Реферат: Магнитные наносистемы
где к – число контактирующих с кластером соседей.
Изменение свободной энергии Гиббса на стадии спекания составляет:
(4)
Для примера на рис.1 представлена зависимость для
. Первый минимум в точке
соответствует исходному состоянию маточной среды. Второй минимум в точке
отвечает первому устойчивому состоянию – равновесному состоянию образовавшихся, но не контактирующих кластеров. Третий минимум соответствует системе кластеров имеющих к контактирующих соседних частиц, подвергаемых спеканию при условии
. Соответственно первый максимум при
представляет
собой потенциальный барьер нуклеации, второй - потенциальный барьер стадии спекания.
Рис.(2) демонстрирует вид потенциального барьера процесса спекания для к =6 и различных значений . В плотно заселенной кластерами системе, при
, спекание
происходит без барьера. В менее плотно заселенной системе, при , процесс перехода к спеканию осуществляется через потенциальный барьер, а в еще менее плотно заселенной системе, при
, спекание вообще не происходит.
На кривых дифференциального термического анализа и дифференциальной термической гравиметрии для процесса термического разложения оксалата железа на воздухе обнаруживаются два минимума: при
и при
. При
выделяются
,
,
и начинает формироваться подвижная среда, в которой зарождаются и растут кластеры оксида железа. Второй минимум при
, по-видимому связан с дальнейшим удалением из оксалата
и
, и началом спекания кластеров оксида железа.
Размер кластеров увеличивается с повышением от
до
. Его оценивали по величине удельной поверхности (по методу БЭТ), а также из данных рентгеноструктурного анализа атомно-силовой микроскопии и мессбауэровской спектроскопии.
Согласно зависимости на рис. (1), докритическая область размеров соответствует стадии флуктуационного зарождения кластеров. В области
укрупнение кластеров сопровождается уменьшением свободной энергии, процесс протекает спонтанно и заканчивается образованием устойчивых кластеров размером
, объединенных в систему слабовзаимодействующих неконтактирующих кластеров (система 1).
При дальнейшем повышении температуры создаются условия для массового образования контактов между кластерами (
) и начала спекания, в результате которого образуется система сильно взаимодействующих (спекшихся) кластеров размером
(система 2). Значения
и
определяются условиями синтеза. Поэтому результат твердотельной топохимической реакции зависит от рабочей температуры продолжительности спекания и предыстории образца.
4.2 Магнитные свойства наносистемы оксидов железа
Изменение межкластерного взаимодействия от "слабого" к "сильному" приводит к изменению магнитных свойств наносистемы. Эти изменения исследовались методом мессбауэровской спектроскопии. Для системы 1 (изолированные кластеры) характерно явление суперпарамагнетизма, проявляющегося в виде тепловых флуктуаций магнитного момента кластера как целого, что приводит к размыванию магнитной сверхтонкой структуры спектра (рис. 3а,б). С момента образования системы 2 (взаимодействующие кластеры) появляется достаточно четко выраженная магнитная сверхтонкая структура с узким центральным парамагнитным дублетом (рис. 3в, г). Такой же эффект наблюдался ранее для нанокластеров ферригидрита, изолированных в порах полисорба, а также в кластерах и
и в ядре железосодержащих белков ферритина и гемосидерина. Наблюдавшийся спектр мы объясняем как результат наличия в системе нанокластеров магнитного фазового перехода первого рода, при котором намагниченность или магнитный порядок изменяются скачком. Скачкообразный переход может наблюдаться при изменении температуры в некоторой критической точке
, а также при изменении размера кластера, когда осуществляется переход через критическое значение радиуса
. Скачкообразные переходы в наносистеме, обусловленные сильным межкластерным взаимодействием, давлением и деформацией, наиболее полно наблюдаются для системы 2, состоящей из крупных, спекшихся кластеров (20-50 нм)
и
. Отметим, что по данным рентгеноструктурного анализа
обладает ромбоэдрической структурой, характерной для корунда, а
- кубической структурой шпинели.
Мессбауэровские спектры наносистемы и
(рис. 4) свидетельствуют о наличии в ней скачкообразных магнитных переходов между магнитоупорядоченным состоянием с характерной сверхтонкой структурой и парамагнитным состоянием, к которому отнесен центральный дублет.
Эти магнитные переходы происходят при температурах , которые ниже критических температур
, характерных для массивных образцов
и
(856 и 965 К соответственно). Понижение критической температуры
(по сравнению с
) не может быть следствием суперпарамагнетизма из-за больших размеров кластеров, составляющих систему. Расчет времени релаксации по формуле, используемой для описания релаксации в суперпарамагнитных системах
где ; К - константа магнитной анизотропии кластера; V – объем кластера, дает значения на несколько порядков большие времени измерения, равному
. В результате магнитная индукция исчезает скачкообразно, что обусловлено трансформацией магнитной сверхтонкой структуры
в парамагнитный дублет (рис. 5а).
Наличие в наносистеме и
фазового перехода первого рода связано с "сильным" межкластерным взаимодействием. При спекании кластеров кардинально меняется кривизна их поверхности, которая, как показали оценки, определяет возможность существования скачкообразного магнитного перехода [2].
Кроме магнитного фазового перехода первого рода в этой системе наблюдаются еще два фазовых перехода: слабый ферромагнетик – антиферромагнетик и коллективный магнитный фазовый переход с образованием двойниковых наноструктур. Слабый ферромагнетизм (неколлинеарный антиферромагнетизм) возникает при повышении температуры, как следствие нестабильности скомпенсированного антиферромагнетизма. Для массивного образца существует магнитный фазовый переход при
, известный как переход Морина, когда в структуре скачком изменяется тип магнитного упорядочения. При
имеет место коллинеарный антиферромагнетизм, а при
- неколлинеарный антиферромагнетизм (слабый ферромагнетизм). Этот переход сопровождается поворотом спинов на
.
В мессбауэровских спектрах фазовый переход "коллинеарность – неколлинеарность магнитных моментов" с поворотом направления спинов относительно направления градиента кристаллического поля определяется по изменению знака и величины квадрупольного расщепления спектра , обладающего магнитной сверхтонкой структурой. Так, для массивного образца
высокотемпературной фазе соответствует
мм/с, а низкотемпературной
мм/с. Особенности этого фазового перехода в наносистеме
и
прослеживаются из рис. 5б. Низкотемпературная фаза
(
мм/с), обладающая при
коллинеарным антиферромагнетизмом, при
переходит в состояние неколлинеарного антиферромагнетизма с
мм/с (высокотемпературная фаза). Таким образом температура перехода Морина наносистемы по сравнению с поведением массивного материала понижается до 120 К , причем высокотемпературная фаза имеет меньшее значение
, чем характерное для массивного материала. С уменьшением размера кластера обменная энергия уменьшается (понижается
) и вероятность существования неколлинеарного антиферромагнетизма возрастает.<