Диссертация (1149607), страница 3
Текст из файла (страница 3)
В рамках модели СВ и ее модификаций [32] былиуспешно интерпретированы экспериментальные данные, полученные длямассивов частиц, выполненных из феррита бария [33, 34], кобальта [35, 36],сплава палладий-кобальт [37, 38]. Также были предприняты попытки объяснения механизмов перемагничивания гранулированных пленок и объемных ферромагнетиков [39–42]. Тем не менее модель СВ содержит ряд ограничений [43]. Она строго применима только для частиц эллипсоидальныйформы.
При этом размер частиц не должен превышать величины обменной√︀длины exch = 2/0 S2 , определяющей характерное расстояние изменения намагниченности [21]. Здесь – константа обменного взаимодействия,S – намагниченность насыщения, 0 – магнитная постоянная.
Для боль-15шинства материалов, использующихся в процессе синтеза магнитных наноструктур, обменная длина составляет примерно 5-10 нм [44]. В связи сэтим большинство авторов использует сочетание явного численного решения уравнений микромагнетизма и поверхностно-чувствительных экспериментальных техник для однозначного определения магнитных конфигураций, реализующихся в наноструктурах.Магнитное состояние наночастиц сильно зависит от их геометрическойформы.
Вариация формы частиц или наличие дефектов в их структуре может привести к существенному искажению наблюдаемых магнитных конфигураций [45–47]. В связи с этим для обеспечения воспроизводимости экспериментальных данных на первом этапе в основном исследовались наночастицы простой формы, методы синтеза которых были хорошо разработаны [48]. В частности, большое внимание было уделено изучение магнитныхконфигураций в нанодисках. В принципе нанодиск может быть аппроксимирован плоским эллипсоидом. Однако даже для небольших образцовтакая аппроксимация оказалась недостаточно точной [49] из-за возникновения сильного размагничивающего поля, связанного с ребрами диска. Былопоказано, что основное состояние нанодиска не является однородным [50].В зависимости от соотношения сторон диска и материала, из которого онбыл изготовлен, в нем могут образовываться близкие к однородным С- (Сstate) и S- (S-state) состояния (рис.
1.1) [51–53]. С увеличением диаметрав дисках могут появляться более сложные распределения намагниченности такие как состояния треугольника (triangle state) и алмаза (diamondstate) [23, 54]. Данные конфигурации являются метастабильными. Они были предсказаны с помощью микромагнитных расчетов [53–55] и обнаружены экспериментально в некоторых соединениях (рис. 1.2, 1.3) [23, 54].Наиболее устойчивая конфигурация, наблюдаемая в нанодисках в широком диапазоне значений диаметров и толщин образцов, представляет собой магнитный вихрь (рис. 1.4) [56–58].
Интересной особенностью вихрейявляется наличие в их центре небольшой области, намагниченность которой направлена перпендикулярно плоскости диска [59, 60]. Размер такойобласти (ядра вихря) составляет несколько обменных длин, при этом самвихрь может иметь диаметр вплоть до нескольких микрон в тонких дис-16Рис. 1.1: С- (a) и S- (б) состояния в нанодисках, выполненных из пермаллоя.Толщина дисков составляет 30 нм, радиус соответственно 100 (a) и 200 (b)нм. Результаты микромагнитных расчетов [53].ках. Направление намагниченности в ядре вихря может быть изменено спомощью воздействия импульсов магнитного поля [61,62], переменных магнитных полей [63], спиновых волн [64] или спин-поляризованных токов [65].Данные процессы интересны как с фундаментальной точки зрения, так ив связи с возможными применениями вихревых состояний в устройстваххранения информации [66], наноосцилляторах для генерации СВЧ излучения [67] и в медицине [68, 69].
Для многих материалов были построеныфазовые диаграммы, описывающие магнитные состояния, реализующиесяв дисках различного размера [52, 70, 71].Следует отметить, что современные экспериментальные методы исследования магнитных наноструктур позволяют непосредственно визуализировать распределение намагниченности на поверхности.
К наиболее востребованным подходам, которые могут быть реализованы на лабораторномоборудовании, можно отнести Керровскую микроскопию [72, 73], лоренцеву микроскопию [74], магнитно-силовую микроскопию (МСМ) [75], спинполяризованную сканирующую электронную микроскопию (SEMPA) [76].Развитие методик, связанных с использованием синхротронного излучения, привело к возможности эффективного применения техник рентгеновской микроскопии [77] и фотоэмиссионной электронной микроскопии(PEEM) [78], основанных на эффекте рентгеновского магнитного кругового дихроизма (XMCD).
Так на рис. 1.2, 1.3 и 1.4 приведены результаты17Рис. 1.2: Состояние алмаза в диске, выполненном из поликристаллическогокобальта. Толщина диска 30 нм, диаметр 1000 нм. (a) Фазовый контраст,полученный с помощью магнитно-силовой микроскопии, (б) вычисленнаяконфигурация намагниченности в диске, (в) результаты вычислений фазового контраста [54].расчетов различных магнитных состояний в нанодисках и соответствующие экспериментальные данные, полученные с помощью различных техник микроскопии. Согласие результатов экспериментов и микромагнитногомоделирования обеспечивает достоверность как расчетов, так и интерпретации данных микроскопии.
Отметим, что некоторые методы, напримерМСМ, позволяют получить только косвенную информацию о магнитномсостоянии исследуемых объектов. В этом случае для полной расшифровки магнитной конфигурации применение микромагнитного моделированияабсолютно необходимо.Активно изучались также магнитные частицы прямоугольной формы.В данных структурах, как и в дисках, могут реализовываться С- и S- состояния (рис. 1.5) [80]. С увеличением размера в зависимости от величины соотношения сторон в прямоугольных островках наблюдались такжеструктуры Ландау или многодоменные состояния (рис. 1.6) [81, 82]. Тонкие длинные полоски (nanostrip) являются удобными модельными системами для исследования свойств доменных стенок.
Было показано, что втаких структурах могут образовываться доменные стенки двух основныхвидов: продольные доменные стенки в более тонких и узких полосках [83]и вихревые доменные стенки в более широких образцах [84, 85]. Недавно18Рис. 1.3: Состояние треугольника в диске, выполненном из поликристаллического кобальта. Толщина диска 19 нм, диаметр 1.6 мкм.
(а) Результатымикромагнитных вычислений, (б) контраст, полученный с помощью фотоэмиссионной электронной микроскопии [23].Рис. 1.4: Вихрь в диске, выполненном из пермаллоя. Толщина диска 100нм, диаметр 500 нм. (а) Результаты микромагнитных вычислений (цветная шкала соответствует проекции намагниченности на горизонтальное направление, черная точка обозначает направление намагниченности в ядревихря), (б) контраст, отвечающий продольным и (в) перпендикулярной поверхности компонентам намагниченности.
Контраст был получен посредством рентгеновской микроскопии [79].19Рис. 1.5: S-состояние в прямоугольном элементе размером 2*4 мкм2 . Толщина 15 нм. Контраст на рисунках (a) и (б) соответствует проекции магнитного поля на вертикальное и горизонтальное направления соответственно,(в) схема распределения намагниченности. Контраст получен с помощьюлоренцевой микроскопии [80].было предсказано существование доменных стенок нового типа, имеющихсложную трехмерную структуру [86].
Доменные стенки могут перемещаться под действием импульсов спин-поляризованного тока. На основе данногоэффекта могут быть созданы принципиально новые устройства храненияданных [87].Структуры, имеющие плоскую поверхность, можно сравнительно легко исследовать с помощью поверхностно-чувствительных методов. Тем неменее в последние годы был достигнут существенный прогресс в моделировании магнитных свойств и экспериментальном изучении объектов более сложной геометрической формы. Были исследованы магнитные конфигурации, реализующиеся в нанокубах [24], пирамидах [89, 90], полусферах [91, 92], октаэдрах [93]. Интересные результаты были получены длянанонитей [94, 95].
Так в 2014 году было доказано существование блоховской точки в нитях, выполненных из пермаллоя и имеющих диаметр порядка 70 нм [96]. Feldkeller предсказал наличие таких структур еще в 1965году [97]. С помощью метода электронной голографии [98] была визуализирована трехмерная структура намагниченности в кобальтовых нанонитяхразличной длины. Результаты экспериментов показали хорошее согласие сданными микромагнитных вычислений (рис.1.7).20Рис.
1.6: Структура Ландау (a) и многодоменное состояние (б) в квадратном и прямоугольном элементах, выполненных из пермаллоя, размеромсоответственно 1*1 мкм2 и 2*1 мкм2 . Толщина 20 нм. Контраст получен спомощью лоренцевой микроскопии [88].Рис. 1.7: (а) Контуры магнитного фазового контраста, полученного с помощью метода электронной голографии для нити, выполненной из кобальта.Диаметр нити 95 нм, длина 1000 нм. (б) Распределение намагниченностив нити, вычисленное в рамках микромагнитного моделирования. При вычислениях использовалась реальная структура нити, также найденная посредством электронной голографии [96].211.2.
Упорядоченные массивы наночастицВ практических приложениях важную роль играют упорядоченные массивы наночастиц [99, 100]. Данные системы интересны также и с фундаментальной точки зрения, так как в них реализуется коллективные эффекты,связанные с взаимодействием частиц [101, 102]. Вследствие анизотропии имедленного убывания магнитостатического взаимодействия в системах наночастиц могут возникать различные нетривиальные типы магнитного упорядочения.
Более того, магнитное поле, создаваемое наночастицей, сильнозависит от ее магнитного состояния [103, 104]. Неоднородные магнитныеконфигурации наблюдаемые в наночастицах могут приводить к сложномураспределению магнитного поля, что в свою очередь оказывает влияние намагнитное состоянии самих частиц в массиве [105–107]. Кроме того магнитостатическое взаимодействие существенно зависит от формы всего массива наночастиц.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
