Магнитные свойства наночастиц и нанопленок антиферро- и ферромагнетиков

Морозов, Алексей Владимирович

Магнитные свойства наночастиц и нанопленок антиферро- и ферромагнетиков тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Морозов, Алексей Владимирович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Ярославль МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Магнитные свойства наночастиц и нанопленок антиферро- и ферромагнетиков»

Автореферат диссертации на тему "Магнитные свойства наночастиц и нанопленок антиферро- и ферромагнетиков"

На правах рукописи

МОРОЗОВ Алексей Владимирович

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА НАНОЧАСТИЦ И НАНОПЛЕНОК АНТИФЕРРО- И ФЕРРОМАГНЕТИКОВ

01.04.07 - Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 8 НОЯ 2013

005540829

Курск-2013

005540829

Работа выполнена на кафедре общей и экспериментальной физики Ярославского государственного университета им. П.Г. Демидова

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, доцент,

заведующий кафедрой общей и экспериментальной физики Ярославского государственного университета им. П.Г. Демидова Алексеев Вадим Петрович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор кафедры общей физики МГУ им. М.В. Ломоносова Шипилин Анатолий Михайлович

доктор физико-математических наук, доцент, ведущий научный сотрудник Ярославского филиала Учреждения Российской академии наук Физико-технологического института РАН Проказников Александр Владимирович

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный

университет, лаборатория Мессбауэровской спектроскопии

Защита состоится 23 декабря 2013 г. в ОО на заседании диссертационного совета Д.212.105.04 при Юго-Западном государственном университете по адресу: 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94, аудит. Г-8.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Юго-Западного государственного университета

Автореферат разослан ноября 2013 г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д.212.105.04, кандидат физико-математических наук

Л.И. Рослякова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Изучение магнитных свойств наноматериалов актуально с точки зрения получения новых данных по свойствам твердых тел вблизи критических размеров суперпарамагнетизма и однодоменности. Эти данные найдут применение при разработке технологии изготовления современных микроэлектронных устройств.

Актуальность темы данной работы обусловлена также тесной связью магнитных свойств нанообъектов с их структурными особенностями и размерами. В таком состоянии наноматериалы обладают экстремальными магнитными параметрами, могут испытывать при изменении температуры и размеров различные магнитные превращения. Научный интерес в этой связи вызывает сравнение поведения ансамблей наночастиц антиферромагнетиков (малый магнитный момент частиц) и ферромагнетиков (большой магнитный момент частиц). В первом случае имеем дело с ансамблем частиц, в котором можно пренебречь межчастичным взаимодействием. Во втором случае такое взаимодействие необходимо учитывать при интерпретации результатов магнитных исследований.

Ансамбли наночастиц антиферромагнитных гидроксидов железа широко применяются в технологиях получения ферримагнитных оксидов железа при производстве носителей информации (магнетит - Ре304 и маггемит - у-Ре203). Ферримагнитные оксиды железа получают, как правило, при контролируемых твердофазных превращениях антиферромагнитных гидроксидов железа. Чаще всего используют гетит - а-БеООН. Наночастицы гетита встречаются в природе и входят в состав тканей живого вещества, почвенных конкреций и самих почв, определяя их магнитные свойства.

Тонкие ферромагнитные пленки, представляющие собой ансамбль ферромагнитных зерен (наночастиц), широко используются в качестве датчиков магнитных полей, перемещений, деформаций. Находят применение ферромагнитные пленки и при создании носителей информации с высокой плотностью записи.

Несмотря на многочисленные работы, посвященные этим проблемам, недостаточно исследовано поведение наноматериалов в области критических размеров магнитных переходов от состояния с определенным типом магнитного упорядочивания к суперпарамагнитному состоянию. В частности, актуальным остаются вопросы перехода ансамблей наночастиц антиферромагнетиков в суперпарамагнитное или парамагнитное состояние. Недостаточно также изучены особенности поведения магнитных параметров ферромагнитных пленок при приближении толщины пленки к критическим размерам однодоменности или суперпарамагнетизма.

Цель и задачи исследования. Основная цель данной работы — экспериментально исследовать зависимость магнитных параметров ансамблей наночастиц антиферромагнетиков и ферромагнетиков от их линейных размеров

в области критических размеров магнитных переходов и на этой основе проверить выводы теории суперпарамагнетизма.

Для достижения поставленной цели предстояло решить следующие задачи:

1. Разработать методы совместной интерпретации результатов МИ и мессбауэровской спектроскопии (МС) при исследовании наноматериалов вблизи критических размеров.

2. Изучить магнитные свойства ансамблей наночастиц гетита и экспериментально определить критические размеры перехода от антиферромагнитного состояния к суперпарамагнитному. Сравнить с выводами теории суперпарамагнетизма.

3. Оптимизировать методику оценки средних значений и ширины распределения размеров наночастиц гетита на основе данных мессбауэровской спектроскопии при различных температурах.

4. Исследовать природные образцы, содержащие наночастицы гетита для получения необходимой минералогической информации.

5. Измерить магнитные параметры нанопленок пермаллоя разной толщины и изучить переход от ферромагнитного состояния к суперпарамагнитному состоянию при уменьшении их толщины.

6. Определить критические толщины, при которых изученные пленки пермаллоя переходят от многодоменного состояния к однодоменному состоянию.

Объекты и предмет исследования. Объектами исследования являются ансамбли наночастиц гетита различного происхождения с размерами частиц от 12 до 74 нм, а также пленки пермаллоя толщиной от 1,5 до 8 нм.

Предметом исследований является изучение перехода этих конденсированных сред к суперпарамагнитному состоянию при уменьшении размеров частиц для двух видов наночастиц: антиферромагнетиков (малые магнитные моменты частиц) и ферромагнетиков (большие магнитные моменты частиц).

Научные результаты, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие научные результаты:

1. Получены экспериментальные зависимости мессбауэровских параметров и магнитных характеристик ансамблей наночастиц гетита от средних размеров частиц. Исследования показали, что критические размеры перехода изученных ансамблей частиц гетита из антиферромагнитного состояния в суперпарамагнитное при комнатной температуре составили 12 нм и в пределах погрешности измерений совпали с выводами теории.

2. По зависимости магнитных характеристик тонких пленок пермаллоя от их средней толщины экспериментально измерена критическая толщина, начиная с которой исчезает ферромагнитное состояние и возникает суперпарамагнитное состояние пленки. Она составила 2 нм и в пределах погрешности измерений совпадает с рассчитанной на основе теории суперпарамагнетизма.

3. Проанализированы зависимости формы петель гистерезиса пленок от направления и условий их намагничивания для установления формы анизотропии зерен пермаллоя. Установлено, что основную роль играет амплитудная дисперсия и анизотропия формы, обусловленная распределением ферромагнитных зерен по размерам.

Научная новизна работы. В работе впервые с помощью двух дополняющих друг друга методов - мессбауэровской спектроскопии и магнитных измерений изучены ансамбли наночастиц гетита в широком диапазоне размеров частиц, включая критические размеры суперпарамагнетизма. На этой основе получены новые результаты по переходу ансамбля наночастиц гетитов, полученных при контролируемом осаждении, из антиферромагнитного состояния в суперпарамагнитное. По произведенным оценкам критический размер суперпарамагнетизма составил при комнатной температуре 12 нм.

Предложена и проверена методика более точной оценки средних размеров и ширины распределения наночастиц гетита с использованием прикладного пакета МаЛсас! по результатам мессбауэровской спектроскопии при различных температурах.

При исследовании тонких пленок пермаллоя с помощью магнитных измерений впервые наблюдался и установлен вид магнитного перехода при уменьшении их толщины от 8 до 1,5 нм. Получены новые данные по оценке критических толщин пленки, при которой она переходит из многодоменного состояния в однодоменное, а также из однодоменного состояния в суперпарамагнитное.

Практическая значимость. Принципы и технические решения, использованные при разработке вибратора магнетометра, позволили значительно повысить чувствительность установки и исследовать магнитные свойства нанотолщинных пленок пермаллоя.

Усовершенствованные в работе методики совместного применения мессбауэровской спектроскопии и магнитных измерений при исследовании систем наночастиц и нанопленок, методы оценки критических параметров могут применяться при изучении как промышленных, так и природных наноматериалов.

Полученные в работе результаты и сформулированные выводы могут быть учтены при разработке методов получения новых наноматериалов и создании новых микроэлектронных устройств, магниточувствительных датчиков, средств записи и хранения информации.

Достоверность. Достоверность полученных результатов и сформулированных выводов подтверждается использованием комплекса физических методов и соответствием в пределах погрешности данных полученных разными методами; применением современных математических методов обработки результатов измерений; соответствием полученных экспериментальных результатов теоретическим представлениям об изученных объектах и явлениях.

Личный вклад автора. Совместно получены и лично проанализированы экспериментальные данные по магнитным и мессбауэровским параметрам лабораторных и природных систем наночастиц гетита. Автором предложен и проверен новый подход к оценке среднего размера и ширины распределения размеров частиц гетита. Получены новые экспериментальные данные по магнитным характеристикам тонких пленок пермаллоя и проанализированы экспериментальные результаты по измерению петель гистерезиса пленок пермаллоя. Лично автором сформулированы выводы по диссертации и защищаемые положения.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Содержание исследований и результаты работы соответствуют пунктам 2 -теоретическое и экспериментальное исследование физических свойств неупорядоченных неорганических веществ, включая дисперсные системы и 6 -разработка экспериментальных методов изучения физических свойств и создание физических основ промышленной технологии получения материалов с определенными свойствами паспорта специальности 01.04.07 - физика конденсированного состояния.

Апробация. Результаты работы неоднократно докладывались на научно-технических конференциях Ярославского государственного университета им. П.Г. Демидова (2006), Ярославского государственного технического университета (2007, 2008). Результаты работы были представлены на II Международной конференции «Кристаллогенезис и минералогия» (2007, Санкт-Петербург), на XI Международной конференции по применению эффекта Мессбауэра (2009, Екатеринбург), на XX и XXII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (2007, Ярославль, 2009, Псков, 2011, Пенза), на П Международной конференции по актуальным проблемам физики поверхности и наноструктур (2012, Ярославль).

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 16 опубликованных работах, в том числе в 3 статьях в рецензируемых научных журналах и изданиях.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность темы исследований, поставлены основная цель и задачи, сформулированы основные положения, отражены новизна и практическая значимость работы.

В ГЛАВЕ 1 представлен обзор работ по исследованию ансамблей наночастиц и ферромагнитных нанопленок различными методами. Проведен анализ и обобщение основных результатов исследований структуры и магнитных свойств систем наночастиц и нанопленок железосодержащих соединений (оксидов, гидроксидов, сплавов). Проведенный обзор исследований, показал, что ансамбли наночастиц оксидов железа и тонкие пленки пермаллоя находят применение в микроэлектронике для создания

устройств записи и хранения информации (магнитная память) и магниточувствительных датчиков. Однако магнитные свойства таких объектов недостаточно изучены в области критических размеров частиц перехода от магнитоупорядоченного состояния к суперпарамагнитному. Тем не менее, эти проблемы напрямую связаны с плотностью записи информации и ее стабильностью.

В ГЛАВЕ 2 подробно описаны исследованные образцы и методы их приготовления, методы исследований, применявшаяся аппаратура и методики измерений, математические методы обработки результатов измерений.

В качестве объектов исследования были выбраны природные системы наночастиц гидроксидов железа (конкреции, предоставленные факультетом Почвоведения МГУ) и образцы порошков гетита (а-РеООН) синтезированные на кафедре «Химическая технология органических покрытий» ЯГТУ. Были исследованы несколько образцов со средними размерами частиц гетита 12, 15, 18, 26 и 74 нм и эталонный образец - 163 нм. Погрешность оценки среднего размера частиц составляет 2-3 нм.

Пленки пермаллоя со средней толщиной 1,5; 3,0; 4,5; 6,0 и 8,0 нм были предоставлены лабораторией «Технологии микро- и наносистемной техники» ЯФ ФТИАН. Образцы были получены с помощью магнетронного распыления катода из пермаллоя (19 % М и 81 % /<е) и конденсации на холодную подложку в атмосфере аргона при давлении остаточных газов 1-10 Па. Толщина пленок определена с точностью 0,3 нм.

Магнитные измерения (МИ). Метод Фарадея. Измерения зависимости магнитной восприимчивости образцов от напряженности магнитного поля проводили на автоматизированной установке магнитных измерений. Чувствительность данной установки по удельной магнитной восприимчивости составляет ±0,13-10"9 м3/кг, а по удельной намагниченности - ±0,01 А-м2/кг. Эксперименты проводили в намагничивающих полях с магнитной индукцией до 1,2 Тл.

Магнитные измерения (МИ). Вибрационный магнитометр. Для измерения магнитных параметров (намагниченности, петель гистерезиса) нанопленок пермаллоя был использован вибрационный магнитометр, в состав которого входят: электродинамический вибратор, блок задания движения с генератором, селективный усилитель и вольтметр, система питания электромагнита и электромагнит. Система питания электромагнита обеспечивает создание внешнего магнитного поля с индукцией от 0,005 Тл до 1,2 Тл. Установка позволяет измерять удельную намагниченность образцов от 0,01 А м2/кг до 200 А-м2/кг, а также коэрцитивные силы.

Мессбауэровская спектроскопия (МС). Мессбауэровскую спектроскопию образцов проводили на спектрометре, созданном на кафедры физики Ярославского государственного технического университета. Спектрометр относится к электродинамическому типу и работает в режиме постоянных ускорений. Источником гамма-квантов служил изотоп Со57 в матрице хрома.

Изомерные сдвиги рассчитывали относительно центра спектра нитропруссида натрия. Измерения проводили в интервале температур от 95 до 297 К. Расчет мессбауэровских параметров образцов осуществляли с помощью специализированной компьютерной программы.

Рентгеновская дифрактометрия (РД). Рентгеновская дифрактометрия осуществлялась на дифрактометре ДРОН-2УМ-1 с использованием излучения СоКа при ускоряющем напряжении 40 кВ и токе электронов 20 мА. Дифрактограммы записывали на ленту самописца, а также в память компьютера, а затем расшифровывали и подвергались математической обработке.

Электронная микроскопия (ЭМ). Микрофотографии образцов были получены на электронном просвечивающем микроскопе ЭМ-200, при ускоряющем напряжении 100 кВ. Применяемые увеличения до 330000, а достигнутое разрешение до 2 нм.

Идентификация изученных образцов осуществлялась с помощью РД (картотека ASTM) и МС (международная база данных Mossbauer data).

ГЛАВА 3 посвящена изучению магнитных свойств ансамблей наночастиц гетита различного происхождения и анализу экспериментальных данных, полученных при исследовании. С точки зрения физики явления суперпарамагнетизма такие объекты представляют собой ансамбли не взаимодействующих частиц из-за их малых магнитных моментов. Проводится сравнение полученных экспериментальных данных с выводами теории суперпарамагнетизма Нееля.

С помощью указанных выше методов были исследованы образцы порошков гетита пронумерованные: G1 (12 нм), G2 (15 нм), G3 (18 нм), G4 (26 нм) и G5 (74 нм). Результаты МС (рис. 1) показывают, что с уменьшением среднего размера частиц гетита эффективное магнитное поле на ядрах железа уменьшается не линейно. Особенно заметно уменьшение НЭфф при среднем размере 12-17 нм . При таких размерах частиц гетита в мессбауэровском спектре, полученном при Т=297 К, преобладает дублет, соответствующий парамагнитной и суперпарамагнитной фазам. Доля секстета, который соответствует антиферромагнитному состоянию гетита, в спектрах этих образцов незначительна.

Таким образом, мессбауэровские исследования образцов показали, что при уменьшении средних размеров частиц гетита наблюдаются два типа магнитных превращений: антиферромагнетик-парамагнетик и

антиферромагнетик-суперпарамагнетик.

Установлено, что критический размер перехода антиферромагнетик-суперпарамагнетик для изученных образцов при комнатной температуре составляет 11-12 нм.

Измерения намагниченности также свидетельствуют о наличии в исследованных образцах, по крайней мере, двух фаз (рис. 3).

л----^

» .. < Г' \

Т=95 К

в2

: л*

Т=297 К

.....-

-10

О 5 10 V, мм/с

Рис. 1. Мессбауэровские спектры образцов и в2 при различных температурах измерений

Кроме того, прямые на графиках намагниченности этих образцов направлены в ноль, что указывает на наличие гетита в этих образцах в парамагнитном или суперпарамагнитном состоянии. У образцов с более крупными размерами частиц и магнитная восприимчивость меньше и прямые на графиках намагниченности направлены не в ноль. Это обусловлено тем, что частицам присуща некоторая остаточная намагниченность. Данный факт указывает на то, что в образцах 04 и 65 довольно большая доля частиц гетита находящихся в антиферромагнитном состоянии.

-5

40 38 36

I- 34 -8-

£32 CQ

30 28 26

н-

—<"—1

-J

1— г\

10 20 30 40 50 60 Средний размер, нм

Рис. 2. Зависимость эффективного магнитного поля от среднего размера частиц гетита при

Т=297К

Й 0,9 i 0,3 0,7 ä 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

Ö о о; х ш X х ш

Л X

«с ж

(О

У Ж

г Г"■^ЛГ*

-61 -G2 -G3 -GA -G5

2000 4000 6000 8000 10000 12000 Индукция магнитного поля, ICH Дл

Рис. 3. Кривые намагничивания порошков гетита при Т=297 К При исследовании различных систем наночастиц оксидов и гидроксидов железа часто необходимо определять параметры распределения размеров частиц. Для решения такой задачи необходимо знать критический объем

частиц, при котором система наночастиц переходит из магнитоупорядоченного состояния в суперпарамагнитное и который выражается формулой I:

где а = —некоторая постоянная величина в эксперименте, которая

л г0

зависит от температуры и минералогических особенностей частиц оксидов и гидроксидов железа. Для синтетического гетита она известна из литературных данных.

Для нахождения среднего объема (размера) частиц и ширины распределения использовали методику, содержание которой сводится к следующему. Проводили тщательные мессбауэровские температурные измерения образца гетита с определенным шагом по температуре. В нашем эксперименте спектры исследованных образцов снимали в интервале температур от 95 К до 297 К с шагом 15-20 К. Затем по относительной доле (формула 2) секстетов в спектрах при разных температурах с использованием логарифмически нормального распределения определяли параметры распределения.

Математическая обработка экспериментальных данных для образца G1 с параметрами распределения по размерам, измеренными напрямую по результатам электронной микроскопии, при использовании данной методики и прикладного пакета MathCAD (программа Unfit), привела к следующим значениям: средний размер частиц синтетического гетита составил dc„= 12,5 нм, ширина распределения - <rd=2,5 нм. Эти данные практически совпадают с данными электронной микроскопии, причем при использовании в расчетах дифференциальных значений отношения интенсивностей совпадение оказалось более точное.

При исследовании природных систем было установлено, что значение ширины распределения размеров частиц гетита в желтой охре составляет всего лишь 3 нм, что значительно меньше таковой для латеритов (6-8 нм) при одинаковом среднем размере (16-20 нм). Этот факт связан с различными условиями образования гетита в данных новообразованиях. В желтой охре осаждение гидроксидов происходит в отсутствии глинистых минералов.

В заключении главы приведены сведения по использованию магнитных измерений для обнаружения наночастиц гидроксидов железа в живом веществе, без возможности окончательной их идентификации.

В ГЛАВЕ 4 приведены результаты исследований магнитных свойств нанопленок пермаллоя (таблица 1).

(1)

к г,

(2).

о о

Таблица 1.

Описание пленок пермаллоя и условий их получения_

Номер образца Толщина пленки, нм Условия конденсации пленки

1 1,5 В магнитном поле постоянного магнита (~ 9500 А/м)

2 3,0 В магнитном поле постоянного магнита (~ 9500 А/м)

3 4,5 В магнитном поле постоянного магнита (~ 9500 А/м)

4 6,0 В магнитном поле постоянного магнита (~ 9500 А/м)

4а 8,0 В магнитном поле постоянного магнита (~ 9500 А/м)

5 1,5 В рассеянном магнитном поле Земли

6 3,0 В рассеянном магнитном поле Земли

7 4,5 В рассеянном магнитном поле Земли

8 6,0 В рассеянном магнитном поле Земли

Такие пленки представляют собой ансамбль сильно взаимодействующих частиц за счет их больших магнитных моментов.

Целью данного исследования являлось изучение влияния толщины пленки пермаллоя на." магнитные параметры петли гистерезиса (остаточную намагниченность - Намагниченность насыщения -1$ и коэрцитивную силу -Не). Типичные петли гистерезиса изученных пленок показаны на рисунке 4, а параметры петель представлены в таблице 2. Из рисунков и таблицы видно, что параметры петель гистерезиса существенно зависят от толщины пленки, направления намагничивания и условий напыления. При намагничивании вдоль ОЛН форма петель близка к прямоугольной и насыщение достигается уже в магнитных полях с напряженностью 30-50 А/м.

Насыщение при намагничивании в перпендикулярном направлении для некоторых пленок достигается только при напряженностях 500-600 А/м. Обнаружено также, что чем тоньше пленка, тем состояние насыщения достигается при более низких напряженностях.

Петли, измеренные параллельно ОЛН, обладают высокой

прямоугольностью (Кп =— « 1), их коэрцитивная сила (Нс) в 1,5-2 раза (в

зависимости от толщины пленки) меньше Не петель, измеренных перпендикулярно ОЛН. Коэффициент прямоугольности, а также и остаточная намагниченность последних значительно ниже Кп = ^ я» 0.3 -г- 0.4. Следует

обратить внимание на заметное уменьшение намагниченности насыщения пленок при уменьшении ее толщины. Вероятнее всего это связано с зернистостью изученных пленок и наличием внутри и на поверхности пленок ненамагничиваемых областей (пустот, неровностей поверхности, немагнитных примесей и др.). На основе результатов измерений для пленок пермаллоя с различной толщиной произведена оценка среднего размера ненамагничиваемых областей. Для пленок толщиной от 3 до 6 нм он приблизительно составляет АЬ и 2 нм. Это означает, что с уменьшением толщины пленки возрастает относительная доля ненамагничиваемых областей в общем объёме пленки.

... г f : : | j !J :-T ! - J - (в/®09 7 ~ ■ ......'b: '.-jh ; 'ЖЕ f

ШиШИЕ штжшжш Ijf-fHj?—j|— yh tfr^t;

{i • Нi "Ii* г;~:::гг Ji-Ulllilfllr. 1 ШН4-Ц1 ТТлПГи'ГТТП i

Ü 'П< 'Vi t.----- .vi; v ---^ „ *. „ 4— ~ ----- i > • :

* О • * ' ' ' 5 , г о -зоо -200 '--im 1 ' ml * *: ! S " 1 «X! || - д [ ~'Г - о . loo г§о зоо iJJi П Я:" 1 j

Up 1 " * '¿П"Iii.;'*' 1

|pO . -5 400 SÖO " ' 6Q0

x j i ? i: -« у .fAi-i.. .<..;... : - jr : Ш 7- i" T. Щ V71 TTTTTtl |

Ip—r: r - ,, ... {"oÜV " ! > .Iii; "! H'tS^'i

triff шшшЯШ QQ»'^' -VWf »«»».««(ЧДЧЛЛ»,» ¿i.m^W.vii,^.,, K'it Hfl .:l!it|ifjii.fr. 'H:.lnij}f;i.

j...............'•.....г '-тт. f ¿4 Напряженность, А/м................. "

I Щ ГНпц. А - образец 4, в плоек ; /1: ¡.А?-t... -Л эсти пленки, параллельно ОЛН 8<хз . . : . —™—,——-- 3 ! 4 " ,1 * | 1

< f th::i'1rf 1 о H: Л .: : I ri . mm 1 : 11 : ——-—- щ^едш мнш.чц. ------- V-Jyy. -p*r ШШъ fjfj. J^* га- • tUP» ' ' 3 t i Ир—г Ji f , 1 r. . ; . . , - . • . , ..... Щг!!н!! ! !

|>P0 -500 .-400 ....... ...... / -гро Fipo у о. яйб ?ш joo ^ ЯФЙ . ......'Г.Й«Ю

s 1>П (o s : ;. j ----- аК------------- i ■ ь..

1 . ::.:;ini! x j и|; - ., : . . .Г ; ; ь ;< -1 Ш ЙЕ--------------- шш^я. Pifb;

h;' ф-f :; ;:;}tn||$:p:p ЛШ1.Ш tili

Kl . iz лКьчгьмгЬ j : t ~ / V 1 : ;.....i...|....{..

П rt "Hy> 1- !.||1 L Iljr : it Ш -!■■■ mwfti::.::;:[;. ;..i.i.;i|i.i : i j \ ;;;;;:;!..{'

| .¡¡;f ÜU-UXl L................................ н< ' • ' ' i ¡.¡'И'?; Üii":ft.-a.Biinti тряжанность, А/м

Б - образец 4, в плоскости пленки, перпендикулярно ОЛН Рис. 4. Петли гистерезиса пленок, полученных при конденсации в магнитном поле

Другая возможная причина уменьшения /у связана с приближением толщины пленки к некоторому критическому значению перехода пленки в суперпарамагнитное состояние, наличие которого подтверждается отсутствием петель гистерезиса у пленок толщиной 1,5 нм.

Таблица 2

Зависимость параметров петель гистерезиса пленок пермаллоя от толщины и условий _____конденсации_ _

Номер образца А/м /д, А/м Нс, А/м Направление намагничивания

1 0 0 0 Вдоль

0 0 0 Перпендикулярно

2 175±10 160±10 20±5 Вдоль

170±10 70±10 25±5 Перпендикулярно

3 280±10 270±10 65±5 Вдоль

270±10 80±Ю 120±5 Перпендикулярно

4 440±10 400±10 55±5 Вдоль

430±10 130±10 150±5 Перпендикулярно

4а 510±10 500±10 75±5 Вдоль

470+10 150±10 180±5 Перпендикулярно

8 125±10 120±10 40±5 Направление 1

120±10 40±10 60±5 Направление 1х

Согласно современным данным переход ферромагнитное состояние -парамагнитное состояние даже при таких малых толщинах должен наблюдаться при более высоких температурах.

Обнаружено также, что коэрцитивная сила заметно уменьшается при уменьшении толщины пленок пермаллоя от 10 до 3 нм для обоих типов образцов. Это объясняется тем, что критический размер однодоменности, при котором коэрцитивная сила должна быть максимальна, превышает 6 нм. Это согласуется с результатами измерений коэрцитивной силы в работе белорусских ученых (2009), в которой обнаружено, что при уменьшении толщины пленки пермаллоя от 110 нм до 10 нм коэрцитивная сила увеличивается от 120 А/м до 197 А/м. Пленки с меньшей толщиной авторы данной работы не изучали. Совместный анализ результатов позволяет сделать вывод, что критический размер однодоменности для пленок пермаллоя составляет около 10 нм. При дальнейшем уменьшении толщины пленок происходит приближение к суперпарамагнитному состоянию, которое судя по результатам наших измерений, наступает при толщине изученных пленок пермаллоя 1,5-2 им (рис. 5).

Размеры пленки ограничены в одном направлении, поэтому при отсутствии наведенной анизотропии, в такой геометрии образца энергетически выгодным становится состояние, при котором магнитные моменты даже в отсутствии внешнего магнитного поля лежат в плоскости пленки. Это приводит к тому, что у таких магнитных материалов возникает плоскостная магнитная анизотропия формы. При уменьшении толщины в пленках могут возникнуть некоторые другие виды анизотропии, которые существенно влияют на процессы перемагничивания.

Значительная величина коэрцитивной силы Н0 и низкая остаточная намагниченность пленок, намагниченных перпендикулярно ОЛН, может свидетельствовать об амплитудной или угловой дисперсии легких осей пленок.

250

200

1,00

20 30 40 50

Толщина пленки пермаллоя, нм

.....г 1

Рис. 5. Зависимость коэрцитивной силы пленок пермаллоя от толщины ......

Однако, поскольку коэффициент прямоугольности Кп петель, измеренных вдоль ОЛН близок к 1, это говорит о незначительной угловой дисперсии ОЛН и намагничивании пленок за счет смещения доменных границ. Следовательно, основную роль при формировании петель, измеренных перпендикулярно ОЛН, играет амплитудная дисперсия анизотропии.

Известно, что тонкая пленка ферромагнитного материала, полученная при обычных температурах подложки, состоит из островков со средними размерами от 2 до 6 нм в зависимости от толщины пленки и условий нанесения. Для тонких пленок, состоящих из магнитных наночастиц, расположенных на близких расстояниях друг от друга (1-3 нм), взаимодействие между магнитными моментами отдельных частиц ферромагнетика оказывает существенное влияние на их магнитные свойства. Теория суперпарамагнетизма с учетом магнитного дипольного взаимодействия частиц позволила оценить средний объем кристаллитов и напряженность магнитного поля дипольного взаимодействия (Н0). При анализе кривых намагничивания удалось определить также магнитное состояние пленки (ферромагнитное или суперпарамагнитное).

Если принять температуру блокирования равной в =300 К, то пленка пермаллоя, состоящая из островков объем которых меньше

V =

кв

= 8,0'10"

окажется суперпарамагнитной и поведение ее при

температурах Т>300 К будет описываться функцией Ланжевена. Указанному объему отвечает линейный размер островка примерно 2 нм. Этот расчет в пределах погрешности согласуется с данными магнитных измерений на

вибрационном магнитометре, которые показали отсутствие спонтанной намагниченности и петли гистерезиса для пленки со средней толщиной около 2 нм.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ:

1. Использование ряда технических решений: большое число витков в измерительных катушках, большая амплитуда колебаний, сильный постоянный магнит при создании вибратора позволило значительно увеличить полезный сигнал с измерительных катушек, повысить чувствительность вибромагнитометра и использовать его при исследовании наноматериалов.

2. С помощью высокочувствительных магнитных измерений и мессбауэровской спектроскопии обнаружено, что системы наночастиц гетита со средним размером 12 нм при комнатной температуре (-293 К) находятся в суперпарамагнитном состоянии. Частицы с более высокими размерами антиферромагнитно упорядочены.

3. Установлено, что для природных образцов гетита величина критического объема на 15-20% выше таковой для лабораторных образцов. Это связано с тем, что природные гетиты имеют в своей структуре изоморфные замещения, которые уменьшают постоянную анизотропии К.

4. Показано, что с уменьшением толщины пленок пермаллоя остаточная намагниченность и намагниченность насыщения монотонно убывают, что обусловлено двумя причинами: наличием внутри и на поверхности пленок ненамагничиваемых областей, а также переходом частиц (зёрен) пленки в суперпарамагнитное состояние.

5. Обнаружено, что прямоугольность петель с уменьшением толщины пленки также убывает, а гистерезис исчезает для пленок с толщиной ~ 1,5 нм. Это означает, что ферромагнитными пленки остаются до толщины ~ 2-3 нм. При дальнейшем уменьшении толщины магнитный порядок исчезает и возникает суперпарамагнитное состояние пленки. Что позволяет оценить критический размер суперпарамагнетизма 1,5-2 нм.

6. Установлено, что коэрцитивная сила также уменьшается с уменьшением толщины пленок. Анализ полученных нами результатов показывает, что критический размер толщины пленки, при котором зерна пермаллоя становятся однодоменными, составляет около 10 нм. При такой толщине пленок коэрцитивная сила максимальна.

7. Получены новые экспериментальные данные по анизотропии тонких пленок пермаллоя. Установлено, что изученные пленки обладают достаточно высокой дисперсией анизотропии. Причем основную роль в анизотропии играет амплитудная дисперсия, обусловленная распределением ферромагнитных зерен по размерам.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В рецензируемых научных журналах и изданиях: 1. Васильев, C.B. Влияние размеров частиц гетита на его мёссбауэровские и магнитные параметры / C.B. Васильев, В.В. Морозов, A.B. Морозов //

Записки Российского минералогического общества. - 2010. - №2. - С. 123 — 131.

2. Бабанин, В.Ф. Диагностика ферритина в живом веществе методами магнетометрии / В.Ф. Бабанин, Ю.М. Горовой, A.A. Залуцкий, П.А. Иванов, A.B. Морозов // ПЖТФ. - 2012. - Т.38. - В.5. - С. 78 - 84.

3. Морозов, A.B. Изучение зависимости магнитных параметров пленок пермаллоя от толщины и условий образования / A.B. Морозов, В.П. Алексеев, В.А. Папорков, В.А. Наумов // Известия Юго-Западного государственного университета. - Курск, 2012. - №1(40), часть 2. - С. 48 -60.

В других журналах п изданиях:

4. Алексеев, В.П. Оценка критических размеров частиц гетита на основе теории суперпарамагнетизма и расчет параметров распределения частиц / В.П. Алексеев, A.B. Морозов // Вестник ЯрГУ. Серия Естественные и технические науки. — Ярославль, 2012. - №1. — С. 13-18.

5. Морозов, A.B. Измерение магнитной проницаемости и удельного сопротивления стальных колец в переменном магнитном поле I A.B. Морозов, В.А. Папорков // Физический вестник ЯрГУ им. П.Г. Демидова. Сб. научных трудов. - Ярославль, 2006. - Вып. 1.-С. 12 — 20.

6. Морозов, A.B. Резонансные свойства электродинамического вибратора для магнитометра / A.B. Морозов // Тез. докл. 60-той научно-технической конференции студентов, магистрантов и аспирантов. - Ярославль: ЯГТУ, 2007. - С. 227.

7. Бабанин, В.Ф. Моделирование биосинтеза нанокластеров природного магнетита / В.Ф. Бабанин, Л.М. Бакулин, E.H. Галанина, В.В. Морозов, A.B. Морозов // Сб. трудов XX Междунар. научн. конф. Математические методы в технике и технологиях. Т.7. - Ярославль: ЯГТУ, 2007. - С. 108 -110.

8. Бабанин, В.Ф. Магнитная и геохимическая характеристики почв на слабомагнитных осадочных породах / В.Ф. Бабанин, Л.М. Бакулин, E.H. Галанина, В.В. Морозов, A.B. Морозов // Сб. трудов XX Междунар. научн. конф. Математические методы в технике и технологиях. Т.7. - Ярославль: ЯГТУ, 2007.-С. 111-113.

9. Морозов, A.B. Вклад живого вещества в состав вторичных железистых минералов почв / A.B. Морозов, E.H. Галанина, Л.М. Бакулин // Сб. трудов XX Междунар. научн. конф. Математические методы в технике и технологиях. Т.7. - Ярославль: ЯГТУ, 2007. - С. 113 - 116. '

10. Морозов, В.В. Особенности минералогии гетита в железистых новообразованиях из различных почв / В.В. Морозов, A.B. Морозов // Сб. статей: II международная конференция "Кристаллогенезис и минералогия". - Санкт-Петербург, 1-5 октября 2007, СПбГУ. - С. 199-201.

11. Морозов, В.В. Влияние изоморфных замещений ионов железа на ориентацию магнитного момента магнитной подрешетки гетита / В.В. Морозов, A.B. Морозов // Сб. статей: II международная конференция

"Кристаллогенезис и минералогия". - Санкт-Петербург, 1-5 октября 2007 СПбГУ.-С. 114-116.

12. Морозов, А.В. Методика расчета параметров распределения наночастиц по размерам по данным мессбауэровской спектроскопии / А.В. Морозов, В.В. Морозов, В.П. Алексеев П Сб. трудов 22 Междунар. конф. «Математические методы в технике и технологиях». - Псков, 2009, 20-23

. мая, ППИ. - С. 5-7.

13. Морозов, В.В. Влияние размеров частиц на магнитную структуру гетита / В.В. Морозов, С.В. Васильев, А.В. Морозов // Сб. тез. 11 Междунар. конф. «Мессбауэровская спектроскопия и ее применения». - Екатеринбург, 2009, 1-5 июня, УрИФМ. - С. 63.

14. Морозов, А.В. Расчет магнитной индукции в произвольной точке плоскости кругового витка с током. / А.В. Морозов, Е.Н. Школьников, В.П. Алексеев // Сб. тез. совещания «Физика в системе современного инженерного образования». - Москва, 2009, 28-30 июня, МАИ. - С. 227228.

15. Бабанин, В.Ф. Диагностика суперпарамагнитных наночастиц соединений железа в слабомагнитной матрице без гелиевой криогенной техники / В.Ф. Бабанин, А.А. Залуцкий, П.А. Иванов, Н.В. Михалева, А.В. Морозов // Сб. тезисов 24 международной научно-технической конференции «Математические методы в технике и технологии». - Пенза, 17-19 мая 2011 г., часть 2. - С. 45-48.

16. Morozov, A.V. Dependence of magnetic parameters on thickness and formation conditions of permalloy films / II International Conference on Modern Problems in Physics of Surfaces and Nanostructures, Yaroslavl, Russia, 23-26 May 2012 // Book of abstracts. - 2012. - P. 96.

Подписано в печать 21 ноября 2013 г. Формат 60x84 1/16. Печать офсетная. Печ. л. 1 . Тираж 100 экз. Заказ 1399. Отпечатано в типографии Ярославского государственного технического университета. 150000, г. Ярославль, ул. Советская, 14а.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Морозов, Алексей Владимирович, Ярославль

ЯРОСЛАВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. П.Г. Демидова

КАФЕДРА ОБЩЕЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ

На правах рукописи

04201451640 МОРОЗОВ Алексей Владимирович

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА НАНОЧАСТИЦ И НАНОПЛЕНОК АНТИФЕРРО- И ФЕРРОМАГНЕТИКОВ

Специальность 01.04.07 - физика конденсированного состояния

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, доцент В.П. Алексеев

Ярославль - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................4

ГЛАВА 1. НАНОМАТЕРИАЛЫ В ПРИРОДЕ, ТЕХНИКЕ И ТЕХНОЛОГИЯХ И ИХ МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА..........................17

1.1. Структура и магнитные свойства некоторых оксидов и гидроксидов железа......................................................................................17

1.2. Природные системы наночастиц оксидов и гидроксидов железа.....................................................................................22

1.3. Технологические системы наночастиц оксидов и гидроксидов железа......................................................................................29

1.4. Магнитные пленки па основе металлов и методы их изучения.................................................................................33

1.5. Явление суперпарамагнетизма.............................................41

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.....................45

2.1. Объекты исследования.......................................................45

2.1.1. Природные системы наночастиц гетита.................................45

2.1.2. Лабораторные системы наночастиц гетита................................46

2.1.3. Ферромагнитные пленки пермаллоя......................................47

2.2. Методы исследования........................................................49

2.2.1. Магнитные измерения (МИ). Метод Фарадея...........................49

2.2.2. Магнитные измерения (МИ). Вибрационный магнитометр............54

2.2.3. Мессбауэровская спектроскопия (МС) и параметры спектров......60

2.2.4. Рентгеновская дифрактометрия (РД)......................................69

2.2.5. Электронная микроскопия (ЭМ)...........................................75

ГЛАВА 3. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА АНСАМБЛЕЙ НАНОЧАСТИЦ

ГЕТИТА И МАГНИТНЫЕ ПЕРЕХОДЫ..................................................77

3.1. Влияние размеров частиц на магнитные параметры гетитов.......77

3.1.1. Зависимость намагниченности и восприимчивости гетита от средних размеров частиц........................................................................77

3.1.2. Зависимость эффективного магнитного поля на ядре от среднего размера частиц гетита...............................................................88

3.2. Изучение влияния среднего размера частиц на магнитную структуру гетита.....................................................................................93

3.3. Оценка критических размеров частиц гетита на основе теории суперпарамагнетизма и расчет параметров распределения..................97

3.4. Применение методики расчета средних размеров частиц для

природных образцов...............................................................104

ГЛАВА 4. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА НАНОПЛЕНОК ПЕРМАЛОЯ И МАГНИТНЫЕ ПЕРЕХОДЫ......................................................110

4.1.Влияние толщины пленок на магнитные параметры пермаллоя.... 109

4.1.1. Зависимость начальной магнитной восприимчивости и намагниченности пленок пермаллоя от толщины............................110

4.1.2. Зависимость параметров петель гистерезиса от толщины пленок

пермаллоя.............................................................................115

4.2. Оценка критических параметров пленок пермаллоя на основе теории

суперпарамагнетизма................................................................125

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ......................................................137

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ...........................140

ПРИЛОЖЕНИЕ......................................................................158

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время одним из актуальных направлений физики конденсированного состояния является исследование физических свойств различных наноматериалов, находящих применение в электронной технике для создания носителей информации [1, 2], датчиков [3, 4] и других устройств и материалов [5- 8]. Наноматериалы имеют характерный размер частиц или толщины пленок менее 100 нм (обычно от единиц до нескольких десятков нм). Такой малый размер приводит к значительному изменению их физических, в том числе и магнитных свойств [9-14]. Магнитные наноматериалы вызывают особый интерес в связи с возможностью создания на их основе чувствительных датчиков магнитного поля, запоминающих сред с высокой плотностью записи и т.д.

Системы наночастиц сильномагнитных оксидов железа (ферримагнетики Ре304 - магнетит, у-Ре20з - маггемит) используются для создания материалов, служащих для записи и хранения информации. Для этих целей наиболее подходят однодоменные частицы, обладающие лучшими магнитными характеристиками. Среди многих перспективных технологий их производства имеется технология, включающая несколько этапов. На начальном этапе синтезируются слабомагнитные гидроксиды железа (антиферромагнетик а-РеООН - гетит), а затем, в результате контролируемого твердофазного превращения порошка гетита получают магнетит или маггемит [15]. При этом форма и размеры частиц сохраняются, а магнитные характеристики значительно усиливаются. Кроме того, установлено, что критический размер однодоменности частиц магнетита примерно совпадает [16-27] с критическим размером суперпарамагнетизма гетита. В связи с этим становится актуальным изучение зависимости магнитных свойств систем наночастиц оксидов и гидроксидов железа от их среднего размера. Представляет также большой

интерес переход системы наночастиц из магнитоупорядоченного состояния в суперпарамагнитное при уменьшении среднего размера. Само явление суперпарамагнетизма определяет термическую стабильность материалов для записи и хранения информации.

В качестве других технологических применений систем наночастиц оксидов и гидроксидов железа можно привести производство различных пигментов для лакокрасочной промышленности (например, гетит - желтый пигмент) [28-31]. Технологические характеристики пигментов во многом определяются минералогическими особенностями и размерами частиц.

Существуют и природные системы наночастиц оксидов и гидроксидов железа - железистые новообразования или конкреции, которые встречаются в различных типах почв. Минералогические параметры и размеры наночастиц тесно связаны с генезисом почв, поэтому служат дополнительной характеристикой типа почв [32-37].

Магнитные свойства систем наночастиц гетита представляют научный интерес с точки зрения способа описания поведения системы невзаимодействующих магнитных частиц с малыми магнитными моментами. Описание магнитных свойств системы антиферромагнитных наночастиц впервые было проведено Неелем [38].

Наряду с системами наночастиц гетита в последние годы постоянный интерес привлекают тонкие пленки ферромагнетиков [39-41] и многослойные структуры [2, 9, 42, 43] в связи с открытием гигантского магнетосопротивления [44] (ГМС или ОМЯ). Кроме того, пленки различных ферромагнетиков находят широкое применение в устройстве датчиков магнитного поля [3, 4]. Среди разных ферромагнитных материалов для этих датчиков наиболее часто применяют пермаллой [3]. Тонкие пленки ферромагнетиков начиная с некоторых толщин, как правило, имеют зернистую структуру [45, 46]. С научной точки зрения эти тонкие пленки представляют собой систему взаимодействующих частиц с

большими магнитными моментами. Поэтому, изучение магнитных свойств таких наноматериалов и магнитного взаимодействия таких частиц, особенно в области критических толщин, также представляет большой экспериментальный и теоретический интерес.

Для изучения наноматериалов применяют самые различные физические методы. В частности, магнитные свойства исследуют с помощью высокочувствительных магнитных измерений (МИ, метод Фарадея, сквид-магнетометрия и другие методы [7, 8]). Для измерений магнитных параметров слабомагнитных веществ используют также вибрационные магнетометры. Однако при изучении наноматериалов у большинства известных типов магнитометров чувствительности недостаточно. Поэтому возникла техническая задача усовершенствования этих приборов с целью их применения для исследования систем слабомагнитных частиц и тонких ферромагнитных пленок. Следует отметить также, что все эти методы позволяют получать информацию о поведение всего вещества в целом и являются, поэтому интегральными методами.

Мессбауэровская спектроскопия (МС или ядерная гамма-резонансная спектроскопия - ЯГРС), является высокоизбирательным по железу и чувствительным к магнитному состоянию исследуемого образца методом исследования структурных особенностей и магнитных свойств наноматериалов [7, 47-54]. Ее основным преимуществом перед остальными методами являются - высокая точность определения ядерной энергии, позволяющая обнаруживать тонкие эффекты, связанные с электронным состоянием атомов в веществе и их взаимодействием, как между собой, так и с кристаллической решеткой. С этой точки зрения МС выступает точным методом исследования фазового состава исследуемых образцов и особенностей их структуры [47]. С другой стороны этот метод дает информацию на уровне состояния отдельных атомов вещества,

поэтому является наилучшим методом, хорошо дополняющим интегральные методы.

При изучении наноматериалов с целью повышения достоверности результатов и выводов совершенно необходимо применение и других чувствительных к структуре методов, таких как рентгеновская дифрактометрия (РД) и электронная микроскопия (ЭМ). Совместный анализ результатов, полученных разными методами, позволяет наиболее правильно истолковать результаты исследования таких сложных объектов, как наноматериалы.

Достоверность выводов и точность данных может быть повышена путем использования для обработки результатов измерений современных математических методов. Математическая обработка рентгеновских дифрактограмм с помощью некоторых методов позволяет оценить средний размер частиц по уширению линий и даже учитывать микронапряжения в наночастицах. Мессбауэровские параметры также получаются в результате математической обработки спектров с помощью специальных программ. Наиболее удачные из них разработаны на Физическом факультете МГУ Русаковым B.C. [55].

Явление перехода системы наночастиц из магнитоупорядоченного состояния в суперпарамагнитное может быть использовано для оценки параметров распределения частиц по размерам (средний размер и ширина распределения). Среди всех методов следует обратить внимание на два из них.

Первый метод, изложенный в работах [53, 56], основан на зависимости мессбауэровского параметра - эффективного магнитного поля от среднего размера частиц. С его помощью удалось, например, оценить средний размер довольно крупных частиц гетита.

Второй метод, развитый в работах [21, 22, 57], заключается в использовании соотношения между интенсивностью секстета,

отвечающего магнитоупорядоченным частицам, и интенсивностью дублета, отнесенного к суперпарамагнитным частицам. Во многих случаях этот метод позволил оценить не только средний размер частиц, но и ширину распределения по размерам [57].

В данной работе проведены измерения и проанализированы результаты исследований упомянутых выше наноматериалов вблизи критических размеров перехода из магнитоупорядоченного состояния в суперпарамагнитное с помощью комплекса взаимно дополняющих друг друга физических методов. Получены новые данные по магнитным свойствам исследованных объектов, которые могут найти практическое применение при разработке и производстве наноматериалов для электронной техники.

Ансамбли наночастиц антиферромагнитных гидроксидов железа широко применяются в технологиях получения ферримагнитных оксидов железа при производстве носителей информации (магнетит - Ре304 и маггемит - у-Ре203). Ферримагнитные оксиды железа получают, как правило, при контролируемых твердофазных превращениях антиферромагнитных гидроксидов железа. Чаще всего используют гетит -а-РеООН. Наночастицы гетита встречаются в природе и входят в состав тканей живого вещества, почвенных конкреций и самих почв, определяя их магнитные свойства.

Цель и задачи исследования. Основная цель данной работы -экспериментально исследовать зависимость магнитных параметров ансамблей наночастиц антиферромагнетиков и ферромагнетиков от их линейных размеров в области критических размеров магнитных переходов и на этой основе проверить выводы теории суперпарамагнетизма.

Для достижения поставленной цели предстояло решить следующие задачи:

Научные результаты, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие научные результаты:

2. Проверен новый подход к оценке среднего размера (математического ожидания) и ширины распределения размеров частиц гетита (дисперсии), основанный на результатах мессбауэровской спектроскопии при разных температурах. На его основе получены новые и более достоверные результаты по особенностям минералогии железистых конкреций. В частности, показано, что в отсутствии глинистых минералов в конкрециях образуется более монодисперсный гетит.

3. По зависи�