Диссертация (1145403), страница 25
Текст из файла (страница 25)
Таким образом, при дальнейшемрассмотрении теоретических основ механизма ГИМС в гетероструктурахферромагнитная ГП/ПП следует исходить из тех условий, что 1) на интерфейсном слое существуют точечные разреженные контакты гранулированной пленки Co/SiO2 с подложкой GaAs через ферромагнитные гранулыкобальта; 2) по всей видимости, проводимость ГП вблизи интерфейса должна быть пониженной вследствие низкой концентрации гранул кобальта наинтерфейсе; 3) обогащенный электронный слой в полупроводнике околоинтерфейса не является однородным по толщине; 4) туннельный эффектили металлическая проводимость между гранулами кобальта на интерфейсе отсутствует из-за большой разреженности частиц" [285].3.6.ВыводыВ данной главе разработана и впервые использована методика иссле-дования структурных и магнитных свойства гетеросистем гранулированная пленка/полупроводниковая подложка методами малоуглового рассеяния синхротронного излучения в скользящей геометрии, рефлектомет-183рии поляризованных нейтронов и синхротронного излучения и SQUIDмагнитометрии.
Показано, что структура ГП неоднородна по толщине иотличается концентрацией наногранул кобальта и расстоянием между ними: основной объем пленки толщиной h1 ≈ 34 нм, содержащий наночастицы диаметром db ≈ 8 нм с характерным расстоянием между ними l1 в любом пространственном направлении ∼ 7 нм, и интерфейсный слой ПП/ГПтолщиной h2 ≈ 7 нм, содержащий наночастицы размером di ≈ 28 х 7 нм2 , ссущественно большим характерным расстоянием l2 между гранулами ∼ 30нм в плоскости пленки.
Предложена модель структуры гранулированныхпленок 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 быть184пересмотрены "с учетом его неоднородности по толщине в зависимостиот того, где он рассматривается - вблизи ферромагнитной гранулы иливдали от нее.
При этом также следует учесть, что 1) на интерфейсномслое существуют точечные разреженные контакты гранулированной пленки Co/SiO2 с подложкой GaAs через ферромагнитные гранулы кобальта; 2) по всей видимости, проводимость ГП вблизи интерфейса должнабыть пониженной вследствие низкой концентрации гранул кобальта на интерфейсе; 3) туннельный эффект или металлическая проводимость междугранулами кобальта на интерфейсе отсутствует, из-за большой разреженности частиц" [285].1854. Структурные и магнитные свойствананокомпозитов на основе мезопористых матриц Al2O3(пример исследования 1D нанокомпозитов с дальнимпорядком)В данной главе описывается использование метода малоугловой дифракции поляризованных нейтронов для исследования структуры пленок анодированного оксида алюминия и структуры и магнитных свойствпространственно-упорядоченных массивов нанонитей, заключенных в поры пленок оксида алюминия.
На основании анализа данных нейтронногоэксперимента продемонстрирована возможность получения пористых мембран с идеально периодической гексагональной упаковкой пор на большойплощади (∼ 0.5 см2 ). Приведенное теоретическое решение уравнений дляописания нейтронной дифракции в динамическом пределе на сверхструктуре магнитных нанонитей внедренных в диамагнитную матрицу позволило проанализировать несколько вкладов в рассеяние: немагнитный (ядерный) вклад; магнитную составляющую, зависящую от магнитного поля,и ядерно-магнитную интерференцию, показывающую корреляцию магнитной и ядерной структур. Предложено описание процесса перемагничиванияупорядоченного массива магнитных нанонитей. Материалы, изложенные вглаве, были опубликованы в статьях [186,257,266,268,269,273,276,279–282,286, 290, 295, 302, 325, 457, 458].1864.1.Структура пленок анодированного оксида алюминия методом малоугловой дифракции нейтронов4.1.1.Постановка задачиВ последние 20 лет активно ведутся работы по улучшению имеющихся и разработке новых технологий анодирования алюминия [459, 460],в связи с чем возникла проблема аттестации структурных и физическихсвойств пористых оксидов алюминия (ААО) и нанокомозитов на их основе.Традиционно, для аттестации геометрических параметров каналов, формирующихся во время окисления металла, используется электронная микроскопия [100,461–463].
В работах [295,335,457] описаны эксперименты, в томчисле и наши, с использованием малоугловой рентгеновской дифракциидля определения периода пористой структуры в пленках Al2 O3 . Однако,и электронная микроскопия, и рентгеновские методики характеризуютсямалой глубиной проникновения (несколько микрон), что недостаточно дляисследования пленок ААО с толщиной, как правило, превышающей сотню микрометров. Эта проблема решается при использовании малоугловойдифракции нейтронов.4.1.2.ОбразцыИсследуемые пленки Al2 O3 с упорядоченной структурой пор были синтезированы методом двухстадийного анодного окисления алюминия [115], подробно описанного в параграфе 1.4.1, на факультете Наук оматериалах Московского государственного университета группой под руководством к.х.н.
Напольского К.С. (Росляков И.В. - аспирант, Елисеев А.А.187- к.х.н., Лукашин А.В. - член корр. РАН). Для изучения влияния примесейи микроструктуры алюминия на упорядочение пористой структуры оксидных пленок в качестве исходного материала были использованы Al пластины толщиной 0.5 мм с различной предысторией: "1) технический алюминийс большим размером зерна, 2) высокочистый Al (99,999 %, Goodfellow) смелкозернистой микроструктурой, 3) высокочистый Al с крупнозернистойструктурой.
Для получения алюминиевых пластин с большим размеромзерен металла (∼ 1 см2 ) проводили рекристаллизационный отжиг коммерчески доступного Al на воздухе при температуре 500 o С в течение 10 часов.Перед анодированием поверхность алюминия была механически отполирована до зеркального блеска и очищена с помощью ацетона и дистиллированной воды в ультразвуковой ванне.
Анодное окисление алюминияпроводили в двухэлектродной электрохимической ячейке с использованием источника постоянного тока Б5-50 (V = 0 ÷ 299 В, I = 0 ÷ 299 мА).Вспомогательным электродом служила P t пластина. Первое анодное окисление проводили в 0.3 М растворе (COOH)2 при постоянном напряжении40 В в течение 48 часов. В процессе электролиза электролит тщательноперемешивали, а его температуру поддерживали в интервале от 0 до 5oС. Длительность последующего (второго) анодного окисления, проводимого при тех же условиях, определяла толщину оксидной пленки. Времяповторного анодирования варьировали от 3 до 100 часов. Таким образомбыли получены пленки с радиусом пор порядка 20 нм, расстоянием междуцентрами пор около 105 нм и толщиной 6, 12, 24, 50, 105, 165 мкм.
Образцыпористого оксида алюминия были промаркированы следующим образом:AAO1 – для пленок, полученных из технического алюминия с крупнозер-188нистой структурой, AAO2 – для пленок, синтезированных с использованием высокочистого алюминия с мелкозернистой микроструктурой, AAO3 –для образцов из высокочистого алюминия с крупнозернистой микроструктурой. Для увеличения диаметра пор в серии образцов AAO2 проводилихимическое травление оксидного слоя в 0.3 М растворе щавелевой кислотыпри температуре 30o C в течение 2.5 и 5 часов.
Дополнительный индекс вмаркировке образцов, например AAO22.5 , вводили для обозначения продолжительности стадии химического травления" [282].4.1.3.Результаты измерений и их обсуждениеДля исследований использовалась установка малоуглового рассеяния нейтронов SANS-2 исследовательского реактора FRG-1 в г. Геестхахт,Германия (Параграф 1.3.1).
Пленки Al2 O3 выставлялись перпендикулярно нейтронному пучку и равномерно засвечивалась по всей площади. Такая ориентация образца соответствует параллельному расположению поротносительно оси пучка и позволяет наблюдать систему дифракционныхотражений в малоугловом диапазоне рассеяния. Расстояние образец - детектор варьировалось, чтобы перекрыть диапазон переданных импульсовот 0.01 до 0.3 нм−1 . Длина волны нейтронного пучка λ составляла 0.56 нмс отношением ∆λ/λ = 0.01, расходимость пучка составляла ψ ∼ 1.5 мрад.Как уже отмечалось в параграфе 1.2.1, для наблюдения дифракционной картины длина когерентности нейтронного излучения должна бытьмного больше периода изучаемой структуры d. В нашем случае когерентная длина в направлении поперечном к падающему пучку нейтроновltr = λ/ψ ∼ 500 нм, когерентная длина в направлении параллельном пуч-189ку нейтронов llong = λ2 /(∆λ sin2 θ) ∼ 800 нм.
Таким образом, учитывая ltr ,llong и порядок величины периода структуры, можно заключить, что числонаблюдаемых порядков отражения будет ограничено N ' 25.Поскольку речь идет об упругом и когерентном рассеянии нейтронов атомами пленки Al2 O3 , задача сводится к рассеянию на эффективном потенциале V , равном некоторой константе в промежутках междупор и нулю в порах. Так как волновой вектор p0 внутри сплошной средыравен произведению коэффициента преломления n и волнового векторанейтронов в вакууме p0 [317], величина эффективного потенциала между порами V = E(1 − 1/n2 ), где E = (~p0 )2 /(2mn ) — энергия нейтронав вакууме. Так как для нейтронов с λ ∼ 1 нм в большинстве веществ1 − n ∼ 10−5 ÷ 10−6 [317], можно записать амплитуду рассеяния согласно [437] как:Zp0dρ[S(ρ) − 1] exp(−i Qρ),f (Q) =2πi Z ∞imS(ρ) = exp − 2dzV (ρ, z) ,~ p0 −∞(4.1.1.)(4.1.2.)где z – направление распространения плоской волны перпендикулярнопленке, ρ – вектор в этой плоскости.
Интегралы в уравнениях (4.1.1) и(4.1.2) для пор цилиндрической формы (уравнение 1.1.27) вычисляются сточностью до фазы:p0 L(1 − n)f (Q) = 2p0 R2 sin2J1 (QR)S(Q),QR(4.1.3.)где J1 (x) – функция Бесселя первого рода, L – толщина пленки, R – радиPус пор. "При расчете структурного фактор S(Q) = n exp(−iQρn ) суммирование ведется по положению центров пор, задаваемых векторами ρn .190Структурный фактор S(Q) имеет максимумы, интегральная интенсивностькоторых пропорциональна числу пор N, когда Q равно векторам обратнойрешетки Qht = hτ1 + tτ2 , где для нашего случая двумерной гексагональной√√√решетки h и t – целые числа, τ1 = (1, 0)4π/( 3a0 ) и τ2 = (1, 3)2π/( 3a0 )– элементарные вектора обратной решетки и a0 – расстояние между центрами соседних пор.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
