ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 5, с. 21-25
УДК 537.623
НАНОПРОВОЛОКИ ЭПСИЛОН-ОКСИДА ЖЕЛЕЗА(Ш) ДЛЯ МАГНИТОРЕЗОНАНСНОГО ИСТОЧНИКА СПИНОВОГО ТОКА
© 2015 г. А. И. Дмитриев*, О. В. Коплак, Р. Б. Моргунов
Институт проблем химической физики РАН, 142432 Черноголовка, Московская область, Россия *Е-таП: aid@icp.ac.ru Поступила в редакцию 20.07.2014 г.
Методами СКВИД-магнитометрии и ЭПР-спектроскопии исследованы ансамбли нанопроволок E-In0.24Fe1.76O3. Установлено, что замещающая примесь 1п приводит к уменьшению коэрцитивной силы нанопроволок эпсилон-оксида железа(Ш). Понижение температуры ниже 190 К вызывает резкое уменьшение намагниченности и коэрцитивной силы нанопроволок, вызванное поворотом оси легкого намагничивания. Спин-переориентационный переход приводит к существенной перестройке спектра электронного спинового резонанса.
Ключевые слова: эпсилон-фаза оксида железа, нанопроволоки, СКВИД-магнитометрия, ЭПР-спек-троскопия, источник спинового тока.
Б01: 10.7868/80207352815050042
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время для создания приборов спинтроники требуются источники спинового тока. Фундаментальные основы создания таких элементов до настоящего времени не исследованы в достаточной мере. "Спиновая батарейка" (источник спинового тока) — устройство для инжектирования спиновой поляризации в металл или полупроводник из ферромагнетика при возбуждении ферромагнитного резонанса [1]. Обычно возбуждение ферромагнитного резонанса происходит в спектрометре электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), включающего высокостабильный однородный магнит. Поэтому заманчивой идеей является такая конструкция "спиновой батарейки", которая бы обходилась без внешнего подмагни-чивающего поля. Принципиальных физических препятствий для этого нет. Так, в некоторых ферромагнетиках ферромагнитный резонанс может возбуждаться в нулевом внешнем магнитном поле (естественный ферромагнитный резонанс). Он возможен благодаря тому, что эффективное поле, в котором происходит прецессия вектора намагниченности, определяется не только внешним магнитным полем, но также обменным полем и полем анизотропии. В [2, 3] было показано, что естественный ферромагнитный резонанс возбуждается в нанопроволоках экзотического эпсилон-оксида железа е^е203 (рис. 1). Частоту микроволнового излучения, соответствующую резонансному поглощению, можно изменять в широких пределах, если в образец е^е203 вводить
различные примеси (А1, Оа, 1п) [2, 3]. Необычность нового материала связана с тем, что в чистом виде его не удавалось до сих пор выделить. О наличии включений е^е203 в массивных образцах альфа-, бета-, и гамма-оксидов Fe203 было известно давно, вот только методов выделения эпсилон-оксида не было до настоящего времени. Поэтому и о магнитных свойствах этой фазы неизвестно почти ничего. В недавно выделенных нанопроволоках этого материала наблюдается сверхвысокое значение коэрцитивной силы (свыше 2.3 Тл) [4]. Это свидетельствует о высокой стабильности и долговечности таких магнитов и
г
50 нм
I_I
Рис. 1. Изображение нанопроволок s-Ino24Fel760з, полученное в просвечивающем электронном микроскопе.
пригодности для создания "спиновых батареек", в которых расщепление уровней создается высокостабильным внутренним магнитным полем, а не внешним магнитом.
Интерес к эпсилон-оксиду s-Fe2O3 обусловлен еще и наличием магнитного фазового перехода, причина и механизм которого остаются неизвестными. В результате фазового перехода, наблюдающегося при температуре Т = 110 K, в эпсилон-оксиде железа III s-Fe2O3 значительно уменьшается коэрцитивная сила и намагниченность [5, 6].
В данной работе методами СКВИД-магнито-метрии и ЭПР-спектроскопии исследованы надежно аттестованные ансамбли ориентированных нанопроволок s-In024Fe176O3, легированных индием. Целями работы являются: установление роли замещающей примеси In в формировании магнитных свойств нанопроволок эпсилон-оксида железа Fe2O3; разделение вкладов высокотемпературной и низкотемпературной фаз в магнитные свойства нанопроволок s-In0 24Fe1.76O3; установление механизмов магнитного фазового перехода в этих нанопроволоках, а также поиск магниторезо-нансного отклика на магнитный фазовый переход.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ
И ПРИГОТОВЛЕНИЯ ОБРАЗЦОВ
Нанопроволоки s-In024Fe176O3 длиной 80 нм и диаметром 35 нм были изготовлены двумя методами — синтеза в обратных мицеллах и золь-гель-методом. Нанопроволоки вырастали в растворе обратных мицелл, содержащем нитраты железа и индия. Для получения ориентированных нано-проволок s-In024Fe176O3 в матрице SiO2 реакционный раствор выдерживали в течение 24 ч при температуре 975°C в магнитном поле 2 Тл. Аттестацию нанопроволок s-In024Fe176O3 проводили методами масс-спектрометрии, просвечивающей электронной микроскопии, рентгеновской дифракции [7, 8]. Нанопроволоки имеют ромбическую кристаллическую структуру с четырьмя неэквивалентными катионными позициями ионов Fe3+. Одна из них имеет тетраэдрическое окружение, а три другие — октаэдрическое окружение. Ионы индия являются примесью замещения и встраиваются в октаэдрические позиции ионов железа. Подробно синтез и аттестация нанопроволок описаны в [7—9].
Измерения намагниченности нанопроволок проводили с помощью СКВИД-магнитометра Quantum Design, MPMS 5XL. Была измерена температурная зависимость магнитного момента M нанопроволок в постоянном магнитном поле В = = 0.1 Тл в диапазоне температур Т = 2—300 K. Петли магнитного гистерезиса были получены при температурах 300 и 100 K в постоянном магнитном поле до 5 Тл.
Спектры электронного спинового резонанса были получены на спектрометре JEOL, работающем в Х-диапазоне частот (частота микроволнового поля 9.4 ГГц), с прямоугольным резонатором типа H102, частотой модуляции 100 кГц и диапазоном развертки постоянного магнитного поля 0—1.4 Тл. Спектры электронного спинового резонанса регистрировались в виде первой производной поглощаемой мощности dP/dB. Температура изменялась в диапазоне 4—300 К в криостате ESR 900 Oxford Instruments.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Температурная зависимость намагниченности М нанопроволок s-In024Fe176O3 изображена на рис. 2. При температурах ниже 414 К нанопроволоки находятся в магнитоупорядоченном состоянии [7], о чем свидетельствует наличие петли гистерезиса на зависимостях М(В) (рис. 2). При температурах Т > 190 К в магнитоупорядоченном состоянии наблюдается рост намагниченности при понижении температуры (рис. 2). В окрестности 190 К происходит резкое уменьшение намагниченности. Подобный магнитный фазовый переход в окрестности 120 К наблюдался в чистых образцах однодоменных наночастиц эпсилон-оксида железа Fe2O3, не содержащих примеси In [5, 6]. Механизм и причины этого фазового перехода до настоящего времени остаются неизвестными. Авторы [5] считают, что наблюдаемый фазовый переход может быть связан с уменьшением константы магнитной анизотропии при понижении температуры. Действительно, критический размер однодоменности зависит от константы анизотропии: чем выше анизотропия, тем больше критический размер однодоменности [10]. При высоких температурах, когда константа анизотропии большая, размеры наночастиц оказываются меньше критического размера однодоменности, т.е. наночастицы находятся в однодоменном состоянии. Понижение температуры приводит к уменьшению константы анизотропии во время магнитного фазового перехода и, как следствие, к уменьшению критического размера однодомен-ности. При определенной температуре наступает момент, когда размер наночастиц оказывается больше, чем критический размер однодоменно-сти, и наночастицы перестают быть однодомен-ными. Кроме того, уменьшение анизотропии приводит к увеличению толщины доменной стенки, которая может стать больше, чем размеры на-ночастиц. Когда это происходит, в образце возникает магнитно-неоднородная вихревая структура, приводящая к резкому уменьшению намагниченности [5]. В качестве подтверждения этой точки зрения авторы [5] указывают на резкое уменьшение коэрцитивной силы наночастиц эпсилон-ок-
НАНОПРОВОЛОКИ ЭПСИЛОН-ОКСИДА ЖЕЛЕЗА(Ш)
23
10 г
<
0
1.0 . О.5 $ 0 -0.5 " -1.0 - / / „ 0.5 ■ ^^ •! 0 - / • -0.5 У • -1.0 гГ • • • • .....
......ф 6 -4 -2 0 2 4 6* • - 6 -4 -2 0 2 4
В, Тл # ^^ В, Тл
•
ш
50
100
150
т, к
200
250
300
Рис. 2. Температурная зависимость намагниченности М нанопроволок 5-1п0 24^1 76^3, измеренная в магнитном поле 0.1 Тл. На врезках изображены петли магнитного гистерезиса в нанопроволоках £-1п0 24-Ре1 76®3 при температурах Т = 300 К (справа) и 100 К (слева). Значение намагниченности М нормировано на значение намагниченности насыщения М$.
8
6
4
2
0
0
сида железа Ре203. В наших экспериментах наблюдается аналогичная ситуация: коэрцитивная сила нанопроволок 8-1п024Ре17603 при температуре 300 К составляет 0.6 Тл (рис. 2). При температуре 100 К (после магнитного фазового перехода) коэрцитивная сила и остаточная намагниченность становятся равными нулю, а петля магнитного гистерезиса вырождается в прямую линию с изломом в окрестности 2.8 Тл (рис. 2). В [9] показано, что нанопроволоки 8-1п0.24Ре17603 находятся в однодоменном состоянии, а значит, процессы намагничивания и перемагничивания обусловлены вращением вектора намагниченности, определяющимся магнитной анизотропией. В этих условиях уменьшение константы магнитной анизотропии действительно привело бы к уменьшению коэрцитивной силы. Однако трудно представить механизм, приводящий к уменьшению константы магнитной анизотропии с понижением температуры. В классическом случае имеет место противоположная зависимость: с понижением температуры константа магнитной анизотропии увеличивается. Это вынуждает искать другие способы объяснения наблюдаемого магнитного фазового перехода в нанопроволоках 8-1п024Ре17603.
Известно, что в альфа-оксиде а-Ре203 (гематит) при температуре Т = 260 К происходит магнитный фазовый переход первого рода, носящий имя Морина, который обусловлен переориентацией оси легкого намагничивания [11, 12]. Далее будем анализировать наблюдаемый в нанопрово-локах е-1п0.24Ре17603 магнитный фа
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.