WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

тура Кюри. Однако значение эффективного магнитного Более низкие значения гетерофазного образца по момента µeff = 2.12 µB выше теоретического значения сравнению с однофазным CuO (рис. 2) обусловлены µeff = 1.73µB для изолированных ионов Cu2+, что указывкладом в общую восприимчивость фаз Cu2O и Cu.

вает на наличие обменной связи между ионами Cu2+ Следовательно, наблюдаемое поведение (T ) нанопов этой области температур. Для нанопорошков CuO рошков CuO не связано с присутствием фаз Cu2Oи Cu, при всех температурах наблюдается корреляция между а является проявлением нанокристаллического состовеличиной восприимчивости и размером частиц: чем яния монооксида меди. Отметим, что измерения магменьше размер d, тем выше значение.

нитной восприимчивости являются удобным экспрессВажным фактором, влияющим на вид зависимости методом выявления неконтролируемых магнитных при(T ), является не только размер частиц, но и плотность месей в слабомагнитных материалах.

образцов. На рис. 4 представлены температурные зависимости восприимчивости в магнитном поле H = 9kOe плотных (98%) нанокерамических образцов CuO с раз- 3. Обсуждение ным размером зерна, подвергнутых ударно-волновому Антиферромагнитное упорядочение в CuO обусловвоздействию. Для образца с большим размером зерна d = 110 nm температурная зависимость восприимчиво- лено сверхобменным взаимодействием ионов Cu2+ со следующими за ближайшими соседями через ионы O2сти совпадает с соответствующей зависимостью (T ) в направлении [101]. Угол связи Cu–O–Cu вдоль этого для поликристаллов. В этой серии образцов размер зерна изменяется в тех же пределах, что и размеры направления наиболее близок к 180. Во всех других порошинок образцов, полученных методом газовой кон- направлениях угол Cu–O–Cu близок к 90 и обесденсации, однако характер изменения (T ) несколько печивает ферромагнитное взаимодействие. Магнитную отличается. Из рис. 4 видно, что восприимчивость нагру- структуру CuO можно представить в виде зигзагообженных образцов не зависит от размера зерна в области разных антиферромагнитных цепочек Cu–O–Cu вдоль Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 294 Т.И. Арбузова, С.В. Наумов, В.Л. Арбузов, К.В. Шальнов, А.Е. Ермаков, А.А. Мысик направления [101]. Обменная связь между цепочками более слабая и ферромагнитная. При высоких температурах, когда тепловая энергия kT становится сравнимой с обменным параметром между цепочками, это взаимодействие выключается и CuO переходит в квазиодномерное антиферромагнитное состояние. Выше T = 550 K монооксид меди находится в парамагнитном состоянии.

При уменьшении размера частиц в нанокристаллических образцах зависимость (T ) имеет сложный вид, который, по-видимому, связан с „парамагнитным“ вкладом, обратно пропорциональным температуре. Разумно связать „парамагнитный“ вклад в измеряемую с поверхностными слоями. В рыхлых нанопорошках доля поверхностных слоев в общей массе больше, чем в плотной нанокерамике, поэтому этот вклад проявляется во всей области температур.

Рассмотрим возможные причины влияния поверхностных эффектов на магнитные свойства CuO. В поверхностных слоях из-за нарушения трехмерной периодичности происходит разрыв обменных связей между ионами Рис. 5. Расчетные кривые температурной зависимости магCu2+. В случае 1D-антиферромагнетиков образуются нитной восприимчивости для разных концентраций (x) параальтернированные цепочки с ограниченным числом спимагнитных ионов Cu2+ в нанокристаллических образцах CuO.

нов [12]. Маловероятно, что большая часть альтернатив- x, %: 1 —1, 2 —2, 3 —4, 4 —6.7, 5 — 10, 6 — 15, 7 — 20, ных цепочек в CuO состоит из нечетного числа спинов, 8 — 100.

для которых должен наблюдаться рост. Для альтернативных антиферромагнитных цепочек с четным числом спинов восприимчивость плавно уменьшается при поНа наш взгляд, основной причиной появления паранижении температуры. В результате разрыва обменных магнитной составляющей восприимчивости в нанокрисвязей в поверхностных слоях CuO, скорее всего, станосталлическом CuO являются парамагнитные ионы Cu2+, вится сильно фрустрированным антиферромагнетиком.

локализованные в поверхностных слоях. Полагая, что Для таких антиферромагнетиков перпендикулярная и паизменение вида температурных зависимостей восприимраллельная восприимчивости ( = 2/3 + 1/3 ) могут чивости для нанокристаллических образцов с разным возрастать при понижении температуры. Фрустрация размером частиц обусловлено изменением соотношения обменных связей должна проявляться только в магнимежду вкладами в от антиферромагнитной матрицы тоупорядоченной области. В высокотемпературной облаи от парамагнитных ионов Cu2+, мы провели расчеты сти T > TN уменьшение размеров частиц не должно влиполной восприимчивости как ять на абсолютные значения восприимчивости (T ). Такое поведение (T ) наблюдается в образцах из плотной =(1 - x)(CuO) +x(Ng2S(S + 1)µB/3kT), (2) нанокерамики. Их магнитные свойства можно объяснить сильно фрустрированным антиферромагнетизмом. Одна- где x — концентрация парамагнитных ионов Cu2+, ко в случае рыхлых нанопорошков абсолютные значения S = 1/2, g = 2.

восприимчивости увеличиваются при уменьшении d во Первый член уравнения (2) определялся из темперавсей температурной области. турной зависимости восприимчивости для поликристалКак отмечалось выше, разрыв большого числа обмен- ла CuO с составом, близким к стехиометрическому [9].

ных связей поверхностных ионов в наночастицах может Второй член в (2) представляет собой закон Кюри, так привести к состоянию спинового стекла. Из рис. 2 и 4 как ионы Cu2+ в поверхностных слоях наночастиц не видно, что в CuO состояние спинового стекла может упорядочиваются магнитно ни при каких температурах реализоваться только ниже 80 K. Выше температуры (парамагнитная температура Кюри = 0).

замерзания Tf, при которой должен наблюдаться макси- На рис. 5 представлены расчетные кривые (T ) для мум восприимчивости, наночастицы должны находить- разных концентраций x = 0.01-0.20. Ход зависимостей ся в парамагнитном состоянии, а их восприимчивость (T) для нанокристаллов с d > 70 nm и поликристалдолжна следовать закону Кюри–Вейса. Согласно нашим лов совпадает, поскольку при малых x 0.01 полисследованиям, закон Кюри–Вейса выполняется только ная восприимчивость в основном определяется первым для нанопорошка с d = 15 nm (рис. 3). Однако большое членом уравнения (2). При увеличении концентрации значение µeff указывает на то, что в малых частицах CuO ионов Cu2+ роль второго члена возрастает, особенно в области T > 80 K реализация состояния спинового при низких температурах. Температурные зависимости стекла маловероятна. восприимчивости имеют вид, подобный виду кривых на Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. Поверхностный магнетизм нанокристаллического монооксида меди рис. 4 для нанокерамики с минимумом в температур- расстояние между частицами большое, поэтому восном интервале 150–200 K. При больших концентрациях приимчивость характеризует магнитные свойства самих ионов Cu2+ (x > 0.10) доминирует второй член уравне- наночастиц. Спины ионов Cu2+ на поверхности обменно ния (2). Эти зависимости подобны кривым (T ) на рис. не связаны со спинами ионов Cu2+, находящихся в объдля нанопорошков CuO. Если бы все ионы Cu2+ были еме наночастиц. В плотной керамике малое расстояние изолированы, то восприимчивость при 77 K достигала между наночастицами приводит к корреляции спинов бы значения = 61.2 · 10-6 cm-3/g. Эксперименталь- поверхностных ионов Cu2+. В этом случае следует ные значения для нанокристаллических образцов на учитывать взаимодействие между наночастицами [14].

порядок меньше. Следовательно, антиферромагнитное Различие зависимостей (T ) для нанопорошков и плотупорядочение большей части ионов Cu2+ в наночастицах ной нанокерамики CuO при одинаковом размере частиц сохраняется.

связано с уменьшением концентрации парамагнитных Появление пармагнитных ионов Cu2+ в мультислоях ионов Cu2+ в последних из-за взаимодействия между CuO ниже TN наблюдали авторы работы [13]. Полинаночастицами и изменения поверхностной спиновой кристаллические и эпитаксиальные пленки CuO разной структуры.

толщины (d = 2-200 nm) напылялись на подложки из Таким образом, в нанокристаллических образцах понемагнитных фаз MgO и Al2O3. В области температур верхностные эффекты оказывают заметное влияние на 4.2 < T < 300 K все пленочные образцы имели обратно магнитные свойства CuO. На поверхности наночастиц пропорциональную температурную зависимость восприиз-за потери трехмерной периодичности нарушаются имчивости 1/T. При одной и той же общей толщине антиферромагнитные связи между ионами Cu2+. В ремультислоев восприимчивость выше у более тонких зультате часть ионов меди в поверхностных слоях при пленок. Установлено, что при 4.2 K восприимчивость T < TN находится в парамагнитном состоянии и ведет линейно увеличивается с ростом числа интерфейсов.

себя как парамагнитная примесь. Магнитная восприАвторы [13] приводят зависимости (T ) в относительимчивость наночастиц CuO описывается суперпозицией ных единицах, поэтому нет возможности сравнить абсовклада от антиферромагнитной матрицы и парамагнитлютные значения восприимчивости для пленок и наноного вклада излированных ионов Cu2+. Парамагнитный порошков. На основании магнитных и мессбауэровских измерений делается вывод, что в пленках кроме основ- вклад возрастает при увеличении доли поверхностных ной антиферромагнитной фазы CuO присутствуют пара- слоев в общей массе образцов, в частности при уменьшении размеров наночастиц и плотности образцов.

магнитные ионы Cu2+, локализованные в прилегающих к интерфейсным слоям плоскостях с эффективной толщиной 2–4. Для тонких поликристаллических пленок Список литературы 20 CuO/30 Al2O3, состоящих из 100 слоев, оценка концентрации парамагнитных ионов Cu2+ из данных [1] R.H. Kodama. J. Magn. Magn. Mater. 200, 359 (1999).

по магнитной восприимчивости дает значение 6.7% от [2] R.H. Kodama, A.E. Bercowitz. Phys. Rev. B 59, 9, общего числа ионов меди. Мессбауэровские спектры при (1999).

4.2 K для таких же пленок из 50 слоев CuO хорошо [3] E. Gmelin. Ind. J. Pure Appl. Phys. 30, 596 (1992).

описываются при концентрации x = 0.10. Увеличение [4] А.А. Самохвалов, Т.И. Арбузова, Н.А. Виглин, С.В. Нау толщины пленок (100 CuO/150 A Al2O3, 10 слоев) мов, В.Р. Галахов, Д.А. Зацепин, Ю.А. Котов, О.М. Саматов, Д.Г. Клещев. ФТТ 40, 2, 295 (1998).

приводит к уменьшению интенсивности парамагнитного [5] T. Ishihara, K. Kometanis, M. Hashida, Y. Yakita. Chem. Lett.

вклада до 4%.

223, 1163 (1990).

Из сравнения экспериментальных и расчетных за[6] Q. Wei, W.D. Luo, B. Liao, Y. Lin, G. Wang. J. Appl. Phys.

висимостей (T ) можно заключить, что предложенная 88, 8, 4818 (2000).

модель хорошо описывает поведение восприимчивости [7] Т.И. Арбузова, С.В. Наумов, А.А. Самохвалов, Б.А. Гижевв нанокристаллических образцах CuO, полученных разский, В.Л. Арбузов, К.В. Шальнов. ФТТ 43, 5, 846 (2001).

ными методами. Увеличение доли свободных поверх[8] Р. Карлин. Магнетохимия. Мир, М. (1989).

ностных слоев в общей массе образца должно приводить [9] Т.И. Арбузова, И.Б. Смоляк, С.В. Наумов, А.А. Самохвак увеличению концентрации парамагнитных ионов Cu2+.

лов. ФТТ 40, 10, 1876 (1998).

Оценки показали, что в нанопорошках с размером [10] T.I. Arbuzova, A.A. Samokhvalov, I.B. Smolyak, S.V. Naumov.

частиц d = 60 nm концентрация парамагнитных ионов J. Magn. Magn. Mater. 168, 95 (1991).

Cu2+ x = 0.02, а при d = 15 nm x = 0.082. В плотной [11] M.O’Keeffe, F.S. Stone. J. Phys. Chem. Sol. 23, 261 (1962).

нанокерамике максимальное значение x = 0.03 имеет [12] J.C. Bonner, M.E. Fisher. Phys. Rev. A 135, 640 (1964).

образец с минимальным размером зерна d = 5 nm. На- [13] M. Sohma, K. Kawaguchi, Y. Fujii. J. Appl. Phys. 77, 3, (1995).

ши значения концентраций парамагнитных ионов Cu2+ [14] M.F. Hansen, S. Morup. J. Magn. Magn. Mater. 184, в нанокристаллах CuO согласуются с данными для (1998).

мультислоев.

Помимо размера наночастиц важным фактором, влияющим на величину парамагнитного вклада в, является плотность образцов. В рыхлых нанопорошках Физика твердого тела, 2003, том 45, вып.

Pages:     | 1 ||



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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.