Новые магнитные материалы и технологии: эксперимент и теория

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время магнитные материалы и магнитные технологии широко используются в самых различных областях науки и техники. Вместе с тем с каждым годом открывают и исследуют новые магнитные материалы и структуры, которые входят в нашу жизнь (см., напр., монографию [1] и ссылки в ней).

В последние годы были открыты магнитные наноструктуры – металлические сверхрешетки, спиновые клапаны и магнитные туннельные наногетероструктуры [2–4], в которых был открыт эффект гигантского магнитосопротивления и которые находят свое применение в элементах магнитной памяти и спинтронике.

Необычными магнитными свойствами обладают сверхмелкозернистые или нанокристаллические объемные магнетики [5]. Это же относится и к магнитным наночастицам, их ансамблям и нанопроволокам [6, 7].

В ряде манганитов лантана наблюдается эффект колоссального магнитосопротивления [8, 9]. Они считаются весьма перспективными материалами для устройств спинтроники так же, как и магнитные полупроводники [9, 10], т.е. материалы, сочетающие в себе магнитные свойства магнетика и электронные транспортные характеристики полупроводника.

К магнитным материалам можно отнести и мультиферроики (или сегнетомагнетики), т.е. материалы, в которых могут одновременно существовать как магнитное, так и сегнетоэлектрическое упорядочение (см., напр., обзор [11]). В таких материалах сосуществуют спонтанная намагниченность и магнитострикция с одной стороны, и спонтанная поляризация и пьезоэлектрический эффект – с другой. Как результат, мультиферроики проявляют свойства, связанные с взаимодействием электрической и магнитной подсистем. В качестве примера можно назвать магнитоэлектрический эффект, когда с помощью магнитного поля можно индуцировать электрическую поляризацию, а с помощью электрического поля – намагниченность.

Еще одним из важных направлений исследования в физике магнитных явлений последних лет является низкоразмерный магнетизм [12], который может возникать в материалах, где носители магнитного момента, между которыми возникает обменное взаимодействие, объединяются в кластеры, цепочки, лестницы или слои. Теоретические и экспериментальные исследования в области низкоразмерного магнетизма представляются весьма важными как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения, и могут найти свое практическое применение в области спинтроники и квантовых вычислений.

В настоящее время ведется поиск и изучение новых топологических материалов, которые обладают необычными свойствами как в объеме, так и на их поверхности. Среди них можно выделить топологические полуметаллы [13]. В частности, вейлевские полуметаллы характеризуются наличием в объеме уникальных квазичастиц – вейлевских фермионов, которые обладают высокой подвижностью и защищены топологически. В то же время их поверхностные состояния в виде дуг Ферми поляризованы по спину. Поэтому исследование вейлевских полуметаллов представляет большой интерес не только с точки зрения фундаментальной науки, но и благодаря большому потенциалу использования таких материалов в различных приложениях сверхбыстрой электроники и спинтроники.

Особое место среди магнитных материалов занимают соединения Гейслера [14]. В них наблюдаются самые разнообразные явления [15–19]: магнитокалорический эффект и эффект памяти формы, состояния полуметаллического ферромагнетика, спинового бесщелевого полупроводника, топологического полуметалла и многие другие необычные феномены, которые могут быть использованы и частично уже используются в технологии магнитного охлаждения, спинтронике, микро- и наноэлектронике.

Выше перечислена лишь малая часть функциональных магнитных материалов и структур, в которых возникают самые разнообразные эффекты и явления, которые могут быть внедрены или уже используются в нашей повседневной жизни.

Данный выпуск журнала посвящен сообщениям ряда ведущих российских научных групп, занимающихся теоретическими и экспериментальными исследованиями в области магнетизма и магнитных материалов. Представлены работы, связанные с синтезом и изучением физических свойств, прежде всего магнитных характеристик, а также с теоретическими расчетами новых магнитных материалов и структур.

МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ, ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И СТРУКТУРА

Авторы работы [20] изучали структуру и магнитные свойства наночастиц оксидов железа, полученных методом электрического взрыва проволоки (ЭВП), как в исходном состоянии, так и после размола в шаровой мельнице в течение различного времени (1 и 7 ч.). Продемонстрировано, что после обработки в шаровой мельнице средний размер наночастиц и их фазовый состав (70% Fe₃O₄ и 30% Fe₂O₃) сохраняются, а механическая обработка способствует увеличению уровня внутренних напряжений такого материала. Показано, что в наночастицах железа наблюдается фазовый переход Вервея, сопровождающийся изменением поведения спонтанной намагниченности. Авторы заключают, что анализ структурных данных и перехода Вервея открывает дополнительные возможности для изучения и понимания физической природы и свойств ЭВП ансамблей наночастиц, находящихся в различных состояниях. Полученные результаты могут быть использованы для разработки материалов, представляющих практический интерес для различных биоприложений.

Методами рентгеновской дифракции, ферромагнитного резонанса и магнитометрии в работе [21] исследованы углеродосодержащие покрытия 3d-металлов (Ni, Co, Fe), полученные с помощью химического осаждения с использованием арабиногалактана. В результате исследований показано, что в решетке синтезированных металлических покрытий нет значимого количества углерода. Магнитные измерения позволили получить количественные данные об эффективной намагниченности покрытий, величина которой ниже значений намагниченности для чистых железа, кобальта и никеля, что можно объяснить неоднородностями структуры покрытий. Сделаны оценки величины намагниченности и поля перпендикулярной анизотропии, а также продемонстрирована роль текстуры в формировании магнитных характеристик.

В работе [22] были получены массивы нанопроволок никеля, синтезированных в тонкопленочном слое оксида алюминия с помощью методики электролитического осаждения, используя два режима: постоянного тока и переменного. Затем изучали морфологию и магнитные свойства синтезированных нанопроволок. Было установлено, что все полученные образцы являются поликристаллическими и имеют дендритную морфологию, связанную с морфологическими особенностями матрицы оксида алюминия. При этом отдельные кристаллиты имеют ГЦК-решетку, а их размер зависит от режима осаждения – больший размер в случае режима постоянного тока, что приводит к различиям в их магнитных свойствах. Массивы нанопроволок Ni, синтезированные в режиме переменного тока, обладают выраженной одноосной магнитной анизотропией с осью лёгкого намагничивания параллельной оси нанопроволок, а в случае режима постоянного тока анизотропия менее выражена.

Взаимосвязь дисперсности порошка и магнитных свойств никельцинкового феррита Ni_0.7Zn_0.3Fe₂O₄ изучена в работе [23]. Дисперсность материала изменяли в шаровой мельнице, варьируя режимы его сухого измельчения. Показано, что существует определенная взаимосвязь между намагниченностью насыщения и коэрцитивной силой с одной стороны, и режимами измельчения и удельной площадью поверхности порошка с другой. Установлены особенности магнитного фазового перехода вблизи температуры Кюри у порошков Ni_0.7Zn_0.3Fe₂O₄ с различной степенью дисперсности.

При изучении структуры, электросопротивления и намагниченности литийцинкового феррита Li_0.4Fe_2.4Zn_0.2O₄ с добавлением Bi₂O₃ в количестве 1 и 2 вес. % было показано [24], что увеличение концентрации оксида висмута приводит к росту ферритового зерна, повышению плотности материала, а также снижению его пористости. Полученные данные могут быть использованы при разработке новых материалов для различных высокочастотных электронных устройств (радиопоглотители, циркуляторы, фазовращатели и т.п.).

Авторы работы [25] изучали роль межчастичных взаимодействий в ансамблях ультрамалых наночастиц в суперпарамагнитной релаксации, используя в качестве примера такого ансамбля наночастицы оксигидроксида железа Fe₂O₃∙nH₂O (ферригидрита). Измеряли dc- и ac-магнитную восприимчивость на двух типах ферригидрита: 1) биогенного происхождения со средним размером наночастиц около 2.7 нм, окруженных естественной органической оболочкой и 2) материал со средним размером частиц порядка 3.5 нм, органическая оболочка которых была частично удалена в процессе низкотемпературного отжига. Измерения восприимчивости проводили в малом магнитном поле в области суперпарамагнитной (СПМ) блокировки наночастиц. Установлено, что температура СПМ-блокировки возрастает от 28 K до 52 K из-за роста межчастичных взаимодействий. При этом при температурах ниже температуры СПМ- блокировки возникают коллективные состояния по аналогии со спиновым стеклом в объёмных материалах. Показано, что наблюдается две стадии диссипации магнитной энергии. Одна из них обусловлена блокировкой магнитного момента наночастиц, а вторая – спин-стекольным поведением поверхностных спинов. Полученные данные могут оказаться полезными для практических приложений в области биомедицины.

В работе [26] изучали кристаллическую структуру, магнитные, магнитокалорические и магнитострикционные свойства поликристаллических твердых растворов TbIn_xCo_2-x (х = 0 – 0.2). Согласно рентгеноструктурному анализу, во всех образцах преимущественной является кубическая фаза Лавеса C15. Экспериментально установлено, что при увеличении содержания индия параметр решетки ведет себя немонотонным образом – возрастает с увеличением индия до x = 0.1, а затем уменьшается. При этом температура Кюри T_C монотонно возрастает от 231 K при x = 0 до 245 K при x = 0.2. Изотермическое изменение энтропии ΔS_mag, рассчитанное из термодинамического соотношения Максвелла, имеет максимальные значения вблизи температуры Кюри. Показано, что при изменении внешнего поля от 0 до 1.8 Тл максимальное изменение магнитной энтропии монотонно уменьшается с ростом x и составляет 2.9 и 1.8 Дж/Кг∙К для TbCo₂ и TbIn_0.2Co_1.8, соответственно. Величина объемной магнитострикции увеличивается с ростом содержания индия до x = 0.05, а затем ее пиковые значения снижаются и смещаются в область более высоких температур.

Авторы работы [27] изучали магнитные фазовые переходы в сплавах La_1-xY_xMn₂Si₂ (x = 0–1), используя метод дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК). При изменении х от 0 до 0.3 вблизи температуры 300 К были обнаружены l-образные эндотермические пики на температурной зависимости сигнала ДСК, которые можно связать с магнитным фазовым переходом из ферромагнитной в слоистую антиферромагнитную структуру. Кроме того, наблюдаются слабые аномалии в интервале от 458 К (х = 0) до 323 К (х = 0.3), обусловленные разупорядочением слоистой антиферромагнитной структуры. В соединении YMn₂Si₂ обнаружен резкий эндотермический пик, соответствующий разупорядочению межплоскостной антиферромагнитной слоистой структуры. Используя полученные данные, была построена магнитная фазовая диаграмма системы La_1-xY_xMn₂Si₂ в интервале температур 270–600 К. Продемонстрировано, что метод дифференциальной сканирующей калориметрии можно использовать для определения температур различных магнитных фазовых переходов в редкоземельных интерметаллидах.

В работе [28] экспериментально исследовали эффект Холла в монокристаллах топологических полуметаллов WTe₂ и MoTe₂. Обнаружено, что в случае монокристаллов WTe₂ при температурах ниже 100 К сопротивление Холла нелинейно возрастает с ростом магнитного поля. При этом в случае кристаллов MoTe₂ холловское сопротивление линейно по полю в интервале температур от 2 до 25 К, а при температуре 50 К возникает нелинейный вклад. Высказано предположение, что нелинейная полевая зависимость сопротивления Холла монокристаллов WTe₂ и MoTe₂ может быть связана с процессами рассеяния электронов проводимости на поверхности образца. Вместе с уже известным механизмом компенсации/ раскомпенсации электронных и дырочных носителей заряда, как причины нелинейной полевой зависимости, такое объяснение дополняет и расширяет существующие представления об особенностях электронного транспорта в топологических полуметаллах.

В работе [29] теоретически изучены спектры спиновых волн в двухслойной структуре железо-иттриевого граната (ЖИГ), в которой намагниченность насыщения слоев различна. Показано, что в зависимости от типа структуры и ширины центрального волновода могут возникать различные режимы распространения спиновых волн (взаимный, невзаимный, одноволновой). Используя метод микромагнитного моделирования, удалось классифицировать спектры спиновых волн и выделить классы спиновых мод: направляемые, вытекающие и краевые. Продемонстрировано, что в системе планарных магнитных гребенчатых микроволноводов LS-типа с периодическими граничными условиями при ширине центрального волновода возникают две несмежные частотные области, в которых существуют направляемые моды центрального волновода. В системе планарных магнитных гребенчатых микроволноводов HS-типа в независимости от ширины центрального волновода, имеются две смежных частотных области: высокочастотная, когда возникает режим с вытекающими модами структуры, и низкочастотная, при которой реализуется режим с направляемыми модами центрального волновода. В области сильно неоднородных магнитных полей в обеих системах могут существовать моды краевых волн, обладающие взаимным характером распространения. Полученные результаты могут быть использованы при изучении волновых процессов в сложных магнитных структурах и найти свое применение в устройствах магноники и спинтроники.

Особые точки спектра излучения поверхностных магнитных поляронов теоретически изучены в работе [30], где в бездиссипативном подходе, на примере магнитного слоя, разделяющего две полуограниченные идеальные жидкости, показано следующее. В спектре фононного излучения вытекающих поверхностных магнонных поляронов “темного” состояния (интерференционного или симметрийно защищенного типа) на границе раздела с акустически менее плотной средой могут независимо обращаться в ноль как числитель, так и знаменатель входного волнового импеданса. При этом в самой точке существования связанного состояния в континууме они обращаются в ноль одновременно. Расчет в рамках модели двухподрешеточного антиферромагнетика, которая учитывает магнитоупругое неоднородное обменное и сверхтонкое взаимодействия, показал, что возможно существование таких интервалов продольных волновых чисел, при которых механизмы формирования связанных состояний в спектре фононного излучения вытекающих магнонных поляронов с участием квазиэлектронных или квазиядерных магнонов принципиально отличаются, т.е. могут быть эластодинамичеcкого или эластостатического типа.

В работе [31] теоретически изучено переключение намагниченности в пленке феррит-граната гадолиния при размагничивании фемтосекундным лазерным импульсом. Показано, что наиболее эффективно переключение происходит вблизи температуры компенсации в области сосуществования двух неколлинеарных фаз. Были определены диапазоны размагничивающих факторов для более эффективного переключения вблизи компенсации и построены траектории переключения намагниченности. Полученные в работе результаты могут быть использованы для изучения процессов переключения при размагничивании пленок ферритов, как с помощью лазерного импульса, так и электрическим током.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в данном коротком обзоре представлены результаты последних экспериментальных и теоретических работ российских исследователей, работающих в области магнетизма и магнитных материалов. Эти работы, как мы считаем, могут внести определенный вклад в развитие физики магнитных явлений, магнитных материалов и технологий.

Работа подготовлена при поддержке Минобрнауки РФ в рамках государственных заданий FUMM-2022-0003 (тема “Спин” Г.р. № 122021000036-3).

Авторы данной работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

Об авторах

А. А. Гаврилюк

Иркутский государственный университет

Email: march@imp.uran.ru
Россия, Иркутск

А. В. Семиров

Иркутский государственный университет

Email: march@imp.uran.ru
Россия, Иркутск

В. В. Марченков

Институт физики металлов им. М.Н. Михеева

Автор, ответственный за переписку.
Email: march@imp.uran.ru
Россия, Екатеринбург

Список литературы

Дополнительные файлы