Библиографическое описание:

Петенко О. С. Синтез магнитных наночастиц на поверхность диэлектриков // Молодой ученый. — 2013. — №1. — С. 3-6.

Быстрое развитие информационных технологий в последнее время требует создания новых устройств со сверхвысокой плотностью записи информации [1, 2, 3, 4]. Наиболее перспективными на сегодняшний день являются магнитные устройства хранения информации, среди которых особое место занимают наноразмерные структуры [5-9]. Особый интерес вызывает создание анизотропных магнитных наночастиц, заключенных в химически инертную матрицу [10].

Существуют различные методы формирования пористых материалов: золь-гель технология [11], электрохимическое анодирование [6, 12, 13,], применение современных устройств, таких как остросфокусироавннй ионный пучок (FIB) [4, 12] или метод резерфордовского обратного рассеяния (РОР) ионов гелия [3].

В основе идеи применения пористого анодного оксида алюминия (ПАОА) в качестве маски лежит использование локализации электрохимического процесса осаждения в донной части поры (рисунок 1).

Врезка1

Электролит для осаждения обычно состоит из кислоты H3BO3 с добавлением сульфата никеля, олова, кобальта или меди. Под действием электрического тока, частички металла размещаются на дне анодированных пор, поры затем уплотняются. ph раствора колеблется между 1 и 5,5 (зависит от ионов металла), плотность тока между 0,1 и 0,5А/дм2 и напряжение от 5 до 20 В. Температура от 15 до 350С.

Магнитные свойства анизотропных структур.

К основным параметрам анизотропных структур относят коэрцитивную силу Hc , форму петли гистерезиса, намагниченность насыщения и остаточную намагниченность.

Величина коэрцитивной силы определяется механизмом перемагничивания и является структурно-чувствительной характеристикой материала. На Hc влияют суммарная удельная поверхность зерен, остаточные механические напряжения, дефектность материала. Изменение форм-факторов магнитных частиц влияют на коэрцитивную силу и на форму петли гистерезиса. Намагниченность насыщения не зависит от размерного фактора [14].

Большая магнитокристаллическая анизотропия наблюдается лишь у соединений с гексагональной или тетрагональной кристаллической структурой (что характерно для кобальта); поэтому из числа возможных материалов для постоянных магнитов исключаются все интерметаллические соединения с кубической структурой [15].

Рост нитевидных частиц в каналах пористого оксида алюминия

Авторы [16] подробно изучали морфологию нанокомпозитов Al2O3_M (где М = Co, Ni) (рисунок 2). На микрофотографии поперечного скола образца (рисунок 2а) отчетливо видно, что фронт роста нитевид-ных наночастиц в пористой матрице оказывается ровным по всей поверхности пленки. Более светлая область на фотографии соответствует части пленки, заполненной металлическими наночастицами.

а б в

Рис. 2 ­ Поперечный скол пленки Al2O3, содержащей Co наночастицы (а), кривые перемагничивания для нанокомпозитов AL2O3_Ni (б) и AL2O3_Co (в) в зависимости от направления внешнего магнитного поля

На рисунке 2. представлены кривые перемагничивания для нанокомпозитов Al2O3 Ni (б) и Al2O3_Co (в) в зависимости от направления внешнего магнитного поля.

Анализ кривых магнитного гистерезиса для никельсодержащих образцов показывает, что при параллельной ориентации длинной оси частиц и внешнего магнитного поля петля магнитного гистерезиса оказывается прямоугольной. Прямоугольность петли достигает 89%. Напротив, при перпендикулярной ориентации кривая перемагничивания значительно растягивается (рисунок 2 б). Во втором случае намагниченность насыщения достигается при гораздо бóльших внешних полях (300-400 мТ), что хорошо согласуется с теоретически рассчитанным значением 2πMs = 305 мТ. Коэрцитивная сила (Hc) никелевых наночастиц в направлении, параллельном длинной оси нанонитей, составляет 105 мТ, в то время как в перпендикулярной ориентации Hc равна лишь ~50 мТ. Эти наблюдения хорошо согласуются с теоретическими моделями перемагничивания анизотропных наночастиц. Нанокомпозит, содержащий кобальт в качестве материала внедрения, показывает меньшую анизотропию магнитных свойств. Величина коэрцитивной силы практически не зависит от ориентации образца в магнитном поле (рисунок 2, в). Коэрцитивная сила в направлении, параллельном длинной оси нанонитей, оказывается даже чуть меньше, чем в перпендикулярной ориентации) [15].

Электрохимические методы формирования квантовых точек и перколяционного кластера магнитных материалов

Суть процесса осаждения состоит в восстановлении на поверхности приводящего электрода ионов металлов, растворенных в проводящем растворе.

Типичный вид зависимости тока от времени при потенциостатическом электроосаждении наночастиц металла в матрицу пористого Al2O3 представлен на рисунке 3. Следует отметить 4 участка на кривой ток-время, соответствующие 4-м последовательным этапам роста нитевидных частиц. На первом участке, соответствующем зародышеобразованию, кривая I(t) имеет максимум. При катодной интеркаляции (электрохимическом внедрении в постоянную кристаллическую решетку) происходит образование новой фазы. Когда образуется новая фаза, отличная от материала твердого электрода, то оказывается, что при очень низких перенапряжениях, такие процессы не могут начаться. Это связано с тем, что образование новой фазы начинается с формирования ее зародышей.

Рис. 3 ­ Зависимость тока от времени при потенциостатическом осаждении Cu

в матрицу Al2O3

На втором этапе происходит рост нитевидных наночастиц в порах Al2O3, причем, по мере приближения ростового фронта металл/электролит к наружной поверхности пленки наблюдается медленное увеличение плотности тока, что соответствует увеличению скорости роста наночастиц. Резкое увеличение тока на третьем участке связано с выходом отдельных частиц на поверхность, сопровождающимся увеличением площади поверхности металлической фазы (рисунок. 4.). При каком-то критическом значении происходит перколяционный переход, являющийся геометрическим аналогом перехода металл-изолятор.

Интерес вызывает активизация каталитического роста осаждаемого материала на «бороздах» алюминиевой поверхности. Принцип формирования наночастиц похож на тот, что описан выше. Отличие заключается в том, что «борозды» (искусственный рельеф) металличекой подложки в этом случаем можно формировать произвольной формы и размеров. Этот прием позволяет управлять ростом квантовых точек, а также синтезировать сложные структуры.

Рис. 4 ­ Электрохимическое осаждение Co на алюминиевую фольгу

Что и наблюдается на рисунке 6, где представлены результаты осаждения кобальта на алюминиевую фольгу с ярко выраженными линиями прокатки. При дальнейшем осаждении идет образование кластеров, которые затем срастаются в фракталы и начинает работать теория перколяции.


Литература:

  1. Леньшин А.С., Мараева Е.В. Исследование удельной поверхности перспективных пористых материалов и наноструктур методом тепловой десорбции азота // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ», СПб, изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011 – N6 - с.9-16

  2. Шемухин А.А., Балакшин Ю.В., Черныш В.С. и др. Формирование ультратонких слоев кремния на сапфире // Письма в ЖТФ, т. 38, вып. 19, стр. 83-89, 2012

  3. Шемухин А.А., Балакшин Ю.В., Черных П.Н., Черныш В.С. Спектроскопия рассеяния ионов средних энергий: изучение аморфизации германия под действием ионного облучения // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, №4, стр. 30-35, 2013

  4. Канагеева Ю.М., Савенко А.Ю., Лучинин В.В. и др. Изучение структурно-морфологических особенностей макропористого кремния при препарировании образцов остросфокусированным ионным пучком // Петербургский журнал электроники.-2007.- №1.- С. 30-34.

  5. Афанасьев А.В., Ильин В.А., Мошников В.А., Соколова Е.Н., Спивак Ю.М. Синтез нано- и микропористых структур электрохимическими методами / Биотехносфера, №1-2(13-14), 2011г., С.20-26.

  6. Спивак Ю.М., Соколова Е.Н., Петенко О.С., Травкин П.Г. Определение параметров пористой структуры в por-Si и por-Al2O3 путем компьютерной обработки данных растровой и атомно-силовой микроскопии // Молодой ученый, 2012, №5, С. 1-4.

  7. Грачева И.Е., Карпова С.С., Мошников В.А., Пщелко Н.С. Сетчатые иерархические пористые структуры с электроадгезионными контактами // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2010. № 8. С. 27-32.

  8. Gracheva I.E., Moshnikov V.A., Karpova S.S., Maraeva E.V. Net-like structured materials for gas sensors // Journal of Physics: Conference Series. 2011. V. 291. № 1. P. 012017.

  9. Мошников В.A., Грачева И.Е., Aньчков М.Г. Исследование наноматериалов с иерархической структурой, полученных золь-гель методом // Физика и химия стекла. 2011. Т. 37. № 5. С. 672-684.

  10. Мошников В.А, Соколова Е.Н., Спивак Ю.М. Формирование и анализ структур на основе пористого оксида алюминия / Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011, вып. 2, С. 13-19.

  11. I. E. Gracheva, V. A. Moshnikov, E. V. Maraeva, et. al. Nanostructured materials obtained under conditions of hierarchical self-assembly and modified by derivative forms of fullerenes // Journal of Non-Crystalline Solids. – 2012. – V. 358. – P. 433-439. и

  12. Муратова Е. Н. Формирование пористых слоев на основе оксида алюминия для целей микробиологии / Молодой ученый, 2012. №10. С. 14-17.

  13. Леньшин А.С., Кашкаров В.М., Спивак Ю.М.и др. Исследование электронного строения и фазового состава пористого кремния // Физика и химия стекла. 2012. Т. 38. № 3. С. 383-392.

  14. Кример Б.И. «Лабораторный практикум по металлографии и физическим свойствам металлов и сплавов» Текст. / Б. И. Кример, Е. В. Панченко, Л. А. Шишко М.: Металлургия 1966. С. 248 .

  15. А.Б.Альтман, Э.В.Верниковский, А.Н.Герберт и др. / Под ред. Ю.М.Пятина Постоянные магниты: Справочник . – М.: Энергия, 1980. С. 488.

  16. И.В. Росляков, К.С. Напольский, А.А. Елисеев, А.В. Лукашин, Д.Ю. Чернышов, С.В. Григорьев. Синтез магнитных наночастиц с контролируемой анизотропией функциональных свойств в матрице из пористого оксида алюминия // Статьи российские нанотехнологии. том 4. № 3 – 8642009. - С. 82-86.

Основные термины: Синтез магнитных наночастиц, оксида алюминия, пористого оксида алюминия, Спивак Ю.М, анизотропных магнитных наночастиц, Соколова Е.Н, Известия СПбГЭТУ, параллельном длинной оси, перпендикулярной ориентации, Мошников В.А, форму петли гистерезиса, длинной оси нанонитей, Молодой ученый, фрактальных агрегатах кремнезема, Величина коэрцитивной силы, перемагничивания анизотропных наночастиц, внешнего магнитного поля, роста нитевид-ных наночастиц, образование новой фазы, потенциостатическом электроосаждении наночастиц

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle