Диссертация (Исследование магнитных наноструктур методами малоугловой дифракции нейтронов и синхротронного излучения), страница 6

В связи с чем, в работе предложен и реализован метод диагностики магнитныхи структурных свойств пространственно упорядоченных магнитных нанокомпозитов с использованием анализа сечения малоугловой дифракции поляризованных нейтронов, состоящей из ядерного и магнитного вкладов, атакже ядерно-магнитной интерференции. Благодаря предложенной методике, кроме рассеяния на индивидуальных частицах, дающего интегральную информацию в среднем по образцу, было зарегистрировано и проанализировано рассеяние нейтронов на системе пространственно упорядоченных наночастиц, то есть регистрировалось 2 вклада в малоугловое рассеяние: малоугловая дифракция на регулярной структуре пор и рассеяние надефектах в индивидуальных наночастицах, что позволило характеризовать35исследуемые системы на площади, не превышающей 4-6 нм2 .

Показано, чтов нанокомпозитных материалах на основе мезопористой матрицы диоксида кремния с внедренными наночастицами оксида железа, наблюдаетсянеобычный рост когерентности массива магнитных нанонитей в процессеперемагничивания, как для положительных, так и для отрицательных полей. В магнитных полях H > 100 мТ наблюдается когерентное вращениевектора намагниченности отдельных наночастиц как единого ансамбля, апри H < 100 мТ перемагничивание системы магнитных нанонитей происходит по доменному сценарию.На основании анализа всей совокупности экспериментальных данныхсделан вывод о том, что нанонити оксида железа, внедренные в мезопористый оксид кремния при температурах отжига образцов T = 350◦ − 375◦ Симеют оптимальные размеры и магнитные свойства для использования ихв системах записи и хранения информации со сверхвысокой плотностью.Максимальный параметр анизотропии при этом равен 45 ± 2, величинакоэрцитивной силы (54.0 ± 0.1) мТ, при T = 4 К и (22.0 ± 0.2) мТ, при T= 300 К, а намагниченность насыщения 0.61 ± 0.02 emu/g, при T = 300 К.В главе 3 представлены структурные и магнитные исследования магниторезистивных гранулированных пленок SiO2 (x ат.% Co)/GaAs методами рефлектометрии поляризованных нейтронов и синхротронного излучения, малоуглового рассеяния синхротронного излучения в скользящейгеометрии и SQUID-магнитометрии.Показано, что структура ГП неоднородна по толщине и отличаетсяконцентрацией наногранул кобальта и расстоянием между ними: основнойобъем пленки толщиной h1 ≈ 34 нм, содержащий наночастицы диаметром36db ≈ 8 нм с характерным расстоянием между ними l1 в любом пространственном направлении ∼ 7 нм, и интерфейсный слой ПП/ГП толщинойh2 ≈ 7 нм, содержащий наночастицы размером di ≈ 28 х 7 нм2 , с существенно большим характерным расстоянием l2 между гранулами ∼ 30 нмв плоскости пленки.

Предложена модель структуры гранулированных пленок SiO2 (х ат.% Co) на подложке GaAs.Определена связь структурных характеристик ГП и ее магнитныхсвойств. Показано, что в области магнитных полей 0 < H < 0.3 T образцыдемонстрируют типичное суперпарамагнитное поведение, связанное с намагничиванием гранул меньшего размера, находящихся в основном объемепленки, а при увеличении поля Н > 0.8 T наблюдается гистерезисное поведение M(H) вплоть до Н ≈ 1.7 T, связанное с намагничиванием гранулбольшего размера в интерфейсном слое. Сделано заключение, что магнитное взаимодействие интерфейсного слоя ГП/ПП и основной ГП происходит по ферромагнитному сценарию (через взаимодействие Гейзенберга), авзаимодействие интерфейсного слоя с поляризованными электронами, накапливающимися вблизи интерфейса со стороны ПП подложки, - антиферромагнитно (РККИ взаимодействие).Полученные данные и их интерпретация позволяют заключить, что,как минимум, некоторые положения теория ГИМС, предложенной в [127]и основанной на модели однородного электронного слоя he , должны бытьпересмотрены с учетом его неоднородности по толщине.

Также следуетучесть, что 1) на интерфейсе существуют разреженные контакты ГП с ППчерез крупные гранулы кобальта; 2) проводимость ГП вблизи интерфейсаскорее всего понижена, из-за низкой концентрации кобальтовых гранул; 3)37туннельный эффект между гранулами кобальта на интерфейсе отсутствует, из-за разреженности частиц.В главе 4 методами малоугловой дифракции поляризованных нейтронов и электронной микроскопии исследованы массивы магнитных нанонитей никеля, осажденных в диамагнитной матрице оксида алюминия срегулярной двумерной гексагональной структурой пор, охарактеризованыпленки анодированного Al2 O3 в зависимости от качества исходного алюминия. Показано, что метод малоугловой дифракции нейтронов чувствителен к степени упорядочения получаемых наноструктурированных пленоки позволяет проводить аттестацию наноструктур на различных этапах ихсинтеза.Установлено, что использование технического алюминия приводит кформированию пористой структуры с однородным распределение пор поразмерам и расстоянием между соседними порами около 100 нм, однако снизкой степенью упорядочения.

Использование высокочистого алюминия скрупнозернистой структурой приводит к получению пористых пленок с высокой степенью упорядочения пор и, как следствие, к точечной дифракциис большим количеством порядков отражения. Пленки, синтезированные извысокочистого алюминия, были использованы для получения магнитныхнанокомпозитов.В экспериментах по исследованию магнитных нанокомпозитов были проанализированы несколько вкладов в рассеяние: немагнитный (ядерный) вклад, магнитный вклад, зависящий от магнитного поля, и ядерномагнитная интерференция, показывающая корреляцию магнитной и ядерной структур.

На основании результатов анализа получена детальная кар-38тина процесса перемагничивания нанонитей никеля, которые в зависимостиот величины и направления внешнего магнитного поля выступают либо какединый массив нанонитей с когерентным поведением локальных намагниченностей, либо как объект с магнитной доменной структурой.

Продемонстрировано, что метод малоугловой дифракции поляризованных нейтроновдает информацию недоступную стандартным методам магнитометрии.Также в данной главе представлено теоретическое решение для описания нейтронного рассеяния на двумерных пространственно-упорядоченныхсистемах на основе пленок пористого оксида алюминия и теоретическое решение для описания нейтронного рассеяния на пространственноупорядоченных массивах магнитных нанонитей, сформированных в матрице пористого оксида алюминия.Исследование структуры искусственных опалов, синтезированных наоснове микросфер полистирола или оксида кремния, методом ультрамалоугловой дифракции синхротронного излучения представлена в главе 5.

Использование метода малоугловой дифракции позволило аттестовать структуру искусственного опала на макромасштабах и в трех измерениях (повсему объему образца), сделать заключение о наличии и величине дальнего/ближнего порядка, что недоступно другим методикам или аналитическими подходами.Полученные результаты показывают, что применение отрицательного потенциала при синтезе искусственных опалов на проводящих подложках может значительно улучшить их структурные качества. Предложенный способ синтеза является хорошо воспроизводимым для формированиякрупных высококачественных коллоидных кристаллов с контролируемой39толщиной на проводящих подложках.

Получаемые образцы могут использоваться в качестве шаблона для получения так называемых обратных фотонных кристаллов путем электрохимического осаждения материалов требуемого качества в поры между сферами.Показано, что коллоидные кристаллы, состоящие из сферических частиц, удобно рассматривать в терминах плотнейшей шаровой упаковки,собранной из гексагональных плотноупакованных слоёв, каждый из которых может занимать одну из трех неравнозначных позиций A, B или C.Таким образом, структура коллоидного кристалла определяется последовательностью укладки таких слоев.

Анализа дефектов упаковки в искусственных опалах показал, что исследованные образцы преимущественносостоят из фрагментов АВСАВС. . . и АСВАСВ. . . двойников в различномсоотношении, а также содержат области ГПУ и СГПУ. При этом количество различных структурных фаз может регулироваться на стадии синтезаобразцов.Дефектная структура синтетических фотонных кристаллов, полученных методом вертикальной осаждения, может быть удовлетворительноописана с помощью вероятностной модели Вильсона, позволяющей определить вероятность нахождения слоя в ГЦК или ГПУ окружении из анализараспределения интенсивности вдоль диффузных стержней.

Было показано, что для проведения корректного описания сначала должна быть выполнена трехмерная реконструкция обратного пространства, а затем проанализированы ее конкретные участки (например, диффузные стержни).Данный подход позволил определить причину двойникования структурыискусственных опалов, то есть выявить наличие частичных дислокаций40Шокли, возникающих при синтезе опалов. Предложенный метод являетсяуниверсальным и может быть использован, например, для исследованияструктуры сверхрешеток наночастиц и массивов квантовых точек или гетероструктур.Разработанная методика использования малоугловой рентгеновскойдифракции является универсальной и может быть эффективно использована для анализа структуры прямых и инвертированных опалов на основеразличных материалов, коллоидных кристаллов, а также трехмерных фотонных кристаллов других типов. Кроме того, предложенный алгоритм,может быть использован для дифракционного анализа структуры трехмерных упорядоченных метаматериалов с использованием излучения другихтипов, например, нейтронного и лазерного.

В пользу малоугловой рентгеновской дифракции также говорят малые времена получения экспериментальных данных (одно измерение, как правило не превышает 1 минуты),современные двумерные детекторы с хорошим разрешением и низким уровнем электронных шумов, высокая скорость счета вычислительной техникидля проведения 3D реконструкций обратного пространства.

В совокупности все перечисленные факторы позволяют получать информацию о реальной структуре материалов на мезоскопическом уровне, что недоступнодругими методикам, например, растровой электронной, сканирующей зондовой или конфокальной микроскопии.Впервые методом малоугловой дифракции поляризованных нейтронов были исследованы инвертированные ферромагнитные опалоподобныеструктуры с периодичностью порядка 500 ÷ 700 нм, что близко к предельным параметрам существующих в мире малоугловых нейтронных уста-41новок. Были проанализированы три вкладов в рассеяние при поляризации нейтронов, направленной параллельно I(Q, +P0 ) и антипараллельноI(Q, −P0 ) внешнему магнитному полю: немагнитный (ядерный), магнитный вклад, зависящий от внешнего магнитного поля, и ядерно-магнитнаяинтерференция, показывающая корреляцию магнитной и ядерной структур. Анализ величины поляризации нейтронов в зависимости от α – угла между направлением вектора рассеяния Q и направлением магнитногополя H k P0 – показал, что ИОПС на основе никеля характеризуется однородной намагниченностью, в то время как ИОПС на основе кобальтанамагничивается неоднородно и демонстрирует анизотропию в распределении векторов локальной намагниченности, жестко ориентированных вплоскостях типа {202}.В проведенных экспериментах по малоугловой дифракции поляризованных нейтронов также показано, что полевые зависимости амплитудыинтерференционного вклада в рассеяние идентичны кривым перемагничивания, измеренным на SQUID магнитометре, так как интерференционныйвклад пропорционален проекции средней намагниченности на направлениевнешнего магнитного поля (mH), при этом малоугловая дифракция поляризованных нейтронов позволяет определить величину намагниченности вконкретной точке Q пространства.Сложное поведение интенсивностей рассеяния для различных дифракционных рефлексов в зависимости от внешнего магнитного поля связано с необычным распределением плотности магнитной индукции в ферромагнитных ИОПС, определяемой сложной геометрической формой единичного базового элемента данной структуры.