«ПРАВИЛО ЛЬДА» ДЛЯ ФЕРРОМАГНИТНОЙ СЕТИ НАНОУЗЛОВ НА ГРАНЕЦЕНТРИРОВАННОЙ КУБИЧЕСКОЙ РЕШЕТКЕ
А. А. Мистпоиов"■''*. И. С. Шигикии,''1'. И. С. Дубицкийа>ь, Н. А. Григорьева0, X. Еккерлебе'"". С. В. Григорьев"J'
а Физический факультет, Санкт-Петербургский государственный университет 198504, Санкт-Петербург, Россия
ь Петербургский институт ядерной физики 188300, Гатчина, Ленинградская обл., Россия.
Hel.mholtz-Zentrum Geesthacht 21502, Geesthacht, Germany
Поступила в редакцию 10 октября 2014 г.
Исследовались магнитные свойства инвертированных опалоподобных структур на основе кобальта, обладающих симметрией гранецентрированной кубической решетки. Процесс перемагничивания структуры в поле, приложенном вдоль оси [110], был описан при помощи феноменологической модели, использующей «правило льда» для локальной намагниченности элементов наноструктуры. Такое описание предсказывает отсутствие дальнего магнитного порядка в двух направлениях типа (111), перпендикулярных магнитному полю. Экспериментальное изучение магнитной структуры проводилось методом малоугловой дифракции нейтронов. Дифракционные картины измерялись во внешнем магнитном поле в диапазоне от —1.2 Тл до 1.2 Тл, приложенном вдоль кристаллографического направления [110]. Был выделен магнитный вклад в интенсивность нейтронного рассеяния. Показано, что для рассеивающих плоскостей, перпендикулярных полю, он близок к нулю во всем измеренном диапазоне значений внешнего магнитного поля, что хорошо согласуется с предложенной моделью.
001: 10.7868/80044451015050122 1. ВВЕДЕНИЕ
Магнитные наноструктурированныо материалы в настоящее время привлекают большой интерес ученых и технологов, благодаря перспективам их использования в новейших устройствах записи и хранения информации [1 3]. Такие материалы являются также заманчивым объектом для фундаментальных исследований. В частности, интересным является вопрос о магнитной геометрической фрустрации, реализующейся в наноструктурах.
Геометрическая фрустрация в атомных системах активно исследовалась в последние годы [4 7]. Было установлено, что магнитное поведение фрустри-
Е-таП: а.1шя1;опо\г|йкрЬи.ги **Н. ЕскегЫте
рованных систем, таких как БугИгОт и НогТ^От, подчиняется так называемому правилу спинового льда [5, 8]. Суть его состоит в следующем. Ионы редкоземельных элементов расположены в этих веществах в вершинах тетраэдров, образующих граие-цеитрироваииую кубическую (ГЦК) решетку. Вследствие сильной одноионной анизотропии их магнитные моменты являются изинговскими и могут выстраиваться вдоль направлений типа (111) высот тетраэдров. Правило спинового льда утверждает, что наиболее выгодной является такая конфигурация, при которой два магнитных момента направлены внутрь тетраэдра и два наружу.
Геометрическая фрустрация может быть реализована и в наносистемах [9]. Можно сформулировать аналоги правила льда для таких структур. Принципиальное отличие атомных структур от на-нообъектов состоит в том, что в последних изин-
говскии характер векторов локальной намагниченности обусловлен анизотропией формы структурных элементов. Отметим, что большинство исследователей рассматривало двумерные наноструктуры, представляющие собой либо прямоугольные [10], либо треугольные решетки [11] однодоменных нано-островков.
В работе [12] была выдвинута гипотеза о применимости аналога правила льда к трехмерным инвертированным опалоподобным структурам (ИОПС). На основании данной гипотезы была проведена интерпретация экспериментальных данных по малоугловому рассеянию поляризованных нейтронов на НОПС. Было показано, что при приложении внешнего магнитного поля вдоль кристаллографической оси типа (121) ГЦК-структур из-за правила льда должна возникать перпендикулярная полю и плоскости образца компонента намагниченности. Аналогичное явление наблюдалось в спиновом льде на примере соединения БугИгОт [19].
Данная работа посвящена изучению конфигурации локальной намагниченности в ИОПС при приложении поля вдоль кристаллографического направления [110]. Для атомных систем было показано, что при таком направлении внешнего поля в них образуются две подсистемы спинов, направленных перпендикулярно и вдоль поля [13]. При этом в обеих подсистемах реализуется дальний магнитный порядок, т. е. снимается вырождение, присущее фрустри-рованным системам.
Мы показали, что при Н || [110] множество векторов локальной намагниченности в ИОПС также разбивается на две подсистемы. Однако подсистема векторов локальной намагниченности, перпендикулярных магнитному полю, не обладает дальним магнитным порядком вследствие неполного снятия вырождения магнитным полем. Данное явление связано с тем, что структурными элементами ИОПС являются объекты не только с четырьмя вершинами (квазитетраэдры), но и с восемью (квазикубы).
2. СИНТЕЗ И АТТЕСТАЦИЯ ОБРАЗЦА
Инвертированные опалоподобные структуры получаются по следующей технологии [14 17]: сперва методом вертикального осаждения из полисти-рольных сферических частиц со средним диаметром 540 нм формируется кристаллический шаблон (темплат) на поверхности проводящей подложки (полированный Бьмонокристалл покрытый слоем Аи толщиной 200 нм) площадью 1 см2 толщиной
Рис.1. Образец ИОПС на основе Со, представляющий плоскость (111) ГЦК-структуры: а — вид сверху, б — вид сбоку
13 ± 0.5 мкм. Далее пустоты между сферами заполняются ферромагнитным материалом (в данном случае, кобальтом) методом электрохимического осаждения, где в качестве катода используется пленка опалоподобного кристалла на проводящей подложке, а в качестве вспомогательного электрода платиновая проволока. Электрохимическое осаждение, как правило, проводят в гальваностатическом или потенциостатическом режиме. Данный метод позволяет контролировать однородность и степень заполнения пустот опалоподобной матрицы. На конечном этапе полистирольиые частицы растворяются в толуоле.
На рис. 1 представлены микрофотографии поверхности и скола Со НОПС. Метод сканирующей электронной микроскопии показал наличие гексагонального упорядочения сферических полостей приповерхностного слоя НОПС диаметром 530 ± 10 нм. Размер области упорядочения достигает 100 мкм. Следует отметить, что в данном случае исследовался тот же кристалл, что и в работе [12].
С помощью метода ультрамалоугловой дифракции синхротронного излучения было показано, что синтезированные образцы обладают преимущественно ГЦК-упорядочониом сферических полостей с периодом 760 ± 10 нм [18].
Основываясь на этих результатах, можно сделать вывод о виде структурных элементов НОПС. Элементарная ячейка приведена на рис. 2а. Она состоит из квазикуба (в центре) и присоединенных к нему в вершинах квазитетраэдров (для простоты приставка «квази» далее опускается), которые были соответственно октаэдричоскими и тотраэдричоски-ми полостями прямого опала. Все элементы соединены «ножками»-перемычками вдоль четырех осей типа (111). Примитивная же ячейка представляет собой куб только с двумя тетраэдрами (рис. 26). Поверхности куба и тетраэдров вогнутые, так как были
Рис.2. Структурные элементы инвертированной опалоподобной структуры: а — элементарная ячейка, б— примитивная ячейка
образованы сферическими поверхностями микрочастиц. Для ИОПС с периодичностью 760 нм можно оценить длину ребра куба, которая составляет примерно 220 нм, а высота тетраэдра — порядка 120 нм. Длина ножек-перемычек равна 160 нм.
3. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА: МОДЕЛЬ ПЕРЕМАГНИЧИВАНИЯ
Для описания магнитных свойств исследуемых инвертированных опалоподобных структур мы использовали модель, основанную на правиле льда [12], которая заключается в следующем. Магнитные силовые линии переходят из кубов в тетраэдры через вытянутые ножки-перемычки. Анизотропия формы ножек заставляет их намагниченности выстраиваться вдоль направлений этих ножек (рис. 3) т.е. осей типа (111), делая их при этом векторами изинговского типа. Поскольку в системе существует четыре оси такого типа, полная магнитная система может быть рассмотрена как совокупность четырех подсистем векторов локальной намагниченности, каждая из которых направлена вдоль одной из осей типа (111) (рис. 3). Естественно, что кубы и тетраэдры также могут обладать собственной намагниченностью, но мы предполагаем, что ввиду их слабой анизотропии по сравнению с анизотропией вытянутых перемычек, магнитные свойства ИОПС строго определяются только направлениями намаг-ниченностей ножек.
В соответствии с уравнениями магнитостатики для минимизации энергии магнитного взаимодействия магнитный поток должен сохраняться в каждом кубе и тетраэдре, что и приводит к необходимости выполнения правила льда: количество векто-
Рис. 3. Магнитные подсистемы в единичном элементе ИОПС. Выполнение правила льда в кубе и тетраэдрах
ров локальной намагниченности, «входящих» в тетраэдр или куб, должно быть равно количеству векторов локальной намагниченности, «выходящих» из него (рис. 3).
Инвертированная опалоподобная структура в полностью размагниченном состоянии должна быть геометрически фрустрированной подобно модели спинового льда, рассмотренной в работах [5,6,10], что означает вырождение основного состояния системы.
Приложение магнитного поля делает предпочтительными направления векторов локальной намагниченности с положительными проекциями на направление поля. В общем случае из-за выполнения правила льда перпендикулярные полю вектора локальной намагниченности также ориентируются в определенном направлении [12].
Однако в случае, когда поле приложено в плоскости пленки вдоль направления [110], два из четырех направлений типа (111) перпендикулярны внешнему магнитному полю. Если тетраэдры контактируют непосредственно друг с другом, как в системе спинового льда, описанной в работе [13], направление одного «вырожденного» вектора определяет направление другого вырожденного вектора не только в соседнем тетраэдре, но и во всей системе в целом. И вырождение, таким образом, также снимается.
Но в ИОПС тетраэдры соединяются друг с другом через куб, что приводит к возможности удовлетворения правила льда в примитивной ячейке шестью разными способами.
Рассмотрим процесс перемагничи
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.