![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ИНХС РАН |
||
Цель работы: поиск новых многофункциональных материалов на основе комплексного экспериментального и теоретического исследования фундаментальных особенностей магнитных, транспортных, оптических, магнитооптических, магнитокалорических и высокочастотных свойств магнитно-неоднородных материалов с неоднородностями нано- и микромасштаба. Объекты исследования: магнитные нанокомпозиты, мультислои, нанокристалические ферро-и ферримагнетики, магнитные полимеры, магнитные эластомеры, разбавленные магнитные полупроводники, многокомпонентные метамагнитные сплавы Гейслера, искусственные мультиферроики, микропровода и др. Для решения поставленных задач будут использованы различные методы магнитометрии (в том числе вибрационной и магнитооптической), измерения магнитотранспортных свойств (сопротивления, магнитосопротивления, эффекта Холла), прямой метод измерения магнитокалорического эффекта, методы магнитооптической спектроскопии и магнитооптической микромагнитометрии и др., в широком диапазоне магнитных полей и температур. Теоретические методы будут базироваться на современной технике функций Грина и численном моделировании. Для численного моделирования будут использованы современные пакеты программ.
Objective: search for new multifunctional materials based on a comprehensive experimental and theoretical research of fundamental features of magnetic, transport, optical, magneto-optical, magnetocaloric and high-frequency properties of magnetically inhomogeneous materials with nano - and micro-scale. Objects of research: magnetic nanocomposites, multilayers, nanocrystalline ferro-and ferrimagnets, magnetic polymers, magnetic elastomers, dilute magnetic semiconductors, multicomponent metamagnetic Geisler alloys, artificial multiferroics, micro-wires, etc. For the solution various methods of magnetometry (including vibrational and magneto-optical), measurement of magnetotransport properties (resistance, magnetoresistance, Hall effect), direct method for measuring the magnetocaloric effect, methods of magneto-optical spectroscopy and magneto-optical micromagnetometry, etc., in a wide range of magnetic fields and temperatures. The theoretical methods will be be based on modern green function techniques and numerical modeling. It is planned, in particular, determination of mechanisms of anomalies in the transport properties of nanocomposites that are promising for memristive materials applications in neuromorphic networks, determining the nature of Hall effect anomalies in Geisler alloys, designed for spintronics and magnetocaloric applications, optimization of microwires as magnetic sensors, including for medical applications, detection of mechanisms of giant mechanical and magnetoelectric phenomena in magnetic elastomers and polymers.
Запланированные исследования соответствуют наиболее актуальным направлениям в области магнетизма неоднородных магнитных материалов с нано – и микромасштабом неоднородностей. Эти направления включают исследование и разработку материалов для спинтроники, магнитных сенсоров, магнитофотоники, магнитной гипертермии, сверхбыстрой записи информации, а также разработку новых методов управления магнитными свойствами и создания магнитотвердых материалов, разработку методов экологического контроля контроля и др. В ходе выполнения работ по теме планируется публикация статей в ведущих международных и российских журналах, подача заявок на патенты и программное обеспечение.
На кафедре магнетизма разработаны и апробированы экспериментальные методики исследования различных типов неоднородных систем. Имеется широкий комплекс исследовательского оборудования и много высококвалифицированных специалистов. Активно ведется подготовка новых кадров. ежегодно сотрудниками кафедры публикуется несколько десятков статей по результатам исследований, в том числе в высокорейтинговых журналах. Полученные результаты широко известны и активно цитируются. Впервые были установлены особенности магнитных свойств и магнитополевого поведения низкоразмерных тонкопленочных систем Fe / полидифениленфталид (PDP) /Fe и Co/Gd/Co систем. Впервые с помощью магнитооптического метода в двухслойной композитной структуре FeSiBNbCu/Pb(Zr,Ti)O3 обнаружен обратный магнитоэлектрический эффект. Методом двукратной высокоскоростной фотографии исследована динамика доменных границ в аморфных сплавах гадолиний-железо-кобальт. Экспериментально показано, что зависимость скорости движения доменной границы в GdFeCo от величины внешнего магнитного поля является возрастающей с начальным линейным участком и последующим насыщением на уровне 1 км/с. Воздействие импульса накачки на динамическую доменную границу не оказывает влияния на ее динамику. Проведен численный расчет импедансных характеристик аморфных микропроводов с параметрами, соответствующими экспериментальным данным. Полученные результаты свидетельствуют о значительном отклонении значения циркулярной магнитной проницаемости от полной магнитной проницаемости, определяемой с помощью магнитометрических измерений. Такое несоответствие подтверждает неоднородность распределения магнитной проницаемости по сечению микропровода.
Основные результаты (кратко): На 2021 год были запланированы экспериментальные и теоретические исследования фундаментальных особенностей магнитных материалов и их структурных элементов с нанометровыми характерными размерами, а также систем на их основе. Исследования проводились в соответствии с планом и были получены следующие результаты: 1. Установлены особенности структурных и магнитополевых зависимостей тонкопленочных магнитных систем на основе Co, а также влияния термического отжига на величину фарадеевского вращения, наблюдаемого в многослойных магнитных структурах на основе Fe, Co и пленок супермаллоя; 2. Разработана методика и проведена экспериментальная апробация анализа распределение магнитной проницаемости по сечению аморфного магнитного микропровода, обнаружена трансформация вида радиальной зависимости магнитной проницаемости при изменении механических напряжений в образцах, установлено, что неоднородные процессы перемагничивания приводят к возникновению осцилляций эффективной магнитной проницаемости в микропроводах. 3. Для исследования динамики доменных границ с высоким пространственным разрешением был разработан новый метод, основанный на анализе дифракции света на лабиринтной доменной структуре феррита-граната. 4. Исследовано образование мезофаз хроматина в магнитном поле. Обнаружено, что магнитное давление, вызываемое диамагнитной компрессией частиц хроматина, создает жидкокристаллические фазовые переходы супрамолекулярных структур. Градиентный магнитный метод показал процесс концентрации нуклеопротеинов, нуклеосом при апоптозе. 5. Разработаны эффективные численные модели динамических магнитодеформационных и магнитоэлектрических эффектов в магнитных эластомерах и композитах на их основе, обладающие предсказательной силой, что позволяет вести целенаправленный поиск новых функциональных композитных материалов.. 6. В ходе проведения экспериментальных работ была отработана методика получения реакционных тиглей из кобальта. Полученные тигли были подвергнуты термическим обработкам в присутствии электрического тока с плотностью 50 А/мм2. Было обнаружено увеличение растворимости кальция в кобальте до 40 ат.% при температуре 800 °С. 7. Исследованы макеты структур искусственного спинового льда, приготовленные методом полимерной 3D-печати с последующим напылением пермаллоя. 8. Методами магнито-оптической спектроскопия выявлены особенности, соответствующие фазовым структурным переходам в магнитных гранулах при переходе от аморфного сплава CoFeZr к нанокристаллическому сплаву CoFeZr на основе гексагональной решетки α-Co и при перестройке нанокристаллов CoFeZr из гексагональной в кубическую объемноцентрированную структуру. 9. Разработана методика расчета дискретных магнонных и плазмонных волноводов и получены теоретические модели плазмон-магнонного взаимодействия. 10. В наноструктурах (ZnO/C)25, состоящих из тонких слоев ZnO, перемежающихся с тонкими слоями углерода обнаружено необычное (немонотонное) поведение магнитосопротивления при изменении температуры. 11. Развита теория туннельного магнитосопротивления нанокомпозитов в сильных магнитных полях для составов вблизи порога перколяции, характеризующихся логарифмическим законом для температурной зависимости сопротивления. Выводы теории подтверждены выполненными измерениями магнитосопротивления нанокомпозитов Co-SiO2, Co-LiNbO3, CoNbTa-SiO2 в в импульсных магнитных полях вплоть до 4 К в полях до 20 Т. 12. Исследованы магнитные, магнитотранспортные и магнитокалорического зависимости в серии образцов на основе бинарных сплавах переходных металлов. 13. В широком температурном интервале, включающем мартенситный переход, исследованы магнитные и магнитотранспортные свойства тонких пленок сплавов Гейслера Ni49.7Fe17.4Co4.2Ga28.7, осажденных на подложках MgO (100).
госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию) |
# | Сроки | Название |
1 | 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. | Магнитные, транспортные и оптические свойства магнитно-неоднородных материалов, предварительные исследования |
Результаты этапа: Краткое описание выполненных работ: На 2021 год были запланированы экспериментальные и теоретические исследования фундаментальных особенностей магнитных материалов и их структурных элементов с нанометровыми характерными размерами, а также систем на их основе. Исследования проводились в соответствии с планом и были получены следующие результаты: 1. Установлены особенности структурных и магнитополевых зависимостей тонкопленочных магнитных систем на основе Co, а также влияния термического отжига на величину фарадеевского вращения, наблюдаемого в многослойных магнитных структурах на основе Fe, Co и пленок супермаллоя; 2. Разработана методика и проведена экспериментальная апробация анализа распределение магнитной проницаемости по сечению аморфного магнитного микропровода, обнаружена трансформация вида радиальной зависимости магнитной проницаемости при изменении механических напряжений в образцах, установлено, что неоднородные процессы перемагничивания приводят к возникновению осцилляций эффективной магнитной проницаемости в микропроводах. 3. Для исследования динамики доменных границ с высоким пространственным разрешением был разработан новый метод, основанный на анализе дифракции света на лабиринтной доменной структуре феррита-граната. 4. Исследовано образование мезофаз хроматина в магнитном поле. Обнаружено, что магнитное давление, вызываемое диамагнитной компрессией частиц хроматина, создает жидкокристаллические фазовые переходы супрамолекулярных структур. Градиентный магнитный метод показал процесс концентрации нуклеопротеинов, нуклеосом при апоптозе. 5. Разработаны эффективные численные модели динамических магнитодеформационных и магнитоэлектрических эффектов в магнитных эластомерах и композитах на их основе, обладающие предсказательной силой, что позволяет вести целенаправленный поиск новых функциональных композитных материалов.. 6. В ходе проведения экспериментальных работ была отработана методика получения реакционных тиглей из кобальта. Полученные тигли были подвергнуты термическим обработкам в присутствии электрического тока с плотностью 50 А/мм2. Было обнаружено увеличение растворимости кальция в кобальте до 40 ат.% при температуре 800 °С. 7. Исследованы макеты структур искусственного спинового льда, приготовленные методом полимерной 3D-печати с последующим напылением пермаллоя. 8. Методами магнито-оптической спектроскопия выявлены особенности, соответствующие фазовым структурным переходам в магнитных гранулах при переходе от аморфного сплава CoFeZr к нанокристаллическому сплаву CoFeZr на основе гексагональной решетки α-Co и при перестройке нанокристаллов CoFeZr из гексагональной в кубическую объемноцентрированную структуру. 9. Разработана методика расчета дискретных магнонных и плазмонных волноводов и получены теоретические модели плазмон-магнонного взаимодействия. 10. В наноструктурах (ZnO/C)25, состоящих из тонких слоев ZnO, перемежающихся с тонкими слоями углерода обнаружено необычное (немонотонное) поведение магнитосопротивления при изменении температуры. 11. Развита теория туннельного магнитосопротивления нанокомпозитов в сильных магнитных полях для составов вблизи порога перколяции, характеризующихся логарифмическим законом для температурной зависимости сопротивления. Выводы теории подтверждены выполненными измерениями магнитосопротивления нанокомпозитов Co-SiO2, Co-LiNbO3, CoNbTa-SiO2 в в импульсных магнитных полях вплоть до 4 К в полях до 20 Т. 12. Исследованы магнитные, магнитотранспортные и магнитокалорического зависимости в серии образцов на основе бинарных сплавах переходных металлов. 13. В широком температурном интервале, включающем мартенситный переход, исследованы магнитные и магнитотранспортные свойства тонких пленок сплавов Гейслера Ni49.7Fe17.4Co4.2Ga28.7, осажденных на подложках MgO (100). 14. Проводились также исследования в рамках инициативных поисковых работ, позволившие внести дополнительные задачи в план работ на 2022 год. Результаты проведенных исследований опубликованы в 113 рецензируемых статьях, главах в 4 монографиях, подтверждены 5 патентами и 4 свидетельствами о регистрации программного обеспечения. За отчетный период результаты исследований представлены в 47 докладах на научных конференциях, в семи выпускных квалификационных работах и двух диссертациях на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. | ||
2 | 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. | Магнитные, транспортные и оптические свойства магнитно-неоднородных материалов, продолжение исследований |
Результаты этапа: Отчет о результатах выполнения плана исследований на 2022 год. 1. Исследование усиления генерации оптических гармоник при возбуждении магнитных дипольных резонансов в нанодисках на основе дихалькогенидов переходных металлов. В связи с переводом сотрудников данной лаборатории на кафедру нанофотоники, результаты выполнения данного раздела плана будут представлены в отчете соответствующей кафедры. 2. Продолжение теоретических и экспериментальных исследований статических и динамических свойств аморфных и нанокристаллических сплавов различной размерности и структур на их основе, разработка датчиков и актуаторов на их основе. За прошедший год по данной теме подготовлены и успешно защищены магистерская и кандидатская диссертация. Основные результаты исследований перечислены ниже: Исследованы магнитостатические и магнитоимпедансные свойства микропроводов и спиралей на их основе. Показано, что спирали на основе микропроводов могут обладать управляемыми анизотропными свойствами – отклик может быть изотропным для определенных параметров микропровода и намотки спирали. Спирали из аморфных микропроводов могут демонстрировать асимметричный гигантский магнитоимпедансный эффект, свойственный материалам с геликоидальной анизотропией при приложении поля или тока смещения. Разработана методика определения распределения магнитной проницаемости в сечении микропровода из экспериментальных данных о частотной зависимости импеданса. Сформулированы критерии применимости методики, удовлетворяемые условиями проведения эксперимента, заключающиеся в отсутствии неоднородных процессов перемагничивания, а также малости вкладов полевой и частотной зависимости магнитной проницаемости Рассчитаны распределения магнитной проницаемости в серии микропроводов Co70Fe4B13Si11Cr2 с околонулевой магнитострикцией с различными диаметрами ферромагнитной жилы. Для микропроводов с преобладающим циркулярным типом магнитной анизотропии максимум распределения магнитной проницаемости находится в области предполагаемого положения доменной границы между аксиально намагниченным керном и циркулярно намагниченной оболочкой. Построены распределения магнитной проницаемости в серии микропроводов Co69Fe4Cr4Si12B11 с диаметром ферромагнитной жилы 90 мкм. Показано, что релаксация механических напряжений при обработке приводит к изменению вида радиальной зависимости магнитной проницаемости, в том числе за счет изменения процессов перемагничивания. Построена микромагнитная модель равновесного распределения намагниченности в аморфных микропроводах с положительной и отрицательной магнитострикцией, а также динамики токового перемагничивания. Получены локальные значения эффективной магнитной проницаемости. Показано, что радиальное распределение проницаемости имеет максимум в области нахождения границы между керном и оболочкой. Обнаружено, что неоднородные процессы намагничивания могут приводить к возникновению вихревого поведения эффективного магнитного поля, что проявляется в виде осцилляций радиального распределения эффективной проницаемости и ее отрицательных значений. Результаты моделирования подтверждают экспериментальные данные. 3. Исследование влияния гидродинамических эффектов на взаимодействие магнитных частиц в жидкости. Проводились исследования динамического магнитоэлектрического эффекта в слоистых композитах, состоящих из слоя магнитного эластомера с микрочастицами железа и слоя пьезоэлектрического полимера. Получено резонансное усиление индуцируемого напряжения в переменном магнитном поле в диапазоне частот 50 – 150 Гц. Величина магнитоэлектрического эффекта зависит от геометрических параметров образца, а также от концентрации частиц в слое магнитного эластомера. Также обнаружено влияние постоянного поля смещения на величину сигнала и резонансную частоту. Изучено изменение температуры в сферической области с магнитными наночастицами, находящимися в вязкоупругой и ньютоновской жидкостях, методов конечных разностей в разложении Тейлора. Показано влияние формы частиц, их концентрации, а также вязкости жидкости на изменение температуры в магнитной жидкости в переменном магнитном поле. Изучен вклад броуновского и неелевского механизмов в нагрев исследуемой области. 4. Теоретические исследования процессов спиновой аккумуляции и спинового эффекта Холла в двухслойном образце, состоящем из тонкого слоя ферромагнитного металла и слоя диэлектрика, обладающего спин-орбитальным взаимодействием двух типов: Рашбы и Дрессельхауза. При решении поставленной задачи были рассчитаны спиновая аккумуляция и спиновый ток в двумерной системе, состоящей из тонкого ферромагнитного слоя и сегнетоэлектрического барьера со спин-орбитальным взаимодействием линейным по волновому числу электрона. Основной ток направлен параллельно межслойной границе. Рассмотренная система допускает управление транспортными свойствами посредством обращения направления поляризации сегнетоэлектрика и изменения ориентации намагниченности ферромагнитного слоя. Оценки показывают, что при реалистических значениях параметров, амплитуда спиновой аккумуляции близка к значениям, при которых возможно переключение направления намагниченности. (M. Zhuravlev, A. Alexandrov, A. Vedyayev, Spin accumulation and spin Hall effect in a two-layer system with a thin ferromagnetic layer, J.Phys.Cond.Matt. 34 (2022) 145301 (8pp)). Теоретически исследована девиация частоты спин-трансферного нано-осциллятора с ненулевой эллиптичностью. Проведены численные расчёты, а также получено приближённое решение для частоты из уравнения Ландау-Лифшица методом прямого разложения. Аналитические и численные расчёты хорошо согласуются и показывают незначительное уменьшение частоты спин-трансферного нано-осциллятора с ростом эллиптичности. (Shubin Yu N., Mashaev M.Kh, Vedyaev A.V., Strelkov N.V., Frequency of the Spin-Transfer Nano-Oscillator Based on a Perpendicular Tunnel Nanoheterostructure with Nonzero Ellipticity, Journal of Experimental and Theoretical Physics, издательство Maik Nauka/Interperiodica Publishing (Russian Federation), том 134, № 5, с. 638-643). По данной теме за отчетный год защищена кандидатская диссертация. 5. Экспериментальное и теоретическое исследование структурных, магнитных, магнитотранспортных и магнитоптических свойств композитов GaSb-MnSb InSb-MnSb, а также объемных монокристаллических образцов сплавов Гейслера с памятью формы. Работа была направлена на поиск магнитных полупроводников с высокой температурой Кюри и высокой степенью спиновой поляризации на основе композитов с высоким содержанием ферромагнитной компоненты. Исследованы микроструктурные, магнитные, магнитотранспортные и магнитооптические свойства композитов GaSb-MnSb с содержанием MnSb 70 мол.% . Магнитооптическими методами также исследованы композиты с содержанием 69.2, 52.0 и 31.7 моль % MnSb и образцы ферромагнитной компоненты в этом композите MnSb. Образцы получены высокотемпературным синтезом. Достигнута температура Кюри выше 500 К. На основе анализа комплекса используемых экспериментальных методик, теоретических расчетов в рамках метода эффективной среды показано, что композит представляет собой двухфазную систему из макроскопических размеров гранул MnSb и полупроводниковой матрица обогащенной ионами Mn, что проявляется в данных по сопротивлению, магнитосопротивлению, аномальному эффекту Холла. Для повышения степени спиновой поляризации необходимо синтезировать образцы композитов с наноразмерными гранулами MnSb. Показано отличие магнитооптических спектров для родственных соединений MnSb и Mn2Sb. Аномальное температурное поведение магнитооптического сигнала в композитах и MnSb при понижении температуры связывается с перераспределением заселенности d-состояний с противоположным индексом спина. Результаты работы доложены на конференции EASTMAG, опубликованы в статье JMMM, 563, 169873 (2022), приняты в печать в журнал Известия РАН, серия физическая и направлены в журнал JMMM 6. Выращивание совершенных монокристаллов бората железа (совместно с сотрудниками Таврического национального университета (г. Симферополь)), пригодных для поиска эффекта Фарадея, обусловленного компонентой намагниченности параллельной оси С3 бората железа. В ромбоэдрическом слабом ферромагнетике FeBO3 предсказан и впервые экспериментально наблюдался эффект Фарадея (ЭФ), обусловленный компонентой намагниченности (mz) параллельной оси С3 кристалла, которая на три с половиной порядка меньше спонтанной намагниченности в базисной плоскости mD. Намагниченность mD обусловлена релятивистскими взаимодействиями. Отношение величины mD к сумме величин намагниченностей подрешеток антиферромагнетика бората железа пропорционально квадрату отношения скорости электронов в кристалле к скорости света (v/c)2. Компонента намагниченности mz обусловлена дважды релятивистскими взаимодействиями и ее отношение к сумме величин намагниченностей подрешеток пропорционально (v/c)4. (И.Е. Дзялошинский. ЖЭТФ, 32, 1547 (1957). Угловая зависимость mz при повороте mD вокруг оси С3 описывается выражением mz = mz0•cos3φ, где φ - угол в базисной плоскости между направлением mD и линией пересечения базисной плоскости с зеркальной плоскостью симметрии. Величина ЭФ, обусловленного компонентой mz, оказалась на шесть порядков меньше ЭФ, обусловленного компонентой намагничинности mD. Результаты исследования опубликованы (В.Е. Зубов, А.Д. Кудаков, Д.А. Булатов, М.Б. Стругацкий, С.В. Ягупов. Эффект фарадея в FeBO3, обусловленный компонентой намагниченности параллельной оси С3. Письма в ЖЭТФ, 2022, т.116, вып.6, с.287-291.) 7. Продолжение исследований динамики доменных границ феррита-граната методом накачки-зондирования с высоким пространственным и временным разрешением, проведение анализа дифракции света на лабиринтной и полосовой доменной структуре феррита-граната и ортоферрита.. Влияние параметров управляющего импульса магнитного поля на динамику доменной границы в одноосном ферромагнетике было исследовано для случая высоких (более 1 км/с) и низких (от нескольких десятков м/с до 1 км/с) скоростей движения границы. Результаты расчетов были сопоставлены с экспериментальными данными, полученными с помощью метода двукратной фотографии, что позволило обобщить полученные выводы практически на все материалы, в которых изучают движение доменных границ. С помощью метода наименьших квадратов были подобраны аппроксимирующие функции для экспериментальной зависимости полной скорости антиферромагнитного вихря внутри доменной границы ортоферрита иттрия от скорости движения самой границы. Используя полученные функции и соотношение между скоростями вихря и доменной границы, был подтвержден вывод, ранее сделанный на основе косвенных экспериментов, о невозможности существования антиферромагнитных вихрей внутри доменной границы, если она движется со скоростью меньше скорости звука. По полученным результатам опубликовано две статьи в журналах из списка ВАК. 8. Дальнейший поиск применений новых функциональных магнитных материалов для изучения окружающей среды, биологических микрообъектов и в медицине на основе магнитных методов контроля. Исследование магнитных и магнитооптических свойств наноструктурированных пленок ферримагнетиков (ортоферритов, гематита, пермаллоя) и разбавленных магнитных полупроводников на основе In(Ga) As(Sb) легированных Mn и Fe. За отчетный год изучены спектральные, температурные и магнитополевые зависимости магнитооптического экваториального эффекта Керра (ЭЭК), а также оптические спектры слоев InFeAs, сформированных ионной имплантацией и последующим импульсным лазерным плавлением при различных энергиях лазерного импульса. Обнаружена сильная зависимость магнитооптических и оптических свойств слоев InFeAs от энергии импульса. Спектры ЭЭК образца, сформированного при минимальной энергии импульса (W = 0.1 Дж/см2), свидетельствуют о присутствии в слабо легированной полупроводниковой матрице ферромагнитных нанокластеров (In, Fe)As с температурой Кюри ≈180 К, а также об отсутствии вторичных магнитных фаз. Спектры ЭЭК слоев, полученных при W = 0.15–0.4 Дж/см2, являются суперпозицией вкладов от распределенных в объеме ферромагнитных нанообластей (In,Fe)As и приповерхностных включений Fe. Преобладание в спектрах вклада железа свидетельствует об усилении диффузии Fe к поверхности при увеличении энергии лазерного импульса. Анизотропия магнитооптических и оптических спектров подтверждает анизотропное химическое фазовое разделение в слоях. 9. Исследование особенностей свойств сплавов на основе бинарных соединений переходных металлов, обладающих магнитокалорическим эффектом, в частности сплавов на основе Fe-Rh. За прошедший год по данной теме защищены докторская и магистерская диссертации. Основные полученные результаты следующие: Подробно изучены механизмы зарождения и роста ферромагнитной фазы в тонкой пленке FeRh при магнитном фазовом переходе первого рода из антиферромагнитного в ферромагнитное состояние при помощи температурных, полевых и релаксационных зависимостей намагниченности Разработана методика измерений релаксационных зависимостей намагниченности вблизи фазового перехода, которая позволяет получать воспроизводимые результаты. Предложена феноменологическая модель, которая описывает процессы зарождения и роста ферромагнитной фазы магнитном фазовом переходе первого рода. Показано, что нуклеация и рост ферромагнитной фазы начинается с поверхности пленки. После прорастания ферромагнитной фазы в верхних слоях тонкой пленки начинают преобладать процессы движения доменных границ. Завершающей стадией фазового перехода является рост ферромагнитной фазы в направлении к подложке. Предложенная модель эволюции ферромагнитной фазы верифицирована визуализацией микромагнитной структуры на поверхности пленки при помощи магнитно-силовой микроскопии и Керр микроскопии. Описан новый подход к интерпретации TFORC диаграмм, основанный на корреляционном анализе диаграммы и температурной зависимости коэрцитивной силы. Выполнены экспериментальные исследования прямым и косвенным методом магнитокалорических свойств сплавов на основе Ni: Ni93.8V6.2, Ni89.5Al10.5, Ni72.5Cu27.8, являющихся перспективными материалами для саморегулируемой магнитной гипертермии. Показано, что температуры максимального магнитокалорического эффекта, определенные этими методами, могут существенно отличаться, что принципиально важно для саморегулируемой гипертермии. 10. Исследование магнитотранспортных свойств тонких пленок сплавов Гейслера Ni-Mn-In-Bi и Ni–Fe(Co)–Ga с выделением температурных зависимостей нормального и аномального коэффициентов Холла. Получены новые экспериментальные и теоретические данные о структурных, магнитных, магнитотранспортных свойствах объемных монокристаллических и пленочных образцов сплавов Гейслера с памятью формы. Для монокристаллов Ni-Mn-Ga, выращенных в группе Кари Уллако в Финляндии, рентгеновскими, магнитными и магнитотранспортными методами определены характерные температуры мартенситного перехода и измерено сопротивление Холла пв аустенитной фазе. Выделены температурные зависимости нормального и аномального эффекта Холла в сплавах Ni–Fe(Co)–Ga и показано отсутствие в них скирмионов . Обнаружено необычное осцилляционного типа поведение аномального эффекта Холла в сплавах Ni-Mn-In-Bi при 77-120 К. Высказано предположение о метастабильности мартенситной фазы этого сплава. Результаты работы докладывались на международной конференции EASTMAG (Казань, август 2022). 11. Исследование свойств низкоразмерных тонкопленочных систем Co/Cu/Co, Py/Pt и висмут-замещённого железо-иттриевого граната при различных внешних воздействиях. Исследованы температурной зависимости магнитополевого поведения и магнитных свойств трехслойных Co/Gd/Co систем при изменении температуры от 100 до 300 K. Выбор в качестве редкоземельного металла гадолиния, обусловлен тем, что он характеризуется как высокой температурой Кюри, равной 293 K, так и высоким значением атомного магнитного момента, величина которого достигает 7.5 магнетонов Бора. Кроме того, во всем температурном диапазоне ниже точки Кюри гадолиний является коллинеарным ферромагнетиком. В других изучаемых образцах значения магнитного момента при нулевом магнитном поле, m0, с ростом температуры от 100 до 300 K увеличиваются, а коэрцитивной силы уменьшаются. Этот факт можно объяснить, если принять во внимание особенности температурных зависимостей магнитного момента кобальта и гадолиния. Известно, что в диапазоне от 100 до 300 K магнитный момент кобальта изменяется медленно, а магнитный момент гадолиния, имеющий противоположное направление относительно момента кобальта, значительно уменьшается. В результате общий магнитный момент системы растет. Таким образом, проведенные исследования показали, что магнитополевое поведение Co/Gd/Co систем зависит от температуры. В частности, для изучаемых тонкопленочных образцов обнаружено изменение значений магнитного момента, m, при увеличении температуры от 100 до 300 K. Для образца с толщиной гадолиния, равной 9 нм, при T = 150 K была зафиксирована точка магнитной компенсации. В целом полученные данные свидетельствовали о сильном влиянии Gd на магнитные характеристики Co/Gd/Co образцов. Кроме того, были исследованы магнитооптических свойств трехслойных Fe/ПДФ/Fe низкоразмерных тонкопленочных магнитных систем. Измерения выполнены на магнитооптическом магнитометре с помощью экваториального эффекта Керра. Обнаружено, что значения поля насыщения, наблюдаемые для изучаемых тонкопленочных систем, зависят от толщины, как слоя железа, так и ПДФ слоя. Этот факт объясняется взаимодействием ферромагнитных слоев с ПДФ слоями. Обнаружено, что вид спектральных зависимостей экваториального эффекта Керра, наблюдаемый для Fe/ПДФ/Fe тонкопленочных систем с толщиной железа, равной 30 нм, подобен магнитооптическим спектрам, обнаруженным для ферромагнитных пленок. Вместе с тем величина магнитооптического эффекта зависит от толщины ПДФ слоя — в частности, уменьшается при увеличении толщины ПДФ прослойки. Этот факт объясняется уменьшением влияния слоя ферромагнитного металла на магнитооптический сигнал с ростом толщины неферромагнитной прослойки. 12. Проведение поисковых междисциплинарных исследований на стыке физики, материаловедения, медицины, экологии и др. В ходе работ по данному направлению разработан модифицированный метод реакционных тиглей, позволяющий исследовать фазовые диаграммы многокомпонентных систем в присутствии электрических токов высокой плотности (более 10 А/мм2). Установлено, что воздействие электрического тока изменяет значения свободной энергии Гиббса системы и, как следствие, сдвигает фазовое равновесие. Это, в свою очередь, позволяет решить проблему «недостающих» фаз, характерную для данного метода комбинаторного анализа. В частности, при электротермической обработке реакционных тиглей Fe – Sn при температуре T = 800 oC удалось стабилизировать все интерметаллидные фазы, направленные вниз на равновесной фазовой диаграмме. Путем совмещения моделирования Comsol Multiphysics с анализом экспериментальных данных установлены следующие особенности процессов диффузии, растворения и фазообразования в диффузионной зоне реакционного тигля при его электротермической обработке: (i) Процесс диффузии и растворения в реакционном тигле пропорционален плотности тока. Это требует точного определения размера реакционного тигля во время производства для обеспечения воспроизводимых результатов. При этом, изменяя толщину стенок, дна и крышки тигля, а также его диаметр, можно существенно изменять плотность тока, тем самым регулируя условия электротермической обработки. (ii) Усиленный массоперенос, вызванный вкладом электромиграции, вызывает значительные механические напряжения в диффузионной зоне реакционного тигля. Эти напряжения влияют как на кинетику, так и на термодинамику фазовых превращений. Оценка величины этих напряжений позволит найти корреляцию между плотностью электрического тока и внутренним эффективным давлением, которое можно рассматривать как замещающий источник первого. Таким образом, предлагается возможность использования электрического тока для синтеза метастабильных фаз, существующих при высоких давлениях. Проведены исследования возможности изготовления структур искусственного спинового льда аддитивным методом — двухфотонной лазерной фотополимеризации. Получены первые одиночные экспериментальные образцы элементов спинового льда, проведена микроскопия и характеризация магнитных свойств. За отчетный период сотрудниками кафедры по результатам проведенных исследований опубликованы 50 статей, 29 тезисов докладов, три книги (учебных пособия без грифа) | ||
3 | 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. | Магнитные, транспортные и оптические свойства магнитно-неоднородных материалов, развитие перспективных исследований |
Результаты этапа: Проведены исследования и получены новые результаты в следующих направлениях: 1. Моделирование влияния импульса накачки на динамическую доменную границу в пленке феррита-граната. Определение изменения температуры в области возбуждения импульсом накачки было выполнено, используя граничные условия Дирихле, с помощью моделирования двумерного уравнения теплопроводности. Параметры расчетов соответствовали условиям эксперимента. Определение изменения температуры с течением времени в области возбуждения импульсом накачки было выполнено для интервала времени, прошедшего с момента возбуждения до действия второго зондирующего импульса. 2. Продолжение исследований особенностей свойств сплавов на основе бинарных соединений переходных металлов, обладающих магнитокалорическим эффектом, в частности сплавов на основе Fe-Rh. Завершен процесс расчетов из первых принципов свойств структур FeRhCr в пакете программ VASP. Рассчитаны структурные и магнитные свойства кристаллических структур с различным содержанием атомов хрома, для кристаллических решеток, в которых атомы хрома занимают позиции железа и/или родия. Для структур, состоящих из 128 атомов, в которых содержатся два атома хрома, дополнительно рассчитаны кристаллические решетки, где атомы хрома находятся в различных координационных сферах. Получены расчетные значения постоянных элементарной ячейки, магнитных моментов каждого типа атомов, свободной энергии. Проведено сравнение полученных расчетных результатов с экспериментальными. С помощью расчетов из первых принципов было продемонстрировано, что степенью кристаллического упорядочения можно управлять, подбирая позиции замещения легирующего элемента. В частности, было обнаружено, что атомы хрома имеют тенденцию занимать позиции родия с тенденцией к кластеризации и уменьшению межатомных расстояний между атомами хрома. Обобщая все представленные результаты, можно утверждать, что средний магнитный момент на ячейку имеет локальный минимум при замещении атомов родия, находящихся близко друг к другу. Максимальное значение среднего магнитного момента достигается за счет замещения позиций железа, находящихся на большом расстоянии между соседними атомами хрома. Сложная и немонотонная зависимость среднего магнитного момента от расстояния между атомами хрома наблюдается при одновременном замещении позиций железа и родия. Сравнивая результаты расчета с экспериментальными данными для медленно охлажденного сплава, самое лучшее соответствие было получено для структуры Fe50Cr3.7Rh46.3, где расстояние между атомами хрома оказалось равным a = 3.626 Å. Напротив, для закаленного сплава наилучшее совпадение было достигнуто для структуры, в которой 8% атомов хрома замещают позиции железа, а остальные атомы занимают позиции родия. При этом расстояния между атомами хрома в такой структуре с равной вероятностью изменялись от 2.343 Å до 5.258 Å. Результаты опубликованы в https://www.mdpi.com/2075-4701/13/10/1650. Проведена исследовательская работа по изучению свойств тройного сплава. Систематизация результатов по железо-родиевому семейству позволила выявить некоторые тенденции. Например, отклонение химического состава от эквиатомного приводит к увеличению количества локальных дефектов (размещение атомов железа на позициях родия) кристаллической решетки и, как следствие, к увеличению изменения энтропии. Этот факт подтверждается увеличением изменения энтропии для сплава Fe49Rh51 по сравнению с Fe50Rh50. Увеличение изменения энтропии приводит к увеличению магнитокалорического эффекта. Величина магнитокалорического эффекта имеет неявную зависимость от температуры фазового перехода. Увеличение температуры увеличивает эффект для рассматриваемой системы (в случае сохранения стехиометрии и малого легирования). Также обсуждаемые результаты были получены при циклировании в магнитном поле. Следовательно, стоит учесть, что ширина температурного гистерезиса существенно влияет на величину магнитокалорического эффекта. Больший магнитокалорический эффект в циклических полях наблюдается при более узком гистерезисе. Из проанализированных литературных результатов следует, что замена железа атомами с ионным радиусом меньшим, чем у атомов родия, в неэквиатомном составе приводит к снижению температуры перехода. Такая тенденция наблюдается для сплава Fe48Ni1Rh51 и для сплавов FeRh1-xPdx. Поэтому гипотеза состоит в том, что в случае замены железа (или родия) атомами с большим ионным радиусом в неэквиатомном составе это приводит к повышению температуры фазового перехода. Например, такая тенденция наблюдается для сплава Fe48.2Ru0.8Rh51. Однако трудно предсказать поведение температуры фазового перехода для сплавов, в которых одновременно замещаются железо и родий. Легирование Fe49Rh51 низкой концентрацией третьего элемента, вероятно, является единственным способом повысить температуру фазового перехода при сохранении необходимой кристаллической структуры типа CsCl (для сохранения скачка намагниченности при фазовом переходе первого рода) неэквиатомного сплава с повышенным изменением магнитной части энтропии, то есть магнитокалорического эффекта. Результаты опубликованы в https://link.springer.com/article/10.1007/s11661-023-07138-1. Была проведена верификация модернизированной феноменологической модели метамагнитного фазового перехода первого рода для соединений La(Fe,Si)13. Одним из неоспоримых преимуществ разработанной модели является ее способность прогнозировать температурный и полевой гистерезисы. Полевые зависимости намагниченности рассчитывались по следующему алгоритму. На первом этапе согласно полученным аналитическим выражениям строились полевые зависимости намагниченности. Метастабильному состоянию соответствует участок полученной зависимости с отрицательным наклоном производной намагниченности по полю. Этот участок был исключен путем соединения точек максимума и минимума при котором первая производная намагниченности по полю равна кулю. Сравнительный анализ рассчитанных и экспериментальных данных показал, что разработанная модель правильно описывает критические магнитные поля, при которых индуцируется переход из парамагнитного состояния в ферромагнитное. Температурные зависимости намагниченности были восстановлены по набору полевых зависимостей, рассчитанных для широкого диапазона температур, путем взятия значений постоянного поля. Форма температурных зависимостей намагниченности качественно согласуется с экспериментальными результатами. Анализ полученных результатов моделирования показывает, что оцененные верхние пределы полевого и температурного гистерезиса завышены. Основная причина в том, что кинетика не учитывается. Разработанная обобщенная феноменологическая модель позволила оценить необходимое значение давления для достижения практически безгистерезисного цикла намагничивания-размагничивания. По результатам численного моделирования многостимульного цикла, установлено, что намагничивать необходимо под давлением окружающей среды, а размагничивать при р = 39 МПа. Эти значения по порядку величины совпадают экспериментальными данными. 3. Теоретические исследования процессов спиновой аккумуляции и спинового эффекта Холла в трехслойной системе, состоящей из ферромагнетика, немагнитного барьера и слоя со спин-орбитальным взаимодействием. В 2023 году был рассчитан планарный аномальный холловский ток и родственные явления (спиновый холловский ток и неравновесная спиновая аккумуляция) в барьерном слое двухслойной системы, состоящей из тонкого слоя ферромагнитного металла и сегнетоэлектрического барьера со спин-орбитальным взаимодействием. Таким образом, в подобной системе спин-орбитальное взаимодействие и магнитный порядок реализуются в разных слоях. В предыдущих работах было показано, что перечисленные эффекты возникают в слое ферромагнитного металла, а их амплитуда существенно зависит от толщины ферромагнитного слоя, исчезая при больших толщинах. В 2023 году мы показали, что перечисленные эффекты возникают и в барьере. Все три величины (холловский ток, спиновая аккумуляция в направлении перпендикулярном намагниченности ферромагнитного слоя и спиновый холловский ток) зависят как от знаков констант спин-орбитального взаимодействия, так и от направления вектора намагниченности ферромагнитного слоя. Это открывает возможность управления перечисленными эффектами путем изменения направления намагниченности, а также, обращения знака констант спин-орбитального взаимодействия, что имеет место при переключении направления электрической поляризации сегнетоэлектрика в таких материалах, как оксид гафния, HfO2. 4. Теоретическое и экспериментальное исследование магнитооптических свойств нанокомпозитов Co-SiO2 и CoFeZr-Al2O3. В спектральном диапазоне 0.5–4.0 eV в магнитных полях до 3.0 kOe выполнены измерения магнитооптических свойств в геометрии поперечного эффекта Керра (ТКЕ) нанокомпозитов Co-SiO2 и CoFeZr-Al2O3. Из анализа полевых зависимостей ТКЕ при разных длин волн следует, что в исходных образцах при х< 30 at.% взаимодействие между наночастицами мало, и нанокомпозит представляет собой ансамбль суперпарамагнитных частиц, с увеличением х до 32-33 возникает состояние типа суперспингласс, затем в окрестности 35% наряду с отдельными суперпарамагнитными частицами возникают суперферромагнитные области, а дальний ферромагнитный порядок возникает при концентрации х меньшей порога перколяции по проводимости х 42 at.%. При наличии двух разных магнитных состояний в образцах ТКЕ не пропорционален намагниченности. Как полевые зависимости , так и спектральные зависимости ТКЕ значительно изменяются после отжига образцов, тогда как изменения в полевых зависимостях намагниченности, измеренных на магнитометре, незначительны. Модифицирован метод расчета магнитооптических спектров нанокомпозитов в рамках теории эффективной среды для учета размерного эффекта и изменений магнитных свойств на поверхности наногранул. Сопоставление теории с экспериментом выявило основные зависимости ТКЕ от многочисленных параметров микроструктуры, что создает базу для магнитооптической спектроскопии нанокомпозитов. 5. Исследование свойств разбавленных магнитных полупроводников на основе GaSb-MnSb, а также InSb-MnSb На начальном этапе исследовались свойства поликристалла MnSb, синтезированного из расплава высокочистых элементов. Подтверждено наличие ферромагнитного состояния с температурой Кюри существенно выше комнатной. Анализ данных структурных и магнитных исследований показал наличие слабого отклонения от эквиатомного состава, в сторону слабого избытка Mn (~ 1 ат.%). Обнаружено, что сопротивление исследуемого образца, не подчиняется корреляции Муиджи и существенно уменьшается при охлаждении. Низкотемпературное магнетосопротивление поликристалла положительно, без видимой тенденции к насыщению, что указывает на его связь с классическим механизмом Лоренца. При повышении температуры начинает доминировать вклад отрицательного магнетосопротивления, связываемый с подавлением тепловых спиновых флуктуаций внешним магнитным полем. Коэффициент нормального Холла положителен и существенно возрастает при увеличении температуры, что свидетельствует о сильном изменении плотности делокализованных дырок с температурой. Коэффициент аномального Холла также оказывается положительным а его температурная и заметно уменьшается при охлаждении, что связывается с ростом проводимости системы ввиду вариации концентрации носителей заряда Композиты GaSb-MnSb и InSb-MnSb синтезированных из расплава элементных прекурсоров и закаленных после повторного нагрева. Представленные результаты позволяют предположить, что исследованные композиты можно рассматривать как ансамбль крупных ферромагнитных включений MnSb, внедренных в матрицу GaAs или InSb с разбавленными в ней атомами Mn. Показано, что магнитные и магнитооптические свойства композитов GaSb-MnSb определяются в первую очередь фазой MnSb. Однако транспортные и магнитотранспортные свойства образцов GaSb-MnSb зависят от обоих компонентов. В целом, в низкотемпературном поведении преобладает вклад матрицы GaSb, тогда как при комнатной температуре измеренные данные качественно аналогичны данным для исходных поликристаллов MnSb. Аддитивный характер этих вкладов, а также отсутствие поверхностного плазмонного резонанса в магнитооптических спектрах позволяют предположить, что эти композиты не содержат значительной доли ферромагнитных включений нанометровых размеров. Близкие результаты получены и для нанокомпозитов InSb-MnSb. Основной вывод состоит в том, что для достижения высоких температур Кюри и значительных значений отрицательного магнетосопротивления необходимо использовать более агрессивную закалку. 6. Исследование магнитных свойств, сопротивления, магнитосопротивления, эфффекта Холла, магнитоптических свойств нанокомпозитов CoFeB- LiNbO3, перспективных для разработки мемристоров. Продолжено комплексное исследование магнитных, структурных, магнитотранспортных и магнитооптических свойств нанокомпозитов CoFeB- LiNbO3, перспективных для разработки мемристоров. Впервые обнаружены многочисленные особенности поведения магнитосопротивления при низких температурах, в частности, положительное магнитосопротивление, двухямное магнитосопротивление, необычный скейлинг в поведении аномального эфекта Холла, особенности магнитных свойств, связанных с переходом от суперпарамагнитного поведения к суперферромагнитному при повышении концентрации металла. Доказан многофиламентный хпарактер мемристорного эффекта в магнитных нанокомпозитах. 7. Продолжение теоретических и экспериментальных исследований статических и динамических свойств аморфных и нанокристаллических сплавов различной размерности и структур на их основе, развитие методов магнитной томографии. В 2023 году была предпринята попытка выявить и объяснить влияние процесса формирования двумерных наноструктур на поверхности аморфного сплава (использовался сплав состава Co75Si15Fe5Cr4.5Al0.5 (в ат.%)) на коррозионные и магнитные свойства такого сплава. Двумерные наноструктуры (наноячейки размером 100-150 нм), полученные анодированием исходного образца в ионной жидкости, по сути, представляют собой рисунок на поверхности образца, и они не могут полностью покрыть и заблокировать поверхность от внешних воздействий. Предполагалось, что присутствие этих наноструктур при коррозионных и магнитных испытаниях не оказывает существенного влияния. Однако в ходе коррозионных испытаний наблюдался заметный эффект ингибирования и менее заметный (но все же обнаруживаемый) эффект наблюдался при магнитных испытаниях. Результаты позволяют предположить. что полученный эффект, при детальном изучении, может быть использован для повышения коррозионной стойкости и улучшения свойств традиционных магнитных материалов. Были продолжены исследования импеданса в магнитных структурах с неоднородным распределением плотности электрического тока. Исследуемая структура состоит из двух одинаковых ферромагнитных дисков, разделенных диэлектрическим слоем. Модифицированная конструкция магнитоимпедансного датчика позволяет избежать появления паразитных эффектов, вызванных собственным магнитным полем чувствительного элемента. Предсказано сильное изменение импеданса структуры от частоты и значения проницаемости. Теоретическая оценка была качественно подтверждена экспериментальными результатами для модельных образцов. Кроме того получены полевые зависимости импеданса конических проводов с различной конусностью в частотном диапазоне 50 Гц-6 ГГц в магнитных полях до ±100 Э. Установлено, что конусность образца (1:10000) при его длине 1-2 см не влияет в пределах точности измерений на магнитоимпедансные параметры. В то же время для образцов, вырезанных из участков конусного провода на значительном расстоянии (>0.5 м), свойства заметно отличаются, но совпадают с результатами, полученными на образцах обычных цилиндрических микропроводов соответствующего состава. Проведен анализ влияние изменения плотности тока в микропроводе из-за его конусности на импедансные свойства. Получены полевые зависимости импеданса микроспиралей из аморфных магнитных микропроводов с различными радиусами скручивания в диапазоне 1.5-3.5 мм в частотном диапазоне 50 Гц-6 ГГц в магнитных полях до ±100 Э. Обнаружена асимметрия полевых зависимостей импеданса, зависящая от параметров микроспиралей. Поиск возможностей возбуждения резонансных изменений импеданса, основанных на изменении межвитковой емкости микроспиралей оказался безрезультатным из-за плохой воспроизводимости данных. 8. Исследование магнитоэлектрического преобразования в мультиферроиках на основе полимеров. Получены результаты магнитоэлектрического преобразования в мультиферроиках на основе пьезополимерной пленки ПВДФ и слоя магнитного эластомера различной жесткости, различной концентрации микрочастиц железа. Получено резонансное усиление эффекта при приложении градиентного переменного магнитного поля. Наблюдается основной резонансный пик, а также резонансные усиления на кратных частотах (основная резонансная частота, деленная на 2, 3 и тд.). С увеличением толщины магнитоэластомерного слоя наблюдается уменьшение резонансной частоты. Резонансная частота зависит от амплитуды переменного поля, что может быть использовано для разработки датчиков градиента магнитных полей. Исследовано влияние внешнего постоянного магнитного поля на магнитоэлектрический эффект. Показано увеличение индуцируемого электрического сигнала при увеличении магнитного поля. Наблюдается уменьшение резонансной частоты с увеличением поля, что описывается теорией колебаний прямоугольной балки, зафиксированной с одного торца. Полученные значения магнитоэлектрического эффекта по порядку достигают тех же величин, что получены другими исследовательскими группами при исследовании мультиферроиков схожих составов. Коэффициент МЭЭ значительно превышает существующие результаты для других композитных мультиферроиков. Двухслойный композит на основе полимеров является гибким и биосовместимым, что может стать основой для применения в гибкой электронике, биомедицине и преобразователях энергии. 9. Продолжение исследований по изготовлению структур искусственного спинового льда. Оптимизация одиночных элементов искусственного спинового льда и изготовление групповых элементов с исследованием их взаимодействия друг с другом. Продолжены работы по исследованию возможности изготовления структур искусственного спинового льда методом 3D-печати. Проведена успешная 3D-печать образцов с квадратным и сотовидным упорядочением элементов. Проведено напыление металла и исследование толщины полученных слоев. Сделаны выводы о необходимости увеличивать толщину напыления. Разработана оценочная численная модель работы спинового льда с учетом диполь-дипольного взаимодействия для моделирования изменения энергии системы и визуализации работы структуры. 10. Исследование свойств низкоразмерных тонкопленочных и нанокомпозитных систем при различных внешних воздействиях. Сплав FeRh является классическим материалом, в котором происходит магнитный фазовый переход первого порядка. В ходе работы фазовый переход из антиферромагнитного состояния в ферромагнитное в FeRh изучался в тонкой пленке данного бинарного сплава. Сопоставление результатов магнитометрии и транспортных свойств позволило установить ряд различий в механизмах фазовой эволюции при магнитно-полевом и температурно-индуцированном переходе. Основной особенностью фазового перехода, индуцированного магнитным полем, по сравнению с температурным, является изменение микромагнитной структуры ферромагнитной фазы. Рост ферромагнитной фазы с меньшим полем рассеяния приводит к асимметричному поведению при индуцировании фазового перехода вблизи метастабильного состояния. Кроме того, были изучены эффекты магнитострикции при анализе эволюции фазового перехода, которые приводят к необратимости фазового перехода вблизи нулевого магнитного поля. Результаты опубликованы в https://doi.org/10.5614/j.math.fund.sci.2023.55.1.2. Разработка квантовых вычислений или магнитных систем хранения данных требует поиска магнитных наноструктур с несколькими магнитными конфигурациями с управляемыми квантовыми спиновыми состояниями. Исследование магнитных свойств нанопроволок оксидов металлов имеет особое значение для развития таких технологических реализаций. В работе проводились ab initio исследования магнитных свойств нанопроволок Mn и оксида Mn (MnO) на вицинальных поверхностях Au с различной геометрией ступенчатого края. Обнаружено существование ферромагнитных и антиферромагнитных конфигураций нанопроволок Mn и MnO на вицинальных поверхностях Au. Выявлено влияние окисления и геометрии поверхности на проявление ферромагнитных или антиферромагнитных свойств нанопроволоки. Показано, что основное состояние чистых нанопроволок Mn зависит от структуры поверхности. В то же время основное состояние оксидных нанопроволок Mn является антиферромагнитным на всех исследованных вицинальных поверхностях и не зависит от структуры поверхности. Также наблюдалось увеличение энергии обменного взаимодействия в нанопроволоках при окислении поверхности. Обменное взаимодействие между атомами марганца в нанопроволоках MnO гораздо сильнее, чем в чистых нанопроволоках Mn. Результаты опубликованы в https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2023.171246. В ромбоэдрическом слабом ферромагнетике борате железа в диапазоне спектра, включающем область его прозрачности, впервые наблюдался эффект Фарадея (ЭФ), обусловленный компонентой намагниченности mz параллельной оси С3 кристалла, которая на три с половиной порядка меньше намагниченности mD в базисной плоскости. Величина измеренного эффекта оказалась на несколько порядков меньше ЭФ, обусловленного намагниченностью в базисной плоскости. Для измерения столь малого ЭФ, обусловленного компонентой намагниченности mz, на фоне ЭФ, обусловленного компонентой намагниченности mD, была увеличена чувствительность измерений и использовано различие симметрийных свойств эффектов Фарадея, обусловленных указанными компонентами mz и mD. Исследование спектра магнитооптического ЭФ, обусловленного компонентой mz, и сравнение его с изученными ранее спектрами магнитооптических эффектов Керра, обусловленных компонентой mD, может дать дополнительную информацию, способствующую расшифровке энергетического спектра антиферромагнитного диэлектрика бората железа. Для измерения спектральной зависимости ЭФ, обусловленного компонентой mz, необходима еще более высокая чувствительность измерений по сравнению с измерениями ЭФ в широком спектральном диапазоне. С целью увеличения чувствительности и функциональных возможностей измерений в магнитооптической установке был использован цифровой селективный измерительный усилитель Saluki Technology SE1022 (производитель Китай) и осветитель с ксеноновой лампой и стабилизированным источником питания ОЛКс-150М (Санкт-Петербург). В результате совершенствования методики относительная чувствительность магнитоооптических измерений была увеличена на порядок и составила ̴ 3‧10^(-7). Дополнительно появилась возможность одновременного измерения амплитуды и фазы магнитооптического сигнала. Указанные усовершенствования позволяют проводить измерения ЭФ в узких спектральных интервалах и измерять спектральную зависимость ЭФ, обусловленного компонентой mz. Первые экспериментальные результаты получены и в настоящее время анализируются. Результаты исследования эффекта Фарадея, обусловленного компонентой намагниченности mz параллельной оси С3 кристалла, были доложены на международной конференции в Крыму. 11. Проведение поисковых междисциплинарных исследований на стыке физики, материаловедения, медицины, экологии и др. С ростом числа неинфекционных заболеваний рак становится одним из самых смертоносных недугов ближайших десятилетий. Значительный прогресс был достигнут в разработке магнитных наночастиц (МНЧ), сочетающих диагностические и терапевтические свойства в одной системе. Мультимодальные МНЧ, которые сначала используются для МРТ-диагностики с повышенной контрастностью, а затем выступают в качестве синергетических агентов для магнитной гипертермии и радиотерапии, могут рассматриваться как противораковые препараты нового поколения. В работе группы было впервые проведено систематическое исследование композитных тераностических МНЧ ZnFe2O4@MnFe2O4. Два типа МНЧ ZnFe2O4 с толщиной оболочки 0,5 (ZM0,5) и 1,7 нм (ZM3) были получены методом гидротермального синтеза. Было показано, что настройка толщины оболочки влияет на значение релаксивности r2 и r1 контрастного средства из МНЧ и позволяет получать двухмодовые контрастные агенты T1-T2. Исследование радиотерапии показало значительное увеличение дозового коэффициента (около 40 %) для обоих типов МНЧ. Установлено, что удельная мощность поглощения ZM3 в переменном магнитном поле 100 Э с частотой 75 кГц составляет 8 Вт/г, что приводит к нагреву до 42 °C в течение нескольких секунд. Результаты опубликованы в https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/tb/d2tb02186b/unauth. В соответствии с планом работ 2023 года проводились исследования свойств различных ферритов и манганитов, полученных различными методами для различных приложений. Железосодержащие оксиды являются важнейшим классом функциональных материалов и находят самое разнообразное применение. Одним из перспективных является использование их в биомедицинских технологиях в качестве компонентов систем визуализации, доставки лекарств, магнитной гипертермии и т.д. В частности, были исследованы магнитные и магнитотермические свойства отожженных наночастиц Zn0.2Mn0.8Fe2O4 с диаметрами в диапазоне от 9 нм до 35 нм. Результаты сравнивались с ранее исследованными неотожженными наночастицами. Было показано, что для крупных отожженных наночастиц Zn0.2Mn0.8Fe2O4 (24,7 нм, 31,4 нм, 35,1 нм) значение удельной теплоты поглощения (SAR) пропорционально амплитуде магнитного поля как ~ H4 . Однако для ранее исследованных неотожженных МНП Zn0.2Mn0.8Fe2O4 наблюдалась сверхквадратичная зависимость SAR~ H5 для малых частиц порядка 13 нм. Значительное изменение характера зависимости SAR(d) объясняется низкими значениями площади гистерезиса малых отожженных наночастиц и, следовательно, доминирующей ролью релаксации Нееля в них. Были исследованы свойства магнитные нанокристаллов YFeO3 и YFe1–xNixO3 (x = 0.1; 0.15; 0.2; 0.3; 0.5), полученных в условиях самораспространяющейся волны глицин-нитратного горения, с целью установление влияния допирования Ni2+ феррита иттрия на магнитные свойства нанопорошков. Установлено, что нанопорошки недопированного ортоферрита иттрия проявляют антиферромагнитное поведение магнитной восприимчивости при изменении температуры. Допирование никелем приводит к формированию материала с более выраженными магнитномягкими свойствами при степени замещения до 0.1. Для образцов с большими степенями замещения (х = 0.15 и 0.3) характерно парамагнитное поведение при температурах выше 100 К. Также были исследованы нанокристалличе ские частицы граната Y3Fe5O12, полученные аналогичным методом глицин-нитратного горения с последующей термической обработкой. Полученные результаты исследования кристаллической и магнитной структуры наночастиц Y3Fe5O12 указывают на их зависимость от температуры синтеза. Комплексное исследование проводилось методами рентгеновской дифрактометрии, сканирующей электронной микроскопии и мессбауэровской спектроскопии. Выявлена взаимосвязь размера наночастиц Y3Fe5O12 и совершенства их кристаллической структуры с наблюдаемыми магнитными характеристиками. Интересные результаты получены при исследовании поликристаллических ферритов SrFe12O19, с большой степенью замещения (до ат. 67%) катионами Al3+, Ga3+, In3+, Co3+ и Cr3+ с высокой энтропией конфигурационного смешения, полученных методом твердофазного синтеза. Размер кристаллитов варьировался около ~ 4,5 мкм. Было проведено комплексное исследование намагниченности в различных полях и при различных температурах. Намагниченность насыщения рассчитывалась по закону приближения к насыщению. Определены сопутствующие магнитные параметры. Рассчитаны коэффициент магнитной кристаллографической анизотропии и поле анизотропии. Все исследованные зависимости магнитных параметров от степени замещения оказались немонотонными. Из кривых ZFC и FC были получены температуры магнитного упорядочения и блокировки. Средний размер магнитных кластеров по сделанным оценкам варьировался около ~ 350 нм. Учитывались высокие значения энтропии конфигурационного смешения и явление магнитного разбавления. В ходе исследований в 2023 году изучено и обсуждено влияние замещения циркония на структуру и магнитные свойства керамики YMnO3. Кристаллическая структура Y1 - xZrxMnO3 (x = 0.00, 0.05, 0.10) гексагональная, причем параметры решетки уменьшаются с увеличением количества допирования цирконием. Средний размер зерна уменьшается с 0,403 до 0,356 мкм по мере увеличения добавки Zr по данным СЭМ-анализа. Намагниченность Y1 - xZrxMnO3 возрастает с увеличением концентрации Zr, и в образце с x = 0,1 появляется состояние спинового стекла. Эволюция намагниченности должна быть связана с ионами Mn4+, появившимися при введении Zr в Y-узлы YMnO3. Увеличение количества ионов Mn4+, связанное с междоузельными анионами кислорода, привело к уменьшению эффективного магнитного моменту. Замещение Zr также может влиять на появление магнитной фрустрации. Интересные результаты были получены в ходе исследования влияния магнитного поля на характер химических реакций окисления и восстановления. Магнитометрия in situ была использована для изучения кинетики восстановления водорода Fe3O4 иммобилизованного в структуре тройного нанокомпозита (синтезированный гибридный электромагнитный наноматериал, представляющий собой матрицу на основе сопряженного полимера поли-3-амин-7-метиламин-2-метилфеназина с дисперсными наночастицами магнетита, иммобилизованными на многостенных углеродных нанотрубках) в магнитных полях различной напряженности. Обнаружено увеличение скорости реакции восстановления магнетита с образованием металлических наночастиц железа при T = 420 ◦C и при напряженности магнитного поля в диапазоне 60-3000 Э. Кроме того наблюдается зависимость степени превращения Fe3O4 в потоке водорода от напряженности магнитного поля. Были исследованы способы повышения эффективности извлечения ионов тяжелых металлов из водной среды с помощью новых нанокомпозитных магнитных сорбентов на основе природного цеолита (Zt) и наночастиц ZnFe2O4 (F). Состав, структура и физико-химические свойства новых композитов с 2% (Zt-2F), 8% (Zt-8F) и 16% (Zt-16F) феррита цинка охарактеризованы методами рентгеноструктурного анализа, адсорбции-десорбции азота по БЭТ, РЭМ с элементным картированием, ТЭМ и магнитометрии. Эффективность извлечения ионов Cu2+ из водного раствора объемом 320 мг/дм3 составила 63% для композита Zt-16F и 100% для образца ZnFe2O4. Установлено, что предложенные композитные сорбенты обеспечивают работу в течение нескольких циклов без регенерации, легко регенерируются 0,1 N раствором HCl и способны к магнитной сепарации. Преимущества новых композитов и предложенный способ синтеза позволяют рекомендовать эти материалы в качестве эффективных сорбентов тяжелых металлов из сточных вод. Некоторое внимание в 2023 году было уделено способности внешнего магнитного поля останавливать движение магнитных гидрогелей в водном растворе и концентрировать их на стенке капилляра. Кроме магнитных частиц в полимерную матрицу был включен противоопухолевый антибиотик доксорубицин, что повысило цитотоксичность получаемых полимерно-докс-конструкций за счет ферментативного расщепления полимерной матрицы и высвобождения доксорубицина. Полученные результаты имеют важное значение для создания биоразлагаемых носителей с контролируемыми магнитными свойствами. Продолжена совместная научно-исследовательская деятельность с Институтом теоретических и прикладных проблем электродинамики РАН, ЦНИИЧерМет, Институтом металлургии, химическим факультетом МГУ, Воронежским государственным университетом, НИТУ МИСиС, НИЦ «Курчатовский институт» в рамках вышеуказанных исследований. Продолжение сотрудничества с Крымским государственным университетом (г. Симферополь), с БФУ им. И. Канта. За прошедший год было опубликовано более 100 статей, сделано более 30 докладов на конференциях. | ||
4 | 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. | Магнитные, транспортные и оптические свойства магнитно-неоднородных материалов, развитие перспективных исследований |
Результаты этапа: | ||
5 | 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. | Магнитные, транспортные и оптические свойства магнитно-неоднородных материалов, развитие перспективных исследований |
Результаты этапа: |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".