Магнитные свойства наноматериалов

Рисунок 20 - Зависимость изменения магнитосопротивления ΔR от толщины магнитного слоя железа в многослойной структуре Fe-Cr постоянном магнитном поле.

Эффект  впервые наблюдался на пленках, в которых чередовались слои железа и хрома, но затем были обнаружены и другие возможные комбинации слоев, составляющих пленку. Так, в материале из чередующихся слоев кобальта и меди магнитосопротивление намного больше. На (рис. 19) показано влияние постоянного магнитного поля на сопротивление много слойной системы железо-медь. Величи на изменения сопротивления зависит от толщины слоев железа и достигает максимума при толщине 7 нм, как показано на (рис. 20). Эффект возникает из-за зависимости рассеяния электронов от направления их спина по отношению к вектору намагниченности. Электроны, спин которых направлен противоположно направлению намагниченности М, рассеиваются сильнее, чем те, спин которых сонаправлен с М. Приложение постоянного магнитного поля вдоль слоев ориентирует векторы намагниченности во всех слоях в одном направлении. Электроны проводимости, спин которых направлен в сторону, противоположную намагниченности, рассеиваются на границах металл-Ферромагнетик сильнее, чем со спином в направлении намагниченности. Так  как оба канала работают параллельно, канал с меньшим сопротивлением определяет полное сопротивление материала.

Эффект  магнитосопротивления в этих слоистых материалах служит чувствительным детектором постоянного магнитного поля и является основой для создания новых высокочувствительных считывающих головок магнитных дисков. До открытия этого эффекта устройства магнитного хранения информации использовали индукционные обмотки, и для намагничивания малой области носителя в определенномнаправлении (режим записи), и для последующего определения направления намагниченности (режим считывания). Магниторезиетивные считывающие головки существенно чувствительнее, чем индукционные.

Материалы, состоящие из однодоменных ферромагнитных наночастиц со случайно ориентированным вектором намагниченности, находящихся в немагнигной матрице, также обладают гигантским магнитоеопротивлением. На (рис. 18,б) показана схема такой системы. В отличие от слоистых структур магнитосопротивление в этой системе изотропио. При помещении ее в магнитное поле вектора намагниченности ферромагнитных наночастиц ориентируются по полю, что уменьшает электрическое сопротивление. Влияние магнитного поля на сопротивление увеличивается при увеличении напряженности поля и уменьшении размеров магнитных частиц. На (рис. 21) показаны типичные результаты измерений на пленке, состоящей из наночастиц кобальта в медной матрице, при 100К.

Рисунок 21 - Зависимость изменения магнитосопротивления ΔR от приложеного магнитного поля для тонкой пленки наночастиц кобальта в медной матрице.

Гибридные системы, состоящие из наночастиц в металлической матрице, расположенной между двумя ферромагнитными слоями, демонстрируют аналогичные магниторезистивные свойства. Обнаружены материалы, имеющие большее значение магнитосопротивления, чем слоистые системы, и такое явление в них названо колоссальным магиитосопротивлением. Эти материалы также имеют множество возможностей для применения, например в записывающих магнитных головках или в чувствительных элементах магнитометров. В материалах типа перовскита LaМnОз марганец имеет валентность три. Если La^З+ частично заменить двухвалентными ионами, например Са, Ва, Sr, РЬ или Cd, для сохранения электронейтральности некоторые ионы марганца изменят состояние с Мn³⁺ на Мn⁴⁺.

В результате образуется система со смешанной валентностью Мn³⁺/ Мn⁴⁺, в которой npисутствует значительное количество подвижных носителей заряда. Обнаружено, что такая система демонстрирует очень большое магнитосопротивление. Элементарная ячейка этого кристалла показана на (рис. 22). Например, соnpотиrление системы La_0.67Са_0,33МnО_x в постоянном поле 6 Т изменяется более, чем в тисячу раз.

 

Рисунок 22 - Кристаллическая структура LaМnО3, в которой при легировании Са или Sr, замещающих La, наблюдается колоссальное магнитосопротивление.

 

 

 

 

Ферромагнитные жидкости

 

Ферромагнитные  жидкости - это коллоиды, обычно состоящие  из 10-нанометровых магнитных частиц, покрытых поверхностно-активным веществом для предотвращения их агрегации и взвешенных в керосине или трансформаторном масле. Наночастицы представляют собой однодоменные магниты, ориентация магнитных моментов которых в отсутствии магнитного поля случайна в каждый момент времени, так что полная намагниченность жидкости равна нулю. При на ложении магнитного поля моменты отдельных частиц выстраиваются по направлению поля, и жидкость намагничивается. Обычно в таких жидкостях используются частицы магнетита Fе_ЗО₄.

Рисунок 23 - Кривая намагничивания ферромагнитной жидкости на основе наночастиц магнетита, Fе3О4, демонстрирует магнитомягкое поведение (отсутствие гистерезиса) . 1Эрстед = 10-4 Тесла.

На (рис. 23) показана кривая намагничивания феррожидкости с 6-нанометровыми частицами магнетита, гистерезис которой практически отсутствует. Таким образом, ферромагнитные жидкости - суперпарамагнитные магнитомягкие материалы. Интересно, что суспензии магнитных частиц в жидкостях использовались в магнитных вакуумных затворах начиная с 1940-х годов, но брались частицы больших, микронных, размеров. Помещение такой суспензии в постоянное магнитное поле приводит к ее загущению до твердого состояния, так что в намагниченном состоянии этот материал жидкостью не является.

Нанометровый  масштаб размеров частиц является необходимым  условием для существования ферромагнитной жидкости. Эти жидкости обладают массой интересных свойств, как зависимость от МП анизотропии оптических свойств. Аналогичные свойства наблюдаются у жидких кристаллов, состоящих из длинных молекул, обладающих электрическим дипольным моментом, на ориентацию которых в жидкой фазе можно влиять с помощью электрического поля.

Рисунок 24 - Изображение концов цепочек магнитных наночастиц в ферромагнитной жидкости в перпендикулярном пленке магнитном поле, полученное в оптическом микроскопе. Напряженность поля достаточна для формирования гексагональной решетки из цепочек.

Управляемое электрическим полем двулучепреломление жидких кристаллов широко используется в оптических устройствах, например жидкокристаллических дисплеях наручных часов или переносных компьютеров. Это подсказывает потенциальные применения ферромагнитных жидкостей на основе их двулучепреломления, зависящего от магнитного поля. Для наблюдения этого явления жидкость помещают в закрытую стеклянную ячейку слоем толщиной несколько микрон. При наложении магнитного поля параллельно поверхности с помощью оптического микроскопа можно наблюдать, как некоторые магнитные частицы в жидкости собираются в иглообразные цепочки, ориентированные вдоль поля. При наложении поля перпендикулярно поверхности пленки цепочки упорядочиваются в структуру, снимок которой через оптический микроскоп показан на (рис. 24).

Первоначально, при низких полях, концы цепочек располагаются на плоскости случайно. Когда при увеличении напряженности поля достигается критическое значение, цепочки упорядочиваются в показанную на рисунке гексагональную структуру. Такое поведение аналогично образованию решетки вихрей в сверхпроводнике второго рода. Образование цепочек в феррожидкости в магнитном поле делает ее оптически анизотропной. При распространении света или, в общем случае, электромагнитной волны, вектора напряженностей электрического и магнитного поля колеблются в плоскостях, перпендикупярных направлению распространения волны.

Рисунок 25 - Экспериментальная установка для измерения эффекта оптической поляризации на пленке ферромагнитной жидкости в магнитном поле, параллельном поверхности.

 Свет  называется линейно поляризованным в том случае, если колебания вектора одного типа происходят в одной перпендикулярной лучу плоскости, а не в случайном поперечном направлении. Когда линейно поляризованный свет падает на пленку ферромагнитной жидкости, находящуюся в магнитном поле, он выходит с другой стороны пленки эллиптически поляризованным. Это называют эффектом Коттона-Мутона. Экпериментальная установка для наблюдения этого эффекта показана на (рис. 25).

Линейно поляризованный дополнительным поляроидом луч гелий-неонового лазера падает на пленку ферромагнитной жидкости. Для исследования поляризации выходящего из пленки света используется другой поляроид, называемый анализатором. Он размещается между пленкой и детектором света, в качестве которого выступает фотоумножитель. Интенсивность прошедшего пучка света измеряется как функция угла ориентации направления поляризации анализатора, обозначенного на рисунке буквой η.

 С помощью ферромагнитной жидкости можно также создать настраиваемые магнитным полем дифракционные решетки. Дифракция возникает в результате наложения двух или большего количества световых волн с одинаковой длиной волны, приходящих на детектор, например, фотопленку, по путям слегка разной длины. Если длина путей отличается на половину длины волны, такие волны гасят друг друга, а на пленке образуется темная область. Если длина путей отличается на длину волны, интенсивности волн складываются, образуя яркую область на детекторе. Дифракционная решетка состоит из тонких щелей, разнесенных друг от друга на расстояния порядка длины волны падающего света.

Выше  было показано, что при помещении  пленки ферромагнитной жидкости в достаточно сильное постоянное магнитное поле, направленное перпендикулярно пленке, агрегированные в цепочки ферромагнитные наночастицы образуют равновесную двумерную гексагональную решетку. Такая структура может выступать в качестве двумерной оптической дифракционной решетки, на которой падающий на нее свет будет дифрагировать. На (рис. 26) показано черно-белое изображение цветных дифракционных колец, выглядящих как чередование светлых и темных участков. Эта структура образуется в результате дифракции параллельного пучка белого света на пленке ферромагнитной жидкости, помещенной в магнитное поле. Дифракционная картина определяется уравнением

dsinθ =nλ, где d - расстояние между цепочками наночастиц, θ - угол между нормалью к поверхности пленки и выходящим из нее пучком света, n – целое число, λ - длина световой волны.

 Ранее было показано, что расстояние d между цепочками зависит от напряженности приложенного магнитного поля. Таким образом можно получить перестраиваемую дифракционную решетку, которую можно подстраивать образуется в результате дифракции параллельного пучка белого света на пленке ферромагнитной жидкости, помещенной в магнитное поле. Дифракционная картина определяется уравнением на требуемую длину волны, изменяя напряженность магнитного поля. Ферромагнитные жидкости уже коммерчески используются в нескольких приложениях. Они выступают в качестве герметика, препятствующего проникновению пыли внутр. корпуса жестких дисков персональных компьютеров, и вакуумных уплотнителей, необходимых для введения быстро вращающихся осей в высоковакуумированную зону.

Ферромагнитные жидкости используются в акустических динамиках для демпфирования мембраны. Даже природа использует ферромагнитные жидкости. Например, считается, что ферромагнитная жидкость играет определенную роль в системе ориентации форели. Полагают, что в носу форели существуют клетки, содержащие суспензии наночастиц магнетита. Когда рыба меняет свою ориентацию по отношению к магнитному полю Земли, направление намагниченности ферромагнитной жидкости в клетках меняется. Это изменение обрабатывается мозгом форели для получения информации о ее ориентации.

Рисунок 26 - Черно-белое изображение цветных дифракционных колец, образующихся при прохождении света через пленку ферромагнитной жидкости в перпендикулярном к ее поверхности магнитном поле.

 

 Новые области применения магнитных наноматериалов

 

Высокий уровень онкологических заболеваний  остается одной из самых серьезных проблем нашего времени. К сожалению, до сих пор не найдено лекарства, способного эффективно "лечить" раковые клетки. Поэтому все способы борьбы связаны с обнаружением и хирургическим удалением опухоли и метастаз в сочетании с химиотерапией или воздействием убивающих клетки излучений. Все эти меры чрезвычайно вредны даже для здорового организма, и применяются только потому, что обычно раковые клетки гибнут при таких воздействиях быстрее, чем здоровые.

Альтернативой хирургическому вмешательству  в будущем может стать метод  внутритканевой гипертермии, клинические  испытания которого сравнительно недавно были проведены Германии. Этот метод основан на пониженной температурной устойчивости раковых клеток по сравнению с непораженной тканью: наночастицы "находят" в человеческом организме раковые клетки, концентрируются в них, и убивают их за счет разогрева безопасными "дозами" переменного магнитного или (гораздо реже) микроволнового поля выше температуры 42 °С, при которой начинает происходить денатурация белков. В настоящее время исследуется возможность использования в качестве таких систем биосовместимых магнитных наночастиц оксидов железа (y-Fe₂0₃, Fe₃0₄, Fe₃0₄ в оболочке золота) или металлов (Fe/Pt, Fe/Co, Au). Основные вопросы, на которые надо ответить исследователям - как добиться высокой степени концентрации наночастиц в опухоли (например, с помощью антител) и как снизить побочное воздействие перегрева на здоровые ткани и органы.