WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.В.ЛОМОНОСОВА ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

УДК 537.621, 537.634.2, 537.638.214, 537.638.5, 538.955 РОД Ирина Андреевна ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ СУПЕРПАРАМАГНЕТИКА В ОБЛАСТИ ТОЧКИ КЮРИ Специальность 01.04.11 – физика магнитных явлений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА 2007

Работа выполнена на кафедре общей физики физического факультета Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова Научный руководитель доктор физико-математических наук, профессор В.И.Николаев

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор С.А.Никитин доктор физико-математических наук, профессор Ю.Г.Рудой Ведущая организация Ярославский государственный технический университет

Защита состоится «19» апреля 2007 года в часов на заседании диссертационного совета К 501.001.02 в Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова по адресу: 119992 ГСП-2, г. Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, аудитория.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова.

Автореферат разослан « » марта 2007 года.

Ученый секретарь диссертационного совета К 501.001.02, кандидат физико-математических наук И. А. Никанорова 2 1.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В последние годы особый интерес у специалистов, занимающихся синтезом и исследованием новых материалов, вызывают физические свойства наночастиц вещества. Среди прочих их особенностей большой интерес представляют магнитные свойства. Интерес к малым частицам мотивирован прежде всего тем, что их свойства могут сильно, даже качественно, отличаться от свойств сплошных макроскопических тел. К примеру, в определенных условиях теплоемкость атомных кластеров может стать отрицательной [1] - явление, не наблюдавшееся в макроскопических телах. Другое качественное изменение при переходе от сплошной среды к наночастицам - появление магнетизма в неферромагнитных материалах [2-6].

Магнитные наночастицы обладают уникальной структурой и свойствами, многие из которых имеют практическую ценность. В таких объектах часто зависят от структуры фундаментальные, обычно «структурнонечувствительные» в случае «массивных» магнетиков характеристики [7], такие как температура Кюри, намагниченность насыщения и др. Эта особенность дает возможность улучшать существующие и создавать принципиально новые конструкционные и функциональные материалы.

Магнитные свойства наночастиц до сих пор остаются малоизученными.

Этот нетривиальный факт можно связывать с тем, что для реальных систем наночастиц характерен разброс их размеров, что с неизбежностью приводит к размытию измеряемых на опыте величин, описывающих их свойства, в том числе и магнитные. В такой ситуации представляет несомненный интерес исследование магнитных свойств систем наночастиц в рамках достаточно реалистичной модели, которая позволила бы выявить их особенности и закономерности.

Цель работы. Основная цель исследований - выявление особенностей и закономерностей магнитных свойств наночастиц в области точки Кюри на основе формализма, использующего модель Ланжевена, модифицированную при помощи теории молекулярного поля.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1) изучение основных особенностей магнитной фазовой диаграммы суперпарамагнетика;

2) выявление особенностей парапроцесса в суперпарамагнетике на основе анализа температурно-полевых зависимостей его магнитной восприимчивости;

3) исследование температурно-полевых зависимостей магнитострикции, теплоемкости и магнетокалорического эффекта в суперпарамагнетике в области точки Кюри;

4) исследование магнитных свойств суперпарамагнетика на основе представлений о критических явлениях.

Научная новизна. Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что впервые в рамках модифицированной модели Ланжевена проведено детальное исследование магнитных свойств (намагниченности, магнитной восприимчивости магнитострикции, магнитной аномалии теплоемкости, магнетокалорического эффекта) суперпарамагнетика в области температур выше точки Кюри. Показано, что при анализе парапроцесса в наночастицах в дополнение к обычной полевой восприимчивости необходимо ввести в рассмотрение восприимчивость, которая связана с ростом релаксирующего магнитного момента частицы. На основе представлений о критических явлениях проведен расчет критических индексов для температурно-полевых зависимостей магнитных свойств суперпарамагнетика. Показано, что для полученных значений критических индексов выполняются известные термодинамические неравенства Рашбрука, Гриффитса, Куперсмита, что подтверждает реалистичность используемой модели описания магнитных свойств суперпарамагнетика. Проведен анализ двух механизмов влияния ангармонизма колебаний поверхностных атомов на температуру Кюри магнитных наночастиц, - обусловленных обрывом обменных связей поверхностных атомов и тепловым расширением наночастиц. Предсказана возможность наблюдения «возвратного» магнетизма в системе наночастиц.

Практическая ценность работы. Полученные результаты могут быть использованы при интерпретации экспериментальных данных о температурнополевых зависимостях магнитных свойств суперпарамагнетика.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. На основе модифицированной модели Ланжевена проведено комплексное исследование магнитных свойств наночастиц в области точки Кюри - магнитострикции, магнитной аномалии теплоемкости, магнетокалорического эффекта. Выявлены характерные особенности этих свойств.

2. Впервые проведен анализ основных механизмов влияния ангармонизма колебаний поверхностных атомов на температуру Кюри магнитных наночастиц.

3. Показано, что вклад в изменение точки Кюри наночастиц, вызванный ангармонизмом колебаний поверхностных атомов, может быть как отрицательным, так и положительным, и его величина может достигать нескольких десятков процентов от величины точки Кюри.

4. Впервые рассмотрен вопрос о возможности возникновения состояния «возвратного» магнетизма наночастиц.

5. Впервые магнитные фазовые переходы в ансамбле наночастиц рассмотрены на основе представлений о критических явлениях.

Апробация работы. По результатам работы автором сделаны доклады на следующих конференциях: Международной конференции “Physics of liquid materials: modern problems” (Киев, 31 мая 2001 г.), Международном симпозиуме по магнетизму (Москва, 20-24 июня 2002 г.), 2-й Международной конференции “Physics of liquid matter: modern problems” (Киев, 12–15 сентября 2003 г.), Всероссийской научной конференции ВНКСФ–10 (Москва, 1–апреля 2004 г.), Международной конференции “Physics of liquid materials:

modern problems” (Киев, 27–31 мая 2005 г.), Международном симпозиуме по магнетизму (Москва, 25-30 июня 2005 г.), Международном форуме по некристаллическим телам “International Workshop on Non-Crystalline Solids” (Gijon, Spain, 20-23 июня 2006 г.), 12-й Международной Плесской конференции по магнитным жидкостям (Плес, 30 августа–2 сентября 2006).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 13 работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка научных публикаций автора и списка цитируемой литературы из 115 наименований. Общий её объём составляет 124 страницы текста, включая 51 рисунок и 8 таблиц.

2. Краткое содержание работы Во Введении обоснована актуальность проводимых исследований, сформулированы цель и основные задачи работы, охарактеризована научная новизна полученных результатов.

Глава 1 представляет собой обзор литературных данных по исследованию магнитных свойств наночастиц.

Общие свойства наночастиц как объекта физических исследований обсуждаются в разделе 1.1, где описаны условия, при которых наночастицы проявляют суперпарамагнитные свойства, а также перечислены так называемые экспериментальные критерии суперпарамагнетизма. Описанию характерных магнитных свойств наночастиц посвящен раздел 1.2. В этом разделе обсуждается влияние размеров частиц на намагниченность, точку Кюри наночастиц, их магнитотепловые свойства. В разделе 1.3 дана классификация систем наночастиц по структурным свойствам, которые обуславливают те или иные магнитные их свойства, а также систематизированы литературные данные о возможных типах распределения частиц по размеру. Методы синтеза систем магнитных наночастиц кратко описаны в разделе 1.4. Здесь же обсуждаются возможности контроля основных характеристик систем наночастиц в процессе их синтеза. Раздел 1.5 посвящен основным методам исследования свойств магнитных наночастиц.

Основные модели описания магнитных свойств наночастиц обсуждаются в разделе 1.6. Подробно охарактеризована модель описания температурнополевых зависимостей намагниченности суперпарамагнетика, сочетающая в себе возможности обычной модели Ланжевена и модели молекулярного поля.

Модифицированная таким образом модель Ланжевена позволяет описывать температурную зависимость намагниченности (T) суперпарамагнетика в области температур вблизи точки Кюри TC, - как ниже нее, так и выше [8].

В разделе 1.7 обсуждается классификация фазовых переходов по Эренфесту, а также известные экспериментальные данные об особенностях магнитных фазовых переходах в системах магнитных наночастиц.

В Главе 2 приводятся результаты исследования парапроцесса в системах одинаковых невзаимодействующих магнитных частиц. В качестве основы формализма была выбрана модифицированная модель Ланжевена. Она позволяет получить систему из следующих двух уравнений, описывающих как повороты момента µ, вызванные тепловым движением, так и истинное намагничивание частицы (парапроцесс) [8]:

µ = L, (1) 0 k 1+ kC 1 ln -.

(2) = 0 µB 2 C 1- Здесь M и - соответственно удельная намагниченность частицы и средняя её проекция на направление поля H, M0 - удельная намагниченность M при абсолютном нуле температур, L(x) - функция Ланжевена, kС/µ0 - характеристическое поле, N ( µ0/µB) - номинальный магнитный момент частицы, выраженный в магнетонах Бора.

В разделе 2.1 показано, что в области парамагнетизма (T > TC) при наложении магнитного поля, превышающего некоторое критическое значение Hcrit, может наблюдаться восстановление магнитного порядка внутри наночастиц, в результате чего для них возможен переход из парамагнитного состояния в состояние индуцированного суперпара-магнитизма. На рис. 1.

показана магнитная фазовая HT-диаграмма суперпарамагнетика, построенная в результате решения системы уравнений (1)-(2) (расчёты проведены для случая одинаковых не взаимодействующих наночастиц с TC = 300 K и N = 300, 500, 1000). Наличие области индуцированного суперпарамагнетизма на фазовой диаграмме наночастиц сказывается при изучении парапроцесса в них.

N = TC = 300 K H, кэ ИСПМ 60 СПМ ПМ 0.98 1.00 1.02 1. T/TC Рис. 1. Магнитная фазовая HT-диаграмма суперпарамагнетика. СПМ - суперпарамагнетизм, ИСПМ - индуцированный суперпара-магнетизм, ПМ - парамагнетизм.

В разделе 2.2 проводится сравнение парапроцесса в наночастицах и в «массивных» частицах - на основе анализа температурно-полевых зависимостей их магнитных восприимчивостей (T, H) (см. рис. 2 и 3). В соответствии со смыслом величин, входящих в уравнения системы (1)-(2), в случае наночастиц приходится ввести взамен восприимчивости (T, H) две другие магнитные восприимчивости: M(T, H) (M/)T и (T, H) (/)T.

Сравнивая два семейства зависимостей, M(T, H) и (T, H), можно выделить следующие главные особенности парапроцесса в наночастицах.

Во-первых, в отличие от случая «массивных» частиц, парапроцесс в наночастицах следует характеризовать не одной, а двумя магнитными восприимчивостями, имеющими различный физический смысл, - M(T, H) и (T, H). В области точки Кюри (T TC) первая из них связана только лишь с увеличением намагниченности M внешним полем, тогда как вторая - главным образом с уже имеющейся намагниченностью M.

Во-вторых, парапроцесс в наночастицах обрывается при переходе системы частиц из суперпарамагнитного состояния в парамагнитное - при не- 0.1 - H = 10 кэ /0 1 2 - 20 кэ 3 - 30 кэ 4 - 40 кэ 0.N = TC = 300 K 0.0.-0.10 -0.05 0.00 0.05 0. - Рис. 2. Температурные зависимости восприимчивости для случая «массивных» частиц.

которой критической температуре Tcrit (> TC), зависящей от величины внешнего магнитного поля и от размера частиц.

В-третьих, температурный фазовый переход «индуцированный суперпарамагнетизм - парамагнетизм» во внешнем магнитном поле H = const 0 происходит как фазовый переход второго рода.

В-четвертых, при фазовом переходе «индуцированный суперпарамагнетизм - парамагнетизм» восприимчивость M(T, H) имеет аномалию, которая соответствует критическому индексу M = 1/2.

В разделе 2.3 рассмотрен вопрос о влиянии разброса частиц по размерам на температурную зависимость магнитной восприимчивости системы наночастиц. При наличие разброса размеров частиц в системе скачок температурной зависимости (T) «размывается» за счет разброса критических температур для частиц разного размера, а фазовый переход из суперпарамагнитного состояния в парамагнитное происходит в некоторой области температур. Однако для узких функций распределений частиц по размерам это «размытие» незначительно.

1.0. MHH/M0 N = TC = 300 K N = 1.0.4 TC = 300 K 0.0.1 - H = 10 кэ 2 - 20 кэ 1 3 - 30 кэ 4 - 40 кэ 0.0.1 - H = 10 кэ 2 - 20 кэ 3 - 30 кэ 4 - 40 кэ -0.02 -0.01 0.00 0.01 0.-0.02 -0.01 0.00 0.01 0. - - Рис. 3. Температурные зависимости восприимчивостей и M для случая наночастиц.

Pages:     || 2 | 3 |






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