Перспективы исследования и применение магнитных нанокомпозитных материалов

Дальнейшее развитие электроники во многом будет связано с использованием магнитных наночастиц. Об этом свидетельствуют многочисленные работы по спинтронике — новой области электроники, которая имеет дело с зарядами и спинами. В последнее время повышенное внимание уделяется наноструктурам на основе магнитных полупроводников [26]. Это связано с перспективами, которые открывает использование в электронных полупроводниковых материалах не только заряда носителей тока (электронов и дырок), но и их магнитных моментов, непосредственно связанных со спином. Важным инструментом управления магнитными характеристиками в наноструктурах может стать спин-орбитальное взаимодействие. Ожидается, что использование магнитного момента носителя заряда существенно расширит возможности для проектирования новых электронных устройств, в частности позволит решить проблему энергонезависимой сверхплотной магнитной памяти (MRAM-Magnet Random Areess Memory), не подверженной «износу» при операциях записи и чтения [27].

Можно выделить несколько активно изучаемых в последнее время групп физических явлений, которые могут найти применение в спинтронике:

• — зависимость электрического сопротивления однородных материалов от внешнего магнитного поля: анизотропное магнитосопротивление (AMR) в тонких ферромагнитных пленках (например, в пермаллое), колоссальное магнитосопротивление (CMR) в манганитах;
• — гигантское магнитосопротивление (GMR) в структурах с чередующимися слоями ферромагнитных и парамагнитных (или антиферромагнитных) металлов, а также в гранулированных структурах;
• — инжекция поляризованных по спину носителей тока из ферромагнитного материала в немагнитный;
• — туннельное магнитосопротивление (Spin Depending Tunneling) в слоистых структурах, содержащих парамагнитный (или антиферромагнитный) диэлектрик между слоями ферромагнитного металла;
• — взаимное влияние магнетизма и плотности различных носителей заряда в ферромагнитных полупроводниках.

Для объяснения многих магнитоэлектронных эффектов используют модель Мота-Кэмпбела-Ферта, согласно которой в ферромагнетике электроны с противоположными спинами не смешиваются в процессах рассеяния. Поскольку плотность электронных состояний сильно зависит от спина, вероятность перехода электрона проводимости между различными областями ферромагнетика можно варьировать, изменяя их намагниченность. Так, вероятность перехода между областями с параллельной ориентацией векторов намагниченности больше (электрическое сопротивление, соответственно, меньше), чем с антипараллельной ориентацией.

Более сложную задачу представляет изучение взаимного влияния магнетизма и электропроводности в ферромагнитных проводниках (например, ZnО-Mn). В таких системах носители заряда являются одновременно и медиаторами магнитного взаимодействия между локализованными магнитными моментами ионов переходных элементов. Изменяя концентрацию носителей заряда (например, путем инжекции), можно контролировать силу магнитных взаимодействий и, следовательно, магнитные свойства материала, например его намагниченность, которая может влиять на сопротивление полупроводника. Хотя расчеты показывают, что магнитные полупроводники p-типа на основе ZnО или GaNс 5% Mn и плотностью носителей заряда 3.5 -1020- см-3 могут служить основой для создания материала с TC> 300 К [28], до сих пор не удалось получить ферромагнитные полупроводники с температурой Кюри выше комнатной. ногочисленные сообщения о преодолении этого барьера для различных соединений не были достоверно подтверждены. Признанный рекорд в этой области пока принадлежит полупроводнику GaMnAsc ТС = 110 К. Экспериментально ферромагнетизм при температурах выше комнатной был обнаружен в системах (пленках или объемных образцах) Co-ZnО, Fe, Cu-ZnО, V-ZnО, Co-TiО2, однако полученные данные отличаются не очень хорошей воспроизводимостью. В качестве перспективных материалов называют также GaMnN, ZnО-Mn, Co-TiО2 и другие оксидные полупроводники [29]. Для наночастиц этого класса проводились в основном оптические исследования, а их магнитные свойства еще недостаточно изучены.

За последние годы в области разработки магнитных наноматериалов произошли изменения, которые, без преувеличения, можно назвать революционными. Это связанно как с разработкой эффективных методов получения и стабилизации магнитных частиц нанометровых размеров, так и с развитием физических методов исследования таких частиц. Например, стало возможным получение нанометровых металлических или оксидных частиц не только в виде феррожидкостей (технология приготовления которых была разработана еще в 1960;е годы) [30], но и в виде частиц, внедренных в различные «жесткие» матрицы (полимеры).

Впервые магнитные характеристики материала, состоящего из немагнитной твердой диэлектрической матрицы и распределенных в ней магнитных наночастиц (3−10 нм), были описаны в 1980 г [31]. Наличие в таком материале наночастиц было установлено методом рентгеновского малоуглового рассеяния. В дальнейшем эти образцы были повторно исследованы современными методами, и полученные ранее результаты в основном подтвердились [32].

Магнитные наночастицы широко распространены в природе и встречаются во многих биологических объектах [33]. Магнитные наноматериалы используются в системах записи и хранения информации, в новых постоянных магнитах, в системах магнитного охлаждения, в качестве магнитных сенсоров и т. п. Все это объясняет большой интерес специалистов различного профиля к таким системам.

Прикладным аспектам современного состояния технологии магнитной записи и ее перспективам посвящена обширная литература [34]. В настоящее время в магнитных лентах или дисках в качестве сред для магнитной записи информации чаще всего используют порошки с зернамиFe2О3, Со- -Fe2О3, Fe или Fe-Со микронных размеров. В этом случае для записи одного бита информации требуется примерно 109 атомов, в то время как при использовании наноматериалов (частиц диаметром 10 нм) — не более 105 атомов. Таким образом, переход к магнитным наноматериалам позволяет повысить плотность записи информации в 103−104 раз.

В работе исследовано влияние приложенных полей на процессы двумерного роста аморфных железо-содержащих магнитных наночастиц при разложении пентакарбонила железа под действием ультрафиолетового излучения в смешанном ленгмюровском монослое на границе раздела фаз газ-вода со стеариновой кислотой в качестве ПАВ. В процессе формирования наночастиц монослой находился в «газоподобном» состоянии (величина поверхностного давления была близка к нулю).

Магнитные свойства многослойных пленок Ленгмюра — Блоджетт, содержащих наночастицы, были исследованы с помощью метода ЭПР, который позволил обнаружить сигналы ферромагнитного резонанса и суперпарамагнетизм. Методами сканирующей туннельной микроскопии (СТМ), атомно-силовой микроскопии (АСМ) и просвечивающей (туннельной) электронной микроскопии (ПЭМ (ТЕМ)) установлено, что в процессе роста наночастиц их размер и форма могут существенно изменяться от дискообразной к ориентированной вытянутой под действием внешнего магнитного поля, направленного параллельно плоскости монослоя. При приложении магнитного поля перпендикулярно плоскости монослоя наночастицы выстраивались в цепочки, приобретали анизотропную форму, симметричную относительно оси, проходящей через центр наночастицы перпендикулярно межфазной поверхности [35].