Результаты исследований в области нанотехнологий и наноматериалов. Часть 3

Устойчивость магнитных состояний металлических наносистем

Актуальность

Проблема устойчивости магнитных состояний наноструктур относительно температурных флуктуаций важна, как для фундаментального магнетизма, так и для приложений. Характерным примером, где она имеет принципиальное значение, может служить разработка устройств магнитной памяти, в которых необходимо осуществлять управляемое изменение (запись информации) и поддержание неизменным (хранение информации) намагниченности структурных элементов. Уменьшение размеров элементов памяти и времени их переключения качественно увеличивает эффективность современных компьютеров. Однако при уменьшении размеров до наномасштабов необходимо гарантировать устойчивость магнитных состояний относительно тепловых флуктуаций, а при очень низких температурах - и относительно процессов квантового туннелирования [1].

Магнитные переходы, индуцированные тепловыми флуктуациями, экспериментально наблюдались в различных системах на различ-

А.И. КАРПОВ Результаты исследований в области нанотехнологий и наноматериалов. Часть 3

ных пространственных масштабах. Несмотря на разнообразие, во всех системах реализовывались два или более устойчивых магнитных состояния, характеризующиеся различной пространственной ориентацией магнитных моментов. В настоящее время методами сканирующей туннельной микроскопии удается экспериментально исследовать такие состояния даже на уровне отдельных атомов.

Развитие последовательного теоретического подхода, который позволил бы единым образом описывать активационные магнитные переходы в различных системах, актуально, как с точки зрения интерпретации экспериментальных данных, так и для понимания физических свойств системы, ответственных за формирование и устойчивость магнитных состояний. В принципе, активационные переходы можно исследовать путем прямого моделирования динамики магнитной системы при конечной температуре и подсчета количества траекторий, начинающихся в одном устойчивом состоянии и заканчивающихся в другом. Однако характерное время между переходами от одного метастабильно-го состояния к другому на много порядков больше времени осцилляций моментов около положения равновесия. Поэтому на временном масштабе периода осцилляций магнитных моментов переход между различными состояниями является чрезвычайно редким событием, и стандартное моделирование таких процессов на этих временах не представляется возможным. Схожая проблема возникает при моделировании химических реакций и процесса эпитаксиального роста. Разделение временных масштабов осцилляций магнитных моментов около положения равновесия и собственно скачков между положениями равновесия дает возможность применить статистический подход, исключающий «быструю» динамику из прямого рассмотрения. Такой подход был предложен для оценки среднего времени жизни реагентов в химических реакциях и получил название теория переходного состояния (ТПС). Хотя ТПС использовалась для описания переходов и в магнитных системах, она строилась в предположении об однородной намагниченности всей системы. Однако это не всегда так. Как было экспериментально показано, перемагничивание даже очень маленьких магнитных островков происходит посредством формирования и движения доменной границы, и намагниченность в процессе перехода не является однородной.

Таким образом, большой интерес представляет разработка многомерной ТПС, которая позволила бы описывать магнитные переходы

А.И. КАРПОВ Результаты исследований в области нанотехнологий и наноматериалов. Часть 3

в системах с большим числом степеней свободы. При этом важно учитывать неэквивалентность путей перехода в многомерном пространстве конфигурационных параметров. Среди всех возможных путей, соединяющих начальное и конечное состояние, наибольшим статистическим весом обладает путь с минимальным перепадом энергии (ПМПЭ), который определяет величину активационного барьера и превалирующий механизм перехода. Вместе с тем возникает задача самосогласованного расчета магнитной структуры системы не только в основном и метаста-бильном состояниях, но и в промежуточных неравновесных состояниях в процессе перехода.

Помимо большого научного значения, заключающегося в углублении понимания механизмов магнитных активационных переходов в сложных пространственно- неоднородных магнитных структурах, расчеты в рамках ТПС для магнитных степеней свободы важны при разработке новых элементов магнитной памяти и других устройств микроэлектроники.

Цель работы – разработка многомерной теории активационных магнитных переходов, обобщающей теорию переходного состояния на магнитные степени свободы, развитие теоретического подхода к описанию магнитной структуры систем в процессе перехода, а также проведение расчетов времени жизни магнитных состояний в конкретных системах.

Научная новизна

В работе впервые получены следующие результаты:

• •    Развита многомерная теория переходного состояния для магнитных систем. Получено выражение для константы скорости магнитных переходов в системах с произвольным числом степеней свободы.

• •    Разработаны алгоритмы для поиска ПМПЭ в многомерном конфигурационном пространстве, локализации седловых точек на многомерной энергетической поверхности и расчета времен жизни магнитных состояний.

• •    В рамках неколлинеарного обобщения модели Александера-Андерсона (АА) доказана «магнитная теорема о силах», с помощью которой получены аналитические выражения для градиента энергии

А.И. КАРПОВ Результаты исследований в области нанотехнологий и наноматериалов. Часть 3

в произвольной точке конфигурационного пространства, что позволило качественно сократить характерное время самосогласованных расчетов.

• •    Дана интерпретация экспериментальным зависимостям времени жизни магнитных состояний островков железа на поверхности вольфрама от их формы и размера.

Достоверность результатов

Развитый в диссертации статистический подход к исследованию активационных магнитных переходов получен путем обобщения ТПС, которая является стандартным и хорошо развитым методом описания химических реакций, процессов диффузии и эпитаксиального роста. Справедливость ТПС для магнитных степеней свободы в рамках границ ее применимости основана на использовании фундаментальных законов магнетизма. Разработанный метод применялся при расчетах температурной устойчивости магнитных состояний реальных наноструктур; получено хорошее количественное согласие с результатами экспериментов, выполненных методами сканирующей туннельной микроскопии. Результаты диссертационного исследования опубликованы в ведущих рецензируемых журналах, докладывались на научных семинарах, российских и международных конференциях.

Научная и практическая значимость

Разработанный теоретический подход может быть использован для изучения факторов, влияющих на устойчивость магнитных состояний в сложных пространственно-неоднородных системах, что имеет большое значение для разработки и создания новых микроэлектронных устройств, в частности, эффективных устройств магнитной памяти.

Развитую многомерную ТПС для магнитных степеней свободы можно применять совместно с теорией микромагнетизма и изучать активационные магнитные переходы в системах, число степеней свободы в которых достигает десятки тысяч.

Результаты теоретического исследования температурной устойчивости магнитных состояний малых островков железа на поверхности

А.И. КАРПОВ Результаты исследований в области нанотехнологий и наноматериалов. Часть 3

вольфрама, выявившие несколько различных механизмов их перемагничивания, важны для понимания магнитных переходов в наносистемах на основе 3с-элементов и для интерпретации экспериментальных данных.

Созданные эффективные алгоритмы самосогласованных расчетов в рамках неколлинеарного обобщения модели коллективизированных электронов совместно с разработанной ТПС могут применяться для объяснения формирования сложных магнитных структур с большим числом неэквивалентных атомов, таких как волна спиновой плотности в хроме, магнитных скирмионов в монослое железа и др.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на: XI Международном симпозиуме «Нанофизика и Наноэлектроника» (10–14 марта 2007 г., Нижний Новгород); XII Международном симпозиуме «Нанофизика и Наноэлектроника» (10–14 марта 2008 г., Нижний Новгород); Международном симпозиуме «Metal-Hydrogen Systems» (24–28 июня 2008 г., Рейкьявик); 2-й гумбольдтовской конференции «Technologies of the 21st century: biological, physical, informational and social aspects» (7–9 октября 2008г., Санкт-Петербург); XIII Международном симпозиуме «Нанофизика и Наноэлектроника» (16–20 марта 2009 г., Нижний Новгород); XXXIII Международной зимней школе физиков-теоретиков «Коуровка» (22–28 февраля 2010 г., Екатеринбург); 45-й школе ФГБУ «ПИЯФ» НИЦ КИ по физике конденсированного состояния (14– 19 марта 2011 г., Санкт-Петербург); 1-й Международной школе по физике поверхности «Technologies and Measurements on Atomic Scale» (28 сентября – 2 октября 2011 г., Великий Новгород); XVI Международном симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника» (12–16 марта 2012 г., Нижний Новгород); Международной конференции «Ordering and dynamics in magnetic nanostructures» (7–8 июня 2012 г., Санкт-Петербург); XVII Международном симпозиуме «Нанофизика и Наноэлектроника» (11–15 марта 2013 г., Нижний Новгород).

А.И. КАРПОВ Результаты исследований в области нанотехнологий и наноматериалов. Часть 3

Фракционирование нано- и микрочастиц во вращающихся спиральных колонках при анализе полидисперсных образцов

Актуальность

Фракционирование нано- и микрочастиц необходимо при решении различных исследовательских, аналитических и технологических задач. Известно, что размер частиц может существенно влиять на их свойства в микрометровом и, особенно, в нанометровом диапазоне. Распределение частиц по размерам является важным параметром, определяющим конечные свойства материалов, что, безусловно, важно, в частности, в свете бурного развития нанотехнологий. В ряде случаев, чтобы достоверно охарактеризовать свойства того или иного образца, сначала нужно разделить его на фракции, а затем исследовать каждую из них в отдельности. Методы фракционирования также важны в биологии, биохимии и медицине при разделении макромолекул, вирусов, бактерий, клеток, а также различных клеточных структур. Кроме этого, разделение частиц требуется и при мониторинге окружающей среды. Различные токсичные микроэлементы и органические вещества присутствуют в природных образцах не только в виде свободных ионов и молекул, они могут быть связаны с макромолекулами, коллоидными и твердыми частицами. Таким образом, при оценке подвижности и, соответственно, потенциальной опасности загрязняющих веществ также возникает задача фракционирования частиц в соответствии с их размером, плотностью и свойствами поверхности.

Для разделения нано- и микрочастиц в жидких средах используют различные методы, каждый из которых имеет свои преимущества и ограничения. По праву наиболее универсальным на сегодняшний день считается метод проточного фракционирования в поперечном силовом поле (ПФП), интенсивно развивающийся в последнее время. Метод ПФП, предложенный в 1966 году американским ученым Гиддингсом, основан на совместном воздействии внешнего силового поля, направленного перпендикулярно потоку жидкости-носителя (в которую внесена суспензия анализируемого образца), и градиента скорости ламинарного течения, сформированного силами вязкости непрерывно прокачиваемой жидкости в узком щелевидном канале.

А.И. КАРПОВ Результаты исследований в области нанотехнологий и наноматериалов. Часть 3

Сравнительно недавно в лаборатории концентрирования ГЕОХИ РАН было предложено фракционировать микрочастицы в оснащенных вращающимися спиральными колонками (ВСК) планетарных центрифугах, которые традиционно используют для жидкостной хроматографии со свободной неподвижной фазой. По сути, фракционирование в ВСК является частным случаем седиментационного ПФП. Под действием сложного ассиметричного силового поля, возникающего за счет планетарного вращения, при непрерывном прокачивании подвижной фазы достигается миграция частиц вдоль стенки колонки с различными скоростями в потоке жидкости-носителя. Основным преимуществом данного метода является возможность фракционирования до 1 г образца (по сравнению с классическими методами ПФП, где масса образца не превышает 1 мг). В планетарной центрифуге нет вращающихся соединений, что снимает ограничения на давление в системе. Таким образом, развитие и применение метода проточного фракционирования частиц в поперечном поле центробежных сил в ВСК является актуальным и перспективным для решения задач аналитической химии, мониторинга окружающей среды, биологии, медицины, а также нанотехнологий.

Цель исследования – дальнейшее развитие метода проточного фракционирования частиц в ВСК и его применение при анализе сложных по-лидисперсных образцов различной природы. Особенно важно показать возможность снижения размера разделяемых частиц до нанометрового диапазона.

Научная новизна

Оценено влияние, как рабочих, так и конструкционных параметров ВСК на удерживание и элюирование субмикронных частиц, оптимизированы условия их фракционирования. Определены условия, необходимые для фракционирования наночастиц.

Показана возможность фракционирования нано- и микрочастиц полидисперсных образцов окружающей среды для изучения распределения макро- и микроэлементов, в частности тяжелых металлов, между различными по природе и размеру фракциями образцов. Предложен комплексный подход к изучению свойств суспензий частиц и их кластеров, основанный на фракционировании частиц в ВСК и их исследова- ( к содержанию2)

А.И. КАРПОВ Результаты исследований в области нанотехнологий и наноматериалов. Часть 3

нии методами капиллярного электрофореза и сканирующей электронной микроскопии.

Практическая ценность работы

Получил дальнейшее развитие метод проточного фракционирования частиц в поперечном поле центробежных сил в ВСК. Расширена область применения метода – показана возможность разделения субмикронных частиц за счет изменения геометрии барабана колонки без увеличения скорости вращения. Использование цилиндрической ВСК с симметричными выступами позволило повысить эффективность фракционирования и выделить практически монодисперсные фракции частиц из их смеси.

Впервые при помощи проточного фракционирования в поперечном силовом поле из образцов пыли выделены весовые фракции частиц размером 50–300 нм, 300–1000 нм, 1–10 мкм и 10–100 мкм для последующего элементного анализа. Полученные данные о распределении микро- и макроэлементов между различными по природе и размеру мелкодисперсными фракциями имеют большое практическое значение при экологическом мониторинге для оценки степени негативного воздействия загрязняющих веществ на здоровье человека, поскольку выделенные фракции имеют различную подвижность в окружающей среде и обладают различной проникающей способностью в организм человека. Помимо этого, повышенное содержание токсичных элементов, в том числе тяжелых металлов, в самых мелких фракциях (50-300 нм) позволяет сделать предположение о наличии действующего источника загрязнения в районе отбора проб.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывали и обсуждали на съезде аналитиков России «Аналитическая химия – новые методы и возможности» (Москва, 2010); III Всероссийском симпозиуме «Разделение и концентрирование в аналитической химии и радиохимии» с международным участием (Краснодар, 2011); 12-ой Международной конференции по проточным методам анализа (Салоники, Греция, 2012).

А.И. КАРПОВ Результаты исследований в области нанотехнологий и наноматериалов. Часть 3

Редакция Интернет-журнала «Нанотехнологии в строительстве» предлагает кандидатам и докторам наук опубликовать результаты своих исследований по тематике издания [3].