Основы наноелектроники / Основы наноэлектроники / ИДЗ / Книги и монографии / Нанотехнологии (Пул), 2005, c.325

~ Глава 7. Ферромагяетиэм8 нанаструктурах

между зернами. Группа в IВM получила магнитные наноэерна FePt с намного бо'лъшим значением намагниченности. Частицы FePt получалась при нагреве раствора ацетилацетоната платины и карбанила железа с добавлением восстано­ вителя. В качестве поверхностно-активного вещества также использовалась оле­ иновая кислота, покрывающая частицы и препятствующая их агрегации. После распыления раствора на подложку он испврялоя, оставляя на ней пассивирован­ ные частицы. Получившався в результате этой операции тонкая пленка затем

втечение 30 минут выдерживалась при температуре 560 "С, что приводило К обра­ зованию твердого углеродного слоя, содержащего З-х нанометровые частицы FePt. Такой размер магнитных наночастиц может привести к плотности записи

в150 Гигабайт на квадратный ДЮЙМ, то есть примерно в 10 раз плотнее, чем в ны­

не существующих коммерчески доступных носителях.

Когда размеры магнитных наночастиц становятся столь малыми, магнитные

вектора атомов в присутствии внешнего магнитного поля ориентируются одина­

ково в пределах зерна, устраняя сложности, возникающие из-за наличия домен­

ных стенок и соседствующих областей с разными направлениями намarниченно­ сги. Рассмотрим динамику поведения системы вытянутых наноразмерных маг­ нитных частиц в рамках модельи Стоуна-Вольфарта. Обычно в магнитных носителях используются именно вытянутые зерна. В этой модели предполагает­

ся, что в отсутствие магнитного поля эллипсоидадьные зерна имеют только два

возможных устойчивых направления магнитного момента: вверх или вниз по от­ ношению к длинной оси магнитной частицы, как показало на рис. 7.8. Зависи­ мость магнитной энергии от ориентации вектора магнитного момента представ­ ляет собой симметричную потенциальную яму с двумя минимумами, разделен­ ными потенциальным барьером. Под действием тепловой флуктуации частица

может поменять ориентацию магнитного вектора в соответствии с термоактива­

-ционным уравнением Аррениуса, из которого следует, что вероятность переори­ ентации Р пропорциональна

где Е - высота энергетического барьера, отделяющего две ориентации. Частица также может с гораздо меньшей вероятностью поменять свою ориентацию по­ средством квантовомеханического туннелирования. Это может наблюдаться, ког­ да тепловая энергия knTMHOTO меньше высоты барьера. Туннелирование- чисто кввнтовомехаиический эффект, возникающий вследствие того, что решение вол­ нового уравнения этой системы дает не60льшую вероятность изменения магнит­ ного состояния с направления «вверх» на направление «вниз». Во внешнем маг­ нитном поле потенциал меняется, как показано на рис. 7.8 пунктирной линией, и при достижении полем значения, равного коэрцитивной силе, один из уровней становится неустойчиаыи.

Эта модель лает простое объяснение многим магнитным свойствам малень­ ких магнитных частиц, например форме петли гистерезиса. Однако у такой те-

7.5.Наноуглеродные феррвмагнвтияи I~

7.5.HOHoyrnepoAHbIe ферромоrнетики

как уже обсуждалось в Главе 5, для формирования и роста углеродных нанотру­ бок в процессе пиролиза необходимо присутствие частиц железа или кобальта. Показано, что в образовании сонаправленных углеродных нанотрубок при пиро­ лизе фталоцианида железа (11) (FePc) принимаюг участие две частицы железа. Маленькая частица железа служит зародышем, на котором образуется трубка, а с другого конца трубки бо'льшая частица .железа ускоряет ее рост. Сонеправлен­ ные нанотрубки получают на кварцевом стекле пиролизон РеРс в аргон-водород­ ной атмосфере.

На рис. 7.11 показано изображение частиц .железа на концах сонаправленных нанотрубок. полученное в сканирующем электронном микроскопе. На рис. 7.12 приведсны кривые намагничивания при 5 и 300 К в направлении вдоль трубок, из которого видно, что при 5 К гистерезис больше. На рис. 7.13 и 7.14 представ­ лены графики температурной зависимости коэрцитивной силы Не И отношения остаточной намагниченности М, к намагниченности насыщения Мз' Видно, ЧТО при уменьшении температуры от комнатной (300 К) до жидкого гелия (4 К) ко­ эрцитивная сила увеличивается более чем в три раза. эти частицы железа на кон­ цах сонаттравлеиных нанотрубок могут стать основой для устройств магнитной записи высокой плотности. Стенки нанотрубок могут обеспечить немагнитные разделительные элементы между наночастицами железа, функция которых со­ стоит в уменьшении магнитного взаимодействия между соседними наночастица­ ми до приемлевых значений. При слишком сильном взаимодействии между

Рис. 7.11. Изображение частиц железа (светлые точки) на концах ориентирован­ ных углеродных нанотрубок в сканирующем электронном микроскопе.

~ Глава 7. Ферромагнетизм внанаструктурах

ны, молекула С2N2(СНз}g, ИЛИ димети- ламиноэтилен, является актИВНЫМ

электронным донором, то есть легко отдает электрон другой молекуле. При рас­ творении С6О и диметиламиноэтилена в смеси бензола и толуола комплексное со­ единение С6О и С2N2(СНЗ)8 выпадает в осадок. Этот комплекс имеет соотношение компонентов 1:1 и кристаллизуется В моноклииную решетку. для этого вещества обнаружено большое увеличение магнитной восприимчивости при температуре

~о.е

~ Глава 7. Ферромагнетизмвканоструктурах

ионами, например Са, Ба, Sr, РЬ или Cd, для сохранения электронейтральности

некоторые ионы марганца изменят состояние с МПН на мв". В результате об­ разуется система со смешанной валентностью мп3+/Мп4+, в которой присутсг­

вует значительное количество подвижных носителей заряда. Обнаружено, что такая система демонстрирует очень большое магиитосопротивление. Элементар­ ная ячейка этого кристалла показана на рис. 7.19. Например, сопротивление сис­ темы Lao.67Сао.ззМпОх в постоянном поле 6 Т изменяется более, чем в тысячу раз. На рис. 7.20 показава зависимость удельного сопротивления тонкой плен­ ки этого материала от приложеиного постоянного магнитного поля. Темпера­

турная зависимость удельного сопротивления при температурах ниже точки

Кюри также демонстрирует необычное поведение, показанное на рис. 7.21. хо­ тя влияние наноструктурирования на такие материалы еще не изучено подроб­ но, ожидается его ярко выраженное действие на величину эффекта магнитосо­

противления.

7.7. ФерромагнитныеЖИДКОСТИ

Ферромагнитныежидкости- ЭТО коллоиды, обычно состоящие из IO-нанометро­

вых магнитных частиц, покрытых поверхностно-активным веществом для пре­

дотвращения их агрегации и взвешенных в керосине или трансформаторном мас­ ле. Наночастицы представляют собой однодоменные магниты, ориентация маг­ нитных моментов которых в отсутствии магнитного поля случайна в каждый момент времени, так что полная намагниченность ЖИДКОСТИ равна нулю. При на-

ложении магнитного поля моменты отдельных частиц выстраиваются по направ­ лению поля, и ЖИДКОСТЬ намагничивается. Обычно в таких жидкостях использу­ ются частицы магнетита FеЗО4. На рис. 7.22 покаэана кривая намагничивания феррожидкости с б-иаиометровыми частицами магнетита, гистерезис которой практически отсугствует. Таким образом, ферромагнитные жидкости - суперпа­ рамагнитные магиитомягкие материалы. Интересно, что суспензии магнитных

частиц в жидкостях использовалисъ в магнитных вакуумных затворах начиная

с 1940-х годов, но бралисъ частицы бо'лъших, микронных, размеров. Помещение такой суспензии в постоянное магнитное поле приводит к ее загущению до твер­

дого состояния, так что в намагниченном состоянии этот материал жидкостью не

является. Ненометровый масштаб размеров частиц является необходимым усло­ вием для существования ферромагнитной жидкости. эти жидкости обладают массой интересных свойств, таких как зависимость от магнитного поля анизот­ ропии оптических свойств.

Аналогичные свойства наблюдаются у жидких кристаллов, состоящих из ДЛинных молекул, обладающих электрическим дипольным моментом, на ори­ ентацию которых в жидкой фазе можно влиять с помощью электрического по­ ля. Управляемое электрическим полем двулучепреломление жидких кристал­ лов широко используется в оптических устройствах, например жидкокристал­ лических дисплеях наручных часов или персносных компьютеров. Это подсказывает потенциальные применения ферромагнитных жидкостей на ос­ нове их двулучепреломдения, зависящего от магнитного поля. Для наблюдения