V. Магнитные свойства наночастиц.

Магнитные свойства 3d металлов

Условие однородности намагниченности в частице сво­дится к требованию, чтобы приращение свободной энер­гии ΔF при любом нарушении однородности оказыва­лось положительным

ΔF = ΔFex + ΔFa + ΔFd +Δ FH > 0;

где ΔFex , ΔFa , ΔFd , ΔFH — соответственно прираще­ние обменной энергии, энергии магнитной анизотропии, энергии магнитного поля частицы и зеемановской энергии. В этом случае критический размер частицы, при котором реализуется однодоменное состояние, опреде­ляется уравнением:

(1)

где Is — намагниченность насыщения, Rc — критичес­кий радиус, а — постоянная решетки, Nb — размагни­чивающий фактор, А — постоянная обмена.

Для случая слабой анизотропии < 1 (K— кон­станта анизотропии) получаем

(2)

где Sc — константа, которая изменяется в интерва­ле 1.04 < Sc < 1.44.

Увеличение при переходе к связано с изме­нением механизма перемагничивания — переходом от смещения доменных границ к когерентному вращению магнитного момента, и при величина порогового поля перемагничивания частицы определяется выраже­нием

Переход в суперпарамагнитное состояние

При дальнейшем уменьшении размера частиц ( ), которые находятся в однодоменном состоянии, казалось бы, коэрцитивная сила не должна изменяться. Однако наблюдается обратная картина — значение уменьшается и при определенном размере обращается в нуль (рис. 1). Для объяснения этого явления рассмотри ансамбль невзаимодействующих однодомен­ных частиц, обладающих одноосной анизотропией.

Если такую систему намагнитить в поле , а затем поле выключить, то остаточная намагниченность будет изменяться по закону

где — время после выключения поля, — время релаксации системы в состояние термодинамического равновесия. Время релаксации описывается выражением

где — константа одноосной анизотропии, — объем частицы, — частотный фактор, который в первом приближении равен частоте прецессии магнит­ного момента частицы ( — 10⁹ c^-1), — постоянная Больцмана, — температура.

Петля гистерезиса и основные Зависимость коэрцитивной

параметры магнитных материалов. силы от размера частиц.

VI. Заключение.

Как видно из изложенного выше, уже сейчас можно в определённых пределах влиять на магнитные характеристики синтезируемых наночастиц путём изменения их морфологии: размеров, формы и состава, соотношения ядро-оболочка, расположения частиц в матрице; температурную обработку (отжиг) можно использовать для изменения кристаллической структуры ядра и оболочки и т.п.

Выявлен ряд подходов, перспективных с точки зрения направленного изменения свойств наночастиц. В ряде случаев полезные свойства получаются за счет удачного комбинирования свойств, как самих частиц, так и матрицы, в которой они расположены.

``

Список литературы

1. M.I.Baraton. Synthesis, Functionalization, and Surface Treatment of Nanoparticles. Am. Sci., Los-Angeles, 2002

2. В.П.Пискорский, Г.А.Петраковский, С.П.Губин, И.Д.Кособудский. Физ. тверд. тела, 22, 1507 (1980)

3. С.П.Губин, И.Д.Кособудский. Успехи химии, 52, 1350 (1983)

4. S.P.Gubin, Yu.I.Spichkin, G.Yu.Yurkov, A.M.Tishin. Russian Journal of Inorganic Chemistry, 47, suppl. 1, 32 (2002)

5. J.P.Bucher, L.A.Bloomfield. International Journal of Modern Physics B, 4, 1079 (1993)

6. R.B.Frankel, R.P.Blakemore, R.S.Wolfe. Science, 203, 1355 (1979)

7. P.Moriarty, Nanostructured Materials, in Rep.Prog.Phys, 64, 297 (2001)

8.А.И.Гусев,А.А.Рампель,Нанокристаллические материалы, Физматлит, Москва, 2001

8. С.П.Губин. Рос.хим.журн., XLIV, 6, 23 (2000)

10. С.П. Губин, Ю.А.Кокшаров. Неорганические материалы, 38, 1287 (2002)

11. D.M.Cox, D.J.Tevor, R.L.Whetten, E.A.Rohlfing A.Kaldor. Phys. Rev. B, 32, 7290 (1985)

12. W.A.de Heer, P.Milani, A.Chatelain. Phys. Rev. Lett., 65, 488 (1990)

13. F.Fendrych, L.Kraus, O.Chayka, P.Lobotka, I.Vavra, J.Tous, V.Studnicka, Z.Frait. Monatshefte fur Chem., 133, 773 (2002)

14. B.Martinez, A.Roig, X.Obradors, E.Molins. J. Appl. Phys., 79, 2580 (1996)

15. Ю.И.Петров, Э.А.Шафрановский. Изв. АН. Сер. Физ., 64, 1548 (2000)

16. I.M.L.Billas, A.Chatelain, W.A.de Heer. J. Magn. Magn. Mater., 168, 64 (1997)

17. I.M.L.Billas, A.Chatelain, W.A.de Heer Surface review and letters, 3, 429 (1996)

18. D.C.Douglass, J.P.Bucher, D.B.Haynes and L.A.Bloomfield in From Cluster to Crystals, ed. P.Jena, S.N.Khanna and B.K.Rao, Kluwer, Boston, 1992.

19. D.C.Douglass, J.P.Bucher, L.A.Bloomfield. Phys. Rev. Lett., 68, 1774 (1992)

20. M.Jamet, W.Wernsdorfer, C.Thirion et al. Phys. Rev. Lett., 86, 4676 (2001)

21. В.А.Кузнецов, А.Г.Липсон, Д.М.Саков. ЖФХ, 67, 782 (1993)

22. C.Suryanarayana. Progress in Mater. Science, 46, 1 (2001)

23. A.E.Berkowitz, J.L.Walter. J. Magn. Magn. Mater., 39, 75 (1983)

24. M.F.Hansen, K.S.Vecchio, F.T.Parker, F.E.Spada, A.E.Berkowitz. App. Phys. Lett., 82, 1574 (2003)

25.У.А.Асанов,С.К.Сулайманкулова,И.Е.Сакавов,С.А.Адылов. Сульфидообразование в условиях электроэрозии металлов, Илим, Фрунзе, 1989

26.J.A.Becker, R.Schafer, J.R.Festag , J.H.Wendorff, F.Hensel, J.Pebler, S.A.Quaiser. Surf. Rev. Lett., 3, 1121 (1996)

27. C.Pascal, J.L.Pascal, F.Favier., M.L.Elidrissi, C.Payen. J.Chem. Mater., 11, 141 (1999)

28. L.Fu, V.P.Dravid, D.L.Johnson. J. Applied Surface Science 181, 173 (2001)

29. E.V.Shevchenko, D.V.Talapin, A.L.Rogach, A.Kornowski, M.Haase, H.Weller. J. Am. Chem. Soc., 124, 11480 (2002)

30. L.Guo, Z.Wu, T.Liu, S.Yang. Physica E, 8, 199 (2000)

31. T.Liu, L.Guo, Y.Tao, T.D.Hu, Y.N.Xie, J.Zhang. Nanostruct. Mat., 8, 1329 (1999)

32. J.C.Bacri, R.Perzynski, D.Salin, V.Cabuil, R.J.Massart. J. Magn. Magn. Mater., 85, 27 (1990)

33. F.L.Calderon, T.Stora, O.M.Monval, P.Poulin, J.Bibette. Phys. Rev. Lett., 72, 2959 (1994)

34. C.Menager, V.Cabuil. Colloid. Polym. Sci., 272, 1299 (1994)

35. C.Menager, V.Cabuil. J.Colloid Interface Sci., 169, 251 (1995)

36. J.C.Bacri, V.Cabuil, S.Menager, R.Perzynski. Europhys. Lett., 33, 235 (1996)

37. P.Fabre, C.Cassagrane, M.Veyssie, V.Cabuil, R.Massart. Phys. Rev. Lett., 64, 539 (1990)

38. C.Menager, V.Cabuil, L.Belloni, M. Dubois, Th.Zemb. Langmuir, 12, 3516 (1996)

39. H.Kitahara, T.Oku, T.Hirano, K.Suganuma. Diamond Relat. Mater., 10, 1210 (2001)

40. M.E.McHenry, S.Subramoney. In Fullerenes. Chemistry, Physics, and Technology. Wiley-Interscience, New York, 2000. P.887

41. J.Jiao, S.Seraphin, X.Wang, J.C.Withers. J. Appl. Phys., 80, 103 (1996)

42. Y.Saito, J.Ma, J.Nakashima, M. Masuda. Z. Phys. D. At., Mol. Clusters, 40, 170 (1997)

43. E.M. Brunsman, R. Sutton, E. Bortz, S. Kirkpatrick, K. Midelfort, J. Williams, P. Smith, M.E. McHenry, S.A. Majetich, J.O. Artman, M.De Graef, S.W. Staley. J. Appl. Phys., 75, 5882 (1994)

44. Y.Kobayashi, M.Horie, M.Konno, B.Rodriguez-Gonzalez, L.M.Liz-Marzan. J. Phys. Chem. B, 107, 7420 (2003)

45. J.H.Yu, C.W.Lee, S.-S.Im, J.-S.Lee. Rev.Adv.Mater. Sci., 4, 55 (2003)

46. T.Kinoshita, S.Seino, K.Okitsu, T.Nakayama, T.Nakagawa, T.A.Yamamoto. J. Alloys Comp., 359, 46 (2003)

47. K.Landfester, L.P.Ramirez. J. Phys.: Condens. Mater., 15, 1345 (2003)

Таблица 1. Характер изменения магнитных свойств при уменьшении размеров образца ферромагнетика от макроскопического до атомного

Название объекта	Характерный размер	Специфические магнитные свойства
А. Многодоменные (макроскопические, объемные) образцы	 1мкм	Спонтанная намагниченность ниже температуры Кюри (Тс). Возможность уменьшения интегрального магнитного момента образца в результате образования доменной структуры.
Б.Промежуточная область	1000-50 нм	Магнитные характеристики в сильной степени зависят от предистории образца, способа его приготовления, обработки
В. Однодоменные магнитные частицы, (малые магнитные частицы, магнитные кластеры) в диамагнитной матрице	1-30 нм	Для изолированных частиц может существовать вторая характерная точка на шкале температур  ТБ, температура «блокировки» (ТБ < Тс). Ниже ТБ  в отсутствие внешнего поля магнитный момент частицы сохраняет свою ориентацию в пространстве, (тепловые флуктуации не могут изменить его направление), ансамбль частиц демонстрирует магнитный гистерезис. Выше ТБ  частица переходит в суперпарамагнитное состояние, обладая при этом (ниже Тс) спонтанной намагниченностью и ненулевым (много большим момента отдельного парамагнитного атома) суммарным магнитным моментом. Для взаимодействующих частиц возможно упорядочение по всему ансамблю, а также поведение подобное «спиновому стеклу».
Г. Отдельный атом, ион.	 0.2 нм	«Обычные» парамагнитные свойства

Таблица 2. Критический диаметр (для комнатной температуры) однодоменной сферической^(*) частицы с аксиальной^(**) магнитной анизотропией.

 

Материал	Критический диаметр согласно работе [336]	Критический диаметр согласно работе [329]	Критический диаметр согласно работе [325]
Co	70 нм	70 нм	68 нм
Ni	–	55 нм	32 нм
Fe	30 нм(***)	14 нм	12 нм
BaFe12O19	–	–	580 нм
Fe3O4	–	128 нм	–
-Fe2O3	–	166 нм	–
Nd-Fe-B	200 нм	–	214 нм
SmCo5	1500 нм	–	1528 нм

^(*)Можно удовлетворить критерию однодоменности, не уменьшая объема частицы, а меняя ее форму, например, вытягивая шар в эллипсоид.

^(**)Для других видов анизотропии (кубической, гексагональной и т.п.) численные оценки критического диаметра однодоменности изменятся.

^(***)Близкое значение (26 нм) приводится в работе [392].