Здесь можно найти учебные материалы, которые помогут вам в написании курсовых работ, дипломов, контрольных работ и рефератов. Так же вы мажете самостоятельно повысить уникальность своей работы для прохождения проверки на плагиат всего за несколько минут.

ЛИЧНЫЙ КАБИНЕТ 

 

Здравствуйте гость!

 

Логин:

Пароль:

 

Запомнить

 

 

Забыли пароль? Регистрация

Повышение уникальности

Предлагаем нашим посетителям воспользоваться бесплатным программным обеспечением «StudentHelp», которое позволит вам всего за несколько минут, выполнить повышение уникальности любого файла в формате MS Word. После такого повышения уникальности, ваша работа легко пройдете проверку в системах антиплагиат вуз, antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru. Программа «StudentHelp» работает по уникальной технологии и при повышении уникальности не вставляет в текст скрытых символов, и даже если препод скопирует текст в блокнот – не увидит ни каких отличий от текста в Word файле.

Результат поиска


Наименование:


Реферат/Курсовая Магнитные свойства наноструктур

Информация:

Тип работы: Реферат/Курсовая. Добавлен: 05.06.13. Сдан: 2012. Страниц: 32. Уникальность по antiplagiat.ru: < 30%

Описание (план):




Введение
Магнитные свойства наноструктур обладают большим разнообразием и значительно отличаются от массивного материала. Поэтому внимание к ним исследователей обусловлено значительными перспективами для создания новых высокоэффективных магнитных материалов. Основной вклад здесь вносят размерные эффекты, влияние поверхности, образующих наноструктуру кластеров межкластерные взаимодействия или взаимодействия кластера с матрицей и межкластерная организация. Особенности формирования наноструктур и их свойства позволяют синтезировать новые магнитные наноматериалы и магнитные наноустройства на их основе. К числу наиболее характерных и впечатляющих свойств нанокластеров и наноструктур следует отнести прежде всего суперпарамагнетизм, который проявляется при размерах магнитных кластером 1-10 нм, магнитную однодоменность, нанокластеров и наноструктур вплоть до 20 нм, процессы намагничивания, которые чувствительны не только к характеру магнитного упорядочения кластера, но и к его размеру, форме, магнитной анизотропии, эффекты магнитного квантового туннелиронания, при которых намагниченность меняется скачками, подобно эффектам одноэлектронной проводимости, и эффекты гигантского магнетосопротивления. Представляют большой интерес магнитные фазовые переходы первого рода в нанокластерах и наноструктурах, когда магнитное упорядочение и наносистеме исчезает скачком и наносистема переходит и парамагнитное состояние, минуя суперпарамагнитное состояние, для которого характерно сохранение магнитного упорядочения ниже точки Кюри.
Прямым следствием уменьшения размеров существующих магнитных, а также упоминавшихся ранее электронных и оптических устройств до наноразмеров является значительная миниатюризация различных схем и развитие нанотехнологий для их получения. Для ЭВМ, это ведет к резкому росту плотности записи информации, емкости и быстродействию. По поводу миниатюризации устройств представляет интерес закон Мура, согласно которому размеры микроэлектронных устройств должны уменьшаться вдвое каждые четыре года. Согласно этому прогнозу, размеры наноустройств должны быть в 2006 г. около 100 нм, в 2012 т. ™ 50 нм, к 2020 г. — 10 нм, а к 2035 г — порядка атомов (рис. 1). В действительности совершенствование логических устройств по этому закону должно прекратиться еще ранее (около 2012 г.) вследствие нарастания квантовых эффектов при уменьшении размеров нанокластеров. Это стимулирует, в свою очередь, развитие новых методов ЭВМ для хранения и обработки информации.
Перспективным направлением здесь  являются квантовые вычислительные устройства. В таких компьютерах квантовые эффекты, например магнитного квантового туннелирования или гигантского магнитного резонанса, не ограничивают, а расширяют возможности вычислений и увеличивают быстродействие. Следует пояснить, что в обычных, цифровых ЭВМ, информация сохраняется и виде последовательности символов «0» и «1» (бит информации соответствует набору одной из этих цифр). Информация в квантовых битах записывается суперпозицией состоянии «0» и «1» точное значение которых одновременно определяется в момент измерения. Последовательность из N цифровых битов может представлять любое число в интервале от 0 до 2N, в то время как N квантовых битов могут представить все эти 2N чисел одновременно. К. примеру, квантовый компьютер с 300 такими битами может описывать систему с числом элементов 2300 ~ 10300, что превышает число атомов Вселенной. При поиске данных в массиве из N элементом скорость квантовых компьютеров о N1/2 раз превосходит скорость цифровых ЭВМ. Таким образом, именно нанотехнология может решить проблему изготовления большого числа квантовых битов и вынести вычислительную технику к пределам действия закона Мура.

Рисунок 1 – Закон Мура. Эволюция микроэлектронных устройств.

 
 
 
 
Магнитные кластеры
Электрон  в атоме можно рассматривать  как точечный заряд, вращающийся  вокруг ядра, хотя, строго говоря, это  утверждение не верно и может  привести к ошибочным предсказаниям  некоторых свойств. Электрон при  таком движении обладает угловым, или  вращательным,  моментом и создает  магнитное поле (за исключением s-coстояний). Картина магнитного поля при таком  движении сходна с полем стержневого  магнита. Говорят, что электрон обладает орбитальным магнитным моментом. Существует и другой вклад в магнитный  момент, возникающий вследствие того, что электрон имеет спин. В классическом рассмотрении электрон можно представить  себе как сферический заряд, вращающийся  вокруг некоей оси. Таким образом, для  получения полного магнитного момента электрона следует сложить спиновый и орбитальный магнитный моменты. Полный магнитный момент атома получается векторным суммированием моментов всех его электронов и ядра. В первом при6лижении ядерным магнитным моментом можно пренебречь ввиду его малости. На энергетических уровнях, занятых четным количеством электронов, магнитные моменты последних попарно противоположны, так что полный момент атома равен нулю. Таким образом, большинство атомов в твердых телах не имеют магнитного момента, однако существуют ионы переходных элементов, таких как железо, марганец и кобальт, у которых внутренние d-орбитали заполнены лишь частично, а, следовательно, эти ионы обладают ненулевым магнитным моментом. Кристаллы из таких атомов могут быть ферромагнитными, если магнитные моменты всех атомов направлены одинаково.

Рисунок 2 -  Иллюстрация измерения магнитного момента наночастицы в опыте Штерна-Герлаха. Пучок металлических кластеров из источника направляется между полюсами постоянных магнитов, форма которых выбрана так, чтобы получить постоянный градиент магнитного поля, в котором на магнитный дипольный момент частицы действует сила, отклоняющая пучок. По этому отклонению, измеряемому на фотопластинке или флуоресцентном экране, можно определить магнитный момент частиц.




В кластере магнитный момент каждого атома  взаимодействует с моментами  других атомов, что может выстроить  все моменты в одном направлении  по отношению к какой-либо оси симметрии кластера. Такой кластер обладает суммарным ненулевым магнитным моментом; говорят, что он намагничен. Магнитный момент таких кластеров можно измерить в опыте Штерна-Герлаха, проиллюстрированном на (рис. 2). Кластерные частицы направляют в область неоднородного магнитного поля, разделяющего частицы в соответствии с проекцией их магнитного момента. Используя известные величины напряженности и градиента поля по результатам такого разделения можно определить магнитный момент частиц. Однако, измеренный магнитный момент магнитных частиц обычно оказывается меньше, чем ожидается при полностью сонаправленном положении элементарных моментов в кластере. Атомы в кластере колеблются, причем энергия колебаний увеличивается с ростом температуры. Эти колебания вызывают некоторое разупорядочивание магнитных моментов отдельных атомов кластера, так что его полный магнитный момент становится меньше, чем он был бы в случае строго параллельного положения всех атомов. Магнитный момент отдельного кластера взаимодействует с приложенным постоянным полем таким образом, что его расположение по полю становится более вероятным, чем против поля. Полный магнитный момент понижается при повышении температуры, точнее он обратно пропорционален температуре. Этот эффект называют суперпарамагнетизмом. Когда энергия взаимодействия магнитного момента кластера с приложенным магнитным полем больше энергии колебаний, усреднения из-за осцилляций не происходит, зато происходит усреднение из-за вращения кластера как целого. Такая ситуация называется магнетизмом вмороженных моментов. Одно из наиболее интересных наблюдавшихся свойств наночастиц - это наличие полного магнитного момента у кластера, состоящего из немагнитных атомов. Например, кластеры рения демонстрируют отчетливое увеличение магнитного момента, если в них меньше 20 атомов. На (рис. 3) показана зависимость магнитного момента от размера рениевого кластера. Магнитный момент велик при n меньше 15.

Рисунок 3 - Зависимость магнитного момента атомов в наночастицах рения от количества атомов в них.



 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Переход от макро к  нано.
При каком  количестве атомов кластер начинает вести себя как объемное вещество? для кластера менее 100 атомов энергия ионизации, т. е, энергия, необходимая для удаления из кластера одного электрона, отличается от работы выхода. Работой выхода называется энергия, необходимая для удаления электрона из объемного вещества. Температура плавления кластеров золота становится такой же, как и у объемного золота, при размерах кластера более 1000 атомов. На (рис. 4) показана зависимость температуры плавления наночастиц золота в зависимости от их диаметра. Среднее расстояние между атомами в кластере меди приближается к значению в объемном материале при размерах кластера около 100 атомов. Вообще оказывается, что разные физические свойства кластеров достигают значений, характерных для объемных материалов, при разных размерах кластера. Размеры кластера, при которых происходит переход к поведению объемного материала, оказывается зависящим от измеряемой характеристики.

Рисунок 4 - Температура плавления наночастиц золота от диаметра наночастицы. (10 ? = 1нм)



 
Различные применения магнитных материалов требуют разных типов кривой намагничивания и ее характеристик. Материалы, используемые в трансформаторах и вращающихся электрических машинах, подвергаются воздействию быстро меняющегося магнитного поля, так  им приходится перемагничиваться много раз в секунду это приводит к потере эффективности и нагреву материала. Нагрев является следствием внутреннего трения, возникающего при непрерывной переориентации магнитных доменов. Величина потерь энергии в каждом цикле, выделяющейся в виде тепла, пропорциональна площади, ограничиваемой петлей гистерезиса для подобного использования необходимы материалы с малой или близкой к нулевой коэрцитивной силой, что уменьшает площадь петли (магнитомягкие). С другой стороны, постоянные магниты, используемые для создания больших сильных магнитных полей, должны обладать большой коэрцитивной силой, то есть широкой петлей гистерезиса (магнитотвердые). Для них также требуются большие значения насыщения намагниченности.
Наноструктурирование  объемных магнитных материалов может применяться для создания материалов с заданным видом кривой намагничивания. Ленты аморфного сплава с составом Fе7З.5СU13Si1З.5В9, полученные методом быстрого охлаждения на холодном барабане и отожженные при температурах от 673 до 9230К в течение одного часа в атмосфере инертного газа, состоят из твердого раствора 10 нм наночастиц железа. Такой сплав достигает индукции насыщения 1,24 Тл, его остаточная индукция составляет 0,67 Тл, а коэрцитивная сила очень мала - 0,53А/м. Гистерезис петли намагничивания наноразмерных порошков аморфных сплавов с составом Fe69Ni9C02и размером зерен 10 – 15нм, полученных путем разложения растворов Fe(CO)5, Ni(CO)4 и Со(NО)(СоО)з в углеводородном растворителе декалине (C1OH18) в атмосфере инертного газа, почти отсутствует.

Рисунок 5 - Зависимость остаточной намагниченности М, от размера d частиц, составляющих Nd-B-Fe постоянный магнит, отнесенной к значению Ms(90) для размера зерен 90нм.

Самые сильные  постоянные магниты изготавливают  из неодима, железа и бора. Результаты, приведенные на (рис. 5), показывают, что для материала коэрцитивная сила существенно уменьшается при размере зерна менее 40нм, а остаточная намагниченность увеличивается.  Таким образом, уменьшая размер наночастиц зернистого магнитного материала, можно существенно улучшить качество производимых из них магнитов.
 
 
Ферромагнетики  и сверхпроводники
 
Зависимость намагниченности от магнитного поля для ферро- и ферримагнетиков оказывается нелинейной и характеризуется большей или меньшей необратимостью. В исходно размагниченном состоянии компактный материал, даже монокристалл разбивается на домены с различным направлением намагниченности, так что суммарная намагниченность равна нулю. Это соответствует минимуму магнитной энергии системы. При приложении магнитного поля домены с благоприятной ориентацией намагниченности увеличиваются за счет остальных доменов. Этому соответствует быстрый рост намагниченности. В больших полях происходит плавный разворот вектора намагниченности вдоль направления магнитного поля и величина намагниченности выходит на насыщение. При уменьшении магнитного поля наблюдается гистерезис, характеризующийся остаточной намагниченностью и коэрцитивной силой. Таким образом, из кривой магнитного гистерезиса можно определить важные характеристики материала, такие как коэрцевидная сила, магнитная проницаемость, магнитная энергия, остаточная намагниченность и намагниченность насыщения. Причем намагниченность насыщения при низких температурах имеет простую связь с величиной суммарного спина электронов, участвующих во взаимодействии.
Большое значение в настоящее время имеют высокодисперсные магнитные материалы, особенно для высокоплотной записи информации. Для мелких магнитных частиц с уменьшением их размера коэрцитивная сила возрастает и достигает максимума в том момент, когда энергетически выгодным становится наличие в частице только одного магнитного домена. При дальнейшем уменьшении размера однодоменной частицы наблюдается резкое падение коэрцитивной силы - намагниченность становится обратимой. Это связано с тем, что при достаточно малом объеме частицы энергетические барьеры, связанные с ориентацией магнитного момента, становятся ниже, чем энергия теплового движения и магнитного момент частицы начинает менять направление - это суперпарамагнетизм. Конкретные размеры связаны с природой магнетика и формой частиц. Изучение петель гистерезиса помогает изучить подобное поведение высокодисперсных магнитных частиц.
Магнитные методы оказываются очень  эффективными и при изучении сверхпроводников. Выше критической температуры образец сверхпроводника находится в нормальном металлическом состоянии и характеризуется очень низкой величиной восприимчивости (близкой к нулю). При понижении температуры в критической точке происходит переход в сверхпроводящее состояние, сопровождающийся резким падением восприимчивости до величин - 1/4?. Для дисперсного порошка этот переход оказывается размазан. Если образец не является монолитным, а представляет собой, например, полый цилиндр, тогда величина перехода будет зависеть от режима измерения. Охлаждение в поле будет давать реальное значение восприимчивости образца, охлаждение без магнитного поля с последующим его включением дает увеличенный скачок восприимчивости. Это связано с тем, что в последнем случае все внутренняя область цилиндра экранируется и магнитное поле не проникает в пустое пространство внутри полого цилиндра. Зависимость намагниченности от магнитного поля имеет гистерезисный характер, также как для ферромагнетиков, с теми особенностями, что исходно восприимчивость и намагниченность является отрицательной и часто вместо насыщения на кривой намагниченности наблюдается экстремум. Важную информацию несет величина гистерезиса намагниченности ?М. Она связана с плотностью критического тока Jc, протекающего в сверхпроводнике.
В заключении следует подчеркнуть, что изучение магнитных свойств  ферромагнитных веществ и материалов оказывается весьма плодотворным с точки зрения как фундаменальной науки, так и возможных практических приложений.
 
 
 
 
Основные типы магнитных  наноматериалов
Магнитные свойства наносистем определяются не только размерами частиц и их морфологией, но и характером взаимодействия как между частицами, так и между частицами и матрицей. Наибольший интерес для исследований представляют магнитоупорядоченные нанокристаллические материалы, такие как ферромагнетики, ферримагнетики и антиферромагнетики, так как их свойства значительно меняются при уменьшении размеров магнитных частиц. В то же время магнитные свойства диамагнетиков и парамагнетиков практически не зависят от размерного фактора.
Магнитные наноматериалы разделяют по типу организации системы и факторам, определяющим ее магнитные свойства (рис. 6):

Рисунок 6 – Схематический вид магнитных наноструктур с различным типом организации.

 
А. Изолированные невзаимодействующие магнитные частицы (магнитные жидкости, композиты "ферромагнетик/немагнитный диэлектрик" с низкой концентрацией магнитной фазы). Свойства наносистемы определяются только размерным фактором.
B. Наночастицы "ядро в оболочке" (нанопорошки металлов, покрытых слоем соответствующего оксида). Свойства наносистемы полностью определяются характером взаимодействия ядра с оболочкой.
C. Магнитные частицы в магнитоактивной или неактивной матрице. Свойства наносистемы определяются как размерами частиц, так и характером их взаимодействия с матрицей и друг с другом.
D. Наносистемы с высокой концентрацией наночастиц (самоорганизованные наносистемы). Свойства определяются межчастичными взаимодействиями.
Ферромагнитные  системы описывают с использованием нескольких параметров, определяющих их свойства. К ним относят коэрцитивную силу Hс, намагниченность насыщения Ms, остаточную намагниченность MR, и форму петли гистерезиса (рис. 7). При этом намагниченность насыщения определяется магнитным моментом каждого атома в системе и их взаимным расположением и, фактически, не зависит от размерного фактора. В то же время значение коэрцитивной силы и форма петли магнитного гистерезиса во многом определяются размером и формой частиц.
Изменение намагниченности материала во внешнем  магнитном поле связано с переходом  через некоторый энергетический барьер; а каждый физический механизм, ответственный за энергетический барьер, имеет свойственную ему размерную  величину (корреляционный радиус).

Рисунок 7 – Петля гистерезиса и основные параметры ферромагнитных материалов.

 
Выделяют три фундаментальных  характеристических размера, связанных  с процессом перемагничивания: длину  кристаллической анизотропии 1К, протяженность внешнего магнитного поля 1H и магнитостатическую длину lS которые определяются следующими соотношениями:
,где
J - обменная энергия,
К - константа магнитной анизотропии объемного материала,
Н - напряженность внешнего магнитного поля,
Ms - намагниченность насыщения.
Если  существует более чем один тип  энергетического барьера, то доминируют магнитные свойства с наименьшей величиной характеристического размера. Для большинства магнитных материалов это значение составляет от 1 до 100 нм. Например, у никеля в поле 1000Э при комнатной температуре lS ~ 8 нм, 1К ~ 45 нм, 1H ~ 19 нм.
 
 
 
Доменная структура ферромагнитных материалов (магнитомягкие и магнитожесткие).
Наибольшее  изменение магнитных свойств  наноматериалов связано с изменением доменной структуры магнитоупорядоченных систем при уменьшении размеров частиц.
Магнитный домен - это область вещества, в  пределах которой все электронные спины атомов ориентированы в одном направлении и имеют одинаковый магнитный момент. Домены разделены в пространстве доменными стенками, имеющими характеристическую толщину и энергию, связанную с их формированием и существованием. На (рис. 8) представлены возможные конфигурации доменов в ферромагнитных материалах. При приложении внешнего магнитного поля магнитный момент может увеличиваться в ходе движения доменных стенок или вращения вектора намагниченности. Первый из механизмов осуществляется при приложении слабых магнитных полей: в этом случае объем доменов, ориентированных вдоль направления поля, увеличивается. Второй процесс доминирует при приложении сильных полей, которые заставляют домены вращаться по направлению поля. Кривая намагничивания со схематичным изображением доменной структуры на каждой стадии намагничивания представлена на (рис. 9). В размагниченном состоянии домены распределены хаотически так, что средняя намагниченность равна нулю.

Рисунок 8 – Примеры доменных структур. Изменение доменной структуры под воздействием магнитного поля: а). Исходная конфигурация б). Рост доменов в). Вращение доменов

 

Рисунок 9 - Изменение доменной структуры в процессе намагничивания ферромагнитного материала.

 
  При приложении магнитного поля домен, намагниченность которого ближе всего к направлению поля, начинает расти за счет других доменов благодаря движению доменных стенок. Поскольку на первой стадии намагничивания перемещение стенок является обратимым, то при удалении поля намагниченность проходит тот же путь, и материал возвращается в размагниченное состояние, а магнитного гистерезиса не наблюдается. Свободному движению доменных стенок препятствуют дефекты решетки или дислокации, а объединенная магнитостатическая энергия, которой обладают несовершенства кристалла, обуславливает гистерезис магнитных свойств и определяет коэрцитивную силу материала. Увеличение внешнего поля выше значения Нс будет приводить к полному устранению доменных стенок из образца с образованием единого домена, намагниченность которого направлена вдоль оси легкого намагничивания. Дальнейший рост намагниченности происходит только путем вращения вектора магнитного момента от направления оси легкого намагничивания в направлении приложенного поля. В кристаллах с высокой магнитокристаллической анизотропией для достижения насыщения требуются большие поля. При уменьшении внешнего поля, вектор магнитного момента частицы возвращается в положение вдоль оси легкого намагничивания, и магнитный момент в направлении, параллельном приложенному полю, уменьшается.
 Поскольку вращение магнитного момента не связано с движением доменных стенок, то этот процесс является полностью обратимым. Далее, размагничивающее поле в образце инициирует рост магнитных доменов, что приводит к частичному размагничиванию образца. Однако, ввиду рассеяния энергии на дефектах решетки, доменные стенки не возвращаются в исходное положение, в результате чего кривая намагниченности проявляет гистерезисное поведение, а образец остается намагниченным даже при полном устранении поля. Коэрцитивная сила определяется как дополнительное поле, которое нужно приложить в противоположном направлении, чтобы уменьшить намагниченность образца до нуля.
Характеристики  петли магнитного гистерезиса ферромагнетиков  во многом определяют области их применения. Так, магнетики, используемые в трансформаторах, электромоторах и т.д., подвергаются воздействию переменного магнитного поля высокой частоты и перемагничиваются много раз в секунду, что приводит к перегреву рабочего тела и высоким потерям энергии за счет ее рассеивания на дефектах решетки. Величина потерь, равная величине тепловой энергии, выделяемой в течение каждого цикла перемагничивания, пропорциональна площади петли гистерезиса. В связи с этим, для использования магнетиков в электромоторах необходимо минимизировать площадь петли гистерезиса, и, соответственно, коэрцитивную силу материала. Такие магнетики называют "магнитомягкими материалами". С другой стороны, для использования магнетиков в качестве постоянных магнитов, устройств хранения информации или частей высоко по левых систем, требуются высокие коэрцитивные силы и намагниченности насыщения - такие материалы называют "магнитожесткими".
Магнитные свойства многодоменных материалов во многом определяются динамикой доменных стенок. Образование доменной структуры в объемных веществах обусловлено наличием размагничивающего фактора, тогда как при переходе на наноуровень энергия доменной стенки значительно превосходит энергию размагничивания, и формирование доменной структуры оказывается энергетически не выгодным (рис. 10). Характерная зависимость коэрцитивной силы от размера частиц приведена на (рис. 11). При уменьшении размера многодоменной частицы подвижность доменных стенок значительно уменьшается, что соответствует росту коэрцитивной силы. Это продолжается до тех пор, пока частица не достигнет однодоменного размера, что соответствует максимальной коэрцитивной силе Hc,max. Ниже этого критического размера Dcrit образование доменных стенок становится энергетически невыгодным, и изменение намагниченности может происходить либо за счет образования стенок в приложенном поле, либо за счет когерентного поворота всех спинов в частице. Критический размер частицы Dcrit, при котором достигается Hc,max, оценивается по уравнению:

Рисунок 10 – Относительная стабильность одно- и многодоменных частиц.




, в котором

 
 с - постоянная, зависящая от кристаллической структуры решетки,
I - обменная постоянная,
z - постоянная решетки,
  Nd = -Nd/MR - коэффициент размагничивания при напряженности размагничивающего поля Hd.
 
 Например, для сферических частиц Fe, Со и Ni величина Dcrit составляет 14 нм, 70 нм и 50 нм, соответственно, а для Fe304 и ?-Fe203 - 128 и 166 нм. Необходимо отметить, что анизотропные (не сферические) частицы могут переходить в одно доменное состояние при больших геометрических размерах, чем сферические частицы.
По мере дальнейшего уменьшения размера  наблюдается спад коэрцитивной силы до нуля и динамика спинов становится все более подверженной влиянию тепловых флуктуации. В совокупности малые частицы ведут себя подобно парамагнитному веществу с большим магнитным моментом. При этом вещество переходит в суперпарамагнитное состояние, причем такой переход является магнитным фазовым переходом второго рода.

Рисунок 11 – Зависимость коэрцитивной силы от размера частиц.

Суперпарамагнетизм.
Уменьшение размеров магнитных  нанокластеров при сохранении в них самопроизвольной намагниченности (при температуре ниже точки Кюри или Нееля) увеличивает вероятность тепловых флуктуаций в направлении магнитного момента М нанокластера. Это можно уподобить броуновскому вращению или движению магнитного момента кластера как целого, которое было впервые отмечено Неелем, а подобное состояние названо термином «суперпарамагнетизм» Бином.
Суперпарамагнетизм - это квазипарамагнитное поведение наносистем, состоящих из совокупности очень мелких ферро- и ферримагнитных частиц.
 
Данное  явление реализуется в ансамбле ферромагнитных однодоменных частиц, где вследствие тепловых флуктуации происходит хаотическое вращение векторов магнитного момента. В результате система ведет себя подобно парамагнетику с тем только отличием, что у ферромагнитных частиц магнитный момент значительно, до 10 раз, больше.
Возникновение суперпарамагнетизма реализуется в наноматериалах следующим образом. В крупных частицах вектор магнитного момента частицы М ориентируется вдоль направления легчайшего намагничивания, определяемого суммарной магнитной анизотропией. Чтобы повернуть вектор магнитного момента из этого направления, необходимо преодолеть энергетический барьер, пропорциональный энергии анизотропии KэффV, где Кэфф — константа суммарной анизотропии, V — объем частицы. Когда средняя тепловая энергия kBT делается сравнимой или больше энергии анизотропии (kBT > KэффV), становится вероятным поворот магнитного момента за счет тепловых флуктуаций. Например, в типичных ферро- и ферримагнитных веществах Кэфф ~ 102 – 106 Дж/м3 , поэтому при Т ~ 100 К тепловые флуктуации становятся заметными в частицах, объем которых меньше 10-24 – 10-27 м3, что соответствует линейным размерам 1 - 10 нм. Другими словами, поведение совокупности наночастиц по отношению к воздействию температуры подобно парамагнитному газу молекул. Только в газе в результате флуктуаций изменяются ориентации самих молекул  вместе с их магнитными моментами, а однодоменные частицы остаются неподвижными, меняется лишь ориентация их магнитного момента. Но качественно воздействие температуры оказывается в обоих случаях одинаковым.
Из сказанного ясно, что ансамбль частиц теряет ферромагнитные свойства по мере перехода в суперпарамагнитное состояние. Петля гистерезиса при этом вырождается в кривую намагниченности, что означает, в свою очередь, равенство нулю коэрцитивной силы и остаточной намагниченности.
Суперпарамагнитизм  экспериментально наблюдался в системах металлических частиц Fe, Cо, Ni. К данному переходу очень чувствителен эффект Мёссбауэра. В качестве примера на (рис. 12) представлен мёссбауэровский спектр нанопорошка Fе, полученного методом химического диспергирования. При переходе из ферромагнитного в суперпарамагнитное состояние секстет линий (1) вырождается в одну центральную линию (2). Поскольку спектр содержит, секстет и центральную линию, то в данном образце присутствуют ферромагнитная и суперпарамагнитная компоненты одновременно.

Рисунок 12 - Мессбауэровский спектр нанопорошков железа




Величина  площади соответствующих пиков  пропорциональна количественному содержанию каждого из компонентов. Поэтому в образце, спектр которого представлен, примерно 15% вещества находится в суперпарамагнитном состоянии. Поскольку размеры суперпарамагнитного материала строго определенные, то можно утверждать, что 15% частиц имеют размеры порядка 10 нм. Таким образом, мёссбауэровское исследование дает также возможность оценить размерные характеристики нанопорошка.

Рисунок 13 - Зависимость энергии  суперпарамагнитной частицы от направления  намагниченности.




Суперпарамагнитное поведение  системы, как правило, рассматривается  как термоактивированный процесс  с энергетическим барьером порядка KV. Однако в организованных наносистемах могут осуществляться квантово-туннелированные переходы, сопровождающиеся дискретным изменением намагниченности целой нанокластерной системы (рис.13). Этот эффект необходимо учитывать при анализе экспериментальных данных и вносить соответствующие поправки при расчетах характеристических величин.
 
 
Методы  получения магнитных наночастиц
Если в основу классификации  методов получения наночастиц положить тип исходного вещества, то наночастицы  можно получать:
1. Из компактных материалов того же (или иного) состава путем диспергирования различными методами.
2. Из химических соединений путем направленного изменения их состава с последующей остановкой (теми или иными методами) роста новой фазы на стадии наноразмеров.
3. Превращением наночастиц одного состава в наночастицы другого состава. (Последний путь пока мало распространен).
К сожалению, большинство известных  на сегодняшний день методов позволяют  получать наночастицы с широким  распределением по размерам (дисперсия s > 10%); тщательный контроль параметров реакции, таких как время, температура процесса, скорость перемешивания, концентрация реагентов и стабилизирующих добавок позволяют сузить распределение по размерам получающихся наночастиц, но не всегда до нужных размеров. Известно, что большинство физических характеристик наночастиц существенно зависят от размера частиц. Поэтому, наряду с созданием методов синтеза наночастиц с узким распределением по размерам, были предприняты попытки разработать приемы разделения уже полученных наночастиц на достаточно монодисперсные фракции. Чаще всего для этих целей используют контролируемое высаживание из раствора стабилизированных ПАВами наночастиц с последующим центрифугированием; первой осаждается наиболее крупная фракция; после деконтации осадок может быть заново растворен и оба раствора – вновь полученный и оставшийся после деконтации – могут быть повторно подвергнуты операциям осаждения и центрифугирования. Процесс повторяют до получения фракций с нужным размером частиц и распределением по размерам.
Для создания магнитных материалов на основе наночастиц часто необходимо их внедрение в химически инертную, немагнитную основу - матрицу, которая  оказывала бы  незначительное влияние  на магнитные свойства изолированных  друг от друга наночастиц.
Важно отметить, что методы получения наночастиц нельзя отделять от методов их стабилизации. Для частиц наноразмеров (1-30 нм) из-за их высокой поверхностной энергии не существует инертной среды – в любой среде, на поверхности отдельно взятой наночастицы всегда имеются продукты взаимодействия со средой, оказывающие существенное влияние на свойства наночастиц. Это особенно важно для магнитных наночастиц, поскольку продукты поверхностного окисления могут иметь иные магнитные характеристики, чем ядро частицы. Ниже будут рассмотрены отдельно общие методы получения наночастиц, на первый взгляд не связанные напрямую с их стабилизацией, и методы, где одновременно с получением наночастиц происходит их стабилизация тем или иным способом: в матрицах, капсулированием и т.п.
 
1. Получение наночастиц из пересыщенных паров металлов: в основе метода лежит классическая теория нуклеации, основанная на предположении, что зарождающиеся кластеры новой фазы (наночастицы) описываются моделью сферической жидкой капли;
2. Метод «молекулярных пучков»: в этом методе в пучке получаются в значительной степени «свободные» кластеры (наночастицы);
3. Получение наночастиц распылением паров металла (sputterung): Осаждение на подложку наночастиц из атомного пучка;
4. Методы нанодиспергирования компактного материала:
А) Механохимическое диспергирование;
Б) Электроэррозия;
В) Электрохимическое генерирование;
 
«Химические» методы синтеза магнитных  наночастиц:
1. Получение наночастиц из химических соединений
2. Термолиз металлсодержащих соединений
3. Разложение металлсодержащих соединений (МСС) под действием ультразвука
4. Восстановление МСС различными восстановителями
5. Радиационно-химическое восстановление ионов металлов  в водных растворах как метод синтеза наночастиц
6. Синтез в обратных мицеллах
7. Золь-гель метод
8. Синтез магнитных наночастиц на границе раздела фаз вода-воздух (ЛБ-технология)
 
Специфические методы синтеза отдельных  типов магнитных наночастиц:
1. Гетерометаллические наночастицы
2. Ферриты
3. Редкие земли
4. Методы синтеза несферичных (анизотропных по форме) магнитных наночастиц: нанонити и нанопровода
5. Методы синтеза неоднородных по составу магнитных наночастиц:
А) Окисление наночастиц
Б) Хемосорбция на поверхности наночастиц
В) Направленная модификация поверхности магнитных наночастиц
 
 

Рисунок 14 - Микрофотографии, полученные с помощью ТЕМ (а) и  АСМ (б), железосодержащих частиц, синтезированном  в ленгмюровском монослое.



 
Стабилизация  магнитных наночастиц
 
В процессе получения наночастиц всегда встает вопрос их стабилизации. Наночастицы  размером 1-20 нм обладают высокой поверхностной  энергией, и для них трудно подобрать  действительно инертную среду, поэтому  на поверхности каждой наночастицы  всегда имеются продукты ее химической модификации, которые существенно  влияют на свойства наноматериала. Это  особенно важно в случае магнитных  наночастиц, модифицированный поверхностный  слой которых может иметь совсем иные магнитные характеристики, нежели чем ядро частицы, и взаимодействие внутренних атомов с внешними может  приводить к серьезным изменениям в магнитном поведении наночастиц.
Зачастую исследователи стремятся  стабилизировать наночастицы в  процессе их получения, чтобы на выходе иметь продукт, постоянный по своим  свойствам. В ходе химического синтеза  магнитных наночастиц возможны два  общих варианта – получение частиц поверхность которых покрыта  поверхностно-активными веществами или специфическими материалу частицы  лигандами или же методы где одновременно с приготовлением наночастиц происходит их “жесткая” стабилизация в матрицах. Первый случай хорош тем, что сохраняется  возможность оперирования с поверхностью наночастиц, например замена лигандов или дальнейшая поверхностная модификация, получение монослоев частиц и  т.д., а во втором случае чаще всего  имеют дело с наноматериалом, для  которого особо важны коллективные свойства наночастиц.
Отдельный интерес представляет класс  композиционных материалов представляющий собой смеси наночастиц и органических полимеров, поскольку привлекательные  технологически благодаря своей  пластичности подобные материалы демонстрируют  перспективные электрические, оптические, магнитные и механические свойства, обусловленные не только индивидуальными  особенностями наночастиц и полимеров, но и взаимодействиями на границе раздела двух различных по своей природе материалов – неорганика/органика в супрамолекулярном масштабе.
Конкретным примером может служить  стабилизация магнитных наночастиц в матрицах дендримеров или в  сферических полимерных образованиях – такие ферритино-подобные структуры  находят интенсивное применение в бионанотехнологии.
 
 
 
 
 
Методы  определения структуры материалов, содержащих магнитные наночастицы
Наноматериалы – относительно новый объект для  структурных исследований. Не существует единственного метода, способного решить все структурные проблемы, существующие в этой области; как правило, используют комплекс методов, чаще всего - РФА, ТЕМ, EXAFS и ряд других.
 
РФА (рентгенофазовый анализ)
Рентгенофазовый анализ редко даёт картину, содержащую набор острых пиков, достаточный  для идентификации состава исследуемой  наночастицы с одной из известных  фаз. Как правило, на рентгенограммах  из всего набора пиков, характерных  для данной фазы, наблюдаются один – два уширенных пика. Это, прежде всего, характерно для свежеполученных  образцов, содержащих наночастицы диаметром меньше 5-ти нм. Для более крупных частиц при получении достаточно информативной рентгенограммы часто удаётся не только определить фазовый состав частицы, но и по уширению пиков оценить размеры областей когерентного рассеяния рентгеновских лучей, соответствующие средним размерам кристаллитов (наночастиц). (Чаще всего для этого используют формулу Шерера
,
где l - длина волны, b – ширина пика на половине высоты после коррекции на инструментальное уширение линии, q угол дифракции).
 
 


ТЕМ (просвечивающая электронная микроскопия)
Наиболее  распространённым методом определения  размеров наночастиц служит просвечивающая электронная микроскопия (ТЕМ). Типичная картина приведена на (рис. 15). Сведения о составе наночастиц часто извлекают из одновременно получающихся электронограмм.
а)    
б)
Рисунок 15 - Фотографии, полученные на микроскопе JEM 2000 FXII в просвечивающем режиме (а) и в режиме сканирования (б)



 

и т.д.................



Рисунок 16 - Полученное в просвечивающем электронном микроскопе изображение сетки дислокаций на границах зёрен в тонкой молибденовой фольге, деформированной при высокотемпературном нагреве

Перейти к полному тексту работы


Скачать работу с онлайн повышением уникальности до 90% по antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru


Смотреть полный текст работы бесплатно


Смотреть похожие работы


* Примечание. Уникальность работы указана на дату публикации, текущее значение может отличаться от указанного.