Диссертация (1149607), страница 7
Текст из файла (страница 7)
В последующихработах [235, 236] была изучена зависимость величины коэрцитивной силыот направления приложения поля в плоскости ИО для образцов, выполненных из никеля. Диаметр сфер исходного коллоидного кристалла составлял900 нм. Было установлено, что данная зависимость содержит ось симметрии 6-го порядка, что находится в согласии с симметрией структуры тон-40ких пленок ИО. Для интерпретации результатов экспериментов было проведено микромагнитное моделирование распределения намагниченности вмалом элементе ИО, также обладающим осью симметрии 6-го порядка.Неожиданные результаты были получены для зависимости коэрцитивнойсилы от толщины тонких ИО на основе пермаллоя и кобальта.
Оказалось,что она носит осциллирующий характер [237–239]. Были предприняты попытки объяснения данного эффекта в рамках представления о чередовании магнитомягких и магнитожестких слоев в структуре ИО. Свойстваслоя определялись размером пустот, расположенных в нем. Осцилляциикоэрцитивной силы уменьшались с ростом толщины образцов. Они были слабо заметны уже при толщине магнитного слоя, составляющего тридиаметра микросфер исходного коллоидного кристалла. Авторы [240] исследовали магнитные свойства ИО на основе кобальта, выполненных измикросфер диаметром 250 нм.
Измерения проводились с помощью метода,основанного на использовании магнитооптического эффекта Керра, позволяющего измерить только магнитные поведение поверхности образцов.Было установлено, что свойства ИО существенно отличаются от свойствосплошных кобальтовых пленок.
Авторы предположили, что трехмернаяструктура ИО содержит большое количество центров пиннинга доменныхстенок, что приводит к существенной модификации свойств образцов посравнению со сплошными пленками. Интересные данные были полученыпри изучении зависимости коэрцитивной силы от периода структуры никелевых ИО [241].
Размер микросфер исходного коллоидного кристаллаварьировался в диапазоне от 100 нм до 1 мкм. Авторы установили, чтоданная зависимость немонотонна и имеет максимум при диаметре микросфер равном 200 нм. Данный эффект был объяснен переходом магнитныхконфигураций в октаэдрических и тетраэдрических участках ИО в однодоменное состояние при уменьшении диаметра до 200 нм. Однако детальныхрасчетов поведения намагниченности в таких системах не было проведено.Первые систематические исследования ИО на основе кобальта и никеля были проведены сотрудниками СПбГУ и ПИЯФ. Для понимания магнитного поведения данных систем необходимо получить как можно болееполную информацию об их геометрической структуре.
Данная задача са-41ма по себе является нетривиальной. Однако она была успешно решена спомощью применения метода малоуглового рассеяния синхротронного излучения (SAXS). Было установлено, что исходные коллоидные кристаллы [242–244] и ИО на их основе [245–247] имеют гранецентрированную кубическую (ГЦК) структуру с тенденцией к двойникованию. Период структуры исследованных образцов составлял примерно 700 нм. На следующемэтапе с помощью метода малоуглового рассеяния нейтронов (SANS) были исследованы особенности перемагничивания ИО на основе кобальта иникеля во внешнем магнитном поле [246, 248, 249]. Обобщение полученныхэкспериментальные данных позволило сформулировать гипотезу о принадлежности ИО к классу искусственных трехмерных спиновых льдов [8].
Данная гипотеза будет подробно обсуждаться в дальнейшем.В целом можно заключить, что моделирование и экспериментальноеисследование магнитных свойств ИО является актуальной задачей понескольким причинам. Во-первых, в настоящий момент практически неизучены магнитные конфигурации, реализующиеся в трехмерных магнитных наноструктурах, к которым относятся ИО. Данная область исследований только начинает развиваться. Во-вторых, отсутствуют экспериментальные методы, позволяющие однозначно восстановить магнитное состояние трехмерных систем. В связи с этим важной задачей является создание методик изучения магнитных структур, включающих в себя несколькокомплементарных экспериментальных техник, а также микромагнитнуюмодель, единым образом описывающую результаты измерений.
Ряд методов, использованных в настоящей работе, позволил получить достаточнополную информацию о магнитном строении ИО. Наконец, на сегодняшний день неизвестны трехмерные магнитные наноструктуры, являющиесяискусственными спиновыми льдами. В связи с этим доказательство принадлежности ИО к данному классу соединений и выявление их магнитныхсвойств с помощью микромагнитного моделирования представляет собойинтересную задачу.Глава 2.Экспериментальныеметоды исследованияинвертированных опалов,микромагнитноемоделированиеВ данной главе приведен обзор экспериментальных установок и методов,использованных в работе. Представлены основные уравнения микромагнетизма и пределы их применимости.2.1. Синтез инвертированных опалов (ИО)Синтез ИО был осуществлен сотрудниками Химического факультет МГУ.ИО были получены с помощью так называемого темплатного метода [250].На первом этапе посредством полимеризации стирола при использованиипероксодисульфата калия K2 S2 O8 в качестве инициатора были синтезированы полистирольные микросферы (рис.
2.1а) [251]. Диаметр микросферсоставлял порядка 500 нм. Затем с помощью метода вертикального осаждения микросфер во внешнем электрическом поле были выращены коллоид-43ные кристаллы (рис. 2.1б) [242]. Микросферы осаждались на проводящуюподложку, выполненную из кремния и покрытую слоем золота толщиной200 нм. Подложка размещалась вертикально в 0.2% водной суспензии микросфер. Осаждение микросфер проводилось в течение 24-48 часов при температуре 60 ± 3o C.
Величина электрического поля, приложенного перпендикулярно подложке, составляла 0.5 В/cм. Испарение суспензии привелок формированию коллоидного кристалла на электродах. Коллоидный кристалл имел ГЦК структуру [242, 243].Электрохимическое осаждение никеля или кобальта в пустоты между микросферами коллоидного кристалла проводилось в трехэлектродной ячейке в потенциостатическом режиме при комнатной температуре(рис.
2.1в). При осаждении никеля использовался раствор 0.6M NiSO4 +0.1M NiCl2 + 0.3M H3 BO3 + 3.5 M C2 H2 OH [250]. В случае электрокристаллизации кобальта был выбран электролит 0.2M CoSO4 + 0.5M Na2 SO4+ 0.3M H3 BO3 + 3.5M C2 H5 OH [249]. Коллоидный кристалл, расположенный на проводящей подложке, использовался в качестве рабочего электрода. Вспомогательный электрод представлял собой платиновую проволоку, электродом сравнения служил насыщенный хлорсеребряный (Ag/AgCl)электрод.
Потенциал осаждения составлял -0.9 В. На конечном этапе синтеза полистирольные микросферы растворялись в толуоле в течение трехчасов.Существенным достоинством техники электрохимического осажденияявляется возможность точного контроля количества материала, поступившего в пустоты между микросферами. При электрокристаллизации металла на хроноамперограммах, представляющих собой зависимость тока в системе от времени, наблюдаются характерные осцилляции. Данные осцилляции связаны с изменением площади поверхности металла в процессе ростаИО [250].
Используя хроноамперограммы, можно контролировать числомонослоев ИО. Однако явные осцилляции наблюдаются только в процессе роста первых четырех слоев. В дальнейшем они затухают вследствиевозрастания неравномерности осаждения металла в пустоты коллоидногокристалла.Толщину ИО естественно измерять в монослоях. Удобно считать, что44Рис. 2.1: Основные этапы синтеза ИО. (а) Водная суспензия микросфер,(б) осаждение микросфер на подложку и формирование коллоидного кристалла, (в) электрохимическое осаждение металла в пустоты коллоидногокристалл, (г) растворение микросфер.
На рисунке (г) отмечены первые четыре монослоя ИО, – диаметр микросфер, – толщина монослоя.первый монослой ИО формируется при достижении металлического покрытия толщины равной диаметру микросфер (рис. 2.1г). Последующие√︀монослои имеют толщины = 2/3, соответствующие расстоянию между центрами микросфер вдоль направления [111]. Следует отметить, чтоИО, в отличие от коллоидных кристаллов, могут иметь толщины, составляющие нецелое число монослоев.ИО на основе никеля и кобальта, исследованные в данной работе, имеютГЦК структуру [246, 249].2.2. SQUID магнитометрияОсновными элементами SQUID (superconducting quantum interferencedevice) магнитометра являются два параллельно соединенных джозефсоновских туннельных контакта. Данная система чрезвычайно чувствительна к величине потока магнитного поля, приложенного перпендикулярноплоскости контактов.
Эксперименты по измерению петель гистерезиса ИОпроводились на инструменте Quantum Design MPMS-5S, расположенном вИнституте физики конденсированного состояния Технического университета Брауншвейга (Германия). Данный прибор позволяет прикладывать к45образцу поле в диапазоне от -5 до 5 Т. Измерения проводились при комнатной температуре.Известно, что в процессе формирования коллоидных кристаллов направление движения мениска водного раствора микросфер формирует кристаллографическую ось [202] ГЦК структуры коллоидного кристалла.
Приэтом ось [111] оказывается перпендикулярной подложке, на которой былвыращен образец. Учитывая расположение кристаллографических осей,можно легко ориентировать образец в SQUID магнитометре таким образом, чтобы внешнее магнитное поле оказалось приложенным вдоль нужного направления. Здесь и далее под кристаллографическими направлениями всегда будут подразумеваться направления в ГЦК структуре ИО,описывающие укладку микросфер коллоидного кристалла, но не кристаллографические оси атомной структуры материалов-заполнителей.2.3. Техники малоуглового рассеяния2.3.1. Малоугловое рассеяния рентгеновского излучения (SAXS)Малоугловое рассеяния рентгеновского излучения (Small-angle X-rayscattering, SAXS) является одним из самых эффективных методов исследования структурного упорядочения в наносистемах [252].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
