Магнитные свойства пленок из ферромагнитных аморфных наночастиц

Ильющенков, Дмитрий Сергеевич

Магнитные свойства пленок из ферромагнитных аморфных наночастиц тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Ильющенков, Дмитрий Сергеевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2011 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Магнитные свойства пленок из ферромагнитных аморфных наночастиц»

Автореферат диссертации на тему "Магнитные свойства пленок из ферромагнитных аморфных наночастиц"

ИЛЬЮЩЕНКОВ ДМИТРИЙ СЕРГЕЕВИЧ

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ПЛЕНОК ИЗ ФЕРРОМАГНИТНЫХ АМОРФНЫХ НАНОЧАСТИЦ

Специальность 01.04.07- физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 2011

7АПР2011

4841938

Работа выполнена п Учреждении Российской академии наук Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе РАН.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук Гуревич С. А.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт

1™. А. Ф. Иоффе РАН Парфеньев Р. В.

доктор физико-математических наук Санкт-Петербургский государственный

университет Аксенова Е. В.

Ведущая организация:

Учреждение Российской академии наук Институт физики твердого тела РАН

Защита состоится 31 /11П/0|"Л $.01 {■ г в

часов на заседании

диссертационного совета Д 002.205.01 при Учреждении Российской академии наук Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе РАН но адресу: 194021, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе РАН.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета: кандидат физико-математических наук

Петров А. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. В последнее время пленки из ферромагнитных наночастиц стали привлекать к себе большое внимание, поскольку, с одной стороны, они представляют новый объект, свойства которого могут значительно отличаться от свойств объемного материала; с другой стороны, они открывают возможности создания совершенно новых материалов для различных применений: в устройствах для записи информации, медицинской диагностики, химического катализа и т. д. Наночастицы, размер которых может составлять от единиц до сотен нанометров, получают самыми различными способами: от простого химического осаждения коллоидных растворов, плазменного нанесения до химического восстановления солей металлов.

В Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе РАН была разработана уникальная методика получения аморфных наночастиц чистых металлов на основе лазерного электродиспергирования [1]. Главная особенность метода заключается в том, что получаемые пленки состоят из практически монодисперсных аморфных наночастиц (гранул) с дисперсией размера менее 10 %. При этом размер частиц фиксирован и зависит только от материала мишени. Полученные этим методом наноструктури-рованные пленки РЬ, Рё, Си уже нашли применение в катализе благодаря высокой каталитической активности [2].

Магнетизм аморфных ферромагнитных наночастиц представляет большой интерес, поскольку аморфная форма материи может обладать специфическим типом магнетизма. Таким образом, является актуальным получение аморфных магнитных наноструктурированных материалов и изучение их свойств.

Целью работы является:

1. Получение пленок из магнитных наночастиц N1 и Со с помощью технологии лазерного электродиспергирования и изучение их электрических и магнитных свойств.

2. Построение теоретической модели, позволяющей адекватно описать наблюдавшиеся при экспериментальных исследованиях особенности магнитного поведения пленок.

3. Проведение численного моделирования по методу Монте-Карло с целью проверки построенной теоретической модели и выявления особенностей поведения магнитной структуры.

Научная новизна работы состоит в решении следующих задач:

1. Впервые получены пленки из аморфных наночастиц Ni и Со.

2. Изучены электрические и магнитные свойства полученных пленок Ni и Со.

3. Построена теоретическая модель ферромагнитного стекла, описывающая необычное магнитное поведение толстых пленок.

4. Разработан подход и проведено численное моделирование по методу Монте-Карло для модели ферромагнитного стекла.

Практическая значимость работы. Впервые получены пленки из аморфных наночастиц Ni и Со, которые представляют большой интерес в различных областях: в устройствах для записи информации, медицинской диагностики, химического катализа и т.д.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод лазерного электродиспергирования позволяет получить пленки из аморфных наночастиц Ni, размер которых составляет 2.5 нм, и Со, размер которых составляет 3.5 нм.

2. Тонкие пленки Ni толщиной ~ 10 нм характеризуются суперпарамагнитным поведением. При этом образуются магнитные кластеры с латеральным размером (100 — 150) нм, которые состоят из 3 х 103 наночастиц.

3. Магнитное поведение толстых пленок Ni толщиной ~ 50 нм может быть описано в рамках модели ферромагнитного стекла, в которой размер локальной магнитной упорядоченности и переходные области характеризуются единой корреляционной длиной.

4. Корреляционная длина С определяется отношением обменной энергии и энергии анизотропии и может меняться с температурой.

5. Численное моделирование по методу Монте-Карло согласуется с предсказаниями модели ферромагнитного стекла.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на семинарах лабораторий Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе, и на Всероссийском симпозиуме "Нанофизика и наноэлектроника" (Институт физики микроструктур РАН, Нижний Новгород, 2006, 2008 и 2010 гг.)

Публикации. По результатам исследований, проведенных в диссертации, опубликовано 8 статей (их список приведен в конце диссертации).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы. Диссертация содержит 87 страниц текста, включая 32 рисунка. Список цитируемой литературы содержит 72 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы исследований, сформулированы цель и научная новизна работы, перечислены положения, выносимые на защиту, а также кратко изложено содержание диссертации.

Первая глава "Экспериментальные исследования" посвящена экспериментальному изучению свойств гранулированных пленок из нано-частиц Лгг и Со, которые были получены с помощью метода лазерного электродиспергирования, развитого в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе РАН. В главе изложены основы метода и представлены результаты исследования структурных параметров, электрических и магнитооптических свойств, выполненных в ФТИ им. А,Ф. Иоффе, а также исследования магнитных свойств для тонких и толстых пленок N1 толщиной 10 нм и 50 нм, проведенные в университете г. Амстердама. В главе также приведены данные по исследованию магнитооптических свойств гетероструктур Со/СаЬ'г/81(001), выращенных с помощью метода молекулярно-лучевой эпитаксии. Глава содержит 5 параграфов.

В первом параграфе изложен метод лазерного электродиспергирования, разработанный в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе РАН. В основе метода лежит процесс каскадного деления расплавленных металлических капель, заряженных в плазме лазерного факела. Для экспериментальной реализации этого процесса использовался импульсно-

периодический неодимовый лазер YAG:Nd3+ (длина волны А == 1.06 мкм, время импульса т яз 30 не, частота следования импульсов v ж 28 Гц, энергия в импульсе Е и 0.3 Дж, плотность энергии Р « 110 Вт/см2), которым облучалась плоская металлическая мишень. В параграфе изложены ключевые моменты процесса образования металлических капель нанометрового размера.

Во втором параграфе главы обсуждаются структурные свойства получаемых наноструктурированных пленок. Главная особенность пленок состоит в том, что они состоят из аморфных наночастиц строго определенного размера, что подтверждается данными исследовании с помощью туннельного электронного микроскопа демонстрирующих, что полученные пленки состоят из практически сферических наночастиц, равномерно распределенных по поверхности подложки случайным образом.

Анализ изображений показал, что соседние наночастицы сохраняют индивидуальную форму и не коагулируют между собой, в отличие от других методов изготовления наночастиц. Средний размер наночастиц D и 2.5 нм для наночастиц Ni и 3.5 нм - для Со, при этом дисперсия размера очень мала, менее 10 %. Неструктурированное гало на картинах дифракции электронов, полученных с помощью ТЭМа, свидетельствует о том, что наночастицы находятся в аморфном состоянии (Рис. 1).

В параграфе приведены данные атомно-силового микроскопа (АСМ) для пленок Ni, свидетельствующие о ступенчатом характере роста пленки, и даны объяснения такого механизма роста.

При исследовании с помощью АСМ поверхности пленки из наночастиц Ni, толщина которой составляет 10 нм, обнаружены кластеры из наночастиц (пирамидки), высота которых составляет 10 нм, а латеральный размер порядка 100-150 нм. Приняв во внимание размер наночастиц Ni 2.5 нм, можно оценить число наночастиц в таком кластере: N ~ 3 х 103. В случае наночастиц Со данные АСМ свидетельствуют о послойном характере роста.

Рис. 1: Картина дифракции электронов ТЭМ пленок из наночастиц Ni

Третий параграф посвящен обсуждению электрических свойств. Измерения электрических свойств проводились доя магнитных пленок из наночастиц N1 и Со различной толщины. Установлено, что удельное сопротивление толстых пленок оказывается на 2-3 порядка выше по сравнению с удельным сопротивлением сплошных пленок объемного металла той же толщины. Это свидетельствует в пользу того, что даже толстые многослойные пленки состоят из отдельных наночастиц, контактирующих друг с другом.

В параграфе приведены оценки усредненной межгранульной проводимости, позволяющие сделать вывод, что контакты между гранулами либо точечного типа, либо, что более вероятно, имеют туннельный интерфейс. Оценочное значение межгранульной проводимости оказывается достаточно большим, чтобы обеспечить обменное спаривание между гранулами.

Четвертый параграф главы посвящен изучению магнитных свойств пленок N1 при помощи ЯОиГО-магнетометра.

Пленки из наночастиц Иг различной толщины исследовались при помощи стандартных процедур измерения намагниченности в нулевом магнитном поле и во внешнем магнитном поле (гРС/ТС). Для получения Ъ¥С и РС кривых образцы предварительно охлаждались без внешнего магнитного поля (Н = 0) от комнатной температуры до 5 К. После этого измерялась температурная зависимость намагниченности образцов при нагревании от 5 К до 350 К в заданном внешнем магнитном поле кривая) и при последующем

охлаждении от 350 К до о К в том же внешнем магнитном поле (РС кривая). На Рис. 2 представлены результаты измерений намагниченности по методу Ъ¥С/¥С, которые позволяют определять температуру блокировки (необратимости): значение температуры, при которой происходит разделение ZFC и РС кривых. В результате были получены зависимости

Рис. 2: Измерение намагниченности пленок N1 толщиной 10 нм по методу Ъ¥С/¥С.

температуры блокировки как функции магнитного поля.

Измерение петель гистерезиса при различных температурах позволило определить температурную зависимость коэрцитивного поля Нс (Т). На полученных пленках гистерезис наблюдался вплоть до комнатной температуры, 300 К.

Аналогичные измерения были проведены также для пленок из наноча-стиц N1 толщиной 50 нм, их результаты приведены в диссертации. Оказалось, что их магнитное поведение существенно отличается и указывает на резкое возрастание роли обменного взаимодействия между наночастицами. Для пленок толщиной 50 нм при измерениях температурной зависимости остаточной намагниченности (ТИМ) было обнаружено аномальное поведение остаточной намагниченности(см. Рис. 3). В ходе измерений образцы охлаждались в заданном внешнем магнитном поле от температур, существенно превышающих Тггг до 5 К, а затем магнитное поле выключалось, и измерялась температурная зависимость остаточной намагниченности при нагревании от 5 К до 350 К в отсутствие внешнего магнитного поля. Важно отметить, что остаточная намагниченность существенно увеличивается с ростом температуры, противоположно тому, что можно было бы ожидать от системы локализованных магнитных моментов. Заметим, что в экспериментах по измерению термоостаточной намагниченности, вклад Зеемановской энергии, обусловленной влиянием внешнего магнитного поля, устраняется, и термоостаточную намагниченность можно рассматривать как сумму магнитных моментов наночастиц, все еще блокированных в замороженном состоянии, вызванном ранее приложенным внешним магнитным полем.

В пятом параграфе главы обсуждаются магнитооптические свойства пленок из наночастиц N1 и Со, полученных при помощи метода лазерной электродисперсии, а также свойства гетероструктур Со/СаР2/81(001), выращенных с помощью метода молекулярно-лучевой эпитаксии. Маг-

Рис. 3: Измерение термоостаточной намагниченности пленок № толщиной 50 нм.

нитные свойства структур исследовались с помощью автоматизированной магнитооптической методики, позволяющей проводить измерения меридионального (продольного) эффекта Керра (МЭК) на длине волны А = 650 нм. Измерения проводились в диапазоне магнитных полей Н < 2 кГс и температурном диапазоне Т = (10 — 300) К с чувствительностью измерения поворотов плоскости поляризации света Да ~ 10". Сканирование магнитного поля осуществлялось с помощью компьютера. Время одного цикла составляло т ~ (50 — 100) с.

На Рис. 4 представлены результаты измерений эффекта Керра для пленок толщиной 20 нм из наночастиц Со.

Результаты измерений температурной зависимости величины эффекта Керра для тонких пленок из наночастиц N1 и Со свидетельствуют о суперпарамагнитном характере их магнитного поведения. Модель суперпарамагнетизма подробно обсуждается в следующей главе.

В заключение параграфа приведены экспериментальные данные, полученные для гетероструктур Со/Сар2/31(001),

свидетельствующие, что при малых плотностях покрытия, магнитная структура плёнок при Т=294К представляют собой ансамбль суперпарамагнитных слабовзаимодействующих наночастиц и характеризуется небольшими величинами коэрцитивного поля Нс и остаточной намагниченности Мг.

Во второй главе "Теоретические модели" изложена модель суперпарамагнетизма [3], которая как показали результаты проведеного исследования, хорошо применима для описания магнитного поведения тонких пленок толщиной 10 нм. Предложена модель ферромагнитного стекла, которая позволила выявить природу магнитных аномалий пленок толщиной 50 нм из аморфных наночастиц N1.

В первом параграфе "Суперпарамагнетизм тонких пленок" показано, что наблюдаемое в экспериментах магнитное поведение может быть

-0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 Магнитное поле (кГс)

Рис. 4: Петля гистерезиса, полученная при измерении эффекта Керра пленки Со толщиной 20 нм.

объяснено на основе модели Нееля для ансамбля невзаимодействующих монодоменных магнитных суперчастиц. В этой модели существует два параметра: ц - магнитный момент однодоменной суперчастицы и температура блокировки при нулевом магнитном поле о, характеризующая энергию анизотропии. Зависимость температуры блокировки (необратимости) от магнитного поля дается выражением:

Tirr {Н) — Tirrfi (l-Nfc^J - W

где к в - константа Больцмана. Показано, что экспериментальные данные для Tirr {Щ описывается законом (1) со следующими параметрами: Tirr<o = 253К и ß = 0.93 х 106/iß, где цв - магнетон Бора.

Температуру блокировки Tirr и магнитный момент суперчастицы можно независимо оценить из температурной зависимости коэрцитивного поля, которая в модели суперпарамагнетизма определяется законом:

нс (Т) = HCß

где

#С, о = 50kBTirrfi/ß, (3)

По экспериментальным данным для для Нс (Т) были найдены следующие значения параметров: Tirr,o = 300К и Нс,о ~ 11.3 кА/м. Соответственно, для магнитного момента суперчастицы имеем: ц = 1.5 х 106/лв, что хорошо согласуются с оценками, полученными из зависимости Tirr{H).

Полученное значение магнитного момента суперчастицы намного больше магнитного момента отдельных наночастиц Ni. В самом деле, наночастица Ni имеет диаметр 2.5 нм и содержит порядка 600 атомов. Поскольку, что магнитный момент атома Ni для наночастиц 0.7цв, магнитный момент наночастицы Ni примерно равен 400цв- А значит, в изучаемых пленках из наночастиц Ni толщиной 10 нм отдельные наночастицы Ni образуют суперчастицу, состоящую примерно из 3 х 103 наночастиц. Эта оценка хорошо коррелирует с оценкой размера кластеров, полученной при помощи АСМ. Вследствие обменного взаимодействия, магнитные моменты всех наночастиц в кластере выстроены параллельно, формируя однодоменную суперчастицу.

Наши результаты однозначно показывают, что мы имеем дело с образованиями, состоящими из большого числа отдельных гранул, сформированных в результате обменного взаимодействия между гранулами.

Используя значения объема суперчастицы и температуры блокировки ТгТГ!о, полученные из эксперимента, можно оценить константу анизотропии монодоменной суперчастицы, которая формируется в пленке вследствие самоорганизации. Соотношение между этими параметрами определяется выражением:

где V - объем суперчастицы. Используя это соотношение, получаем значение константы анизотропии монодоменной суперчастицы: К = 4 х 104 эрг/м3.

Проведенный теоретический анализ показал, что теория суперпарамагнетизма применима к пленкам из наночастиц только в случае, когда размер кластера, образованного из наночастиц, намного меньше корреляционной длины магнитного упорядочивания.

Важно, что наблюдаемое в экспериментах значение температуры блокировки достаточно велико. Обычно, в пленках, состоящих из случайно расположенных магнитных наночастиц, эта температура не превосходит 10-20 К. При использовании специальных методов формирования пленки, предполагающих строгий контроль расположения наночастиц, температуру блокировки удается существенно увеличить, вплоть до комнатной температуры. В нашем случае, высокое значение температуры блокировки обусловлено процессом самоорганизации наночастиц в кластеры, которые играют роль невзаимодействующих монодоменных магнитных суперчастиц.

Во втором параграфе главы представлена модель ферромагнитного стекла, которая позволила описать магнетизм толстых пленок. В рамках модели предполагается, что гранулы монодисперсны, а контакт между ними происходит через туннельный переход.

Обменное взаимодействие между соседними гранулами 1 и 2 описывается гамильтонианом:

где суммирование выполнено по парам прилегающих друг к другу спинов Su и S¡ 2, разделенных туннельным барьером, J - это константа обмена на границе между двумя соседними гранулами, которую можно оценить как J = JW, где J - это константа обмена, характеризующая объемный материал, a W < 1 - вероятность туннелирования. Оценка сверху для этой константы получена из отношения проводимости образца и проводимости объемного материала, которое для пленок Ni составляет 10~3.

В модели полагается, что в грануле моменты всех атомов выстроены в одном направлении, откуда следует, что S^iSs^ = cos61,2, где = ZMi,M2- Здесь Mii2 - это намагниченность гранулы, при этом для простоты принимается |S| = 1. Энергия обменного взаимодействия между двумя соседними гранулами определяется выражением:

Еех,д = -Ja cos Ав i J 8 (Ав)2 , (6)

¿i

где Ав - угол между намагниченностями гранул Mi и М2, as- число спиновых контактов. В выражении (6) мы использовали приближение cos Ав « 1 — (АО)2/2, и пренебрегли слагаемым независящим от угла АО.

Анизотропии аморфных гранул (возникающая главным образом из-за формы гранулы) характеризуется случайным распределением направлений осей анизотропии. Соответствующий энергетический член записывается как: 14= KuVg sin2 /3¿, где Ku - константа одноосной анизотропии, Vg - объем гранулы (мы пренебрегаем различиями значений объема и константы анизотропии для различных гранул), a /3¡ - угол между намагниченностью гранулы и ее осью анизотропии.

В нашем модельном рассмотрении считается, что намагниченность гранул, а также ось анизотропии каждой гранулы лежат в плоскости пленки. В этом случае полную энергию анизотропии некоторого объема V, содержащего N гранул, оценивается следующим образом:

Ua = J2 K-V9 sin2 & = N ~ ^ E cos (7)

i i

Здесь Pi = (pi—сц, где ip¡ - случайный угол, характеризующий направление оси анизотропии гранулы г, в то время как угол a¿ (слабо меняющийся при изменении г) описыват направление намагниченности гранулы г.

Среднее значение зависящей от угла части энергии анизотропии равно нулю, а ее среднеквадратичное отклонение аи дается выражением:

<8)

Длина корреляции С, определяющая характерный масштаб, на котором намагниченность меняет направление на противоположенное, оценивается из условия, что минимум средней плотности полной энергии (состоящей из суммы обменной энергии и энергии анизотропии) достигается в области с характерным масштабом С. Принимая по внимание выражения (6) и (8), мы получаем:

21^(Ш)1/2' (9)

где Б - диаметр гранулы, (1 - толщина пленки. Отметим, что число спиновых контактов в можно оценить как з ~ (Д/а)2, где а - межатомное расстояние. Чтобы оценить длину корреляции С мы использовали рассуждения, подобные приведенным в работах [4], [5]. Образец с относительно небольшим размером менее £ можно рассматривать как одно-доменный, при этом его обменная энергия равна:

= (10)

В противоположность обычному объемному ферромагнетику, в котором размер домена и ширина доменной стенки отвечают разным пространственным масштабам, в нашем случае имеется лишь один пространственный масштаб, задаваемый корреляционной длиной, который определяет и размер домена, и размер доменной стенки.

Важная особенность нашей модели заключается в том, что свойства рассматриваемых систем сильно зависят от отношения (внутрегрануль-ной) энергии анизотропии и (межгранульной) обменной энергии. Если это отношение меняется, ожидается, что магнитные свойства будут сильно зависеть от этих изменений. В частности, уменьшение этого отношения с ростом температуры может приводить к явным изменениям термоостаточной намагниченности.

В заключение этого параграфа обсуждается возможность существования в пленках двух критических температур: Тс>3 - эффективной температуры Кюри для кластера и Тс - температуры Кюри объемного ферромагнетика. Показана возможность существования температурных режимов ТС)9 <Т <ТС, при которых коллективный ферромагнетизм исчезает, и мы имеем дело с ферромагнитно несвязанными между собой гранулами, хотя при этом ферромагнетизм продолжает существовать внутри самих гранул.

Третья глава "Численное моделирование методом Монте-Карло" посвящена компьютерным расчетам распределения намагниченности в пленках. Представлена модель, использующая подход эффективного поля и учитывающая влияние внешнего магнитного поля, анизотропию на-ночастиц, диполь-дипольное и обменное взаимодействие. В главе описан подход к моделированию и представлены основные результаты расчета взаимодействующих монодисперсных систем магнитных наночастиц с заданным распределением направлений осей анизотропии.

В первом параграфе главы описаны основные особенности построенной численной модели. Моделирование проводилось с помощью метода Монте-Карло. В рамках модели магнитные гранулы располагаются в узлах кубической решетки, гранулы считаются монодисперсными и имеющими форму сферы. Оси анизотропии каждой гранулы направлены в пространстве случайным образом. Энергия каждой гранулы складывается из энергии анизотропии (Еа), энергии обменного взаимодействия с соседними гранулами [Еех) и энергии диполь-дипольного взаимодействия с окружающими гранулами (Е^). При моделировании используется подход эффективного локального магнитного поля, в рамках которого энергия отдельной гранулы представляется в виде:

Ег=Еа + Еех + Ем = -КиУдСОв2 /З-Мг-Вг, (11)

где Ки - константа анизотропии, Уд - объем, ¡3 - угол между направлением намагниченности и осью анизотропии, а Мг - магнитный момент гранулы. Эффективное магнитное поле есть сумма приложенного внешнего поля Ва, "дипольного" и "эффективного обменного" полей. Последнее описывает обменное взаимодействие с соседними гранулами.

Соответственно, Вг определяется выражением:

¡фг

; (м,гу) гц щ

^г] Тг1

где Гц - вектор между центрами г-ой и 7-ой гранул, Гц = |гу а константа обменного взаимодействия С* определяется выражением:

О»

Таким образом, потенциальная энергия зависит от направления магнитного момента, легкой оси намагниченности (оси анизотропии) и эффективного магнитного поля В,.

В процессе расчета для каждой гранулы определяется направление магнитного момента, обеспечивающее минимум полной энергии системы в заданном внешнем магнитном поле при фиксированных направлениях намагниченности остальных гранул. Указанная процедура применяется к каждой наночастице, причем гранулы обходятся в случайном порядке. Процедура повторяется до тех пор, пока не будет найдено установившееся положение моментов наночастиц.

Во втором параграфе данной главы приводятся основные результаты проведенных численных расчетов.

Проведенное компьютерное моделирование показало, что в полном согласии с полученными ранее аналитическими результатами, система разбивается на кластеры, или "домены", из наночастиц, с практически коллинеарно-ориентированными магнитными моментами. Размер "доменов" зависит от соотношения энергий обменного взаимодействия и случайной анизотропии, в полном соответствии с полученным аналитически выражением для длины корреляции в модели ферромагнитного стекла. Для квазидвумерной системы предсказана структура взаимной ориентации магнитных моментов, относящаяся к случаю сильного диполь-дипольного взаимодействия между отдельными гранулами.

Компьютерное моделирование показало, что наблюдаемое экспериментально увеличение остаточной намагниченности с ростом температуры является результатом уменьшения с температурой анизотропии наночастиц либо увеличения с температурой прямого обмена между нано-

частицами. На основании экспериментальных данных, а также результатов аналитических вычислений и компьютерного моделирования мы заключили, что структуры, образованные ферромагнитными наночасти-цами, характеризующимися наличием слабого прямого обмена и случайной анизотропии формы, имеют свойства ферромагнитных стекол.

Структура намагниченности образуется из "доменов", размер которых определяется соотношением слабого межгранульного прямого обмена и случайной анизотропии. Для квазидвумерных структур диполь-дипольные силы становятся определяющими и ответственными за образование вих-реподобных картин намагниченности (см. Рис. 5).

В главе также представлены результаты расчетов, описывающих магнитное поведение образцов, полученное в результате экспериментов по измерению эффекта Керра при повороте магнитного поля, представленных в соответствующем параграфе первой главы.

С помощью моделирования систем состоящих из магнитных и немагнитных наночастиц показана возможность использования метода лазерного электродиспергирования для получения пленки с магнитным туннельным переходом, состоящей из чередующихся слоев металлических наночастиц с разными значениями коэрцитивного поля. В таких материалах должен наблюдаться эффект гигантского туннельного магнито-сопротивления, поскольку намагниченность в разных слоях по-разному зависит от приложенного внешнего магнитного поля. Такой материал может быть использован при создании новых спинэлектронных устройств: магнитных сенсоров, магнитных ячеек памяти.

Рис. 5: Распределение намагниченности, расчитанное с помощью метода Монте-Карло для пленки N4.

В Заключении приведены основные результаты работы:

1. Впервые получены пленки из аморфных напочастиц Ni и Со.

2. Изучены электрические и магнитные свойства полученных пленок Ni и Со.

3. Показано, что модель суперпарамагнетизма применима для описания тонких пленок Ni толщиной ~10 нм.

4. Изучено магнитное поведение толстых пленок Ni толщиной 50 нм, и показано, что в них существенно возрастает роль обменного взаимодействия между напочастицами. Магнитное поведение толстых пленок не укладывается в рамки суперпарамагнетизма.

5. В магнитных пленках с толщиной 50 нм обнаружено аномальное поведение спонтанной намагниченности структуры: ее возрастание с температурой.

6. Для описания магнитного поведения толстых пленок предложена теоретическая модель ферромагнитного стекла, представляющая собой обобщение модели случайной анизотропии.

7. Проведено численное моделирование по методу Монте-Карло для модели ферромагнитного стекла, позволившее продемонстрировать особенности магнитного поведения в зависимости от отношения обменной энергии и энергии анизотропии.

Публикации автора по теме диссертации

[Al] D. S. Ilyushenkov, V. I. Kozub, I. N. Yassievich, et al., Ferromagnetic glass on the base of aggregates of Ni amorphous nanogranules // J.Magn.Magn.Mater., 323(10), 1259-1253 (2011).

[A2] D. S. Ilyushenkov, V. I. Kozub, D. A. Yavsin, et al., Magnetic properties of self-assembled nauostructure films on the base of amorphous Ni granules // J.Magn.Magn.Mater., 321(5), 343-347 (2009).

[A3] Б. Б. Кричевцов, С. В. Гастев, Д. С. Илыощенков и др., Магнитные свойства массивов наночастиц кобальта на поверхности CaF2(110)/Si(001) // ФТТ, 51(1), 109-117 (2009).

[A4] Д. С. Ильющенков, В. И. Козуб, И. Н. Яссиевич, Формирование доменов в пленках магнитных наночастиц со случайным распределением осей анизотропии // ФТТ, 49(10), 1853-1857 (2007).

[А5] Д. С. Ильющенков, М. А. Одноблюдов, Д. А. Явсин и др. Магнитные плёнки из монодисперсных никелевых наночастиц // Институт физики микроструктур РАН, симпозиум "Нанофизика и наноэлектрони-ка", 2, 293-294 (2006).

[А6] Д. С. Ильющенков, С. В. Гастев, В. И. Козуб и др. Магнитные свойства пленок из наночастиц никеля и кобальта // Институт физики микроструктур РАН, симпозиум "Нанофизика и наноэлектроника", 2, 265-256 (2008).

[А7] Д. А. Андроников, Д. С. Ильющенков, С. А. Гуревич и др., Маг-нитосопротивление гранулированных пленок, состоящих из наночастиц Со, полученных методом лазерного электродиспергирования // Институт физики микроструктур РАН, симпозиум "Нанофизика и наноэлектроника" 2, 377-378 (2010).

[А8] Д. С. Ильющенков, В. И. Козуб, И. Н. Яссиевич, Ферромагнитные стекла на основе наночастиц никеля // Институт физики микроструктур РАН, симпозиум "Нанофизика и наноэлектроника" 2, 386-387 (2010).

Список литературы

[1] V. М. Kozhevin, D. A. Yavsin, V. М. Kouznetsov, et al, J. Vac. Sei. Tech. В 18(3), 1402 (2000).

[2] Т. N. Rostovshchikova, V. V. Smirnov, S. A. Gurevich, et al., Catalysis Today 105, 344 (2005).

[3] Blundell, S. Magnetism in Condensed Matter - Oxford University Press, 2006. - P. 238.

[4] V. M. Vinokur, M. B. Mineev, M. V. Feigelman, Zh. Eksp. Teor. Fiz. 81, 2142 (1981).

[5] Skomski, R. Simple Models of Magnetism - Oxford University Press, 2008. - P. 349.

Подписано в печать «15» февраля 2011 г. Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Печаль офсетная. Усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 596

Типография «Восстания -1» 191036, Санкт-Петербург, Восстания, 1.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Ильющенков, Дмитрий Сергеевич

Введение

1 Экспериментальные исследования

1.1 Метод лазерного электродиспергирования.

1.2 Структурные свойства

1.3 Электрические свойства.

1.4 Магнитные свойства.

1.4.1 Тонкие нленки.

1.4.2 Толстые пленки.

1.5 Магнитооптические свойства.

2 Теоретические модели

2.1 Суперпарамагнетизм тонких пленок

2.2 Модель ферромагнитного стекла

3 Численное моделирование методом Монте-Карло

3.1 Особенности метода Монте-Карло для взаимодействующих монодисперсных систем.

3.1.1 Два типа наночастиц.

3.1.2 Граничные условия.

3.2 Основные результаты.

Введение диссертация по физике, на тему "Магнитные свойства пленок из ферромагнитных аморфных наночастиц"

Актуальность темы диссертации. В последнее время пленки из ферромагнитных наночастиц стали привлекать к себе большое внимание, поскольку, с одной стороны, они представляют новый объект, свойства, которого могут значительно отличаться от свойств объемного материала [1,2]; с другой стороны, они открывают возможности создания совершенно новых материалов для различных применений: в устройствах для записи информации, медицинской диагностики, химического катализа и т.д. [3™8]. Наночастицы, размер которых может составлять от единиц до сотен нанометров, получают самыми различными способами от простого химического осаждения коллоидных растворов, плазменного нанесения до химического восстановления солей металлов [9-14].

В Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН была разработана уникальная методика получения аморфных магнитных металлических наночастиц на основе лазерного электродиспергирования [15]. Главная особенность метода заключается в том, что получаемые пленки состоят из практически монодисперсных аморфных наночастиц (гранул) с дисперсией размера менее 10 %. При этом размер частиц фиксирован и зависит только от материала мишени. Отметим, что магнетизм аморфных ферромагнитных наночастиц представляет особый интерес, поскольку аморфная форма материи может обладать специфическим типом магнетизма [16-21]. Метод лазерного электродиспергирования нреставляет особый интерес, поскольку получение аморфных наночастиц чистых металлов другими методами (быстрое охлаждение жидкого расплава; напыление атомов на холодную подложку с образованием топких пленок аморфного металла; электролитическая и химическая металлизации; лазерная закалка поверхности) весьма затруднено, а для некоторых материалов и вовсе невозможно [22-26]. Такие материалы находят широкое применение в катализе, аморфность материала позволяет получать пленки с высокой концентрацией наночастиц [27], недоступной в случае кристаличе-ских наночастиц [28-36]. Таким образом, является актуальным получение аморфных магнитных наноструктурированных материалов и изучение их свойств.

Целью работы является:

Научная новизна работы состоит в решении следующих задач:

1. Впервые получены пленки из аморфных наночастиц АЧ и Со.

2. Изучены электрические и магнитные свойства полученных пленок N1 и Со.

4. Разработан подход и нроведено численное моделирование по методу Монте-Карло для модели ферромагнитного стекла.

Здесь хочется отметить наиболее интересные особенности. В тонких пленках из наночастиц Дгг толщиной 10 нм происходит формирование суперпарамагнитных кластеров с латеральным размером (100-150) нм, состоящих из большого числа 3 х 103) наночастиц. В толстых пленках, толщиной 50 нм происходит формирование ферроммагнитного стекла с аномальным температурным поведением намагниченности.

Практическая значимость работы. Впервые получены пленки из аморфных наночастиц ЛГ? и Со, которые представляют большой интерес в различных областях: в устройствах для записи информации, медицинской диагностики, химического катализа и т.д.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод лазерного электродиспергирования позволяет получить пленки из аморфных наночастиц ЛАг, размер которых составляет 2.5 нм, и Со, размер которых составляет 3.5 нм.

2. Тонкие пленки Л7?' толщиной ~ 10 нм характеризуются суперпарамагнитным поведением. При этом образуются магнитные кластеры с латеральным размером (100 — 150) им, которые состоят из 3 х 103 наночастиц.

3. Магнитное поведение толстых пленок /V? толщиной ~ 50 нм может быть описано в рамках модели ферромагнитного стекла, в которой размер локальной магнитной упорядоченности и переходные области характеризуются единой корреляционной длиной.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы. Диссертация содержит 72 страницы текста, включая 24 рисунка. Список цитируемой литературы содержит 68 наименований.

Заключение диссертации по теме "Физика конденсированного состояния"

3.2 Основные результаты

Прежде всего был исследован случай отсутствия дииоль-дипольного взаимодействия. В этом случае согласно (3.5), (3.2) и (3.3) поведение системы определяется единственным параметром 7 = 3 /КиУ!п то есть отношением обменной энергии к энергии анизотропии для отдельной гранулы. На Рис. 3.1.а представлен случай 7 = 0, что соответствует отсутствию обмена. Естественно в этом случае распределение магнитных моментов отдельных гранул случайно и крупномасштабная доменная структура отсутствует. На Рис. 3.1.Ь и 3.1.с представлено распределение моментов для 7 = 1 и 7 = 2 соответственно. Видны появление крупномасштабной упорядоченности и рост доменов с увеличением параметра 7. Отметим, что в моделируемой ситуации, для отдельных доменов сПуМ ф 0. На Рис. 3.2 представлена зависимость характерного размера домена от параметра 7. Полученный результат согласуется с предсказанной выражением (2.17) теоретической зависимостью. Результаты моделирования с учетом дииоль-дипольного взаимодействия представлены на Рис. 3.1.с1. При этом параметры выбирались применительно к пленкам наночастиц N1, полученным в ФТИ им. А.Ф. Иоффе: константа анизотропии Ки = 8 • 104Дж/м3, диаметр гранулы Б — 2.5 нм, магнитный момент гранулы М = 400/1в, обменная энергия варьировалась. На'Рис. 3.1.(1 представлено распределение магнитных моментов при 7 = 1.25. Как видно из рисунка, распределение магнитных моментов в отдельном домене при этом носит вихревой характер.

Проведенное компьютерное моделирование показало, что в полном согласии с полученными ранее аналитическими результатами, система разбивается на кластеры, или "домены", из наночастиц, с практически коллинеарпо-ориентированными магнитными моментами. Размер "доменов" зависит от соотношения энергий обменного взаимодействия и случайной анизотропии, в полном соответствии с полученным аналитически выражением для длины корреляции в модели ферромагнитного стекла. Для квазидвумерной системы предсказана структура взаимной ориентации магнитных моментов, относящаяся к случаю сильного диполь-динольного взаимодействия между отдельными гранулами.

На основании экспериментальных данных, а также результатов аналитических вычислений и компьютерного моделирования мы заключили, что структуры, образованные ферромагнитными наночастицами, характеризующимися наличием слабого прямого обмена и случайной анизотропии формы, имеют свойства ферромагнитных стекол.

Структура намагниченности образуется из "доменов", размер которых определяется соотношением слабого межгранулыюго прямого обмена и случайной анизотропии. Для квазидвумерных структур диполь-дииольные силы становятся определяющими и ответственными за образование вихреподобных картин намагниченности.

Была выполнена серия расчетов для объяснения экспериментальных результатов, полученных на пленках толщиной 10 нм из наночастиц N1 в скрещенных магнитных полях (см. параграф 1.5 и Рис. 1.16). Расчет проводился следующим образом. Генерировалась структура, состоящая из 50x50 частиц, оси анизотропии которых направлены случайным образом в плоскости пленки. Далее прикладывалось магнитное поле в плоскости пленки, и проводился расчет отклика намагниченности на изменение магнитного поля от 0 до 500 Гс, достаточного, чтобы вывести намагниченность в насыщение. Затем магнитное иоле линейно уменьшалось до нуля, при этом в образцах продолжала существовать остаточная намагниченность. На следующем этапе, к образцу прикладывалось магнитное поле параллельно плоскости пленки и перпендикулярно первоначальному направлению. Помимо этого, для образца проводился расчет петли гистерезиса в полях г£500 Гс. Полученные результаты усреднялись по нескольким реализациям структур. В результате были подобраны параметры модели, при которых численный расчет хорошо описывает полученные экспериментальные данные (см. Рис. 3.5 и Рис. 1.16). Структура магнитных моментов, соответствующая найденным параметром модели представлена на Рис. 3.6.

С помощью моделирования систем состоящих из магнитных и немагнитных наночастиц показана возможность использования метода лазерного электродиспергирования для получения пленки с магнитным туннельным переходом, состоящей из чередующихся слоев металлических наночастиц с разными значениями коэрцитивного ноля. В таких материалах должен наблюдаться эффект гигантского туннельного магнитосопротивления, поскольку намагниченность в разных слоях, по-разному зависит от приложенного внешнего магнитного поля. Такой материал может быть использован при создании новых спинэлектронных устройств: магнитных сенсоров, магнитных ячеек памяти.

ЧМч\| —| I сЧ- //Ч / ^

Ч - * Ч Ф * f + I ч\ч

Ч * f 4 •чю*-»-*-».». ^ ^ ж-ч » V ^ Ч/ / ч. * / ♦ * ч>*

-/ t чч*

С Ц-^-^-л^чч^ч ч. ч ч ч ч-»--* »»

ЧЧЧ\ лчччч Л\\ЧИ л-^чччччччччЧ ИИ /^жччччччч\\\\ ч $ * * » * ч % ч ЧЧ^>о*.*-о».ЧЧЧ V £ $ —* * Ч Ч \ Л

-1 * 1 Ч Ч ^чч^чччЧ^ Ч \ \ чч^-^^чч Ч { / г М 1 М ь Ч I Ч ХЧ-»// —чЧЧ ч ч Ч Ч ? \ ч чч Ч ^ ч Ч Ч ^

ЧччжЧЧЧ И' *-*-ЧЧ Ч Ч4**^ ччч-^ч

ЧЧЧЧЧЧ * * * ** <

ЧЧЧЧ \ЧЧ< I - / t * ч ж

1 4 t} I //-«Л

А * 1 Ч У* * * * * /~*"Ч у Ь ф \ 4 * + * 4 в-«*-^, > ■» > -+-У ^С.*-»-"*. Ч 4 4 * 4 ж****. 4 * * 4 г^» -•V/ / У * * 4 ».-<4

И >

1111 \\ с1 жм?

АМ ♦ Г//// « < ttftfftf/

1 ш ш

ИИ 1 ^с^'///////^ и ччч

Рис. 3.1: Распределение магнитных моментов в пленке: а), Ь), с) - при отсутствии диполь-дипольного взаимодействия и значешшх параметра 7, определяющего отношение обмен-но11 энергии к энергии анизотропии, равного 7 = 0,1,2 соотвотстиепио; (1) - с учетом диполь-диполыюго взаимодействия при значениях константы анизотропии Ки — 8 • 10'1 Дж/см3, магнитного момента гранулы М = 400/л# и параметра 7 — 1.25. У

Рис. 3.2: Зависимость отношения корреляционной длины Ь к диаметру гранул О от параметра 7 при отсутствии диполь-дипольного взаимодействия.

Шаги симуляции

Рис. 3.3: Зависимость намагниченности образца от энергии анизотропии, полученная при численном моделировании. Этап I: Уменьшение магнитного поля от величин, соответствующих насыщению намагниченности (М = М5), до нуля. Этап II: Рост намагниченности в нулевом магнитном поле с уменьшением константы анизотропии.

Рис. 3.4: Зависимость намагниченности образца от обменной энергии, полученная при численном моделировании. Этап I: Уменьшение магнитного поля от величин, соответствующих насыщению намагниченности (М = Ма), до нуля. Этап II: Рост намагниченности в нулевом магнитном поле с увеличением константы обмена.

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400

Магнитное поле (Гс)

Рис. 3.5: Результаты численного моделирования с помощью метода Монте-Карло намагничивания в скрещенных магнитных полях пленки N1 толщиной 10 нм.

60 У Ч Ч М М-*" ^ /^»чА/^чу Н У

-ММНчаУУ Уааа-«^у у у у уааЧ * У а—У у У--Ч * * 4 * /^»ччч Ч ь Ч У М Ч ^ЛЖУ/уахч-/ М Н Ч-*.у М М УА^ЧЧ Ч М И Ч 4 4 к 4 ^чцчч-к// ММ/АЧЧН*

УАЧЧЧЧЧЧАА^УУЧЧ * * \ V Ч Ч^-»-жааж-Ч У / /ЧЧЧх*/ у М М V / Г И т УУЖААЧЧЧЧ М V V М * М * ^/^чч-»^/^ у У-^АЧЧ ч * * МУ^Л г * Ч У М\ * 4 уа^ач-^-АУ МИ Ч->-АУ t * * 4 4 жхч М У ч Ч^-У У 4 //жж-^у Ч ♦ 4 У /^Ч ч А^у/ УМ I*

ЧЧ-»-У У * У уаа«—»—.**.-».-».^ у Ч * УУ^-Ч Ч М У УЧЧ ч ч-*--''^^ ^ Ч у уу-ж/ у у ЧУУУ/ЧЧМЧЧУМЧ

Ч чч^ж// жж^-^у * ((жж* >-«-у МЧУУММ чч^/ж»-».^ у а у л

Ч Ча^-а/УУУж-«.аЧ ♦ ((улххжч ЧЧааУУ У /ж/^хч-^У у а * ММ /ж^чу у у у у-^ч Ч Ч Ч Ч У * //У^^ЧЛ^ужУ/ у у /гг^лч^жжж^ У У У у ЖУ\ у У УУ-^АЧЧЧЧ-^^У У/Ж^хч^чч^/ у у У 4 4 УУ^Ч + УажаУ/У /М/У* 4 у ^^ЧУЧЧХ-М'ЖУЖЖ^ЖЖ^ХЛЧЖ-./ 4 у у к» I 4 У »У/У У У У ♦ ♦ ЧУ У М^ / ЖЛ ч Ч Ч ччн^у Ж / / »чч-кжчл у +--Ч ч Ч Ч ЧУЧ^А/ УУУ/УУУУ+ Ч а^У 4 у 4 )(УХЧ У ч-к-^^жжж-кч-к^чч у ♦/и УУУУч*ж/ У У М М у у у у^чч У ни у учх^-ж У УМ учч^ч-^

У у У Улгч у у У М г V V ч Ч УМ ужжж+.чуч-к-м'-м-^^ччччч н М у у ЧЧЧЧЧ^^^^-у 4 М у у у /ЖЧУУУч^^-ж^жж»у /Ж/ЧЧ ч М ♦ У У у/ужчу у ч ч у ЛГ

4 У УЖчУЧ-*--*-к*Чч*чЧ / у У 4.

Пужчуч^ччччч^ М У М 1 4 УУччан-^ЧЧЧ М У У Ч Ч Чн-АЧЧ ( ♦ I ♦ м м М * *

Ч уч*жжжжжжу УУ/УММЧ у ч^жж/ужжж/ У/УМНп ^ЖАУУУУ/ЖЖЖУЖУУММ

М У У У У V Ч чх^--*-^-*-^ Ч Ч М МММ* ^чч^жж^чччун^чи ♦ У + Ч Ч ЧЧУ ^жжжжж^чуччуу Ч Ч а у ММ * Ч Уччч*^чуч М/жуч^чуЧ ЧЧ^У / у * * ч Ч Н ЧЧА4^-*-ччЧЧ ч^а у у м

Ч Ч^чч-^чу Ч Ч Ч Ча-^А + Ч Ч Ч ч Ч-*-а У У У у уч+чччч \ Ч ЧЧЧАА-^Ч МЧЧЧЧЧАУУ У f

4 У ************ * * У у М Ч Ч**чччу ч Ч Ч а а.а а Ч У ^»чччучж-/ у у у У М У У У * ЧЧЧЧ Н М * 1 * у%—ччччччччч.чч Ч * У У--чччЧчж/ у у 1 У/ м ♦ * УЧЧж-*.чЧЧ Ч Ч II Ч »1 уч-м^-ччччучч^чу Ч ♦ У У аЧЧЧЧ^аУ М ♦ М + ♦ Ч УЧчхч-*.жч Ч Ч Ч Ч Ч Ч Ч ч^>*чуучч-»-^чу Ч Ч М У У Ч Ч Уч»-*/ * * У ИН учччх^ху Ч ЧИН )|чжжжччччч^чу*| н М УЧЧ у^—ж* * у

• М М М ♦ Ч-^-А/У ♦ 1ЧЧЧЧУУУ У »жжуу у

ЧЖЖЖЧ-кУЧУ Ч + ,чж/жчччУЧ Ч Ч ч Ч Ч УЧ^^ЧЧ Ч Ч М Н Ч^У У у У У /жжж^у ЧЧММУА-^4 у Ж^ЧЧЧЧЧУ Ч ЧЧЧЧЧ^^АЧ Ч Ч + М * а-*- ч 4 /чччч^ч-кчу^ Им Ч Ч Ч Ч УЧЧА-к-ь-^чЧ Ч И / УАА ч 4 У^^^ЧЧУЧ Ч Ч Ч Ч Ч ' * Ч Ч Ч Чччч»+чч ч ) } * * * \ Ь 4 ♦ М Ч Ч Ч1

ЧЧЧЧ уч»-к-кччч Ч Ч ММУУММ У У^^чч Ч Ч Ч V Ч Ч Ч ■ ч ч Ч уч^^чу Ч НИ 4 У У УА^ж-^ч Ч Ч Ч М МЖ- . . f | « Ч Ч Н Ч + Ч^АУ У 4 М У ^АЧЧ ММ У УУ.^Ч * 4 у-чччччч у М Ч Ч^х^хЧ * НМУ/^ МуУ У УММУУгММ У А--Ч 4 УА^ЧЧЧАЧЧ ММУЧ + У^ЧЧЧЧМУ/^-^М/'УУММ чжж/ У * { ЧЧА^УУААЧЧЧААЧЧ УУУУАЧЧЧчУУУУМУУЧЧМММЧЧ ч-^ж^-А У ^ Ч ММ/ЧЧЧЧУМММЧ^ММЧ уччч^ж^-жу+^н у у у у м * Ч^-а/ у | м ча^у у 4 4

УУУУАЧЧУЧУУУУМ УУЧЧМММ уух^ж^-жу * ч -».^У/УЖЧУ^Ч Ч Ч

-♦жЖУЖ^и-^^Ч»» 4 Ч чч У 4 у У + ч ^-«-А у Ч УЧ^ у * ч Ч^А-^А Уж-^^ЖЖ у ч4 У

Рис. 3.0: Полученное с помощью метода Монте-Карло распределение намагниченности при Н=0, соответствующее размагниченной пленке N1 толщиной 10 им.

Заключение

1. Впервые получены пленки из аморфных наночастиц Ш и Со.

2. Изучены электрические и магнитные свойства полученных пленок N1 и Со.

3. Показано, что модель суперпарамагнетизма применима для описания тонких пленок N1 толщиной нм.

4. Изучено магнитное поведение толстых пленок N1 толщиной 50 нм, и показано, что в них существенно возрастает роль обменного взаимодействия между наночастицами. Магнитное поведение толстых пленок не укладывается в рамки суперпарамагнетизма.

Я выражаю искреннюю благодарность моему научному руководителю С. А. Гу-ревичу за данные мне знания по физике и навыки научной работы, за постоянные внимание и поддержку. Я очень благодарен И. Н. Яссиевич и В. И. Козу-бу, С. В. Гастеву за интересное и плодотворное научное сотрудничество, а также В. М. Кожевину, Д. А. Явсину за многочисленные полезные советы и обсуждения.

Публикации автора по теме диссертации

Al] D. S. Ilyushenkov, V. I. Kozub, I. N. Yassievich, et al., Ferromagnetic glass on the base of aggregates of Ni amorphous nanogranules // J.Magn.Magn.Mater., 323(11), 1588-1592 (2011).

A2] D. S. Ilyushenkov, V. I. Kozub, D. A. Yavsin, et al., Magnetic properties of self-assembled nanostructure films on the base of amorphous Ni granules // J.Magn.Magn.Mater., 321(5), 343-347 (2009).

A3] Б. Б. Кричевцов, С. В. Гастев, Д. С. Ильющенков и др., Магнитные свойства массивов наночастиц кобальта на поверхности CaF2(110)/Si(001) // ФТТ, 51(1), 109-117 (2009).

А4] Д. С. Ильющенков, В. И. Козуб, И. Н. Яссиевич, Формирование доменов в пленках магнитных наночастиц со случайным распределением осей анизотропии // ФТТ, 49(10), 1853-1857 (2007).

А5] Д. С. Ильющенков, М. А. Одноблюдов, Д. А. Явсин и др. Магнитные плёнки из монодисперсных никелевых наночастиц // Институт физики микроструктур РАН, симпозиум "Нанофизика и наноэлектроника", 2, 293-294 (2006).

А6] Д. С. Ильющенков, С. В. Гастев, В. И. Козуб и др. Магнитные свойства пленок из наночастиц никеля и кобальта // Институт физики микроструктур РАН, симпозиум "Нанофизика и наноэлектроника", 2, 265-266 (2008).

А7[ Д. А. Андроников, Д. С. Ильющенков, С. А. Гуревич и др., Магнитосо-противление гранулированных пленок, состоящих из наночастиц Со, полученных методом лазерного электродиспергирования // Институт физики микроструктур РАН, симпозиум "Нанофизика и наноэлектроника" 2, 377-378 (2010).

А8] Д. С. Ильющенков, В. И. Козуб, И. Н. Яссиевич, Ферромагнитные стекла на основе наночастиц никеля // Институт физики микроструктур РАН, симпозиум "Нанофизика и наноэлектроника" 2, 386-387 (2010).

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Ильющенков, Дмитрий Сергеевич, Санкт-Петербург

1. Fruchart, 0. Self-organization on surfaces: Foreword / O. Fruchart // C. R. Phys. - 2005. - Vol. 6, no. 1. - Pp. 3-9.

2. Kruis, F: E. Synthesis of nanoparticles in the gas phase for electronic, optical and magnetic applications a review / F. E. Kruis, H. Fissan, A. Peled // Aerosol Sci.— 1998.- Vol. 29, no. 5-6. — Pp. 511-535.

3. Single-domain magnetic pillar array of 35 nm diameter and 65 gbits/in.2 density for ultrahigh density quantum magnetic storage / S. Y. Chou, M. S. Wei, P. R. Krauss, P. Fischer // J. Appl. Phys. 1994,- Vol. 76, no. 10.- Pp. 6673-6675.

4. Chou, S. Y. Patterned magnetic nanostructures and quantized magnetic disks / S. Y. Chou // Proc. IEEE. 1997,- Vol. 85, no. 4. - Pp. 652-671.

5. Krauss, P. R. Fabrication of planar quantum magnetic disk structure using electron beam lithography, reactive ion etching, and chemical mechanical polishing / P. R. Krauss, S. Y. Chou // J. Vac. Sci. Technol. B. 1995,- Vol. 13, no. 6.-Pp. 2850-2852.

6. Anderson, E. H. Holographic lithography with thick photoresist / E. H. Anderson, C. M. Horwitz, H. I. Smith // Appl. Phys. Lett.— 1983.— Vol. 43, no. 9.— Pp. 874-875.

7. Arrays of gated field-emitter cones having 0.32 /im tip-to-tip spacing / C. O. Bozler, C. T. Harris, S. R. D. D. Rathman et al. // J. Vac. Sci. Technol. B. — 1994. Vol. 12, no. 2. - Pp. 629-632.

8. Large area high density quantized magnetic disks fabricated using nanoimprint lithography / W. Wu, B. Cui, X.-Y. S. W. Zhang et al. // J. Vac. Sci. Technol. B. — 1998. Vol. 16, no. 6. — Pp. 3825-3829.

9. Synthesis and atomic-level characterization of ni nanoparticles in al2o3 matrix / D. Kumar, S. J. Pennycook, A. Lupini et al. // Applied Physics Letters. — 2002. — Vol. 81, no. 22. Pp. 4204-4206.

10. Schwarzer, H.-C. Experimental investigation into the inñuenve of mixing on nanoparticle precipitation / H.-C. Schwarzer, W. Peukert // Chem. Eng. S¿ Techn. 2002, — Vol. 25, no. 6. — Pp. 657-661.

11. Carbon-coated fe-co(c) nanocapsules prepared by arc discharge in methane / X. L. Dong. Z. D. Zhang, S. R. Jin, B. K. Kim // J. Appl. Phys.— 1999.-Vol. 86, no. 12. Pp. 6701-6706.

12. Sun, S. Size-controlled synthesis of magnetite nanoparticles / S. Sun, H. Zeng // J. Am. Chem. Soc. — 2002. Vol. 124. - Pp. 8204-8205.

13. Preparation and properties of magnetite and polymer magnetite nanoparticles / P. A. Dresco, V. S. Zaitsev, R. J. Gambino, B. Chu // Langmuir. — 1999. — Vol. 15. Pp. 1945-1951.

14. Magnetic nanoparticles: synthesis, ordering and properties / M. Vázquez, C. Luna, M. P. Morales et al. // Physica B. 2004. - Vol. 354. - Pp. 71-79.

15. Granulated metal nanostructure deposited by laser ablation accompanied by cascade drop fission / V. M. Kozhevin, D. A. Yavsin, V. M. Kouznetsov et al. // J. Vac. Sci. Tech. B. 2000. - May/June. - Vol. 18(3). - Pp. 1402-1405.

16. Chikazumi, S. Physics of Ferromagnetism / S. Chikazumi. — Oxford University Press, 2009. P. 668.

17. С. D. Graham, J. Magnetic properties of amorphous alloys / J. C. D. Graham, T. Egami // Ann. Rev. Mater. Sci. 1978. - Vol. 8. - Pp. 423-457.

18. Egami, T. Magnetic amorphous alloys: physics and technological applications / T. Egami // Rep. Prog. Phys. 1984. - Vol. 47. - P. 1601.

19. Tsuei, С. C. Magnetization distribution in an amorphous ferromagnet / С. C. Tsuei, H. Lilienthal // Phys. Rev. — 1976. — Vol. 13B. — Pp. 4899-4906.

20. Cargill, G. S. Ferromagnetism in amorphous solids / G. S. Cargill // AIP Conf. Proc. 1975. - Vol. 24. - P. 138.

21. Mizoguchi, T. Magnetism in amorphous alloys / T. Mizoguchi // AIP Conf. Proc. — 1976. — Vol. 34. P. 286.

22. Судз.уки, К. Аморфные металлы / К. Судзуки, X. Фудзимори, К. Хасимото; Ed. by Ц. Масумото, — М.: Металлургия, 1987, — Р. 328

23. Золотухин, И. В. Физические свойства аморфных металлов / И. В. Золотухин.— М.: Металлургия, 1986. — Р. 176.

24. Вайнгард, У. Ведение в физику кристаллизации металлов / У. Вайнгард; Ed. by С. Уманский. — М.: Мир, 1967. Р. 171.

25. Davies, Н. A. The formation, structure and crystallization of non-crystalline nickel produced by splat-quenching / H. A. Davies, J. B. Hull // Journal of Materials Science. 1976. - Vol. 11. - Pp. 215-223.

26. Поверхностные явления и фазовые превращения в конденсированных пленках / Н. Т. Гладких, С. В. Дукарой, А. П. Крышталь et al.; Ed. by H. Т. Гладких. — Харьков: ХНУ, 2004. Р. 276.

27. New size effect in the catalysis by interacting copper nanoparticles / T. Rostovshchikova, V. Smirnov, V. Kozhevin et al. // Applied Catalysis A: General.— 2005.- Vol. 296, no. 1.- Pp. 70-79.

28. Herzer, G. Grain structure and magnetism of nanocrystalline ferromagnets / G. Herzer // IEEE Trans. Magn. — 1989.- Vol. 25, no. 5. — Pp. 3327-3329.

29. Yoshizawa, Y. New fe-based soft magnetic alloys composed of ultrafine grain structure / Y. Yoshizawa, S. Oguma, K. Yamauchi // J. Appl. Phys. — 1988. — Vol. 64, no. 10. Pp. 6044-6046.

30. Herzer, G. Domain observation on nanocrystalline material / G. Herzer // J. Appl. Phys. 1991. - Vol. 69, no. 8. — Pp. 5325-5327.

31. Magnetic properties of fine crystalline fe-p-c-cu-x alloys / Y. Fujii, H. Fujita, A. Seki, T. Tomida // J. Appl. Phys. 1991. - Vol. 70, no. 10. - Pp. 6241-6243.

32. Herzer, G. Nanocrystalline soft magnetic materials / G. Herzer // J. Magn. Magn. Mater. 1992. - Vol. 112, no. 1-3. - Pp. 258-262.

33. Herzer, G. Magnetization process in nanocrystalline ferromagnets / G. Herzer // Mater. Sci. Eng. 1991. - Vol. A133. - Pp. 1-5.

34. Yoshizawa, Y. Magnetic properties of fe-cu-m-si-b (m = cr, v, mo, nb, ta, w) alloys / Y. Yoshizawa, K. Yamauchi // Mater. Sci. Eng. — 1991. — Vol. A133.— Pp. 176-179.

35. High saturation magnetization and soft magnetic properties of bcc fe-zr-b and fe-zr-b-m (m transition metal) alloys with lianoscale grain size / K. Suzuki, A. Makino, N. Kataoka et al. // Mater. Trans. JIM. — 1991.— Vol. 32, no. 1,— Pp. 93-102.

36. A.Makino. Soft magnetic properties of nanocry stallinefe-m-b(m=zr, hf, nb) alloys with high magnetization / A.Makino, A.Inoue, T.Masumoto // Nanostr. Mater. 1995. - Vol. 6, no. 1. — Pp. 985-988.

37. Note, C. Poly(ethyleneimine) as reducing and stabilizing agent for the formation of gold rianoparticles in w/o microemulsions / C. Note, S. Kosmella, J. Koetz //

38. Colloids and Surfaces A: Physicochernical and Engineering Aspects.— 2006.— Vol. 290, no. 1-3. Pp. 150-156.

39. Peukert, W. Control of aggregation in production and handling of nanoparticles / W. Peukert, H.-C. Schwarzer, F. Stenger // Chemical Engineering and Processing. 2005. — Vol. 44, no. 2. - Pp. 245-252.

40. On narxoparticle aggregation during vapor phase synthesis / A. Singhal, G. Skandan, A. Wang et al. // Nanostructured Materials. — 1999.— Vol. 11, no. 4. — Pp. 545-552.

41. Self-assembling effects in monodispersive metal nanostructures / S. A. Gurevich, V. M. Kozhevin, D. A. Yavsin et al. // Proc. 12th Int. Symp. "Nanostructures: physics and technology". — 2004. — P. 209.

42. Joy, P. A. The relationship between field-cooled and zero-field-cooled susceptibilities of some ordered magnetic systems / P. A. Joy, P. S. A. Kumar, S. K. Date // Journal of Physics: Condensed Matter. — 1998. — Vol. 10, no. 48. — P. 11049.

43. Zvezdin, A. K. Modern Magnetooptics and magnetooptical materials / A. K. Zvezdin, V. A. Kotov. — Institute of Physics Publ., Bristol, Philadelphia, 1997. — P. 386.

44. Gittleman, J. I. Superpararaagnetism and relaxation effects in granular ni — S102 and ni — 0/203 films / J. I. Gittleman, B. Abeles, S. Bozowski // Phys. Rev. В.— 1974. — Vol. 9, no. 9. Pp. 3891-3897.

45. Sellmyer, D. Advanced Magnetic Nanostructures / D. Sellmyer, R. Skomski; Ed. by D. Sellmyer, R. Skomski. — Springer, 2005. — P. 514.

46. The defining length scales of mesomagnctism: A review / C. L. Dennis, R. P. Borges, L. D. Buda et al. // J. Phys.: Condens. Matter.— 2002,— December. Vol. 14, no. 49.-Pp. R1175-R1262.

47. Surface-enhanced magnetism in nickel clusters / S. E. Apsel, J. W. Emmert, J. Deng, L. A. Bloomfield // Phys. Rev. Lett. — 1996. — Feb. — Vol. 76, no. 9. — Pp. 1441-1444.

48. Ильюхценков, Д. С. Формирование доменов в пленках магнитных наноча-стиц со случайным распределением осей анизотропии / Д. С. Ильющенков, В. И. Козуб, И. Н. Яссиевич // ФТТ. 2007. - Vol. 49, по. 10. - Pp. 1853-1857.

49. Cullity, L. С. Introduction to Magnetic Materials / L. C. Cullity. — Addison-Wesley, 1972. — P. 666.

50. Superparamagnetism and magnetic properties of ni nanoparticles embedded in sio-2 / F.' C. Fonseca, G. F. Goya, R. F. Jardim et al. // Phys. Rev. B. 2002. -Sep. - Vol. 66, no. 10. - P. 104406.

51. Superparamagnetic properties of nickel nanoparticles in an ion-exchange polymer film / M. Yoon, Y. Kim, Y. M. Kim et al. // Materials Chemistry and Physics.— 2005. — Vol. 91, 110. 1. Pp. 104 - 107.

52. Nickel nanoparticles obtained by a modified polyol process: Synthesis, characterization, and magnetic properties / G. G. Couto, J. J. Klein,

53. W. H. Schreiner et al. // Journal of Colloid and Interface Science.— 2007.— Vol. 311, no. 2. — Pp. 461 468.

54. Self-organized growth of nanosized vertical magnetic co pillars on au(lll) / O. Fruchart, M. Klaua, J. Barthel, J. Kirschner // Phys. Rev. Lett. — 1999.— Oct. —Vol. 83, no. 14.- Pp. 2769-2772.

55. Overcoming the dipolar disorder in dense cofe nanoparticle ensembles: Supcrferromagnetism / S. Bedanta, T. Eimuller, W. Kleemann et al. // Phys. Rev. Lett. 2007. - Apr. - Vol. 98, no. 17.- P. 176601.

56. Alben, R. Random anisotropy in amorphous ferromagnets / R. Alben, J. J. Becker, M. C. Chi // Journal of Applied Physics.- 1978,- Vol. 49, no. 3.— Pp. 16531658.

57. Herzer, G. Nanocrystalline soft magnetic materials / G. Herzer // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 1996. — Vol. 157-158. — Pp. 133-130.

58. Vinokur,, V. M. One-dimensional spin chain in a random anisotropy field / V. M. Vinokur, M. B. Mineev, M. V. Feigelman // Zh. Eksp. Teor. Fiz. 1981. -Vol. 81.-P. 2142.

59. Skoinski, R. Simple Models of Magnetism / R. Skomski. — Oxford University Press, 2008. P. 349.

60. Guimaraes, A. P. Principles of Nanomagnetism / A. P. Guimaraes. — Springer, 2009. — P. 224.

61. Skomski, R. Permanent Magnetism / R. Skomski, J. Coey. — Taylor and Francis, 1999. P. 416.

62. Bozorth,' R. M. Ferromagnetism / R. M. Bozorth. — Wiley-IEEE Press, 1993. -P. 992.

63. Monte carlo studies of the dynamics of an interacting monodispersive magnetic-particle system / J.-O. Andersson, C. Djurberg, T. Jonsson et al. // Phys. Rev. B. 1997. - Dec. - Vol. 56, no. 21. - Pp. 13983-13988.

64. A computational and experimental study of exchange coupling in fept self-organized magnetic arrays / O. Chubykalo-Fesenko, K. Guslienko, T. Klemmer et al. // Physica B: Condensed Matter. — 2006. — Vol. 382, no. 1-2. Pp. 235244.

65. Binder, K. Monte Carlo simulation in statistical physics: an introduction / K. Binder; Ed. by K. Binder. Springer, 1978. — P. 376.

66. Modelling of interaction effects in fine particle systems / R. W. Chantrell, G. N. Coverdale, M. E. Hilo, K. O'Grady // J. Magn. Magn. Mater. 1996.-Vol. 157-158. — Pp. 250 - 255. — European Magnetic Materials and Applications Conference.

67. Calculations of the susceptibility of interacting superparamagnetic particles / R. W. Chantrell, N. Walmsley, J. Gore, M. Maylin // Phys. Rev. B. 2000. -Vol. 63, no. 2. - P. 024410.

68. Neel, L. / L. Neel // Ann. Geophys. (C.N.R.S). 1949. - Vol. 5. - Pp. 99-136.