Zarrachalarni maydalashda magnit xususiyatlarini о‘zgartirish mexanizmlari. Birinchi va ikkinchi turdagi magnit fazali о‘tish, nanostrukturalarning funksionalligi, ishlab chiqarish qobiliyati va mustahkamligi

Zarrachalarni maydalashda magnit xususiyatlarini о‘zgartirish mexanizmlari. Birinchi va ikkinchi turdagi magnit fazali о‘tish, nanostrukturalarning funksionalligi, ishlab chiqarish qobiliyati va mustahkamligi.
Nanostrukturalarning magnit xossalari. Nanostrukturalarning magnit xususiyatlari juda xilma-xil bo'lib, ommaviy materialdan farq qiladi. Asosiy hissa o'lcham effektlari, sirtning ta'siri, klasterlararo o'zaro ta'sirlar va klasterning matritsa bilan o'zaro ta'siridan iborat.
Nanoklasterlar va nanostrukturalarning magnit xususiyatlariga quyidagilar kiradi:
1. Superparamagnetizm magnit klasterlarning o'lchami 1-10 nm bo'lganda o'zini namoyon qiladi.
2. Magnit yagona domenli nanoklasterlar va 20 nm gacha bo'lgan nanostrukturalar
3. Magnit kvant tunnellash, bunda magnitlanish sakrashlarda o'zgaradi;
4. Gigant magnit qarshilik (KMQ ( katta magnit qarshilik))
5. Birinchi turdagi magnit fazali o‘tishlar: nanosistemadagi magnit tartiblanish keskin yo‘qoladi va nanosistema magnit tartiblashning superparamagnit holatini chetlab o‘tib, paramagnit holatga o‘tadi. Kyuri nuqtasi ostida.
Nanokristalli ferromagnitlar yumshoq magnit materiallardir; yuqori magnit o'tkazuvchanligiga ega. O'tkazuvchanlikni kamaytiradigan omillar anizotropiya va magnitostriktsiyadir.
Ferromagnitning don hajmini 1-10 nm qiymatlarga kamaytirish yumshoq magnit xususiyatlarning shakllanishiga yordam beradi.
Bu birinchi marta Fe_13.5 Cu₁ Nb₃ Si_13.5, B₉ metall shishasi asosida ko'rsatildi, uning kristallanish jarayonida umumiy kristal panjarali va don o'lchami taxminan 10 nm bo'lgan ultra nozik donador Fe-Si strukturasi olingan.
Qotishmadagi nanokristal holatga 500÷600⁰ S harorat oralig‘ida issiqlik bilan ishlov berish orqali erishildi.
Natijada, 10 nm donali nozik taneli tasodifiy tekstura hosil bo'ladi. Har bir don amorf matritsa bilan o'ralgan.
1.Superparamagnetizm
Magnit nanoklasterlarning o'lchamlarini kamaytirish, ularning o'z-o'zidan magnitlanishini saqlab qolish nanoklasterning magnit momenti yo'nalishi bo'yicha termal tebranishlar ehtimolini oshiradi. Bu hodisa superparamagnetizm deb ataladi.
Nanosistemaga nanoklaster simmetriya o‘qiga parallel ravishda tashqi magnit maydon qo‘llanilganda nanoklasterning energiyasi quyidagicha bo‘ladi.

Yuqori haroratlarda va past magnit maydonlarda energiya to'sig'i orqali magnit momentning tebranish ehtimoli ortadi va superparamagnitni bo’shashishi paydo bo'ladi. H = 0 uchun superparamagnit bo'shashish vaqti


Bu erda K - anizotropiya energiya konstantasi, V - klaster hajmi, M_s - magnitlanish, - klaster magnit momentining aylanish burchagi.
Nanoklasterlar ma'lum bir blokirovkalash harorati T_v dan pastroq sovutilganda, termal tebranishlar muzlaydi va nanoklasterlarning magnit momentlari tartibsiz bo'lgan spin shishasi hosil bo'ladi.
Magnit kvant tunnellari. Kvant tunnel o'tishlari klaster molekulyar kristallarida sodir bo'lishi mumkin. Ular nanoklaster va butun kristall magnitlanishining diskret o'zgarishi bilan birga keladi. Bunday nanostruktura pog'onali magnitlanish egri chizig'i bilan tavsiflanadi. Yagona kristalli klasterning magnit momentining bo'shashish vaqti sakrashlarni boshdan kechiradi (2.7 va 2.8-rasmlarga qarang).

2.7-rasm. Mn12 marganets asetatining klaster monokristalining magnit maydonining H (T) kuchiga qarab turli haroratlarda magnitlanishning M egri chiziqlari.
Gisterezis halqasi vertikal va tekis bo'limlardan iborat. Gizterezis halqasining tekis bo'limlarida magnit momentning bo'shashish vaqti o'lchash vaqtidan ko'proq bo'ladi, bu taxminan 600 sek. Qiya uchastkalarda bo'shashish vaqti o'lchash vaqtiga yaqin bo'lib, superparamagnit bo'shashish vaqtining tashqi magnit maydon H kattaligiga bog'liqligi egri chizig'ida bir qator minimallarga olib keladi. Bo'shashish vaqti qo'llaniladigan maydonga nisbatan gisterezis halqasidagi qadamlarga mos keladigan minimallar bilan tebranadi.

2.8-rasm. a) Asetat klasteri monokristalining magnit momentining relaksatsiya vaqti T_c ga bog'liqligi. b) T_c bo'shashish vaqtining H_o magnit maydonining turli qiymatlarida T haroratiga bog'liqligi (qo'shimchada ko'rsatilgan). 1-yuqori egri H_o , 4-egri ((oq kvadratlar) H_o= 0,88 T_l, , keyin maydon ortadi.
2.8-rasmda Mn₁₂ molekulyar klasterning tuzilishini va tashqi magnit maydonining H (T_l) kattaligiga qarab termal faollashtirilgan (yuqori rasm) va tunnel o'tish joylari (pastki rasm) holatida elektron uchun potentsial quduqlarni ko'rsatadi. O’qlar H_o magnit maydonining qiymatlarini ko'rsatadi, bunda elektron darajalar mos kelganda sakrash sodir bo'ladi.
Ushbu sakrash effektlarini Mn₁₂ (O₁₂) (O₂ CCH₃)₁₆ (H₂O)₄ molekulyar klasterining elektron darajalari orasidagi elektron struktura va tunnel o'tishlarini hisobga olgan holda tushunish mumkin (2.9-rasmga qarang).
Marganets ionlarini o'z ichiga olgan klasterning ichki yadrosi tetragonal ikki qavatli tuzilishga ega: Mn⁺⁴ atomlari Mn₄O₄ tuzilishga ega bo'lgan kubik ramka hosil qiladi va S=3/2 spinga ega va sakkizta tashqi Mn³⁺ spini S= 2 tashqi qatlamni hosil qiladi. Klaster ichidagi almashinuv o'zaro ta'siri klasterning ferrimagnit asosiy holatini kollektiv samarali spin S=10 bilan barqarorlashtiradi.
2 turdagi eksenel simmetriyaga ega bo'lgan kristall maydon spinning asosiy holatini Sz=+10 va Sz=-10 kristalli maydon doimiysi D=0,61T_l bo'lgan ikki darajaga ajratadi. Magnit maydonning ortishi bilan magnit energiya bu elektr darajalarini kesib o'tadi. Ular bir-biriga to'g'ri kelganda, klasterning magnit momentining bo'shashishi tezlashadi. Bu nanostruktura bo'ylab kvant tunneliga mos keladi [5].

2.9-rasm. Mn₁₂ molekulyar klasterining tuzilishi va elektron uchun potentsial quduqlar past haroratlarda termal faollashtirilgan (yuqori rasm) va tunnel o'tish joylari (pastki rasm) holatida ko'rsatilgan.
Nanoteshiklardagi magnit zarralar. Tabiatda magnit nanozarrachalar bilan to'ldirilgan molekulyar bo'shliqlarga ega materiallar mavjud.
Ferritin o'z ichiga og'irligi bo'yicha 25% temir bo'lgan biologik molekula bo'lib, simmetrik oqsil qobig'idan iborat va ichki diametri 7,5 nm va tashqi diametri 12,5 nm bo'lgan ichi bo'sh shar shaklida.
Fe³⁺ Temir ionlarini saqlashda bu molekula biotizimlarda rol o'ynaydi.
Inson tanasidagi temirning to'rtdan biri ferritin molekulalarida va 70% gemoglobin molekulalarida mavjud. Ferritin bo'shlig'i kristall temir oksidi 5Fe₂ O₃ 9H₂O bilan to'ldirilgan.
Bloklash harorati-T_v turli magnit yo'nalishlar orasidagi termal faollashtirilgan o'tishlar muzlab qoladigan haroratdir. Bo'shliqdagi atomlar soni kamayishi bilan blokirovkalash harorati pasayadi. Juda past haroratlarda ferritinda kvant tunnellanishi kuzatiladi.
Nano-uglerodli ferromagnitlar.
Ikki temir zarrachalari temir ftalosiyanidi (II) (FePc) ning pirolizlanishi jarayonida koordinatsion uglerod nanonaychalarni hosil qilishda ishtirok etadi. Kichik zarracha yadro bo'lib xizmat qiladi, katta temir zarracha uglerod nanonauchaning o'sishini tezlashtiradi. Keyinchalik, temir zarralari nanonaychalarning uchlarida qoladi. Shunday qilib, dielektriklar bo'lgan polimer bo'lmagan organik ferromagnitlarni sintez qilish mumkin.
Katta magnit qarshilik. Magnetoqarshilik - bu magnit maydonga joylashtirilgan materialning elektr o'tkazuvchanligining o'zgarishi ta'siri. Ta'sir kuchli magnit maydonlarda kuzatiladi, bunda elektron traektoriyasi elektronning o'rtacha erkin yo'li bo'ylab sezilarli darajada egiladi.
Materialning qarshiligi ta'sir paytida elektronlarning tarqalishidan kelib chiqadi, chunki to'qnashuvdan keyin elektronlarning harakat yo'nalishi o'zgaradi. Ta'siri past haroratlarda metallarda kuzatiladi. 4K va 10 Tesla magnit induktsiyadagi sof misda o'tkazuvchanlik 10 marta o'zgaradi.
Gigant magnit qarshilikning ta'siri magnit maydon ta'sirida nanomaterialning qarshiligini sezilarli darajada pasayishidan iborat. Ommaviy materiallarning magnit qarshiligi ahamiyatsiz darajada farq qiladi. Magnit maydondagi massiv doimiy qatlamning qarshiligi (80% Ni -20% Fe) 3% ga o'zgaradi.
Nanoklaster metall materiallari KMQ (katta magnit qarshilik) temir Fe yoki kobalt Co nanoklasterlarini yaxshi o'tkazuvchanlik mis Cu yoki kumush Ag bo'lgan boshqa metall matritsasida eritish orqali olinadi va komponentlar bir-birida yomon eriydi.
Elektr toki o'tganda, elektronlar klasterlarning magnit momentlari bilan tarqaladi. Namunaga magnit maydon qo'llanilganda, klasterlarning magnit momentlarining yo'nalishi o'zgaradi. Bu elektronning tarqalish tezligining o'zgarishiga va elektr o'tkazuvchanligining o'zgarishiga olib keladi.
Maksimal katta magnit qarshilik (KMG) ta'siri Co-Ag tizimida Co20% konsentratsiyasida kuzatildi, bu kobalt klasterlarining optimal hajmi bilan bog'liq. Magnetorezistans to'yingan magnitlanishning kattaligiga normallashtirilgan magnit maydonning nisbiy kattaligiga bog'liqlik sifatida aniqlanadi.
Klasterlarning kattaligi taqsimoti va klasterlararo o'zaro ta'sirlar ikkinchi muddatning paydo bo'lishiga olib keladi. 2.10-rasmda. Co-Cu tizimining 5 K da eksperimental bog'liqligi keltirilgan.

2.10-rasm. Magnet qarshilik (a) va b) nanosistemani gisterezis halqasi Co₁₆ Cu₈₄
Kobalt kontsentratsiyasidan magnit qarshilikning nisbiy o'zgarishi 2.11-rasmda va normallashtirilgan magnitlanish 2.12-rasmda ko'rsatilgan.

2.11-rasm. T=5K va T =T300 da turli Co konsentrasiyalarida Co-Ag nanosistemasi uchun |ρ(H)- ρ (0)| / ρ (0), birliklarda magnit qarshilikning o‘zgarishi foizda

2.12-rasm. Nisbiy magnit qarshilik foiz sifatida normallashtirilgan magnitlanish M/MS ga nisbatan.
KMQ (katta magnit qarshilik) ta'sirini ikkita elektr tokining modeli asosida tushuntirish mumkin. Noto'g'ri yo'naltirilgan nanotizimda klasterning magnit domeni tomonidan elektronning tarqalishi ikki yo'nalishda (masalan, yuqoriga va pastga) ekvivalentdir. Magnit maydon tomonidan tartibga solingan nanosistemada yo'nalishlardan biri (magnit maydon o'qi bo'ylab) boshqasiga qaraganda kamroq qarshilikka ega.
Ikkala kanal ham parallel ravishda ishlaydi, parallel ulangan qarshiliklar yig'indisi kichikroqdan kichikroq bo'ladi, bu esa qarshilikning sezilarli pasayishiga olib keladi.
Gigant magnit qarshilikning ∆ρ kamayishi klasterning d o'lchamining ortishi bilan bog'liq ∆ρ 1/d . KMQ (katta magnit qarshilik) magnit klasterlar yuzasi va fazalararo chegaralar maydonining ularning hajmiga nisbati bilan aniqlanadi.
Spinga (orqa tomoni) qarab elektronlarning tarqalishi klasterlar va matritsa orasidagi interfeyslarda sodir bo'ladi. KMQ (katta magnit qarshilik) effekti birinchi marta temir va xrom qatlamlari almashinadigan plyonkalarda kuzatilgan. 2.13-rasmga qarang.

2.13-rasm. Katta magnit qarshilik kuzatiladigan uchta struktura.
2.13-rasm ko'rsatilgan: a) ferromagnit qatlamlari bilan magnit bo'lmagan materialning o'zgaruvchan qatlamlari; b) Tasodifiy yo'naltirilgan ferromagnit kobalt nanozarralari (magnit bo'lmagan mis matritsadagi katta doiralar (kichik doiralar); c) kobalt nanozarralari bo'lgan kumush qatlamlardan va o'zgaruvchan magnitlanish yo'nalishlari bilan Ni-Fe qotishma magnit qatlamlaridan iborat aralash tizim.
Magnit bo'lmagan o'tkazuvchan matritsadagi magnitlanish vektorlarining tasodifiy yo'nalishi bo'lgan yagona domenli ferromagnit zarrachalardan olingan materiallar ham KMQ (katta magnit qarshilik)ni ko'rsatadi.
Temir-xrom tizimining elektr qarshiligining magnit maydonga bog'liqligi berilgan. 2.14-rasmda magnit qarshilik o'zgarishining temir magnit qatlamining qalinligiga bog'liqligini doimiy magnit maydoni ko’rsatib o’tilgan.

2.14-rasm. Chapda. temir-xromli ko'p qatlamli tizimning elektr qarshiligining qatlamlar yuzasiga parallel ravishda qo'llaniladigan magnit maydonga bog'liqligi.

2.15-rasm. O'ngda. Doimiy magnit maydonda Fe-Cr ko'p qatlamli strukturasidagi temir magnit qatlamining qalinligiga ∆R magnit qarshilikning o'zgarishiga bog'liqligi.
Mis matritsadagi yupqa kobalt plyonkaning magnit qarshiligining tashqi magnit maydonga bog'liqligi 2.16-rasmda ko'rsatilgan.

2.16-rasm. Chapga. Mis matritsadagi kobalt nanozarrachalarining yupqa plyonkasi uchun qo'llaniladigan magnit maydonga magnit qarshilik o'zgarishining bog'liqligi.
Kaltsiy bilan qo'shilgan LaMnO₃ ning kristall tuzilishini ko'rsatadi, bu esa katta magnit qarshilikka olib keladi. (2.17-rasm).

2.17-rasm. LaMnO₃ ning kristall tuzilishi, unda lantan o'rnini Ca yoki stronsiy bilan qo'shganda ulkan magnit qarshilik kuzatiladi.
Katta magnit qarshilik detectori sezgir magnit maydon detektori bo'lib xizmat qiladi va magnit disklarning yuqori sezgir o'qish boshlarini yaratish uchun asos bo'lib xizmat qiladi.