Диссертация (1149607), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Изначально данный метод применялся в основном для изучения растворов белков, эмульсий, различных дисперсных систем, нанокомпозитов [253,254]. В последниегоды, благодаря развитию синхротронных источников излучения, были достигнуты значительные успехи при исследовании коллоидных кристалловметодом SAXS [215, 255]. Основная идея метода SAXS заключается в том,что при рассеянии излучения с длиной волны много меньшей размера исследуемых неоднородностей в системе, информацию о них можно получить,изучая рассеяние в области малых углов. Действительно, модуль векторарассеяния q = k − k в случае упругого процесса равен = 4 sin( /2)/(здесь k и k соответственно волновые векторы падающей и рассеяннойволн (|k |=|k |=2/), – длина волны излучения, – угол рассеяния46Рис.
2.2: Геометрия SAXS эксперимента(рис. 2.2)). Как известно, для исследования неоднородностей, имеющиххарактерный линейный размер , необходимо регистрировать рассеяниев области ≈ 2/ [254]. Длина волны излучения современных источников синхротронного и рентгеновского излучения составляет несколькоангстрем. Таким образом, для изучения свойств наноструктур необходимоисследовать интенсивность при малых углах рассеяния (0.1o − 1o ).В борновском приближении в случае дифракции Фраунгофера, предполагая, что коллоидный кристалл состоит из тождественных наночастиц, интенсивность рассеяния можно выразить следующим выражением [247, 256]:(q) = | (q)|2 (q).(2.1) (q) – форм-фактор коллоидной частицы, (q) – структурный фактор,описывающий взаимное расположение частиц.
В случае коллоидных кристаллов, характеризующихся высокой степенью упорядочения, наблюдаемые дифракционные максимумы позволяют непосредственно определитьсимметрию и структуру образцов. Отметим, что при анализе малоугловой дифракции от коллоидных кристаллов, имеющих большой период(≈ 700нм), сфера Эвальда может быть аппроксимирована плоскостью.47Эксперименты по малоугловому рассеянию синхротронного излучения проводились в ESRF (Гренобль, Франция) на станции DUBBLEBM26 (рис.
2.2). Энергия синхротронного излучения была равна 13 кэВ,длина волны =0.95 Å с разрешением ∆/ = 10−4 . Рассеянное излучениерегистрировалось двумерным CCD детектором (VHR, Photonic Science),находящимся на расстоянии 6.48 м от образца. Размер пиксела детекторасоставлял 22.7 мкм. Система бериллиевых линз, установленных на станцииDUBBLE для фокусировки пучка, позволила уменьшить его расходимостьдо 5 микрорадиан. Таким образом, аппаратное уширение пиков составиловеличину порядка 4(5 · 10−6 /2)/0.095 = 3.3 · 10−4 нм−1 , гораздо меньшую (более чем на порядок) наблюдаемой ширины пиков. Площадь пятнаизлучения на образце составила 2.5 · 10−2 мм2 .2.3.2.
Метод малоуглового рассеяния рентгеновскогоизлучения в скользящей геометрии (GISAXS)В случае приближения величины угла падения рентгеновского излученияна образец к значению критического угла полного внешнего отраженияинтенсивность рассеяния начинает сильно зависеть от структуры поверхности исследуемого объекта. Данный эффект лежит в основе метода малоуглового рассеяния рентгеновского излучения в скользящей геометрии(grazing-incidence small-angle X-ray scattering, GISAXS) [257, 258].
GISAXSуспешно применялся для изучения структуры наночастиц [252], органических соединений [259], коллоидных кристаллов, выполненных из полистирольных микросфер [260]. Для описания рассеяния рентгеновских лучейв скользящей геометрии необходимо модифицировать борновское приближение, принимая во внимание эффекты преломления и отражения излучения от подложки. Соответствующая модификация была проведена в рамках так называемого борновского приближения искаженных волн (distortedwave Born approximation, DWBA) [258, 261, 262].
Основной результат теории DWBA заключается в следующем. Было установлено, что для учетаэффектов преломления и отражения в первом приближении необходимовычислить эффективный форм-фактор частицы, описывающий основные48Рис. 2.3: Процессы, учитывающиеся в рамках модели DWBA при рассеянии излучения на массиве наночастиц. Первый рисунок соответствует приближению Борна, – -компонента вектора рассеяния, RF ( ) и RF ( ) –коэффициенты отражения Френеля.процессы, происходящие при взаимодействии излучения с образцом. В случае наночастиц, расположенных на подложке, эффективный форм-факторпредставляет собой сумму четырех слагаемых, соответствующих рассеянию падающего излучения на наночастице после или до отражения от подложки (рис.
2.3). Каждое слагаемое имеет вид форм-фактора, зависящегоот соответствующего вектора рассеяния. Кроме того, с помощью коэффициентов Френеля RF непосредственно учитывается отражение излученияот подложки. Эффективный форм-фактор в приближении DWBA зависитне только от величины вектора рассеяния q, но также и от абсолютного значения перпендикулярной подложке компоненты волновых векторовпадающей и рассеянной волн , [263].Геометрия GISAXS эксперимента представлена на рис.
2.4. Ось oZсистемы координат расположена перпендикулярно поверхности образца.Связь компонент вектора рассеяния с углами рассеяния , задаетсяследующим соотношением:⎤⎡cos( ) − cos( ) cos( )2 ⎢⎥q=cos( ) sin( )⎣⎦.sin( ) + sin( )(2.2)Исследования ИО методом GISAXS также были проведены на станцииDUBBLE BM26, расположенной в ESRF. Излучение падало на образец подмалым скользящим углом ≈ 0.2o . ИО поворачивались вокруг вертикальной оси oZ на угол . Значение угла отсчитывалось от ориентации образца,49Рис.
2.4: Геометрия GISAXS экспериментапри которой кристаллографическая ось [101] (или [10] в случае образцовтолщиной менее одного монослоя) была направлена вдоль падающего лучаи перпендикулярно плоскости детектора.2.3.3. Малоугловое рассеяние нейтронов (SANS)Методы, основанные на рассеянии и дифракции нейтронов, позволяютполучить важную информацию о магнитной структуре исследуемых систем [264, 265]. В частности, малоугловое рассеяние нейтронов (Small-angleneutron scattering, SANS) успешно используется для изучения различныхмагнитных наноструктур [170, 249, 266, 267].
Интенсивность малоугловогоупругого рассеяния неполяризованных нейтронов на упорядоченной магнитной наноструктуре tot состоит из суммы ядерного N и магнитного вкладов M . В случае упорядоченной системы, состоящей из тождественных частиц, интенсивность ядерного рассеяния описывается выражением 2.1. Интенсивность магнитного рассеяния в общем случае мож̃︁⊥ (q)|2 = |̂︀̃︁̂︀ 2 , где q̂︀ = q/,но представить в виде M ∝ |Mq × M(q)× q|̃︁M(q)– Фурье-образ распределения намагниченности в образце. При рас-50сеянии на системе, состоящей из наночастиц, магнитные состояния которых тождественны, данное выражение принимает вид аналогичный 2.1:M = |⊥ (q)|2 (q), ⊥ (q) - магнитный форм-фактор, (q) - магнитный структурный фактор. Ясно, что магнитный форм-фактор чувствителен только к перпендикулярной вектору q компоненте Фурье-образа распределения намагниченности в наночастице.
Относительные вклады ядерного и магнитного рассеяния в общую картину в значительной степениопределяются соответствующими амплитудами рассеяния. В случае никеля амплитуда ядерного рассеяния (Ni = 1.03·10−12 см) существенно превосходит амплитуду магнитного рассеяния (Ni = 0.16 · 10−12 см). Для кобальта реализуется обратная ситуация (Co = 0.28 · 10−12 см, Co = 0.47 · 10−12см) [268]. В связи с этим в данной работе рассматривалось малоугловоерассеяние нейтронов только на ИО, выполненных из кобальта.Эксперименты по малоугловому рассеяние нейтронов проводились наинструменте SANS-1, расположенном в Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (Гархинг, Германия). Длина волны нейтронов составляла = 1.7 нм, разрешение ∆/ = 10−1 .
Расстояние образец-детектор было равно 21.7 м. Малаяинтенсивность потока нейтронов позволила не устанавливать поглотительпрямого пучка. Поперечная когерентная длина пучка достигала 3 мкм,продольная когерентная длина превышала толщину образцов. Геометрииэкспериментов будут подробно обсуждаться в Главе 4.2.4. Магнитно-силовая микроскопияИзучение топографии поверхности было проведено в полуконтактном режиме снятия изображений ("tapping mode").
При проведении МСМ измерений использовалась двухпроходная методика [269]. Во время первого прохода иглы кантилевера вдоль строки сканирования регистрировалась топография поверхности. На втором проходе расстояние между иглой и поверхностью образца поддерживалось постоянным и составляло 100нм. При этом измерялся фазовый контраст. Можно показать, что фазовый сдвиг в простейшем случае пропорционален перпендикулярной поверхности образца компоненте градиента силы, действующей на иглу [270].51При проведении всех измерений использовались высококоэрцитивные иглыASYMFMHC (Asylum Research), намагниченные перпендикулярно поверхности.
Величина коэрцитивной силы игл составляла 500 мТл. Данные иглымогут быть аппроксимированы точечным магнитным диполем [271]. В этомслучае сдвиг фазы колебаний оказывается пропорциональным ∼ 2 ,где – перпендикулярная поверхности компонента магнитного поля, создаваемого образцом [270].Исследования топографии поверхности и магнитных свойств ИО проводились с помощью атомно-силового микроскопа Bruker Dimension Icon.Измерения были выполнены в центрах «KNMF Laboratory for Microscopyand Spectroscopy» и IFW Dresden, расположенных соответственно в городахКарлсруэ и Дрездене в Германии.
Также предварительные исследованияИО с помощью АСМ и МСМ были выполнены в ресурсном центре СПбГУ“Физические методы исследования поверхности” (ФМИП). При изучениимагнитных свойств ИО магнитное поле подавалось с помощью постоянного магнита. Величина поля определялась расстоянием между магнитом иобразцом.2.5. Микромагнитное моделирование2.5.1.
Свободная энергия ферромагнетика, уравнениядвиженияВ основе теории микромагнетизма лежит приближение непрерывной среды, в в каждой точке которой определен вектор намагниченности M(r) [17,20, 272]. Длина данного вектора постоянна |M(r)| = ( ), где ( ) –намагниченность насыщения для данного материала при температуре .Необходимым условием применимости модели непрерывной среды является требование малости постоянной решетки исследуемого материала посравнению с характерными длинами в рассматриваемой задаче. В рамках модели микромагнетизма метастабильные состояния системы можноискать посредством нахождения локальным минимумов ее свободной энергии (, , Hext , M(r)), при этом температура , объем тела и внешнее52поле Hext считаются фиксированными.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
