Диссертация (1149607), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Учет взаимодействия только ближайших соседей частооказывается недостаточным [108]. В связи с этим в основном изучались либо массивы частиц малого размера, находящихся в состоянии однороднойнамагниченности, либо наночастицы, обладающие сильной анизотропиейформы.Как известно, достаточно малые ферромагнитные наночастицы могутнаходиться в суперпарамагнитном состоянии [109]. Характерное время изменения намагниченности связано с температурой следующим соотношением: = 0 exp ( / ), где – эффективная константа анизотропии, – объем частицы, 0 – множитель, зависящий от свойств материала.Исходя из данного соотношения можно определить температуру блокировки , при которой намагниченность частицы не успевает изменитьсяза время проведения измерения.
С другой стороны, можно также рассмотреть объем частицы, при котором ее намагниченность остается неизменнойпри данной температуре. При комнатной температуре частицы переходятв суперпарамагнитное состояние, если их размер не превышает 5-20 нм.Так, например, для сферических наночастиц, выполненных из магнетитакритический размер при = 300 K составляет примерно 10 нм [110].
Однако оказалось, что при увеличении концентрации наночастиц магнитоста-22тическое взаимодействие приводит к повышению температуры блокировки [111]. При этом магнитная конфигурация всего ансамбля наночастицможет проявлять свойства характерные для ферромагнетиков [102]. Такиесистемы называют суперферромагнитными. Большой интерес в этой связивызвали двумерные массивы наночастиц. Теоретические расчеты предсказывали антиферромагнитное или ферромагнитное упорядочение в такихструктурах в зависимости от типа решетки [104,112,113]. Однако из-за малых размеров наночастиц долгое время не удавалось явно наблюдать магнитное состояние таких систем.
Авторы [114] визуализировали магнитноеполе, создаваемое цепочками кобальтовых частиц (рис. 1.8). Диаметр частиц составлял 15 нм. Можно видеть, что для одномерных цепочек реализуется ферромагнитное упорядочение. Однако уже в случае цепочки толщиной в три частицы ферромагнитное упорядочение наблюдается только длядвух рядов частиц. Третий ряд упорядочен антиферромагнитно по отношению к первым двум. Авторы [114] связывают данный эффект с наличиеммотивов квадратной решетки в данной структуре, для которой было предсказано антиферромагнитное упорядочение [113]. В более широких цепочках существуют домены характерные для суперферромагнетика. Многиеисследователи наблюдали домены в гексагонально-упорядоченных структурах [115–118], что согласуется с модельными расчетами.
В квадратныхмассивах нанодисков были обнаружены ферромагнитно-упорядоченные полоски с нерегулярными добавками цепочек, намагниченных в противоположном направлении [119]. Данное наблюдение противоречит модели, основывающейся на исключительно дипольном взаимодействии частиц, однаконаходится в согласии с теориями, учитывающими мультипольные членыболее старших порядков [104]. Тем не менее детальная картина поведениянамагниченности в массивах наночастиц малого размера еще не вполнеясна.
Так, например, точно неизвестна структура доменной стенки в суперферромагнетиках [109]. Предполагается, что она должна существенноотличаться от вида доменной стенки в обычных непрерывных ферромагнитных материалах [120]. Широко не изучались также магнитные конфигурации, возникающие в трехмерных системах наночастиц.В последнее время также активно исследовались массивы ферромагнит-23Рис. 1.8: Визуализация магнитного поля в системе наночастиц, выполненных из кобальта, с помощью метода электронной голографии.
Диаметрчастиц 15 нм. Цвет кодирует направление магнитного поля. (а) одномерная цепочка наночастиц, (б) цепочка толщиной в три частицы, (в) цепочкапеременной толщины [114].ных нанонитей [121]. Простейшие нанонити представляют собой цилиндры,типичная длина которых составляет несколько микрон, а диаметр варьируется от десятков до сотен нанометров.
Однако изучаются также и образцыболее сложной геометрической формы [122–124]. Нанонити можно получить с помощью электрохимического осаждения магнитного материала впоры темплата [125]. В качестве темплата чаще всего используются пленкианодированного оксида алюминия. Сравнительно доступные способы получения, простая геометрия нанонитей и богатые магнитные свойства сделали их удобными модельными системами для изучения процессов перемагничивания и коллективных эффектов. Нанонити могут быть использованыв некоторых устройствах хранения информации [126] и для медицинскихприложений [127].
В принципе нанонити, как и нанодиски, обсуждавшиеся ранее, могут быть аппроксимированы эллипсоидами. Тогда становится возможным применение моделей когерентного вращения или скручивания (curling) для описания процессов перемагничивания [20, 128]. Были24предприняты попытки расширения данных теорий для описания свойствнанонитей, с помощью представления о вихревых (vortex) и поперечных(transverse) доменных стенках [129]. Тем не менее данные модели позволилиполучить только качественное согласие с экспериментальными данными внекоторых случаях [130, 131]. Более полную картину процессов перемагничивания можно воспроизвести с помощью численного решения уравнениймикромагнетизма [95].
В частности, уже в первых работах было установлено, что перемагничивание нанонитей никогда не происходит исключительно посредством когерентного вращения или скручивания [132, 133]. Изменение магнитной конфигурации связано с движением доменных стенок внанонитях [132]. Взаимодействие нанонитей также непросто описать с помощью аналитических моделей [129, 134] вследствие сложной структурымагнитного поля, создаваемого неоднородными конфигурациями намагниченности [135, 136].
С помощью микромагнитных вычислений было показано, что в большинстве случаев магнитостатическим взаимодействиеммежду нитями можно пренебречь, если расстояние между ними в несколько раз превышает их диаметр [137]. Однако при уменьшении дистанциимежду нитями взаимодействие приводит к существенному изменению магнитных свойств образцов, в частности, к понижению значения коэрцитивной силы [138].
Петли гистерезиса для массивов нитей не содержат резкихскачков намагниченности характерных для единичных нанонитей [130,139].Учет тонких деталей строения нанонитей позволил получить количественное согласие между результатами микромагнитного моделирования и экспериментальными данными [140].Однодоменные частицы, обладающие существенной анизотропией формы, являются основным компонентом искусственных спиновых льдов, обсуждаемых в разделе 1.5.25Рис.
1.9: Структура с порами, выполненная из кобальта. Поры упорядочены в квадратную решетку. (a) СЭМ изображение поверхности структуры и(б) распределение намагниченности на поверхности, вычисленное в рамкахмодели микромагнетизма. Стрелками обозначены основные кристаллографические направления мезоструктуры пленки [145].1.3. Двумерные связные периодические наноструктурыАктивно изучаются также связные упорядоченные структуры, период которых варьируется в диапазоне от сотен нанометров до единиц микронов [141–144]. Данные объекты сочетают в себе свойства сплошных пленок и наночастиц. Распределение намагниченности в элементарной ячейкевычисляется с помощью микромагнитных моделей, в тоже время на масштабах длин, существенно превышающих величину постоянной решетки,часто оказывается полезным применение теории, описывающей движениедоменных стенок.Большинство связных периодических наносистем представляет собойструктуры с упорядоченными порами (antidot array).
Они могут быть получены с помощью электронной литографии [146], ионного травления [147]или использования темплатных методик синтеза [148, 149]. На рис. 1.9a вкачестве примера приведено изображение поверхности структуры с упо-26рядоченными порами, полученное с помощью сканирующей электронноймикроскопии (СЭМ). Данные структуры могут быть использованы в качестве фильтров спиновых волн в магнонике [150]. Системы, имеющие малыйпериод, также рассматриваются в качестве основы для устройств хранения информации нового типа [151]. Гибкие методики синтеза позволяютварьировать тип упорядочения пор, их размер и форму, период структуры и толщину образца.
Поры могут рассматриваться как центры пиннингадоменных стенок, препятствующие их движению или напротив направляющие в определенную сторону в ходе процесса перемагничивания [152,153].Свойства структур с упорядоченными порами существенно определяютсясоотношением диаметра пор и периодом их чередования [154]. Так вгексагонально-упорядоченных структурах при > 0.75 реализуется искусственный спиновый лед [155]. Если же отношение / мало ( < 0.1),то соответствующие системы становятся пригодными для использования вмагнонике [156].
Похожая ситуация реализуется и в инвертированных опалах. Отметим, что толщины большинства изучаемых структур с упорядоченными порами составляют порядка 50 нм [145]. Вследствие этого исследованию пространственной вариации компоненты намагниченности перпендикулярной поверхности посвящено небольшое число работ [154, 157].1.4. Трехмерные наноструктурыПодавляющее большинство изучаемых в настоящий момент магнитных наноструктур представляет собой двумерные системы. Выше было показано,что современные экспериментальные методики позволяют детально описать магнитные свойства двумерных объектов. Однако ситуация изменяется кардинальным образом при переходе к исследованию свойств трехмерных наносистем. В широком смысле под трехмерными структурами можнопонимать как трехмерно-периодические системы, к котором относятся инвертированные опалы, так и нанообъекты, имеющие неоднородное строениево всех трех измерениях.
Такое понимание понятия трехмерности оправдывается тем, что для синтеза и исследования подобных объектов необходимоприменять качественно новые подходы, которые только начинают разраба-27Рис. 1.10: Примеры трехмерных наноструктур: (a) усеченный икосаэдр,покрытый слоем кобальта [159]; (б) наноспираль [123]; (в) трехмерноупорядоченный массив наночастиц магнетита, имеющих органическую оболочку, диаметр частиц составляет 12 нм [160]. Изображения были полученыс помощью СЭМ.тываться [7].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
