Магнетизм мікро- і наночастинок

Визначення і загальна характеристика

МАГНЕТИ́ЗМ МІКРО- І НАНОЧАСТИ́НОК Магнітні мікрочастинки (МЧ) та наночастинки (НЧ) — обʼєк­­ти з магніто­впорядков. матеріалів (феромагнетики, рідше — антиферомагнетики). Їхні роз­міри від­повід­но 0,1–100 мкм та 1–100 нм. З МЧ і НЧ окремо виділяють: магнітні наноточки — штучні обʼєкти регуляр. форми (циліндри, диски, призми тощо), виготовлені на певній під­кладці; магнітні наностовпчики — наноточки з великим від­ноше­н­ням висоти до планар. роз­мірів; магнітні нанодроти — довгі обʼєкти за­звичай круглого пере­різу з нанорозмір. діаметром і значно більшою (на кілька порядків) довжиною. Властивості магніт. МЧ і НЧ пере­важно ви­значаються влас. параметрами магніт. матеріалу частинки й ефектами форми. На від­міну від МЧ і НЧ, властивості масив. феро- та феромагніт. зразків також часто сут­тєво залежать від їхньої мікро­структури, яка ви­значає центри закріпле­н­ня домен. стінок. Ін. сут­тєвою особливістю МЧ і НЧ є зростаюча роль на їхні властивості поверх­невих атомів. Поверх­неві атоми знаходяться в ін. умовах порівняно з атомами в обʼємі, що призводить до від­мін­ності їхніх магніт. властивостей. Зокрема, це зумовлює появу поверх­невої перпендикуляр. магніт. анізотропії в таких матеріалах, як: Fe, Ni, Co та їхніх сплавах, чи до виникне­н­ня поверх­невої взаємодії Дзялошинського–Морія в інтерфейсі феромагніт. метал–немагніт. метал з великою спін-орбітал. взаємодією (інтерфейси Fe–Pt, Fe–W, NiFe–Pt тощо).

Статичні властивості. Осн. стан (роз­поділ намагніченості M(r)) магніт. МЧ (НЧ) ви­значається конкуренцією: (і) зеєманів. енергії магніт. моменту в зовн. полі B_e: W_H = -_TM(r)ЧB_edr, яка мінімізується при спів­направленості намагніченості та магніт. поля, (іі) енергії неоднорід. обміну W_H = –(m₀l²_ex/2)_{Tі=e x,y,z}(CM_i)²dr, де μ₀ = 4п∙10^–7 Гн/м — магнітна проникність вакууму, λ_ex — обмін­на довжина феромагнетика; W_ex мінімізується при однорід. намагніченості МЧ, (ііі) енергії магніт. анізотропії, конкрет. вираз для якої залежить від типу анізотропії (одновісна, двовісна, кубічна тощо), яка сприяє направленості намагніченості вздовж певної кри­сталіч. осі чи площини, та (iv) магніто­статич. енергії (енергії роз­магнічува­н­ня) W_dip = (m₀/2)_TM(r)ЧG(r- rў)ЧM(rў)drdrў, де G — магніто­статична функція Грі­на; W_dip певною мірою залежить від форми МЧ та мінімізується при нульовому заг. магніт. моменті частинки. На статичні вла­стивості МЧ і НЧ впливає взаємодія Дзялошинського–Морія та ін. магнітні взаємодії. Конкуренція цих взаємодій призводить до великого різномані­т­тя осн. станів магніт. МЧ і НЧ. За від­сутності зовн. поля від­носно великі МЧ знаходяться у багатодомен. стані (Рис. 1а), що об­умовлено домінуючою роллю магніто­статич. взаємодії та анізотропії. При зменшен­ні роз­міру МЧ формува­н­ня доменів пере­стає бути вигідним і осн. станом МЧ стає однодомен­ний. Характерні роз­міри, за яких від­бувається цей пере­хід, залежать від матеріалу та форми МЧ і становлять бл. 100нм — 10мкм. Водночас однодомен. стан може бути як простим квазіоднорідним (Рис. 1б), так і більш складним. Напр., МЧ у формі круглого циліндра виготовлені з магніто­­мʼякого матеріалу (з практично від­сутньою анізотропією) можуть мати за осн. стан квазіоднорідний з намагніченістю в площині чи перпендикулярно їй, або вихр. стан (Рис. 2). Лише під час зменше­н­ня роз­мірів НЧ до кількох обмін. довжин λ_ex її осн. станом є однорідний (Рис. 1в) незалежно від форми НЧ (типові значе­н­ня λ_ex: Fe — 3,4 нм, пермалой Ni₈₀Fe₂₀ — 5,1 нм, залізо-іт­трієвий гранат — 16,5 нм).

Під час за­стосува­н­ня зовн. магніт. поля більшого за поле насиче­н­ня МЧ і НЧ пере­ходять в однорідно намагнічений стан із напрямом намагніченості зовн. полем. Процес пере­магнічува­н­ня від­бувається з гістерезисом — криві намагніченості M(B) під час збільше­н­ня поля до насиче­н­ня та в зворот. напрямі не спів­падають (виняток — за­стосува­н­ня поля у важкому напрямі намагніченості). Петля гістерезису при цьому є значно ширшою за петлю гістерезису масив. зразків (Рис. 3), що повʼязано з різними механізмами пере­магнічува­н­ня — шляхом руху та зли­т­тя доменів у масив. зразках і пере­магнічува­н­ня через однорід. поворот (механізм Стоунера–Вольфарта) чи неоднорідну моду в МЧ і НЧ. Окремим вартим уваги випадком є пере­магнічува­н­ня МЧ і НЧ з вихр. осн. станом. Під час за­стосува­н­ня поля в площині МЧ петля гістерезису має характерну бітрикутну форму, яка ви­значається процесами зміще­н­ня, нуклеації та анігіляції вихору. Вплив температури та супер­парамагнетизм. За від­сутності зовн. магніт. поля осн. стан магніт. МЧ і НЧ є, як мінімум, двічі виродженим, що по­­вʼязано з тим, що енергії магніт. взаємодій, окрім зеєманів. до­данку, є парними функціями намагніченості. Напр., для най­простішого випадку сферич. НЧ з одновіс. анізотроп. феромагнетику осн. станом є стан з намагніченістю паралел. до осі анізотропії, який є двократно виродженим — стани з протилеж. напрямами намагніченості мають однак. енергію. Ці стани роз­ділені енергет. барʼєром, у цьому ж най­простішому випадку він рівний ΔW = KV, де K — стала анізотропії, V — обʼєм НЧ. Коли величина барʼєру стає сумірною з енергією тепл. флуктуацій k_BT (k_B = 1,38∙10^-23 Дж/К, T — абсолютна т-ра), то виникають випадк. пере­магнічува­н­ня НЧ під дією тепл. флуктуацій. Цей стан НЧ називають суперпарамагнітним. Характер. час знаходже­н­ня НЧ у певному стані (час релаксації Неєля) рівний t = (1/f)exp[DW / k_BT], де f — характеристична частота спроб, сумірна з частотою феромагніт. резонансу (порядку 1–10 ГГц). За від­сутності зовн. магніт. поля серед. магніт. момент сукупності суперпарамагніт. НЧ, які не взаємодіють, дорівнює нулю. Крива намагнічува­н­ня сукупності суперпарамагніт. НЧ не має гістерезису і є лінійною в області малих полів (Рис. 3). Тому поведінка суперпарамагніт. НЧ у зовн. полі є схожою до поведінки парамагнетику з великою магніт. сприйнятливістю. Характерні роз­міри НЧ, за яких вони пере­ходять в суперпарамагніт. стан за кімнат. температури, складають 1–10 нм.

Надвисокочастотні властивості. Під час за­стосува­н­ня зовн. надвисокочастот. магніт. поля не паралельного до статич. намагніченості МЧ (НЧ) від­бувається збудже­н­ня коливань намагніченості у МЧ (НЧ) на певних резонанс. частотах. Спектр збуджень МЧ і НЧ складається із сукупності спін-хвильових мод, власні частоти та структура яких залежить від статич. стану МЧ, її форми, по­стій. зовн. поля та матеріал. параметрів. Осн. (найнижчою) та найбільш інтенсив. модою МЧ у квазіоднорід. стані є, за­звичай, квазіоднорідна спін-хвильова мода, яка від­повід­ає синфаз. колива­н­ням намагніченості в усій МЧ. У плоских МЧ із планар. намагніченістю осн. модою може ставати зворотна магніто­статична мода. У випадку топологічно нетривіал. стану МЧ (напр., вихр. стан чи скирміон), окрім спін-хвильових мод, зʼявляються також гіротропні моди, які від­повід­ають обертан­ню ядра вихору навколо положе­н­ня рівноваги. Частоти гіротроп. мод, за­звичай, є сут­тєво нижчими за частоти спін-хвильових мод і лежать в субгігагерц. діапазоні. Колективні властивості ан­­самблів і масивів МЧ та НЧ. У випадку, коли магнітні МЧ (НЧ) знаходяться на невеликій від­стані одна від одної, на їхні властивості починає впливати взаємодія між МЧ (НЧ). Осн. взаємодією є далекодіюча магнітодипол. взаємодія — магнітна МЧ (НЧ) створює навколо себе магнітне поле, яке діє на сусідні МЧ. У най­простішому випадку однорідно намагніченої МЧ (НЧ) це поле у на­ближен­ні точк. диполів рівне В = -m₀(m- 3e_r(mЧe_r)) / (4pr³), де e_r — одинич. вектор у напрямку між МЧ, а r — від­стань між ними. При щільному роз­ташуван­ні МЧ (НЧ) у певній матриці (з від­станями між краями МЧ порядку декількох між­атом. від­станей) можуть також проявлятися пряма та непряма обмін­ні взаємодії між МЧ (НЧ). Коли магнітні НЧ вільно рухаються у рідині (магнітна рідина), то дипол. взаємодія між МЧ призводить до утворе­н­ня ланцюжків МЧ. У масивах магніт. наноточок, зокрема й впорядкованих періодич. масивах, дипол. взаємодія призводить до: (і) залежності енергії масиву від взаєм. впорядкува­н­ня магніт. моментів наноточок і виділе­н­ня, таким чином, колектив. осн. стану масиву, та (іі) до можливості пошире­н­ня колектив. спін. хвиль у масивах. Крім того, в ансамблях НЧ побл. супермагніт. стану дипол. взаємодія змінює закони згаса­н­ня серед. магніт. моменту після вимика­н­ня поля під­магнічува­н­ня. Осн. методами виготовле­н­ня магніт. наноточок та їх масивів є електрон­но-променева й ультрафіолет. літо­графія, а також осадже­н­ня в самоорганіз. матриці пор електрохімічно травленого оксиду алюмінію. Магнітні МЧ і НЧ в обʼєм. фазі отримують методами конденсації з рідкої чи газоподіб. фаз, диспергува­н­ням тощо. Також використовують методи самоорганізації. Осн. сфери за­стосува­н­ня: у медицині та біо­технологіях — для до­ставле­н­ня речовин, зокрема ліків, у від­повід­ну ділянку за допомогою керува­н­ня рухом у неоднорід. магніт. полі; для гіпертермії та мех. руйнува­н­ня клітин зло­якіс. пухлин під дією високочастот. магніт. поля; для посиле­н­ня роз­діл. здатності магніто-резонанс. томо­графії; в мікро­електроніці та обчислюв. техніці — як елементи оператив. па­­мʼяті (MRAM); як гранульов. середовища для запису інформації на жорсткі диски; у техніці та електроніці надвисоких частот — як штучні матеріали з керов. параметрами на основі ґраток і масивів магніт. наноточок; НЧ у полімер. матрицях; у магнітооптиці — для створе­н­ня магнітооптич. хвилеводів; у ближньопольових методах дослідж. поверх­ні для під­силе­н­ня локал. поля; у сенсориці — для створе­н­ня сенсорів по­стій. і надвисокочастот. магніт. поля. В Україні чимало науковців ви­вчають властивості магніт. НЧ для за­стосува­н­ня у медицині та біо­технології (Ін­ститут магнетизму НАНУ, Ін­ститут металофізики НАНУ, Нац. ін­ститут раку, Нац. мед. університет у Києві, Нац. тех. університет України «Київ. політех. ін­ститут», Харків. мед. університет та ін.). Проводять теор. та екс­перим. дослідж. статич. і високочастот. властивостей магніт. нано­елементів та їхніх масивів (Ін­ститут магнетизму НАНУ, Ін­ститут теор. фізики НАНУ в Києві, Ін­ститут радіофізики та електроніки НАНУ у Харкові, Київ. університет, Нац. тех. університет України «Київ. політех. ін­ститут», Донец. університет). Також ви­вчають властивості супермагніт. НЧ та їхніх сукупностей, які взаємодіють, зокрема вплив взаємодії на процеси роз­магнічува­н­ня, Ін­ститут фізики НАНУ у Києві, Сум. університет.

Літ.: Advanced Mag­­netic Nanostructu­­res. New York, 2006; K. Y. Guslienko. Mag­­netic vortex state sta­­bility, reversal and dynamics in restricted geometries // J. Na­­nosci. Nanotechnol. 2008. Vol. 8; S. O. De­­mo­­kritov. Spin Wave Confinement. Singa­­pore, 2009; Kh. Zakeri et al. Asymmetric Spin-Wave Dispersion on Fe(110): Direct Evidence of the Dzya­­loshinskii-Moriya Inte­­raction // Phys. Rev. Lett. 2010. Vol. 104; D.-H. Kim et al. Biofunctionalized magnetic-vortex micro­­discs for targeted cancercell destruction // Nat. Mater. 2010. Vol. 9; Mag­­nonics. From Fundamentals to Applications. Berlin, 2013; Magnetism of Surfaces, In­ter­­faces and Nanoscale Materials: Handbook of Surface Science. Vol. 5. Elsevier, 2016.

Р. В. Верба

Завантажити статтю