Релаксационная сквид-магнитометрия ансамблей магнитных наночастиц (1104682), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Измеренияпроводились при температуре 77 K. Известно, что при комнатной температуре объемный(bulk) материал Fe3O4 имеет кубическую решетку, а при температуре ~ 125 K онпретерпевает переход в фазу с более низкой симметрией (по всей вероятности, вмоноклинную). Это, в свою очередь, вызывает переход его магнитокристаллическойанизотропии из кубического типа в смешанный, задаваемый выражением из шести членов[5]. Температуру перехода называют точкой Вервея.Известно также [20–23], что переход магнитного вещества в наносостояние можетсопровождаться возмущением его кристаллической решетки (некоторым изменениеммежатомных расстояний) вплоть до появления новых фаз не характерных для объемногоматериала при нормальных условиях.
Следствием этого является нарушение (изменение)симметрии решетки магнитного наноматериала, которое в случае наночастиц Fe3O4 можетприводить к формированию в них одноосной магнитокристаллической анизотропии.Данный эффект и наличие так называемой поверхностной одноосной анизотропии,возникающей в ферритах (MeFe2O4, где Me – металл) из-за снижения координационногочисла поверхностных ферромагнитных атомов [1–2], позволяют в первом приближенииинтерпретировать поведение магнитных наночастиц Fe3O4 размером менее 10 нм с точкизрения эффективной одноосной анизотропии [24, 25].
Энергия эффективной анизотропиивключает в себя энергию магнитокристаллической анизотропии пропорциональную объемучастицы V и энергию поверхностной анизотропии пропорциональную площади поверхностичастицы S. В связи с этим на данном этапе работы аппроксимация измеренных при 77 Kрелаксационных кривых ансамблей наночастиц Fe3O4 выполнялась именно в предположенииэффективной одноосной анизотропии (см. (4)).
Под величиной Ku тогда следует пониматьконстанту эффективной одноосной анизотропии.Расчетные данные были получены в рамках закона Нееля–Аррениуса при заданныхзначениях Ku и MS с использованием программного комплекса MathCad 13.0. При этом врасчетной формуле (6) также были учтены: 1) G(D) – функция распределения объемной долифракций частиц по размеру, определяемая по данным просвечивающей электронноймикроскопии (ПЭМ); 2) q(φ) – функция случайного распределения численной доли фракцийчастиц по углу ориентации их легких осей относительно направления внешнего поля.На Рис.
5а–б и 6а представлены результаты аппроксимации релаксационных кривыхдля каждой из трех изученных систем. Для ансамбля со средним размером 7.7 нм и17дисперсией 3.4 нм значения определенных фундаментальных магнитных параметров таковы:Ku = 3.8·104 Дж/м3, MS = 4.7·105 А/м. Для ансамбля со средним размером 4.7 нм и дисперсией1.9 нм: Ku = 2.3·105 Дж/м3, MS = 4.3·105 А/м. Для ансамбля со средним размером 4.0 нм идисперсией 2.0 нм: Ku = 2.5·105 Дж/м3, MS = 4.1·105 А/м.Выбор наилучшей аппроксимирующей кривой выполнялся визуально, принимая вовнимание критерий минимальности квадратичного отклонения расчетных данных отэкспериментальных.
Время итерационного нахождения наилучшей аппроксимирующейкривой занимало порядка 1 ч. Основная погрешность в оценке фундаментальных магнитныхпараметров была обусловлена ошибками определения параметров функции распределенияG(D) вследствие размытости и частичного перекрытия контуров идентифицируемых наПЭМ-снимке частиц. А именно, ошибкой определения среднего размера D0 (± 5%) идисперсии σ (± 10%) функции G(D).На Рис. 6б представлены экспериментальные данные и две максимально смещенныерасчетные релаксационные кривые, полученные для одновременно максимально смещенныхзначений среднего размера D0X и дисперсии σX: D0X = D0 ± 0.05·D0; σX = σ ± 0.1·σ (D0 = 4.0 нм,σ = 2.0 нм).
Погрешности оценок фундаментальных магнитных параметров определялись какотносительные отклонения значений параметров, полученных в результате аппроксимациипри заданных D0X и σX, от значений параметров, полученных в результате аппроксимациипри заданных D0 и σ.
Погрешность оценки Ku составила ±15%, а MS ±10%.В конце Главы 5 показано, что полученные значения Ku и MS находятся в соответствиис литературными данными.В приложении 1 рассмотрены наиболее активно развиваемые приложения магнитныхнаноматериалов,такиекакмагнитнаязаписьинформациинажесткиедискиимагниторезистивную память MRAM. Также рассмотрены биомедицинские применениямагнитных наночастиц (иммунодиагностика и распознавание ДНК). В приложении 2 краткоописан микромагнитный подход, развитый Брауном [26] с использованием теориистохастических процессов и позволяющий отслеживать динамику магнитного моментаиндивидуальной частицы [27].18Намагниченность образца, А/ма)3T = 77 KD0 = 7.74 нмσ = 3.39 нм210-610-510-410-310-210-110100101102010110б)Намагниченность образца, А/мВремя, с1.5T = 77 KD0 = 4.66 нмσ = 1.87 нм1.00.50.0-610-510-410-310-210-110102Время, сРис.
5. Сопоставление экспериментальных и расчетных данных по релаксациинамагниченности для ансамблей наночастиц Fe3O4 со средним размером D0 = 7.7 нм идисперсией σ = 3.4 нм (а) и D0 = 4.7 нм и σ = 1.9 нм (б). Экспериментальные данныепредставлены в виде точек, а расчетные данные – в виде аппроксимирующей кривой.19Намагниченность образца, А/ма)1.0T = 77 KD0 = 4.00 нмσ = 1.99 нм0.50.0-610-510-410-310-210-110010110110102б)Намагниченность образца, А/мВремя, с1.0D0 + 5%; σ + 10%T = 77 KD0 = 4.00 нмσ = 1.99 нм0.5D0 - 5%; σ - 10%0.0-610-510-410-310-210-110010102Время, сРис. 6. Сопоставление экспериментальных и расчетных данных по релаксациинамагниченности для ансамбля наночастиц Fe3O4 со средним размером D0 = 4.0 нм идисперсией σ = 2.0 нм (а).
На рисунке б) представлены экспериментальные данные (точки)для того же ансамбля и две максимально смещенные расчетные релаксационные кривые,полученные для одновременно максимально смещенных (в соответствии с указаннымиошибками) значений среднего размера и дисперсии.20В выводах формулируются основные результаты диссертации:1. Предложена и отработана оригинальная технология воспроизводимого изготовленияВТСПСКВИД-сенсоровсвысокойчувствительностьюпомагнитномупотоку(< 10–5 Ф0/Гц1/2). На бикристаллических подложках с углом разориентации границы 24°изготовлены СКВИДы, содержащие джозефсоновские переходы субмикронной ширины(0.7–1 мкм).2.
Реализован релаксометр для измерения релаксационных характеристик магнитныхобъектов на основе сканирующего ВТСП СКВИД-магнитометра с временным диапазономрегистрации полезного сигнала от 6 мкс до нескольких минут и величиной постоянного поляподмагничивания до 50 А/м.3. В рамках закона Нееля–Аррениуса реализован алгоритм расчета релаксационныхкривых разбавленных ансамблей однодоменных частиц при заданных значениях константыодноосной анизотропии Ku и намагниченности насыщения MS, который учитывает:1) G(D) – функцию распределения объемной доли фракций частиц по размеру;2) q(φ) – функцию случайного распределения численной доли фракций частиц по углуориентации их легких осей.4. При температуре 77 К измерены кривые релаксации намагниченности трех типовразбавленных(~0.2об.%)ансамблейсуперпарамагнитныхFe3O4,наночастицхарактеризуемых следующими параметрами: 1) средний размер D0 ~ 7.7 нм, дисперсияσ ~ 45%; 2) D0 ~ 4.7 нм, σ ~ 40%; 3) D0 ~ 4.0 нм, σ ~ 50%.
Экспериментальные данные порелаксациикривыми,намагниченностиполученнымиваппроксимированырезультатесверткитеоретическимичастныхрелаксационнымирелаксационныхкривых,описывающих гипотетические ансамбли идентичных частиц, с функциями G(D) и q(φ).5. Определены значения фундаментальных магнитных параметров (Ku и MS)исследованных ансамблей наночастиц Fe3O4 с погрешностью Ku ±15% и MS ±10%. Суменьшением среднего размера частиц в ансамбле от 7.7 до 4.0 нм наблюдается увеличениезначений константы анизотропии и уменьшение значений намагниченности насыщения.21СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ1. I.
Volkov, A. Kalabukhov, O. Snigirev, and A. Zherikhin, “Carbon Masks for Patterning theYBCO Submicron Josephson Junctions,” IEEE Transactions on Applied Superconductivity,vol. 11, no. 1, pp. 292–295, 2001.2. И. Волков, А. Калабухов, О. Снигирев и А. Жерихин, “ВТСП субмикронныеджозефсоновские переходы: технологические аспекты,” Радиотехника и Электроника,№ 7, стр. 892–896, 2001.3. I. Volkov, A.
Kalabukhov, O. Snigirev, and A. Zherikhin, “Fabrication and Study of YBCOSubmicron Josephson Junctions on Bicrystal Substrates,” Physica C, vol. 372–376, pp. 72–75,2002.4. I. Volkov, M. Chukharkin, and O. Snigirev, “YBCO Submicron Josephson Junctions onBicrystal Substrates,” IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 13, no. 2, pp.861–864, 2003.5.
S. Gudoshnikov, N. Usov, I. Volkov, O. Snigirev, S. Gubin, and G. Yurkov, “MagneticProperties of Fe-based Nanoparticle Assembly,” Journal of Magnetism and MagneticMaterials, vol. 258–259, pp. 54–56, 2003.6. I. Volkov, S. Gudoshnikov, N. Usov, and O. Snigirev, ”High-Resolution Scanning SQUIDMicroscopeforTestingMagneticPropertiesofMaterialsContainingMagneticNanoparticles,” Proceedings of the European Conference on Applied Superconductivity’03(reviewing journal), conference series no. 181, pp. 3258–3263, 2003 (electronic version).7.
А. Волков, М. Москвина, И. Волков, А. Волынский и Н. Бакеев, “Получение, структураи магнитные свойства полимерных нанокомпозиций поливиниловый спирт–Fe3O4,”Высокомолекулярные Соединения, сер. А, т. 47, № 5, стр. 755–762, 2005.8. Ю. Кокшаров, И. Волков, В. Никифоров, С.
Поляков, А. Волков, М. Москвина и др.,“Особенности магнитных свойств наночастиц магнетита вблизи температуры Вервея,”Нелинейный Мир, №1–2, 2005.9. I. Volkov, M. Chukharkin, O. Snigirev, A. Volkov, M. Moskvina, S. Gudoshnikov, andA. Kerimov, “HTS SQUID Microscopy for Measuring the Magnetization Relaxation ofMagnetic Nanoparticles,” IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
