов нанонитей никеля, заключенных в поры матрицы мезопористого оксида алюминия методом малоугловой дифракции поляризованных нейтронов.10.

На основании анализа трех вкладов в рассеяния нейтронов - ядерного, магнитного и интерференционного - определить корреляцию маг-27нитной и ядерной структур пленочных нанокомпозитов и дать описание процессам перемагничивания ансамбля никелевых нанонитей.11. Разработать способ аттестации структурного упорядочения искусственных опалов, синтезированных на основе коллоидных микросферполистирола и диоксида кремния, методом ультрамалоугловой дифракции синхротронного излучения.12.

Провести исследование структурного упорядочения искусственныхопалов методом ультрамалоугловой дифракции синхротронного излучения.13. Определить зависимость степени упорядочения структуры опаловойматрицы от величины и знака потенциала подложки при синтезе методом вертикальной электродепозиции.14. Провести аттестацию структурных свойств инвертированных опалоподобных структур, полученных на основе ферромагнитных материалов никеля и кобальта, методом ультрамалоугловой дифракции синхротронного излучения.15.

Разработать способ исследования инвертированных ферромагнитныхопалов методом малоугловой дифракции поляризованных нейтронов.16. На основании исследования магнитных свойств инвертированныхопалов методом малоугловой дифракции поляризованных нейтронов,а также полученных структурных данных построить модель пространственного распределения локальной намагниченности в трехмерном метаматериале в зависимости от направления и величины28внешнего магнитного поля.Научная новизна. В представленной диссертации разработаны методы малоугловой дифракции нейтронов и синхротронного излучения, которые впервые использовались для исследования нанокомпозитов двумерных и трехмерных ферромагнитных наночастиц, синтезированных на основе матриц с упорядоченным или разупорядоченным распределением пор:нанонити железа, заключенные в поры матрицы диоксида кремния, ферромагнитные наночастицы на основе мембран оксида алюминия, пленкидиоксида кремния с ферромагнитными наногранулами кобальта, опалоподобные диэлектрические матрицы и инвертированные на их основе ферромагнитные опалоподобные структуры.

Таким образом, рассмотрен целыйнабор наноструктурированных материалов, отличающихся друг от друга1) наличием порядка или беспорядка в пространственном расположениимагнитных наночастиц в диэлектрических матрицах, 2) параметрами анизотропии магнитных наночастиц от квазисферических до сильно анизотропных - нанонити, или нанопроволки, 3) двумерным или трехмернымраспределение наночастиц в пространстве, 4) размерами наночастиц - отединиц нанометров до сотен нанометров в одном измерении.Результаты экспериментальных исследований получены авторомвпервые и привели к созданию методологического подхода, основанного напринципах использования комплиментарности методик неразрушающегоконтроля с применением малоугловой дифракции ионизирующих излучений и традиционных методов магнитометрии и структурного анализа.Научная и практическая ценность.