Диссертация (1149607)
Текст из файла
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙУНИВЕРСИТЕТНа правах рукописиДубицкий Илья СеменовичПоведение локальной намагниченности в ферромагнитныхинвертированных опалах в магнитном поле:микромагнитное моделирование и эксперимент(специальность 01.04.07 — Физика конденсированного состояния)Диссертация на соискание ученой степени кандидатафизико-математических наукНаучный руководитель —доктор физико-математических наук А.В. СыромятниковСанкт-Петербург20182ОглавлениеВведение1.
Магнитные наноструктуры и геометрическая фрустрация1.1. Магнитные конфигурации в одиночных наночастицах . . . .1.2. Упорядоченные массивы наночастиц . . . . . . . . . . . . . .1.3. Двумерные связные периодические наноструктуры . . . . .1.4. Трехмерные наноструктуры . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.1.5. Спиновый лед . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.5.1. Атомный спиновый лед . . . . . . . . . . . . . . . . .1.5.2. Двумерный искусственный спиновый лед . . . . . . .1.6. Инвертированные опалы на основе ферромагнитных материалов . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .2. Экспериментальные методы исследования инвертированных опалов, микромагнитное моделирование2.1. Синтез инвертированных опалов (ИО) . . . . . . . . . . . . .2.2. SQUID магнитометрия . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . .2.3. Техники малоуглового рассеяния . . . . . . . . . . . . . . . .2.3.1. Малоугловое рассеяния рентгеновского излучения(SAXS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2.3.2. Метод малоуглового рассеяния рентгеновского излучения в скользящей геометрии (GISAXS) . . . . . . .2.3.3. Малоугловое рассеяние нейтронов (SANS) . . . .
. . .2.4. Магнитно-силовая микроскопия . . . . . . . . . . . . . . . .2.5. Микромагнитное моделирование . . . . . . . . . . . . . . . .512122125262930323742424445454749505132.5.1. Свободная энергия ферромагнетика, уравнения движения . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 512.5.2. Метод решения уравнения ЛЛГ, параметры материалов 553. Микромагнитное моделирование распределения намагниченности в инвертированных опалах на основе никеля икобальта3.1. Структура элементарной ячейки ИО . . . . . . . . . . .
. . .3.2. Распределение намагниченности в ИО во внешнем магнитном поле, приложенном вдоль направления [111] ГЦК структуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.3. Возникновение неколлинеарной компоненты намагниченности при приложении поля вдоль направления [121] . . . .
. .3.4. Зависимость магнитных свойств ИО от величины деформации сфер исходного коллоидного кристалла . . . . . . . . . .3.5. Основные выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4. Интерпретация данных SQUID магнитометрии и малоуглового рассеяния нейтронов4.1. Сравнение результатов моделирования и данных SQUID магнитометрии .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.1.1. Приложение внешнего магнитного поля вдоль направления [111] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.1.2. Приложение внешнего магнитного поля вдоль направления [121] . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.2. Интерпретация экспериментов по малоугловому рассеяниюнейтронов (SANS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.2.1. Приложение внешнего магнитного поля вдоль направления [111] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.2.2. Приложение внешнего магнитного поля вдоль направления [121] . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .4.2.3. Приложение внешнего магнитного поля вдоль направления [100] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .585963697378798080828487889344.3. Основные выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .965. Теоретическое и экспериментальное исследование структуры и магнитных свойств тонких пленок инвертированныхопалов с помощью поверхностно-чувствительных методов 975.1. Аттестация качества поверхности образцов ИО . . . . . . . . 985.1.1.
Атомно-силовая микроскопия . . . . . . . . . . . . . . 985.1.2. Малоугловое рассеяние рентгеновского излучения вскользящей геометрии . . . . . . . . . . . . . . . . . . 995.1.3. Комплементарное применение методов SAXS и GISAXS1055.2. Исследование магнитного упорядочения в тонких пленкахИО, выполненных из никеля, с помощью магнитно-силовоймикроскопии . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1085.2.1. ИО толщиной 0.5 монослоя . . . . . . . . . . . . . . . 1085.2.2. ИО толщиной 3.5 монослоя . . . . . . . . . . . . . . . 1105.3. Основные выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117Заключение118Литература121ВведениеАктуальность темы исследований. Быстрое развитие технологий синтеза упорядоченных магнитных наноструктур и методов их исследованияпривело к существенному росту интереса к таким объектам.
В частности, впоследние годы появилась возможность создания наносистем с наперед заданными геометрическими свойствами. Такие системы могут быть использованы в медицине [1,2], устройствах записи и передачи информации [3–5],а также для изучения фундаментальных физических моделей. Так, например, искусственные спиновые льды изначально создавались в попытке копирования свойств атомных спиновых льдов со структурой пирохлора [6]. Впоследствии богатый арсенал методов изготовления и аттестациинаноструктур позволил получить системы, демонстрирующие неожиданные физические свойства и не имеющие природных аналогов.Однако подавляющее большинство изучаемых в настоящий момент магнитных наноструктур представляет собой двумерные системы. В самое последнее время были успешно синтезированы наночастицы сложной формы и трехмерные упорядоченные массивы наноэлементов [7].
Не вызываетсомнений, что дальнейшее развитие исследований в области наномагнетизма будет связано именно с трехмерными системами. Однако методикиизучения магнитных свойств таких систем в настоящий момент разработаны слабо. Не существует какой-либо одной экспериментальной техники, позволяющей однозначно определить распределение намагниченностив трехмерных массивах наночастиц. Теоретическое изучение магнитныхконфигураций, реализующихся в трехмерных магнитных наноструктурах,также только начинает развиваться. Для корректной идентификации магнитного состояния необходимо применять несколько взаимодополняющих6экспериментальных техник, например, поверхностно-чувствительные методы, интегральные магнитометрические методики и малоугловое рассеяниенейтронов.
Каждый из этих методов позволяет получить некоторую косвенную информацию о магнитном упорядочении. В этой связи становитсяочевидна необходимость построения микромагнитной модели исследуемойструктуры. Параметры данной модели могут быть скорректированы в соответствии с результатами экспериментов. В свою очередь, микромагнитныерасчеты позволяют провести интерпретацию всех экспериментов в рамкахединой модели распределения намагниченности. Данная работа посвящена реализации такой программы в одной из первых известных трехмерныхмагнитных наноструктур – инвертированном опале, выполненном из ферромагнитного материала (никеля или кобальта).Инвертированные опалы получают заполнением пустот между микросферами, образующими ГЦК решетку, ферромагнитным металлом с последующим удалением самих сфер.
Магнитное упорядочение в подобных системах представляет значительный интерес. Так, на основании результатовэкспериментов по малоугловому рассеянию нейтронов была сформулирована гипотеза о принадлежности инвертированных опалов к классу искусственных трехмерных спиновых льдов [8]. В настоящий момент неизвестны трехмерные магнитные наноструктуры, являющиеся искусственнымиспиновыми льдами. В связи с этим доказательство принадлежности инвертированных опалов к данному семейству соединений и выявление ихмагнитных свойств с помощью микромагнитного моделирования представляет собой актуальную задачу.Целью работы является исследование магнитной структуры инвертированных опалов, выполненных из никеля и кобальта, с помощью совместного применения микромагнитного моделирования и экспериментальныхметодов.Объектами исследования были выбраны инвертированные опалы,выполненные из никеля и кобальта и характеризующиеся гранецентрированной кубической структурой с постоянной решетки порядка 700 нм.В соответствии с целью исследования были сформулированы следующие задачи:71) Определить пространственное строение элементарной ячейки инвертированных опалов и его зависимость от степени деформации сфер,из которых был изготовлен исходный опал.2) Вычислить распределение локальной намагниченности в элементарной ячейке инвертированных опалов в зависимости от величины инаправления внешнего магнитного поля.3) На основе полученных результатов определить пределы применимости правила спинового льда в инвертированных опалах, выполненныхиз никеля или кобальта, в зависимости от степени деформации сфер,образующих первичный коллоидный кристалл.4) Показать возможность изучения структуры инвертированных опалов с помощью малоуглового рассеяния синхротронного излученияв скользящей геометрии.
Провести аттестацию качества поверхности инвертированных опалов этим методом для дальнейшего изучения магнитных свойств данных систем с помощью поверхностночувствительных методов.5) При помощи микромагнитного моделирования распределения намагниченности описать экспериментальные данные, полученные методами SQUID-магнитометрии, малоугловой дифракции нейтронов имагнитно-силовой микроскопии.Научная новизна:1) Впервые проведено микромагнитное моделирование распределениянамагниченности в элементарной ячейке ферромагнитного инвертированного опала.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
