WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 9 Магнитные свойства кластеров никеля в нанопористом углероде © В.М. Федосюк, А.М. Данишевский, Д.А. Курдюков, В.Б. Шуман, С.К. Гордеев Институт физики твердого тела и полупроводников Национальной академии наук Белоруссии, 220018 Минск, Белоруссия E-mail: Fedosyuk@ifttp.bas–net.by Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Центральный научно-исследовательский институт материалов, 191014 Санкт-Петербург, Россия (Поступила в Редакцию 4 февраля 2003 г.) Описаны магнитные свойства образцов нанопористого углерода, в поры которых был введен никель.

Показано, что в том случае, когда значительная доля Ni находится именно в нанопорах, образец при температурах T < TC(Ni) проявляет свойства суперпарамагнетика. На основании данных магнитных измерений оценен размер нанопор, совпадающий с оценками, полученными ранее по данным малоуглового рентгеновского рассеяния.

Работа поддержана грантом INTAS N 00-761.

Активированные или пористые углеродные материа- суперпарамагнитных свойств, как в гранулированных лы могут применяться в качестве адсорбентов, элек- сплавах [7,8]. Более того, вероятным является и налитродов электролитических суперконденсаторов и пере- чие у таких структур эффекта изотропного гигантского заряжаемых литиевых батарей, контейнеров водорода магнетосопротивления [9,10].

и лития [1], различного рода низкофрикционных покрытий [2] и т. д. Область применения определяется 1. Методика эксперимента строением и структурой таких материалов. В свою очередь их структура зависит прежде всего от исходноВ работе исследовались образцы НПУ, полученные из го материала и способа приготовления нанопористого порошкообразных поликристаллов карбида молибдена углерода (НПУ). Одним из таких способов является (Mo2C). При приготовлении НПУ были использованы получение углеродного материала из карбидных соедидва способа. В первом случае (получались объемные нений путем химического удаления карбидообразующих образцы) порошок Mo2C прессовался в таблетки и далее неуглеродных атомов [3,4]. В результате образуется в атмосфере метана при высокой температуре проводилнанопористая углеродная система с высоким (порядка ся их отжиг. При этом в макропорах образцов за счет 50% и выше) уровнем пористости. Размеры нанопор разложения метана появлялись включения пироуглеромогут варьироваться в зависимости от типа исходного да, который играл роль связующего материала. Затем карбида в пределах 1-2.5 nm, причем однородность полученные образцы обрабатывались в атмосфере хлора их распределения весьма высока. Данные материалы при температуре 600C. В процессе химической реакции могут быть приготовлены как в виде порошков, так карбида молибдена с хлором возникали газообразные и в виде объемных механически прочных изделий [5,6], хлориды молибдена, которые удалялись из образцов практически не изменяющих своих структурных свойств как в процессе реакции, так и в результате последувплоть до достаточно высоких температур. Благодаря ющей продувки образцов аргоном. В итоге получались их термической и химической стойкости весьма приобъемные углеродные образцы с высокой степенью влекательным является введение в нанопоры различных общей пористости (до 76%) и нанопористости (до химических элементов в виде нанокластеров и иссле 48%). Доля пироуглерода в них не превышала 8 vol.%.

дование их свойств. На характеристики полученных Полученные объемные нанопористые углеродные матетаким образом нанокомпозитов, с одной стороны, могут риалы представляли собой круглые пластины диаметвлиять размерные ограничения в пределах кластера, ром 20 mm и толщиной около 1 mm. Для проведения а с другой — коллективные взаимодействия элементов, конкретных исследований из них вырезались образцы введенных в углеродную матрицу. Последнее должно необходимой формы и размеров.

наиболее ярко проявляться для магнитных металлов.

Помимо объемных из порошка карбида молибдена гоВ настоящей работе исследовались магнитные свой- товились также порошкообразные образцы НПУ. В этом ства нанокомпозитов на основе НПУ с введенным в на- случае нанопористость составляла 71%, а макропоринопоры никелем. Предполагалось, что если действитель- стость — около 5%.

но удается ввести в НПУ никель в виде отдельных на- При введении сторонних химических элементов в нанокластеров размером порядка нескольких нанометров, нопоры необходимо преодолеть влияние сил поверхто в этом случае следует ожидать появления в них ностного натяжения. Введение никеля осуществлялось 9 1668 В.М. Федосюк, А.М. Данишевский, Д.А. Курдюков, В.Б. Шуман, С.К. Гордеев двумя способами. В первом из них в объемных образцах поры заполнялись этанольным раствором нитрата никеля при температуре его кипения. Затем образец отжигался при температуре 250C, в результате чего указанная соль никеля в порах разлагалась и формировался оксид никеля. Далее путем длительного отжига образцов в проточном водороде при температуре 500C осуществлялось восстановление в порах металлического никеля. При другом способе, опробованном для введения никеля в образцы НПУ, использовалась соль NiCl2, имеющая не слишком высокую температуру возгонки.

Поскольку данная соль практически всегда гидратирована (NiCl2 · 6H2O), она предварительно прокаливалась в течение 7–10 h при температуре 230C в вакууме с откачкой. Затем ампула с солью и образцами НПУ запаивалась и производился отжиг при температуре около 1000C в течение 20 h. Введение NiCl2 в поры НПУ осуществлялось двухзонным методом с градиентом температуры. При этом температура на образцах НПУ была выше на 60-100C, чтобы по возможности избежать осаждения NiCl2 на поверхности и в макропорах. Давление паров NiCl2 в ампуле достигало 1 atm. Затем образцы промывались в этаноле, чтобы окончательно смыть осадок с поверхности, и отжигались в водороде Рис. 1. Магнитные свойства образца НПУ–Ni (введение с целью восстановления металлического никеля.

в НПУ этанольного раствора нитрата никеля с последуюМагнитные свойства углеродных нанокомпозитов щим восcтановлением металлического никеля в водороде).

с кластерами никеля исследовались на квантовом a — зависимость магнитного момента объемного нанокомпоСКВИД-магнитометре, калиброванном в значениях магзита НПУ–Ni от температуры после охлаждения в нулевом нитного момента, в области температур 5-300 K и в по(ZFC) и малом (50 Oe) (FC) полях; b — кривые перемаглях до 55 kOe. Точность установки поля 10 G, темпеничивания объемного нанокомпозита НПУ–Ni при температуратуры — ±10-2 K. Кроме обычных измерений петли рах 50 (1), 150 (2) и 300 K (3).

гистерезиса использовалось также измерение магнитного момента после охлаждения образца в нулевом (ZFC) и малом (FC) магнитных полях [11,12]. Это позволяет цов, что позволяло оценить окончательный вес никеля, оценить размер и характер распределения магнитных введенного в поры, и, зная пористость и плотность кластеров в немагнитной матрице [13].

исходных образцов, определить относительный объем НПУ, заполненный никелем.

2. Результаты и обсуждение На рис. 1 приведены температурные зависимости магнитного момента объемного образца НПУ (рис. 1, a) В объемных образцах НПУ сохранялось определенное с введенным в поры никелем (из этанольного раствоколичество макропор — пустот между порошинками.

ра нитрата никеля) и кривые перемагничивания при Полностью заполнить их пироуглеродом нельзя, так как трех значениях температуры (рис. 1, b). Как видно, необходимо обеспечить свободный выход реакционных для образцов, приготовленных первым способом, вид газов. При заполнении объемных нанопористых угле- ZFC–FC-кривых типичный для обычных ферромагнеродных материалов магнитными металлами в указанных тиков: магнитный момент образца с никелем после макропорах с размерами 1-3 µm (в зависимости от охлаждения в нулевом внешнем магнитном поле возразмеров порошинок) в ряде случаев могли образовы- растает по мере увеличения температуры и остается ваться достаточно массивные металлические кристал- практически постоянным при последующем охлаждении.

литы, обладающие магнитными свойствами обычного Более того, если измеренный при насыщении магнитмассивного никеля. Исследования магнитных свойств ный момент (рис. 1, b) с учетом веса образца сравмалых никелевых нанокластеров на их фоне вызывает нить с удельным магнитным моментом чистого никеопределенные затруднения. В связи с изложенным выше ля 55.37 G · cm3 · g-1 (намагниченность 484.1G), то для введения Ni использовались также порошкообраз- получается значение, близкое к упомянутому, характерные нанопористые углеродные материалы. ному для массивного никеля. Таким образом, видно, что На каждом этапе описанных технологических про- при приготовлении НПУ с нанокластерами Ni первым цессов производилось тщательное взвешивание образ- способом существенная часть никеля находится в маФизика твердого тела, 2003, том 45, вып. Магнитные свойства кластеров никеля в нанопористом углероде никель в НПУ входит как микрокристалл с ГЦК-типом кристаллической решетки и константой анизотропии KA 5 · 105 erg / cm3, оценка среднего размера кластеров никеля дает величину 2-3 nm. Эта величина близка к размеру нанопор в НПУ, приготовленном из Mo2C [15].

Таким образом, подтверждается одно из исходных предположений, что при удачном введении в нанопоры НПУ магнитных металлов следует ожидать их перехода в суперпарамагнитное состояние при определенных температурах T < TC(Ni) (TC(Ni) — температура Кюри массивного никеля) в случае достаточно малых размеров нанопор.

Из данных магнитных измерений (рис. 2) видно также, что образцы, приготовленнные из порошка НПУ–Ni, представляют собой смесь суперпарамагнитного и ферромагнитного состояний. Последнее является неизбежным следствием наличия макропор для вывода продуктов химической реакции и, возможно, наличия зерен Ni на поверхности порошинок. Наличие некоторого количества мезопор, например вследствие возможного объединения соседних нанопор друг с другом, возникающего благодаря механическим напряжениям при хлорировании исходных карбидов, должно приводить к увеличению объема и усилению обменного взаимодействия атомов в Ni-кластерах и соответственно к смещеРис. 2. Магнитные свойства порошкового образца НПУ–Ni (введение в НПУ NiCl2 путем его возгонки с последующим нию перехода ферромагнетик–суперпарамагнетик в них восстановлением металлического Ni в водороде). a — зав область более высоких температур. Отметим еще один висимость магнитного момента порошкового нанокомпозита интересный факт (рис. 2, a) — заметное возрастание НПУ–Ni от температуры после охлаждения в нулевом (ZFC) магнитного момента как на ZFC-, так и на FC-кривых и малом (50 Oe) (FC) полях; b — кривые перемагничивания в области очень низких (порядка 15–5K) температур.

порошкового нанокомпозита НПУ–Ni при температурах 50 (1), Это свидетельствует о наличии в матрице НПУ ни150 (2) и 300 K (3).

келевых нанокластеров чрезвычайно малых размеров, вплоть до мелких групп атомов Ni. В соответствии с технологией получения НПУ с Ni это может быть связано с наличием очень малых пор (< 1nm).

кропорах, что приводит к типичным свойствам обычного Кривые перемагничивания нанокомпозитов углерода ферромагнетика.

с никелем (рис. 2, b) также состоят из необратимой Для порошкообразных образцов НПУ–Ni (введение и обратимой ветвей. Этот факт, а также то, что намагNi вторым способом) данные магнитных исследований (рис. 2) свидетельствуют о том, что, несомненно, зна- ниченность не выходит на насыщение даже в достаточно больших ( 6000 Oe) полях, позволяет еще раз сделать чительная часть Ni содержится именно в нанопорах.

тот же вывод: Ni находится как в суперпарамагнитном, ZFC–FC-кривые образца являются типичными для смеси так и в ферромагнитном состоянии. Причем их соотносуперпара- и ферромагнетиков, причем доля суперпашение примерно соответствует 30 и 70%. На основании рамагнетика в образце достаточно велика. Об этом сопоставления веса образца и его магнитного момента свидетельствует ход кривой ZFC: видно, что она стреможно уточнить, что никеля в нанопорах находится мится к максимуму в области 300-350 K. В соотпримерно 17–20%. Намагниченность чистого никеля, ветствии с формулой Бина–Ливенстона [14], связываюимеющего такой же вес, как и исходный образец, должна щей средний размер ферромагнитных включений в диабыть 0.94 G, в нашем случае она составляет только или парамагнитной матрицах с константой анизотропии 0.162 G, что соответствует приведенным данным.

и критической температурой, Таким образом, в настоящей работе приведены результаты магнитных исследований НПУ с кластерами никеля KAV = kTB и подтверждена гипотеза о том, что в случае нахожде(KA — константа анизотропии магнитного кластера, ния включений Ni в нанопорах они должны обладать V — его средний объем, k — постоянная Больцмана, суперпарамагнитными свойствами. Введение Ni в НПУ, TB — средняя температура блокирования (максимум по приготовленные из других карбидов (например, SiC, ZFC-кривой)) можно оценить средний размер нанокла- TiC, B4C) и имеющие размеры нанопор меньшие или стеров никеля в матрице НПУ. Если предполжить, что большие по сравнению с исследованным в данной работе Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 1670 В.М. Федосюк, А.М. Данишевский, Д.А. Курдюков, В.Б. Шуман, С.К. Гордеев НПУ из Mo2C [15], дает возможность изменять величину TB в широких пределах, что может представлять интерес для применений указанных материалов. Принимая это во внимание, можно сделать вывод, что НПУ с Ni представляют собой новый класс так называемых гранулированных сплавов [16]. Можно полагать, что они должны обладать эффектом гигантского магнетосопротивления.

В настоящее время проводятся исследования транспортных свойств нанокомпозитов, результаты которых будут проанализированы в отдельной работе.

Список литературы [1] I.M. Kotina, V.M. Lebedev, G.V. Pasekina, L.M. Tuhkonen, A.G. Ilves, M.A. Yagovkina, S.K. Gordeev. J. Non-Cryst. Sol.

299–302 (Pt 2), 820 (2002).

[2] Y. Gogotsi. In: Nanostructured Films and Coatings / Ed. GanMoon Chow, I.A. Ovid’ko, T. Tsalalakos. Kluver Academic Publ., Dordrercht–Boston–London (1999). P. 25.

[3] Патент США N 3066099 (1962); Патент ФРГ N (1966).

[4] Н.Ф. Федоров, Г.К. Ивахнюк, Д.Н. Гаврилов. ЖПХ 55, 1, 272 (1982).

[5] С.К. Гордеев, А.В. Вартанова. ЖПХ 64, 1178 (1991); 67, 1080; 1375 (1994).

[6] С.К. Гордеев, А.В. Вартанова, С.Г. Жуков, И.Н. Грань, В.В. Соколов, Т.И. Мазаева, Р.Г. Аварбэ. Патент Российской Федерации № 2026735. МКл6 В01J20 / 20. Бюл. № (1995).

[7] Р.Г. Аварбэ, С.К. Гордеев, А.В. Вартанова и др. Патент Российской Федерации № 2084036. МКл6 H0169 / 00. Бюл.

№19 (1997).

[8] В.М. Федосюк, Т.А. Точицкий. Электролитически осажденные наноструктуры. Белорус. ун-т, Минск (2002). 353 с.

[9] V.M. Fedosyuk, T.A. Tochitskii, H.J. Blyhte. J. Magn. Magn.

Mater. 224, 221 (2002).

Pages:     || 2 |



© 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.