1. Актуальность поставленных задач.
Основной идеей исследований магнитных мезокристаллов является определение связи между их структурой и свойствами. Это необходимо для того, чтобы можно было создавать материалы на их основе, свойства которых могли бы контролируемо меняться в зависимости от температуры, размера, формы наночастиц, а также их пространственного упорядочения.
Такие исследования представляют интерес не только для фундаментальной науки, но и для приложений, связанных с детектированием величины и направления внешнего магнитного поля (магнитные датчики), локализацией магнитного нагрева (например, в злокачественных новообразованиях), управлением движением носителей заряда (спинтроника) и т.д.
Поскольку сам синтез такого рода систем является довольно непростой задачей, исследования связи их структуры и свойств являются важной точкой в понимании возможных стратегий создания и использования качественных материалов на основе мезокристаллов.
2. Методы и подходы для решения поставленных задач.
Основной особенностью данного проекта является комплементарность подхода. Это означает, что результаты исследования мезокристаллических систем не только будут получены множеством методик, но и проанализированы в совокупности, с уделением особого внимания поиску связей между ними.
В ходе выполнения проекта планируется использовать следующие методики исследования:
а. Данные о структуре будут получены методами микроскопии (сканирующая и просвечивающая электронная микровкопия, атомно-силовая микроскопия), рассеяния рентгеновского излучения и электронов (данные об атомарной структуре с помощью широкоугольной дифракции, данные о мезоструктуре с помощью малоуглового рассеяния);
б. Данные о магнитных свойствах будут получены с помощью интегральных (СКВИД-магнитометрия) и поверхностных (магнитно-силовая микроскопия) методик исследования;
3. Имеющийся научный задел.
Заявителем проводились исследования структуры и магнитных свойств инвертированных опалоподобных структур и массивов магнитных нанонитей методами рассеяния синхротронного излучения, нейтронной дифракции, а также СКВИД-магнитометрии. Исследование мезокристаллов является логичным продолжением этой деятельность, поскольку они также высокоупорядочены, однако не только на наномасштабе, но и на атомарном. По этой причине, отработанная методология исследований может быть успешно применена и в этом случае, хотя и должна одновременно получить развитие, с учётом особенностей исследуемого объекта.
Системы, которые будут исследоваться могут быть быстро созданы по технологии, которая была успешно отработана в группе Dr. Elena Sturm, в то время как методика исследования магнитных свойств схожих мезосистем хорошо освоена в группе Apl. Prof. Dr. Mikhail Fonin.
4. Обоснование выбора принимающей организации.
Группа магнитных материалов и спинтроники физического факультета университета Констанца обладает огромным опытом аттестации наночастиц и кристаллов на их основе. В то же время, у заявителя есть большой опыт исследования структуры и магнитных свойств упорядоченных нано- и мезомасштабных объектов методами рассеяния синхротронного и нейтронного излучений. Возможность слияния этих опытов открывает большие перспективы для совместных исследований и развития физики и химии конденсированного состояния в области нанончастиц и мезоструктур.
Проект направлен на изучение структуры и магнитных свойств наносистем, перспективных для создания новых устройств передачи информации, медико-биологического оборудования, различных сенсорных приборов.
Исследование проводилось с помощью современного оборудования под руководством специалистов в области создания и изучения наночастиц из магнитного материала.
В ходе стажировки было исследовано несколько систем магнитных наночастиц на основе магнетита:
1. Порошок и мезокристаллы на основе частиц R2 – размером порядка 15 нм, с формой сильно усечённого куба.
2. Порошок и мезокристаллы на основе частиц R2, подвергнутые естественному старению, что увеличивает степень их усечения и снижает эффективный размер магнитного объёма.
3. Порошок и мезокристаллы на основе частиц R2, подвергнутые естественному старению, а также отожжённые при температуре 380 С.
4. Порошок и мезокристаллы на основе частиц 85 – размером 13 нм, с формой слабо усечённого куба.
5. Суспензия, порошок и мезокристаллы на основе частиц T11 – размером 12 нм, с формой слегка усечённого куба.
Для всех типов частиц было проведено аналитическое ультрацентрифугирование, и получены изображения с помощью сканирующего и просвечивающего электронных микроскопов для определения распределения по размерам и форме частиц.
Исследование магнитных свойств проводились с помощью СКВИД-магнетометра Quantum Design XL. В ходе работы измерялись петли гистерезиса при 4 К и пи 300 К, а также кривые ZFC-FC – охлаждения в поле 20 Э и без приложения поля. На основании этих данных строились кривые, распределения температуры блокировки в образце. По пику распределения определялась средняя температура блокировки.
В результате были сделаны следующие выводы:
1. Температура блокировки уменьшается с уменьшением размера наночастиц магнетита, что подтверждается литературными данными.
2. Температура блокировки не повышается при переходе от неупорядоченного состояния (порошок) к упорядоченному (мезокристалл) при малой степени усечения кубических частиц.
3. «Старение» наносистем на основе магнетита приводит к увеличению усечения и эффективному уменьшению магнитного размера из-за окисления магнетита, и превращения в гематит.
4. Этот эффект приводит к снижению температуры блокировки мезокристалла со временем.
Дополнительно к этим результатам, было обнаружено, что на системах частиц R2 наблюдается особенность на температурных зависимостях намагниченности при T = 94 K. Предположение о том, что это переход Вервея, то есть смена структуры магнетита с кубической на моноклинную, было подтверждено с помощью низкотемпературной электронной дифракции. Этот результат является первым прямым наблюдением Вервеевского перехода в наночастицах.
