WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

В параграфе 1.1 дан обзор наиболее широко распространенных датчиков магнитного поля и задач, в которых они используются. В Таблице 1 приведены наименования этих датчиков, их характерные чувствительности (на уровне белого шума) и размеры.

Таблица 1. Параметры датчиков магнитного поля.

Индуктивный СКВИД ГМС-элемент Датчик Холла Тип сенсора датчик (T = 4.2–77 K) (T ~ 300 K) (T ~ 300 K) (T ~ 300 K) Чувствительность по магнитному 10–11–10–15 10–9–10–11 10–4–10–полю, Тл/Гц1/Чувствительность по магнитному 10–5–10–моменту, emu/Гц1/Характерный 0.1–10 мм 2–5 см 50–500 нм 50–500 нм размер сенсора Как видно из Таблицы 1, СКВИДы обладают очень высокой чувствительностью, что позволяет использовать их в задачах регистрации сверхмалых магнитных полей. Так, СКВИД-магнитометры успешно применяются для детектирования магнитных полей, порождаемых токами мозга (магнитоэнцефалография) и сердца (магнитокардиография) человека [14]. С середины 90-х годов СКВИД-магнитометрия стала активно использоваться для изучения фундаментальных свойств магнитных наночастиц [8, 13], в биомединских исследованиях на базе магнитных наномаркеров [15], а также в исследовании ядерного магнитного резонанса (ЯМР) [16]. В настоящей работе был развит метод СКВИДрелаксометрии, позволяющий диагностировать магнитный наноматериал, приготавливаемый в виде разбавленного ансамбля однодоменных частиц.

В параграфе 1.2 кратко рассмотрены особенности высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) и СКВИДов на их основе. Показаны преимущества и недостатки ВТСП СКВИДов. В параграфе 1.3 подробно описаны характеристики джозефсоновских переходов, составляющих основу СКВИДов. Рассмотрены особенности ВТСП джозефсоновских переходов, формируемых на бикристаллических подложках. В параграфе 1.4 подробно описаны характеристики ВТСП СКВИДов постоянного тока, используемых в настоящем исследовании. Приведена базовая схема СКВИДа постоянного тока, представлены типичные вольт-амперные и вольт-полевая характеристики такого СКВИДа.

Дано определение чувствительности СКВИДа в единицах эквивалентного шумового потока, составившего в данной работе значение < 10–5 Ф0/Гц1/2.

Параграф 1.5 посвящен методу СКВИД-релаксометрии, основными приложениями которого являются: 1) импульсная ЯМР-спектроскопия, активно развиваемая группой под руководством Кларка [16]; 2) релаксометрическая диагностика магнитных наночастиц, впервые реализованная в настоящем диссертационном исследовании. В первой части параграфа приведены общие сведения по ЯМР-спектроскопии и некоторые результаты, полученные группой Кларка методом НТСП СКВИД-релаксометрии. Во второй части параграфа наглядно рассмотрены существующие методы диагностики магнитных наночастиц и кратко описана суть предлагаемого релаксометрического метода диагностики, основанного на анализе кривых релаксации намагниченности ансамблей магнитных наночастиц, измеряемых с помощью ВТСП СКВИД-релаксометра.

Глава 2. Изготовление сенсоров и сборка релаксометра.

В параграфе 2.1 детально описана разработанная автором технологическая схема воспроизводимого изготовления высокочувствительных ВТСП СКВИД-сенсоров на бикристаллических подложках. Показано, что для повышения чувствительности СКВИДов по магнитному потоку необходимо использовать малоугловые подложки; при этом СКВИДы должны содержать джозефсоновские переходы субмикронной ширины. В данной работе использовались бикристаллические подложки SrTiO3 с углом разориентации границы 24°.

В основе предложенной технологической схемы лежит принцип вторичной электронной литографии с результирующим ионным травлением ВТСП пленки через углеродную маску. Поэтапно данная схема включает в себя: 1) лазерное напыление пленок высокотемпературного сверхпроводника YBa2Cu3OX (YBCO); 2) выполнение традиционной фотолитографии с формированием предварительных СКВИДов с джозефсоновскими переходами шириной 10 мкм, 3) последовательное нанесение слоев углерода, германия и электронного резиста; 4) электронную литографию с экспозицией боковых участков переходов предварительных СКВИДов; 5) последовательное травление слоев германия, углерода и ВТСП с результирующим формированием СКВИДов с субмикронными джозефсоновскими переходами. Совмещение поля электронной экспозиции с переходами предварительных СКВИДов выполняется при помощи вспомогательных ВТСП меток с ценой деления 2 мкм, располагающихся по бокам СКВИДа.

Внешний вид ВТСП СКВИД-сенсора с джозефсоновскими переходами шириной 0.8 мкм, изготовленного по указанной технологической схеме, и структура чипа, содержащего два сенсора, представлены на Рис. 1.

a) б) Рис. 1. Изображение ВТСП СКВИД-сенсора, полученное с помощью просвечивающего оптического микроскопа (а) и структура чипа, содержащего два СКВИД-сенсора (б).

Положение бикристаллического шва показано вертикальной штриховой линией. Каждый СКВИД имеет четыре контактные площадки.

В параграфе 2.2 детально изложен принцип сборки СКВИД-релаксометра для задачи измерения релаксационных кривых суперпарамагнитных объектов. СКВИД-релаксометр реализован на базе имеющегося в совместном центре криогенной магнитометрии “Физфак МГУ/ИЗМИРАН” сканирующего ВТСП СКВИД-магнитометра [17]. В состав СКВИДрелаксометра помимо указанного магнитометра входят следующие компоненты: 1) схема электронной коммутации тока смещения через катушку подмагничивания;

2) оптимизированная цепь катушки подмагничивания; 3) усовершенствованная широкополосная СКВИД-электроника. На Рис. 2 представлена схема регистрирующей части разработанного СКВИД-релаксометра.

77 K Рис. 2. Схема регистрирующей части СКВИД-релаксометра. СКВИД-сенсор локализован вблизи скошенного края чипа (см. Рис. 1б).

Схема электронной коммутации реализована на твердотельном ключе микросхемы КР590КН4. Максимально допустимый коммутируемый ток данного ключа составлял 20 мА, а время срабатывания – 300 нс. Помимо твердотельного ключа схема коммутации включала в себя схему подавления дребезга управляющей кнопки.

Цепь катушки подмагничивания оптимизировалась по критерию наискорейшего затухания остаточного тока в катушке подмагничивания с момента выключения тока смещения через нее. Целью данной оптимизационной задачи являлось достижение беспрецедентно малого (< 100 мкс) в задаче релаксометрии магнитных наноматериалов времени затухания остаточного поля подмагничивания, статическое значение которого (при фиксированном токе смещения) вместе с тем позволяло бы чувствовать магнитные поля рассеяния образцов со сверхнизким содержанием магнитного компонента (< 1 об.%). Для достижения этой цели автор воспользовался программным комплексом MicroCap 7.0, позволяющим моделировать переходные процессы в электрических цепях, содержащих активные и реактивные элементы. В результате решения данной оптимизационной задачи были достигнуты следующие параметры: индуктивность катушки подмагничивания 0.7 мГн;

статическое поле подмагничивания до 50 А/м; время затухания остаточного поля катушки ~ 1.5 мкс.

В данной работе для регистрации сигнала СКВИДа использовалась модуляционная потоко-запирающая электронная схема [17]. Данная схема позволяет подавлять избыточный низкочастотный шум усилительного тракта в выходном сигнале, поскольку усиление происходит на высокой частоте модуляционного сигнала (100–200 кГц). Динамический диапазон работы этой схемы составляет несколько сот квантов магнитного потока Ф0 = 2·10–15 Вб. Частотный диапазон работы стандартной электроники лежит от 0 до 20 кГц.

Однако, частотный диапазон полезных релаксационных сигналов, изучаемых в данной работе, лежит от 0 до 200 кГц. В связи с этим в рамках настоящего исследования возникла необходимость расширить полосу пропускания стандартной СКВИД-электроники до уровня 200 кГц, что и было успешно сделано благодаря использованию последних моделей широкополосных интегральных микросхем. Модуляционная частота при этом была увеличена до 4 МГц. Скорость слежения сигнала обратной связи составила 7·105 Ф0/с.

Глава 3. Измерения.

В параграфе 3.1 рассмотрена методика химического синтеза объектов исследования – разбавленных ансамблей магнитных наночастиц Fe3O4, однородно распределенных в полимерной матрице. Концентрация частиц в образцах составляла ~ 0.2 об.%. Исследовалось три типа ансамблей частиц с разными средним размером и дисперсией распределения. По данным просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) форма частиц близка к сферической, а гистограммы распределения объемной доли фракций частиц для всех трех типов ансамблей хорошо описываются контурами Гаусса со следующими параметрами:

1) средний размер D0 ~ 7.7 нм, дисперсия ~ 45%; 2) D0 ~ 4.7 нм, ~ 40%; 3) D0 ~ 4.0 нм, ~ 50%. На Рис. 3 представлены данные по ансамблю со средним размером 7.7 нм и дисперсией 45%.

0.D0 = 7.74 нм = 3.39 нм 0.F(Di) 0.G(D) а) б) 0.0. 0.2 4 6 8 10 12 Размер частиц, нм 30 нм Рис. 3. Ансамбль наночастиц Fe3O4 со средним размером 7.7 нм и дисперсией 3.4 нм.

Представлены ПЭМ-снимок частиц (а) и гистограмма распределения объемной доли фракций частиц F(Di), аппроксимированная нормированным контуром Гаусса G(D) (б).

В параграфе 3.2 представлены результаты измерения тестового релаксационного сигнала, создаваемого тонкой (20 мкм) медной проволокой, последовательно соединенной с дросселем и резистором требуемых номиналов, в цепь которых задавался ток смещения, коммутируемый описанной в параграфе 2.2 схемой. Экспериментальные данные по затуханию поля рассеяния от такой проволоки хорошо аппроксимируются теоретической кривой, описываемой классическим выражением для RL-цепи, что подтверждает корректность проводимых измерений релаксации намагниченности наночастиц.

В параграфе 3.3 описана процедура получения релаксационной кривой исследуемого образца. Образец приготавливался из пленочных полимерных нанокомпозиций (см. §3.1) в виде квадратной таблетки с размерами lx x ly x lz, лежащими в диапазоне: 0.5 < lx, ly < 1.5 мм;

50 < lz < 100 мкм. Процедура включала в себя: 1) подмагничивание образца в течение 1 мин;

2) получение распределения поля рассеяния над образцом в единицах выходного напряжения СКВИД-магнитометра V(xi, yj); 3) фиксация СКВИД-сенсора в точке экстремума выходного напряжения Vextr (на границе образца); 4) выключение поля подмагничивания с последующей регистрацией некалиброванной релаксационной кривой |Vextr|(t).

В параграфе 3.4 описана процедура калибровки релаксационной кривой в единицах намагниченности образца. Для преобразования выходного напряжения СКВИД-электроники V в нормальную компоненту Bz магнитного поля, в котором находится СКВИД-сенсор, необходимо:

Bz = V / (Kос · Aeff). (1) Величина Kос представляет собой коэффициент обратной связи СКВИД-электроники, а Aeff есть эффективная площадь СКВИД-сенсора. В нашем эксперименте Kос = 5 В/Ф0, -i F ( D ) и G ( D ), нм Aeff = 3200 мкм2. Таким образом, формула (1) позволяет из распределения V(xi, yj) получить распределение Bz(xi, yj).

Далее, используя распределение Bz(xi, yj), можно определить начальную намагниченность образца M(0), соответствующую |Vextr|(0). Тогда калибровку релаксационной кривой в единицах намагниченности образца следует выполнить следующим образом:

M(t) = M(0) · |Vextr|(t) / |Vextr|(0). (2) На Рис. 4 представлена одна из калиброванных релаксационных кривых в линейном и логарифмическом временном масштабах.

M(0) M(0) а) б) 2 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102 0 50 100 150 Время, с Время, с Рис. 4. Релаксация намагниченности ансамбля суперпарамагнитных наночастиц, представленная в линейном (а) и логарифмическом (б) временном масштабах.

В основе процедуры определения M(0) лежит минимизация следующего функционала:

i, j [Bztheor(xi, yj) – Bz(xi, yj)]2, (3) где Bztheor(xi, yj) – теоретические значения поля рассеяния однородно намагниченного образца, итерационно вычисляемые при заданных: 1) намагниченности образца M(0);

2) высоте сканирования; 3) плоскостных размерах образца; 4) толщине образца;

5) координатах одного из четырех вершин образца; 6) угле отклонения нижней границы образца от направления поля подмагничивания. При этом для повышения надежности определяемых значений M(0) все параметры кроме толщины являлись варьируемыми и последовательно подбирались до тех пор, пока стандартное отклонение теоретического поля от наблюдаемого не достигало шумового уровня 10–8 Тл.

Намагниченность образца, А/м Намагниченность образца, А/м Глава 4. Теоретическое описание поведения магнитных наночастиц.

Параграф 4.1 посвящен описанию анизотропии магнитных наночастиц. Дано определение однодоменной частицы. Рассмотрены одноосная и кубическая магнитокристаллические анизотропии. Вводятся понятия энергии и констант магнитокристаллической анизотропии. Также кратко описана методика определения энергии анизотропии формы частицы.

Магнитная энергия однодоменной частицы зависит от углового положения ее магнитного момента и может иметь много минимумов, разделенных потенциальными барьерами. В общем случае энергия однодоменной частицы представляет собой сумму энергии магнитокристаллической анизотропии Ea, энергии анизотропии формы частицы Esh, энергии магнитостатического взаимодействия магнитного момента частицы с внешним полем и полем, создаваемым другими частицами. Магнитокристаллическая анизотропия связана с симметрией кристаллической решетки, а анизотропия формы – с формой частицы.

Для сферических частиц Esh = 0. В случае сильноразбавленных ансамблей можно пренебречь энергией межчастичного дипольного взаимодействия.

Простейшим и практически наиболее важным типом магнитокристаллической анизотропии является одноосный. Упрощенное выражение для энергии одноосной магнитокристаллической анизотропии выглядит следующим образом [5]:

Ea = KuV·sin2, (4) где Ku – константа одноосной магнитокристаллической анизотропии, V – объем частицы, – угол между магнитным моментом и кристаллографической осью c частицы, которая при Ku > 0 называется осью легкого намагничивания (легкой осью).

В качестве примера одноосного материала следует привести объемный (bulk) кристалл кобальта, имеющий в нормальных условиях гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку. Объемные кристаллы с кубической решеткой, такие как железо и никель, характеризуются кубической магнитокристаллической анизотропией, задаваемой более сложным выражением:

Ea = K1V(1222 + 2232 + 3212), (5) где K1 – константа кубической анизотропии; 1, 2, 3 представляют собой направляющие косинусы магнитного момента однодоменной частицы относительно кристаллографических осей a, b, c.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»