Диссертация (1149607), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Показано, что перемычки, связывающие тетраэдрические и октаэдрические участки инвертированного опала, появляются в результате деформации микросфер, образующих исходный опал.Впервые с помощью численного моделирования установлено выполнение правила спинового льда в инвертированном опале.82) Впервые проведена теоретическая интерпретация данных малоуглового рассеяния нейтронов на инвертированных опалах с помощьювычисления магнитного форм-фактора элементарной ячейки.3) Вычислена перпендикулярная внешнему магнитному полю компонента намагниченности, возникающая при приложении поля вдоль направления [121] ГЦК структуры инвертированного опала.4) Впервые осуществлено исследование поверхности инвертированныхопалов методом малоуглового рассеяния синхротронного излученияв скользящей геометрии. Определена зависимость качества поверхности от толщины образцов.5) Впервые проведено исследование распределения намагниченности наповерхности инвертированных опалов на основе никеля с помощьюмагнитно-силовой микроскопии.
Наблюдаемый фазовый контраст сопоставлен с результатами микромагнитных вычислений.Научная и практическая значимость. С помощью методов микромагнитного моделирования достоверно показано, что инвертированныеопалы, выполненные из никеля и кобальта, относятся к классу трехмерных искусственных спиновых льдов. В настоящий момент неизвестны другие трехмерные наноструктуры, проявляющие аналогичные свойства.
Изучение магнитных свойств инвертированных опалов вносит существенныйвклад в физику фрустрированных систем. Разработанные методы анализаи интерпретации данных малоуглового рассеяния нейтронов и магнитносиловой микроскопии с помощью микромагнитного моделирования применимы и для исследования других трехмерных ферромагнитных наносистем.Результаты изучения магнитных свойств инвертированных опалов могут быть востребованы при разработке фильтров спиновых волн.Положения, выносимые на защиту:1) Перемычки, связывающие тетраэдрические и октаэдрические участки инвертированного опала, образуются вследствие деформации микросфер, составляющих исходный коллоидный кристалл. Размеры и9форма перемычек определяются величиной данной деформации.
Перемычки однородно намагничены в широком диапазоне значенийвнешнего магнитного поля, однако в случае слабой (2%) или сильной(10%) деформации в них могут возникать неоднородные магнитныесостояния.2) С помощью микромагнитного моделирования установлено, что вслучае приложения магнитного поля вдоль направления [111] ГЦКструктуры инвертированных опалов, выполненных из никеля и кобальта, правило спинового льда выполняется в полях, не превосходящих величины поля, соответствующего точке пересечений ветвейпетли гистерезиса.
Магнитная энергия тетраэдрических элементовинвертированного опала в малых полях оказывается минимальнойпри реализации конфигурации намагниченности, описываемой правилом спинового льда. Установлено, что правило льда выполняется внаибольшем интервале значений внешнего магнитного поля при деформации микросфер исходного коллоидного кристалла равной 2% и4% для инвертированных опалов, выполненных из никеля и кобальтасоответственно.3) Посредством микромагнитного моделирования показано, что приприложении магнитного поля вдоль направления [121] ГЦК структуры инвертированного опала в системе возникает компонента намагниченности перпендикулярная полю.
Величина этой компонентыне превышает 0.3 намагниченности насыщения. Максимальное значение перпендикулярной компоненты достигается при деформациимикросфер исходного опала, составляющей 4%.4) Вычисление магнитного форм-фактора инвертированных опалов наоснове кобальта позволило объяснить наблюдаемые в экспериментах по малоугловой дифракции нейтронов зависимости интенсивности рассеяния от величины внешнего магнитного поля.
Установлено соответствие между характерными точками кривых зависимостибрэгговских максимумов от внешнего поля и магнитным состоянием10инвертированного опала.5) С помощью техники малоуглового рассеяния синхротронного излучения в скользящей геометрии установлено, что поверхность инвертированных опалов толщиной вплоть до четырех монослоев представляет собой гексагональную монодоменную решетку и показано, чтокачество поверхности инвертированных опалов быстро деградируетс ростом толщины. Средний размер области когерентного рассеянияповерхности инвертированных опалов составляет 6 мкм.Результаты исследования магнитных свойств поверхности инвертированных опалов с помощью магнитно-силовой микроскопии, былиинтерпретированы в рамках микромагнитной модели.
Показано, чтонаблюдаемый фазовый контраст описывается с помощью модели спинового льда.Достоверность полученных результатов определяется согласием численных расчетов и экспериментальных данных, использованием современного оборудования при проведении экспериментов, применением широкоизвестных в научном сообществе программ для выполнения расчетов, воспроизводимостью и внутренней согласованностью результатов.Апробация работы. Основные результаты были представлены наследующих российских и международных конференциях: Workshop"GISAXS2013"(Гамбург, Германия, 2013), The 13th Surface X-ray andNeutron Scattering conference (Гамбург, Германия, 2014), РНСИ-КС-2014(Санкт-Петербург, 2014), 10th International Symposium on HysteresisModeling and Micromagnetics (Яссы, Румыния, 2015), Workshop MANA 2016(Вена, Австрия, 2016), 11th International Symposium on Hysteresis Modelingand Micromagnetics (Барселона, Испания, 2017), Moscow InternationalSymposium on Magnetism (Москва, 2017); 48-й, 49-й, 50-й, 51-й и 52-й школах ПИЯФ по физике конденсированного состояния (Санкт-Петербург,2014-2018); Рабочих совещаниях по малоугловому рассеянию и рефлектометрии нейтронов МУРомец 2015-2017 (Санкт-Петербург, 2015-2017).Личный вклад.
Лично автором проведены все микромагнитные расчеты распределения намагниченности в инвертированных опалах, выпол-11нены эксперименты по магнитно-силовой микроскопии. Проведена обработка данных и моделирование экспериментов по малоугловому рассеянию синхротронного излучения в скользящей геометрии. Автор принималучастие в экспериментах по малоугловому рассеянию нейтронов и синхротронного излучения. Участвовал в обсуждении результатов на всех этапахработы.
Внес существенный вклад в написание текста статей.Публикации. По результатам работы было опубликовано 5 статей [9–13] в журналах, индексирующихся в международных базах Web of Scienceи Scopus.Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пятиглав и заключения. Полный объем диссертации составляет 153 страницы с56 рисунками.
Список литературы содержит 293 наименования.Глава 1.Магнитные наноструктурыи геометрическаяфрустрацияВ данной главе приведен краткий обзор последних достижений в областиисследования статических магнитных конфигураций, реализующихся в наночастицах различной формы и размера, и представлены основные результаты, полученные при изучении свойств искусственных спиновых льдов.1.1. Магнитные конфигурации в одиночныхнаночастицахФизика наномагнетизма охватывает широкий круг физических систем ипроцессов [14].
Исследования отдельных объектов и явлений, напримерскирмионов [15] или динамических свойств магнонных кристаллов [16],привели к формированию новых обширных направлений. В тоже времяактивно ведутся работы по изучению статических свойств магнитных частиц и упорядоченных периодических структур, характерный размер которых варьируется от нескольких десятков нанометров до микрона. Такие системы описываются классической микромагнитной теорий, построенной Брауном [17].
В ее основе лежит приближение непрерывной среды.13Распределение намагниченности в системе определяется с помощью нахождения локальных минимумов функционала свободной энергии. Местомикромагнитного моделирования в ряду подходов к исследованию свойствмагнитных структур удобно проследить в рамках представления об иерархии уровней описания физических систем [18]. С помощью квантовомеханических теорий, описывающих магнитные структуры на атомной уровне,в принципе можно получить начальные параметры для микромагнитныхмоделей (намагниченность насыщения, константы анизотропии и т.д.).
Всвою очередь, доменная теория основывается на результатах микромагнитных вычислений, в рамках которых можно определить внутреннюю структуру и строение доменных стенок [19]. В тоже время невозможно непосредственно применить микромагнитную модель к системам, характерныйразмер которых превышает 1 микрон, ввиду огромных вычислительных затрат, необходимых для решения микромагнитных уравнений. Таким образом, микромагнитные модели занимают промежуточное положение междуквантомеханическими теориями строения вещества и теориями, описывающими домены в ферромагнетиках.Магнитные свойства наносистем в основном определяются четырьмявкладами в свободную энергию: обменной энергией, энергией магнитокристаллической анизотропии, энергией размагничивающего поля и энергией ферромагнетика во внешнем поле (так называемая Зеемановская энергия) [20].
Обменная энергия ферромагнетика минимизируется в случае однороднной намагниченности M(r) образца, при этом энергия размагничивающего поля достигает минимальных значений при отсутствии магнитных зарядов, определяющихся как div(M), в объеме и на поверхности образца ("pole avoidance principle" [20]). Требование минимизации магнитныхзарядов обуславливает формирование конфигураций, характеризующихсянеоднородным распределением намагниченности и наличием магнитныхдоменов.
Конкуренция обменной энергии и энергии размагничивающегополя приводит к образованию нетривиальных магнитных структур. Разнообразие наблюдаемых конфигураций особенно велико в случае наночастицвследствие сильной зависимости энергии размагничивающего поля от формы образца.14Можно выделить несколько основных состояний равновесия, наблюдаемых в наносистемах. Состояния однородной или близкой к однороднойнамагниченности обычно реализуются в частицах, размер которых не превышает 100 nm; сложные неоднородные конфигурации намагниченностиреализуется в системах с характерным размером от 100 нм до 1 мкм; состояния, характеризующиеся наличием магнитных доменов, образуются приувеличении размера свыше 1 мкм [21–25]. Следует отметить, что приведенные границы во многом условны, так как распределение намагниченностисущественно определяется параметрами материала и формой образца.Вообще говоря процедура нахождения локальных минимумов свободной энергии ферромагнетика может быть осуществлена только численными методами.
Однако в некоторых случаях могут быть получены и аналитические решения [26–28]. Одно из первых описаний магнитных конфигураций в наночастицах было предложено Стонером и Вольфартом [29].Вследствие предполагаемого однородного распределение намагниченностив системе в модели Стонера-Вольфарта (СВ) рассматривается только энергия Зеемана и энергия эффективной одноосной анизотропии.
Анизотропияможет быть обусловлена как свойствами материала (магнитокристаллическая анизотропия), так и его формой (анизотропия формы). На основанииданной модели были вычислены петли гистерезиса в зависимости от угла между направлением приложения внешнего поля и осью анизотропии.Позже модель была обобщена на случай наличия в системе кубическойанизотропии [30, 31].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
