1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Серия физическая
  4. T. 83, № 7, 2019

Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 7, стр. 917-920

Магнитные свойства нанокомпозитов (Со40Fe40B20)x(SiO2)100 – x вблизи порога перколяции

Е. А. Фадеев 1, М. И. Блинов 2, *, В. В. Гаршин 2, О. С. Тарасова 3, Е. А. Ганьшина 2, М. В. Прудникова 2, В. Н. Прудников 2, Э. Ляхдеранта 1, В. В. Рыльков 4, А. Б. Грановский 2

1 Технологический университет Лаппеэнранта
Лаппеэнранта, Финляндия

2 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования “Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова”
Москва, Россия

3 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования “Воронежский государственный технический университет”
Воронеж, Россия

4 Федеральное государственное бюджетное учреждение “Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”
Москва, Россия

* E-mail: mi.blinov@physics.msu.ru

Поступила в редакцию 07.09.2018
После доработки 31.01.2019
Принята к публикации 27.03.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

В работе представлены результаты исследования магнитных и магнитооптических свойств нанокомпозитов состава (Со40Fe40B20)x(SiO2)100x, x = 30–72 ат. %. Полученные данные указывают на то, что нанокомпозиты структурно неоднородны: имеются как крупные гранулы, так и мелкие частицы, независимо вносящие вклады разного характера в магнитные свойства материала. Для составов вблизи порога перколяции особенности поведения коэрцитивной силы указывают на суперферомагнитное упорядочение при низких температурах.

ВВЕДЕНИЕ

Магнитные нанокомпозиты ферромагнитный металл–диэлектрик обладают комплексом разнообразных магнитных, магнитотранспортных, магнитооптических, высокочастотных свойств, перспективных для практического применения. С другой стороны, эти наногранулированные системы являются удобными объектами для изучения магнитных статических и динамических свойств ансамбля взаимодействующих магнитных частиц, так как при вариации концентрации и типа магнитной и диэлектрической компонент, размеров и форм гранул эти системы могут находиться в разных магнитных состояниях – от парамагнитного, спин-стекольного или суперпарамагнитного до суперферромагнитного и ферромагнитного [1]. Недавние детальные структурные исследования ряда нанокомпозитов (см., например, [2–4]) выявили, что наряду с гранулами сферической или вытянутой формы нанокомпозиты содержат и большое количество одиночных или ультрамалых кластеров магнитных ионов, которые могут сильно влиять на магнитные свойства. В частности, по-видимому, обмен ферромагнитного типа между гранулами возникает за счет именно этих ионов в межгранульных промежутках, что позволяет объяснить возникновение суперферромагнетизма при концентрации гранул заведомо меньших порога перколяции [2–5].

В данной работе приводятся результаты исследования магнитных и магнитооптических свойств нанокомпозитов (Со40Fe40B20)x(SiO2)100 – x при содержании ферромагнитной компоненты x = 30–72 ат. %.

ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Пленки толщиной примерно 1 мкм были получены методом ионно-лучевого распыления. Квазистатические магнитные свойства измерялись с помощью вибрационного магнитометра (LakeShore), СКВИД магнитометра (Cryogenic S700X) при 4.2–300 K в полях до 60 кЭ. Магнитооптические спектры изучались в геометрии экваториального эффекта Керра в спектральном диапазоне 0.5–4.0 эВ, в полях до 3 кЭ. при комнатной температуре. Действительная и мнимая части магнитной проницаемости определяли резонансным методом на частоте 50 МГц.

Структурные исследования, проведенные методами рентгеновской спектроскопии и электронной микроскопии (детали методик описаны в [2], указывают на то, что полученные образцы нестехиометрические по кислороду, и часть металлических компонентов присутствует не только в виде гранул, но и диспергированы в матрице в качестве более мелких частиц или изолированных ионов. Гранулы Co40Fe40B20 обладают размером 2–4 нм [2–4].

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Магнитные свойства

В работе исследовались полевые и температурные зависимости намагниченности. На рис. 1 в качестве типичных зависимостей намагниченности от магнитного поля для исследованной серии образцов приведены результаты для образцов с содержанием металла 31 и 57 ат. % при температурах 5 и 100 К. Рост намагниченности при малых температурах в сильных (2–10 кЭ) магнитных полях, отсутствующий в слабых (~50 Э) полях, указывает на наличие парамагнитных центров, вклад в магнитный момент от которых проявляется более явно при низких температурах.

Рис. 1

Зависимость намагниченности от магнитного поля для образцов (Со40Fe40B20)31(SiO2)69 и (Со40Fe40B20)57(SiO2)43 при температурах T = 5 и T = 100 К. На вставке отображены те же зависимости в крупном масштабе в слабых полях.

Для составов вблизи порога перколяции, составляющего согласно транспортным измерениям ~53 ат. %, зависимость коэрцитивной силы от температуры близка к корневой, что согласуется с теорией суперферромагнетизма [1, 5], а по мере отдаления от порога перколяции в область диэлектрика (<31 ат. %) при повышении температуры (T > 20 К) коэрцитивная сила становится неразличима и намагничивание начинает происходить практически без гистерезиса. Однако наличие гистерезиса при низких температурах и корневая температурная зависимость коэрцитивной силы образцов ниже порога перколяции (см. вставку на рис. 1) указывает на наличие суперферромагнетизма: парамагнитные ионы, диспергированные в матрице, позволяют осуществлять суперферромагнитный обмен между металлическими гранулами [3, 4], а при увеличении температуры дальний суперферромагнитный порядок пропадает. Проведенные резонансным методом исследования магнитной проницаемости в зависимости от концентрации металла показывают, что при комнатной температуре суперферромагнитный порядок пропадает при концентрациях уже ниже порога перколяции.

Магнитооптические свойства

На рис. 2 представлены спектральные зависимости экваториального эффекта Керра (ЭЭК) для одного из исследованных образцов – (CoFeB)60(SiO2)40 – для двух величин магнитного поля (100 Э и 3 кЭ). На рисунке также для удобства сравнения отображена разность эффектов при двух значениях магнитного поля и зависимость ЭЭК для образца со 100% содержанием металла. Характер зависимостей сильно изменяется при увеличении магнитного поля. При намагничивании в слабом поле основной вклад в эффект формируется за счет легко намагничивающихся крупных ферромагнитных гранул – зависимость качественно близка к наблюдаемой для сплава CoFeB. При увеличении магнитного поля вклад от малых гранул, проявляющих в силу размерного эффекта отличные от вклада крупных гранул, магнитные, оптические и магнитооптические свойства, становится больше, что приводит к трансформации формы спектра и даже к другому знаку ЭЭК в некоторой области спектра (см. вставку на рис. 2). Вклад от малых гранул определен как разность спектров ЭЭК при двух значениях магнитных полей. Характер этого спектра подобен спектру для нанокомпозитов (Со40Fe40B20)x(SiO2)100 – x с малой концентрацией х [6].

Рис. 2.

Спектральные зависимости экваториального эффекта Керра (ЭЭК) для образца (Co40Fe40B20)60(SiO2)40 при двух значениях магнитного поля 3 кЭ и 100 Э. На графике также приведен спектр для разности ЭЭК, полученного в сильном и слабом магнитных полях, и спектральная зависимость для чистого Co40Fe40B20. На вставке представлены полевые зависимости ЭЭК для двух энергий падающего света (1.57 и 3.28 эВ) для образца (Со40Fe40B20)60(SiO2)40.

Таким образом, исследование магнитооптических свойств указывает на наличие неоднородностей в размере и распределении ферромагнитных включений. Результаты исследования магнитных свойств нанокомпозитов (Со40Fe40B20)x(SiO2)100 – x при x = 30–72 ат. %. показали наличие парамагнитных центров в межгранульных промежутках, которые вносят существенный вклад в магнитные свойства материала в сильных магнитных полях, и наличие суперферомагнитного упорядочения при низких температурах для составов вблизи порога перколяции. Магнитооптические измерения подтвердили наличие структурной неоднородности в распределении и размере ферромагнитных гранул.

Список литературы

  1. Bedanta S., Kleemann W. // J. Phys. D. 2009. V. 42. Art. № 013001.

  2. Rylkov V.V., Nikolaev S.N., Chernoglazov K.Yu. et al. // Phys. Rev. B. 2017. V. 95. Art. № 144202.

  3. Рыльков В.В., Николаев С.Н., Демин В.А. и др. // ЖЭТФ. 2018. Т. 153. № 3. С. 424; Rylkov V.V., Nikolaev S.N., Demin V.A. et al. // JETP. 2018. V. 126. № 3. P. 353.

  4. Rylkov V.V., Sitnikov A.V., Nikolaev S.N. et al. // J. Magn. Magn. Mat. 2018. V. 459. P. 197.

  5. Timofeev A.A., Bdikin I., Lozenko A.F. et al. // J. Appl. Phys. 2012. V. 111. Art. № 123915.

  6. Ганьшина Е.А., Вашук М.В., Виноградов А.Н. и др. // ЖЭТФ. 2004. Т. 125. № 5. С. 1172; Gan’shina E.A., Vashuk M.V., Vinogradoy A.N. et al. // JETP. 2004. V. 98. № 5. P. 1027.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Серия физическая

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал