Диссертация (1149607), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Несмотря на отсутствие вырождения в квадратных спиновых льдах, представляет интерес распространение возбуждений в таких системах [194]. Отметим,что с помощью изменения геометрии квадратного спинового льда можнодобиться макроскопического вырождения его основного состояния. Так,например, авторы [195, 196] синтезировали массив наночастиц, в которомчастицы, ориентированные вдоль оси [10] квадратной решетки, смещеныв вертикальном направлении относительно частиц, расположенных вдольнаправления [01]. В работе [197] был исследован массив наночастиц, упорядоченных в прямоугольную решетку.
Подобрав соответствующим образомсоотношение периодов решетки, авторы добились вырождения основногосостояния.Практически одновременно с открытием квадратных спиновых льдовстали также активно изучаться гексагонально упорядоченные массивы шестиугольников (решетки типа пчелиных сот, honeycomb lattice) [198, 199].Основное состояние данных систем является макроскопически вырожденным.
В гексагональных структурах каждая вершина окружена тремя эле-34Рис. 1.13: (а) Изображение поверхности квадратного спинового льда, полученное методом атомно-силовой микроскопии (АСМ), (б) магнитное состояние наночастиц, измеренное при помощи МСМ. Цветами выделены различные характерные для данной системы конфигурации магнитных моментов в наночастицах [186]. (в) Структура гексагонального спинового льда(honeycomb lattice), (г) магнитное состояние наночастиц, измеренное припомощи МСМ [188].35ментами, что приводит к неизбежному наличию магнитных зарядов в вершинах (рис.
1.13в,г). Правило спинового льда в данном случае запрещаеттолько конфигурации, приводящие к увеличению заряда, в которых всетри магнитных момента направлены внутрь или наружу вершины. Различные состояние данной системы были исследованы при помощи численного моделирования взаимодействия дипольных моментом наночастиц методом Монте-Карло [200, 201]. Согласно результатам вычислений при высоких температурах система должна находиться в парамагнитном состоянии, и правило льда может нарушаться. При понижении температуры правило льда начинает выполняться, и система переходит в новое состояние"Ice I". В случае дальнейшего уменьшения температуры становятся существенными взаимодействия между магнитными зарядами в вершинах решетки.
Магнитные заряды противоположных знаков притягиваются другк другу и образуют подобие ионного кристалла (фаза "Ice II") Отметим,что данный эффект не может быть объяснен только с помощью правилальда. Было предсказано, что при самых низких температурах в системедолжен образовываться дальний порядок. Экспериментально достовернобыло установлено только существование фазы "Ice I" [199]. Образованиеданного состояния, как правило, не требует применения методик "отжига".
Использование тонких методов перевода системы в основное состояниепозволило экспериментально обнаружить области в решетке, в которых реализуется состояние "Ice II" [190, 202]. Однако несмотря на значительныеусилия дальний порядок в таких системах не был обнаружен.
Возможно,что учет отклонений магнитных состояний наночастиц от состояния однородной намагниченности позволит сделать следующий шаг к лучшемупониманию свойств искусственных спиновых льдов [203]. Искусственныеспиновые льды с гексагональной структурой могут состоять не только изотдельных наночастиц, но и представлять собой связные системы. В нихбыли обнаружены необычные особенности, сопровождающие процесс перемагничивания. С помощью комплексного подхода, включающего в себяпроведение микромагнитных вычислений распределения намагниченностив основных элементах структуры, численного моделирования свойств больших массивов элементов и экспериментальных исследований, было уста-36новлено, что при определенных условиях связные льды могут перемагничиваться с помощью лавин переворотов магнитных моментов [204–206].
Приэтом среднее число лавин, затрагивающих элементов, оказалось равным1/.Возможности современных литографических методов синтеза позволяют создавать массивы наночастиц, упорядоченных в сложные структуры,не имеющего прямых природных аналогов. Вплоть до 2014 года толькоискусственный спиновый лед с гексагональной структурой типа пчелиныхсот обладал макроскопически вырожденным основным состоянием. Однако в последние годы было предложено несколько принципиальных новыхструктур. Одна из них так называемая решетка Шакти (Shakti lattice)(рис. 1.14) состоит из наночастиц, имеющих неодинаковое число ближайших соседей [207].
В каждой вершине сходятся либо три, либо четыре наночастицы. Детальный анализ возможных конфигураций магнитных моментов в вершинах показывает, что в таких структурах можно выделить некоторые основные элементы называемые плакетами (рис. 1.14б). В каждомплакете существуют две и только две вершины, энергия взаимодействиянаночастиц в которых не может быть минимизирована. Данное обстоятельство позволяет сформулировать некоторый аналог правила льда для плакетов, а не для отдельных вершин. Данное правило не фиксирует то, какиеименно вершины в плакетах должны иметь повышенную энергию. Такимобразом, данная система является вырожденной, что было подтвержденоэкспериментально [193]. В настоящее время детально исследуются и другиедвумерные наноструктуры, имеющие сложную геометрию, например, спиновый лед типа "тетрис"(tetris ice) [208] и различные вариации структурыШакти [193].Следует отметить, что все известные в настоящий моменты искусственные спиновые льда представляют собой двумерные системы.
Магнитныемоменты, составляющих их наночастиц, компланарны. В тоже время магнитная структура атомных спиновых льдов существенно трехмерна. В связи с этим представляет несомненный интерес получение и исследованиетрехмерных систем, содержащих структурные элементы аналогичные тетраэдрам, составляющим магнитную структуру атомных спиновых льдов.37Рис. 1.14: (а) СЭМ изображение решетки Шакти, (б) структура решетки,черным цветом выделен плакет, (б) магнитное состояние наночастиц, измеренное при помощи МСМ [193]В дальнейшем будет показано, что инвертированные опалы относятся кклассу искусственных трехмерных спиновых льдов.1.6.
Инвертированные опалы на основе ферромагнитных материаловВ отличие от литографических методом синтеза, технологии, основанные на самоорганизации частиц, позволяют сравнительно легко создаватьбольшие трехмерно-упорядоченные структуры. Одними из наиболее интересных объектов, полученных при помощи данного метода, являютсяколлоидные кристаллы [209]. Они представляют собой пространственноупорядоченные периодические массивы коллоидных частиц. Диаметр частиц лежит в диапазоне от сотен нанометров до нескольких микрон. Многие коллоидные кристаллы являются фотонными кристаллами [210, 211].С помощью изменения топологии, периода структуры и коэффициентапреломления материала можно модифицировать свойства фотонной запрещенной зоны [212].
Возможность тонкой настройки оптических свойствколлоидных кристаллов с помощью изменения их строения открывает широкие возможности по применению данных систем в фотонике. Коллоидные кристаллы интересны также и с фундаментальной точки зрения.38Было показано, в них могут реализовываться необычные фазовые переходы [213, 214]. Развитие методов малоуглового рассеяния синхротронногоизлучения [215] и когерентной рентгеновской дифракции [216] позволилонепосредственно исследовать упорядочение коллоидных частиц в объемекристалла.Используя коллоидные кристаллы в качестве шаблона (темплата), можно получить так называемые инвертированные опалы (ИО) [217]. Синтез ИО состоит из трех основных шагов [218].
На первом этапе создаетсяколлоидный кристалл-темплат (рис. 1.15а). Затем в пустоты между микросферами, образующими коллоидный кристалл, осаждается материалзаполнитель. И на последнем этапе микросферы удаляются из образца. Врезультате образуются упорядоченные массивы пустот (рис. 1.15(б)). Исходные коллоидные кристаллы обычно выполняются из кремниевых илиполистирольных микросфер. Кремниевые микросферы менее чувствительные к высоким температурам, которые необходимо прикладывать к образцам при некоторых типах синтеза, но в тоже время их сложнее удалитьиз образца, чем полимерные частицы [209].
Самым трудоемким этапом впроцессе синтеза ИО является осаждения материала-заполнителя. Можновыделить несколько основных групп методов, позволяющих достичь высокой степени заполнения пустот кристалла-темплата: золь-гель метод [219],полимеризация [220], осаждение из газовой фазы [221] и электрохимическоеосаждение [222, 223]. Последний метод особенно важен для ферромагнитных структур, так как позволяет достаточно точно контролировать количество осажденного в пустоты материала.
ИО обладают большой пористостью и могут быть выполнены из различных материалов, что открываетширокие возможности по их практическому использованию. ИО на основедиэлектриков и полупроводников могут найти применение в фотонике вкачестве волноводов [224] или светодиодов [225]. Оптические свойства ИОсущественно зависят от коэффициента преломления материала, находящегося в порах. Данное свойство можно использовать для создания сенсоровразличных веществ, например глюкозы [226] или углекислого газа [227].ИО, выполненные из металлов, используются в качестве термоэмиттеровэлектромагнитного излучения в термофотовольтаике [228, 229]. Возмож-39Рис.
1.15: (а) СЭМ изображение поверхности исходного коллоидного кристалла и (б) скола инвертированного опала, выполненного из никеля.ность заполнения пор ИО различными материалами позволяют создать наих основе принципиально новые электроды для литий-ионных аккумуляторов [230, 231]. Упругие свойства ИО могут быть использованы при создании микрокантилеверов [232]. Интересные результаты были полученыпри изучении зависимости электропроводности никелевых ИО от размерапор [233].Следует отметить, что большинство работ, посвященных ИО, направлено либо на изучение их оптических свойств, либо на исследованию электрических и термических характеристик.
Магнитные свойства ИО на основе ферромагнитных материалов практически не попадали в фокус внимания исследователей. Возможно, что это связано с отсутствием методов,позволяющих однозначно восстановить магнитную структуру ИО. Однаиз первых работ, посвященных исследованию магнитного поведения ИО,была выполнена группой Жукова [234]. В ней впервые были приведеныэкспериментальные кривые зависимости коэрцитивной силы ИО на основекобальта от периода структуры. Исследовались тонкие пленки ИО (толщина слоя металла не превосходила радиуса микросфер).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
