Диссертация (Исследование магнитных наноструктур методами малоугловой дифракции нейтронов и синхротронного излучения), страница 7

В работе были определены42интенсивности магнитного и интерференционного вкладов в сечение нейтронного рассеяния для дифракционных рефлексов типа 202 намагниченной инвертированной структуры в предположении, что намагниченностьединичного структурного элемента ИОПС направлена преимущественновдоль кристаллографических направлений типа h111i. На основании полученных результатов предложена модель распределения векторов локальной намагниченности (Mloc ) в ферромагнитных ИОПС с учетом их структурной анизотропии. Полученные схемы распределения Mloc в различныхдиапазонах изменения внешнего магнитного поля вплоть до H = 200 сопоставлены с полевыми зависимостями амплитуд магнитного вклада в сечение нейтронного рассеяния для ИОПС на основе кобальта.

В рамках предложенной модели было предсказано поведение Mloc при больших значенияхполя 200 мТ < H < 1200 мТ, которые подтвердились экспериментально,что говорит о достоверности модели.В заключении представлены основные результаты и выводы диссертационной работы.По теме диссертации опубликовано 50 научных работ: 7 статей – в"Physical Review B" [256–262], 7 статей – в журнале "Physica B" [263–269], 1статья – в журнале "MRS Proceedings" [270], 2 статьи – в журнале "PhysicaE: Low-dimensional Systems and Nanostructures" [186,271], 2 статьи – в журнале "Поверхность: Рентгеновские, Синхротронные и Нейтронные исследования" [272, 273], 1 статья – в журнале "EuroPhysics Letters" [274], 1 статья – в журнале "Journal of Magnetism and Magnetic Materials" [275], 2статьи – в журнале "Journal of Physics: Conference Series" [276, 277], 1 статья – в журнале "Thin Solid Films" [278], 1 статья – в журнале "Materials43Science and Engineering C" [279], 1 статья – в журнале "Journal of AppliedCrystallography" [280], 6 статей – в журнале "Письма в Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики" [281–286], 2 статьи – в журнале"Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики" [287, 288], 4 статьи – в журнале "Физика Твердого Тела" [289–292], 1 статья – в журнале "Microporous and Mesoporous Materials" [293], 2 статьи – в журнале "Langmuir" [201, 294], 1 статья – в журнале "The Journal of PhysicalChemistry C" [295], 1статья – в журнале "Physics of Particles and NucleiLetters" [296], 1 статья – в журнале "Nano" [297], 1 глава – в книге "OpticalProperties of Photonic Structures: Interplay of Order and Disorder" Editors:Mikhail F.

Limonov; Richard De La Rue [298] и 5 патентов [299–303].На защиту выносятся следующие основные положения.• Установлено, что при внедрении нанонитей железа в матрицы оксида кремния, гексагонально-упорядоченные поры которой используются как нано-реакторы, получены нити с характерным размерами3 нм в поперечном сечении и 100 нм в длину. Методами электронноймикроскопии, дифракции синхротронного и нейтронного излучения,электронного парамагнитного резонанса, спектроскопии Мессбауэра,SQUID-магнитометрии показано, что наиболее полное и однородноезаполнение пор материалом внедрения без разрушения матрицы наблюдалось в образцах F e − SiO2 , отожженных при температурах 350- 375o С. При этом наночастицы железа в порах находятся в состояния F e2 O3 преимущественно в γ -фазе с небольшим добавлением α-фазы и кластеров атомарного железа.44• Методом малоугловой дифракции поляризованных нейтронов впервые показано, что полученные магнитные нанонити характеризуютсярегулярным пространственным распределением пор в объеме матрицы, что кроме малоуглового диффузного рассеяния на индивидуальных магнитных частицах, детектируется магнитная дифракция нейтронов на системе пространственно упорядоченных магнитных наночастиц.

Установлен, что массив нанонитей характеризуется скоррелированным поведением намагниченностей в процессе перемагничивания, демонстрируя наличие сильного дипольного взаимодействиямежду нанонитями.• Методом малоуглового рассеяния синхротронного излучения в скользящей геометрии впервые показано существование интерфейсного(промежуточного) слоя в пленочных гетероструктурах - гранулированная пленка на полупроводнике - SiO2 (Co)/GaAs, в которых наблюдается гигантское инжекционное магнетосопротивление при комнатной температуре.

Установлено, что в гранулированной пленке характерное расстояние между гранулами кобальта в среднем составляет 7 нм. При этом в интерфейсном слое расстояние между грануламисущественно больше - порядка 30 нм, а толщина интерфейсного слоя5-7 нм. Методом рефлектометрии синхротронного излучения показано, что объемное содержание кобальта в интерфейсном слое составляет порядка 30• Методом рефлектометрии поляризованных нейтронов и SQUID магнитометрии впервые показано, что суммарный магнитный момент ин-45терфейсного слоя на порядок меньше величины магнитного моментагранулированной пленки.

При этом для намагничивания гранулированной пленки любой толщины достаточно величины внешнего магнитного поля H ≈ 300 мТл, в то время как полная намагниченностьинтерфейсного слоя достигается в полях H ≈ 2 Тл, что коррелирует сполями, при которых наблюдается гигантское инжекционное магнетосопротивление. Таким образом, установлено, что именно морфология и магнитные свойства интерфейсного слоя определяют величинуэффекта гигантского инжекционного магнетосопротивления.• Впервые показана возможность использования метода малоугловойдифракции нейтронов для исследования пористой структуры тонкихпленок (с толщинами от 1 до 100 микрометров) анодированного оксида алюминия. Показано, что поры, размером 20-30 нм в сечении, расположенные перпендикулярно поверхности пленки, формируют двумерную гексагональную упаковку с периодом решетки 85 нм.

Впервые показано, что качество структуры образующейся гексагональнойсистемы пор в пленке Al2 O3 зависит от качества исходного алюминия.• Показана возможность формирования массивов магнитных нанонитей никеля на основе пористых матриц анодированного оксида алюминия.

Методом малоугловой дифракции поляризованных нейтроновустановлен факт корреляции магнитного массива нанонитей и пористой структуры матрицы и реконструирована детальная картинапроцесса перемагничивания упорядоченного массива взаимодействующих магнитных нанонитей.46• Методом ультрамалоугловой дифракции синхротронного излучениявпервые измерены качество и степень совершенства опалоподобныхструктур, пленок искусственных опалов на основе полистирола иоксида кремния, Показано, что в отличие от объемных кристаллов, полученных методом седиментации, образующих СГПУ структуру, пленки искусственных опалов формируют двойникованную ГЦКструктуру. Степень их совершенства зависит от условий синтеза, например, от знака потенциала, приложенного к подложке.• Метод ультрамалоугловой рентгеновской дифракции может бытьэффективно использован для исследования структуры искусственных инверитрованных опалов, синтезированных на основе ферромагнитных материалов.

Показано, что инвертированные опалоподобные структуры, полученные методом электрохимического осаждения в трехэлектродной электрохимической ячейке в потенциостатическом режиме, оказываются идентичными структуре прямых опалов,то есть обладают двойникованной гранецентрированной кубической(ГЦК) структурой с фрагментами случайной гексагональной упаковки (СГПУ). Только использование метода ультрамалоугловой рентгеновской дифракции позволяет достоверно оценить соотношение фаз:ГЦК двойников и СГПУ.• Впервые показана возможность использования метода малоугловойдифракции поляризованных нейтронов для исследования магнитнойструктуры инвертированных ферромагнитных опалов на основе никеля и кобальта с периодичностью порядка 500 ÷ 700 нм.

Разра-47ботана методология аттестации магнитных свойств пространственноупорядоченных наноматериалов на основании анализа трех вкладовв рассеяние при поляризации нейтронов, направленной параллельноI(Q, +P0 ) и антипараллельно I(Q, −P0 ) внешнему магнитному полю: немагнитный (ядерный), магнитный вклад, зависящий от внешнего магнитного поля, и ядерно-магнитная интерференция, показывающая корреляцию магнитной и ядерной структур.• Предложена модель распределения векторов локальной намагниченности (Mloc ) в ферромагнитных ИОПС с учетом их структурной анизотропии.

Полученные схемы распределения Mloc в различных диапазонах изменения внешнего магнитного поля вплоть до H = 200 сопоставлены с полевыми зависимостями амплитуд магнитного вкладав сечение нейтронного рассеяния для ИОПС на основе кобальта. Врамках предложенной модели было предсказано поведение Mloc прибольших значениях поля 200 мТ < H < 1200 мТ, которые подтвердились экспериментально, что говорит о достоверности модели.481.

Методы малоугловой дифракции нейтронов исинхротронного излучения для исследованиянаносистем. Описание темплатного способа синтезананокомпозитовВ данной главе кратко излагаются основные принципы ядерного имагнитного рассеяния нейтронов [304–317] и рентгеновского излучения[318–323], разработанные в прошлом столетии. Далее, на основание существующего формализма делается переход к теоретическому описанию малоугловой дифракции, как методу изучения магнитных наноструктур, характеризующихся различной степенью пространственного упорядочения.Также приведено описание параметров нейтронных и синхротронных экспериментальных установок, использованных для аттестации структуры имагнитных свойств нанокомпозитов и приводится обзор литературы попроблемам, связанным с получением наноструктур методами самоорганизации или темплатного синтеза.491.1.Методы малоугловой дифракции синхротронного излучения1.1.1.Ультрамалоугловое рассеяние синхротронного излучения.Переход к малоугловой дифракцииВ диссертации рассмотрены вопросы рассеяния нейтронов и синхротронного излучения на объектах, имеющих масштаб в пределах от десятков нанометров (нм) до единиц микрометров (мкм) или от 10−9 до 10−6 м.Это характерные масштабы для полимеров, коллоидных структур, наночастиц, различных мембран, биологических макромолекул, суперструктур(метаматериалов), компонент пищевой и ксметической промышленности икосметике и так далее.Хорошо известно, что уравнение падающей плоской волны с амплитудой A0 и частотой ω, распространяющейся на расстояние r за времяt в направлении волнового вектора k0 с длиной волны λ, записываетсякак [322]:A(r, t) = A0 eiωt−ik0 r ,k0 = |k0 | =2π,λ(1.1.1.)(1.1.2.)Простой случай рассеяния наблюдается, когда плоская волна падает наточечный рассеивающий элемент.