автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Диагностика магнитных наноматериалов методом гамма-резонансной спектроскопии

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

уда; 539.166.3^

Аксенова Наталия Павловна

ДИАГНОСТИКА МАГНИТНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ ГАММА-РЕЗОНАНСНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

Специальность 05.27.01 - «Твердотельная элеюроиика, радиоэлектронные компонента, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА 2006г.

Работа выполнена в Физико-Технологаческом институте Российской Академии Наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

М.А. Чуев

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, В.М. Черепанов

доктор физико-математических наук, А.А. Кокин

Ведущая организация:

Московский Инженерно-физический Институт (Государственный Университет)

Защита состоится «18» января 2006 г, в А часов на заседании Диссертационного Совета Д 002.204.01 в Физико-Технологическом институте РАН по адресу: 117218, Москва, Нахимовский проспект, д.36, корп.З.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико-Технологического института РАН.

Автореферат разослан: « <Ь> ^¿С&Ь^И 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических паук В.В.Выорков.

Ц({

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность.

Системы магнитных часгап или кластеров малых размеров (порядка нескольких нанометров), так называемые наносгруктурнро ванные магнитные материалы (ваномагиетшш), привлекают большое внимание исследователей благодаря нх необычным фпзичеекпи свойствам. Пра этом возрастающий интерес к этому относительно новому классу материалов обусловлен не только существующей возможностью систематического исследования на юс примере фундаментальных свойств малых кластеров я домепов, но н широкой областью их применения в нанотехнолопш магнитных и магаитооитических устройствах записи информации, приборов цветного изображения, биотехнологии, ЯМР-томофафня и феррожидкостях.

Гамма-резопансная (мсссбауэровская) снектроскопия является одним из основных методов, который успешно используется для исследования структурных, магнитных и термодинамических свойств наномагнетнков. Анализ мессбауэровских спектров поглощения обеспечивает получение информации о фазовом составе, локальной кристаллической симметрии и размере частиц, а также о локальных магнитных характеристиках, таких как энергия магнитной анизотропии и параметры магнитной релаксации, Для построения теории мессбауэровских спектров ианомагнегтиков необходимо, превде всего, задать некоторую определенную модель для описания динамики магнитной подсистемы образца, как за счет тепловых флукгуаций, так и под действием внешних и внутренних магнитных полей, которая должна отражать наличие сложных процессов магнитной релаксации в частицах или кластерах малых размеров. Такие релаксационные процессы, которые на макроскопическом уровне проявляются, например, как персмагянчиванне образца с ярко выраженными гнстерезисными свойствами, ас могут происходить в наномагяешкак однородно но всему объему образца и носат в общем случае случайный характер. Эти же релаксационные процессы влияют и на меесбауэровские спегары поглощения, но при этом в спеирах поглощения находят свое отражение более тонкие аспекты магнитной релаксации, которая в случае ансамбля частиц или кластеров малых размеров должна носить стохастический характер, Проблема описания магнитной динамики системы малых частиц решается в течение довольно длительного времени. Существует немало моделей различной степени сложности,

однако окончательно эта проблема еще не решена. При решешш каздой новой конкретной задачи необходимо найти компромисс между адекватным реальной ситуации описанием и разумной с точки зрения расчетов сложностью модели.

Использование гамма-резонансной спектроскопия как метода исследования наномагнепшов подразумевает но только необходимость создания соответствующей теории, но и разработку методики анализа экспериментальных спекгров на базе этой теории. Мсссбауэровскне спектры наномагнетнков в большинстве случаев состоят пз большого числа, зачастую перекрывающихся линий, соответствующих неэквивалентным позициям мессбауэровского атома в образце, и анализ таких спектров представляет собой довольно непростую задачу. Существующие подходы к решению этой проблемы не обладали достаточной степенью общности, так что развитие адекватного метода анализа мессбауэровских спектров как в случае наномагнетнков, так и для большинства материалов со сложным составом является чрезвычайно актуальным.

Цель работы - разработка теоретических подходов и методов анализа для описания мессбауэровских спектров нанострукгурнрованных магтпных материалов.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

- разработан и реализован в виде компьютерной программы под операционную систему Windows новый метод D1SCVER («(Дискретные версии») для анализа мессбауэровских спекгров, позволяющий находить дискретные представления с максимально возможным для заданного уровня статистического качества спектра числом компонент с хорошо определенными параметрами. Метод успешно использован для извлечения информации о магнитных и структурных характеристиках из мессбауэровских спектров нзноструктурнрованных магнитных материалов;

• разработана обобщенная двухуровневая модель релаксации магнитных моментов взаимодействующих однодоменных частиц и развит формализм для описания гамма-резонансных епсктров в этой модели, который апробирован на примере мессбауэровских спектров наноетруктурированных магнитных сплавов Fe-Cu-Nb-B;

• проведен последовательный учет вращения магнитного момента одиодоменной частицы в ноле магнитной аншогрошш и выполнен соответствующий анализ мессбауэровских спектров во вращающемся сверхтопком поле для системы

4

однодоменных частиц с аксиальной, ромбической и кубической магнитной анизотропией.

Научная новгапа.

Подученные в диссертации результаты представляют собой теоретическую базу для существенного усовершенствования методов анализа мессбауэровских спектров магнитных наномахерналов:

- Реализованный в операционной системе Windows метод DISCVER для анализа мессбауэровских спектров, позволяет существенно усовершенствовать стандартный метод поиска распределений сверхтонких полей в силу принципиальной возможности не только оценки среднеквадратичных ошибок в полученных распределениях, но и поиска разнообразных форм искомых распределений.

- Проведено обобщение стандартной двухуровневой релаксационной модели на случай взаимодействующих одкодоменных магнитных частиц, которое приводит к реализации разнообразных по своей форме релаксационных мессбауэровских спектров поглощения и позволяет качественно описать нестандартные особенности, наблюдающиеся в экспериментальных спектрах магнитных наномахерналов.

- Показано, что вращение магнитного момента суперпарамагнитной частицы вокруг легкой оси Магниткой анизотропии качественным образом изменяет форму мессбауэровских спектров магнитной сверхтонкой структуры вследствие перенормировки ядерных в-ф акторов, Предсказанные эффекты могут в существенной степени модифицировать устоявшуюся схему анализа экспериментальных мессбауэровских спектров магнитной сверхтонкой структуры.

Положения выносимые на защиту,

1. Разработан не имеющий аналогов пакет компьютерных программ для реализации метода DISCVER. в операционной системе Windows, на базе которого можно проводить эффективный анализ мессбауэровских спектров магнитных наноматериалов.

2. Развита обобщенная двухуровневая модель релаксации магнитных моментов взаимодействующих однодоменных частиц, которая приводит к нетривиальной трансформации релаксационных мессбауэровских спектров поглощения магнитных наноматерналов.

5

3. В ранках анализа спектров поглощения наноструюурпрованного магнитного сплава Fc^CuiNbBn установлено, что взаимодействие между наночаспщамн может оказаться решающим фактором в формировании спектров сверхтонкой структуры.

4. Выявлен механизм формировании спектров сверхтонкой структуры во вращающемся сверхтонком поле, связанный с перенормировкой ядерных g-факторов.

5. Эффекты вращения сверхтонкого поля приводят к кардинальной трансформации гамма-резонансных спектров однодомснных частиц с аксиальной, ромбической и кубической магнитной анщотрошкй.

Личный вклад автора.

Автором лично получены все основные результаты диссертации, проведена большая часть аналитической работы н разработан программный комплекс для расчсюв мессбауэровскнх спектров методом DISCVER. Постановка задачи и анализ полученных результатов выполнены пак руководством н при непосредственно« участии научного руководителя - д.ф.-м.и. М.А. Чуева,

Практическая ценность,

Развиты новые подходы к анализу релаксационных мессбауэровских спектров магнитных наноматериалов, которые могут быть эффективно использованы для исследования магнитных свойств широкого класса наноструктур иро ванных магнитных материалов, что вызывает несомненный интерес в связи с использованием эттк материалов в качестве элементной базы магнитных и магнитооптических устройств записи информации.

Разработан ориентированный программный комплекс с использованием визуальных компонент в операционной системе Windows для реализации метода DISCVER, который дает огромные преимущества по сравнению со стандартными методиками анализа мессбаузровских спектров практически для всех исследуемых материалов, особенно в случае магнитных систем разного рода.

Развитые в диссертации обобщенная двухуровневая модель взаимодействующих одиодоменных магнитных частиц и учет вращения сверхтонкого ноля на ядре вокруг осей легчайшего намагничивания ианочастнц необходимо принимать во вюыании при

б

разработке моделей для анализа мессбауэровских спектров магнитных ванонатериалов, по проведет к существенной коррекции физической информации об исследуемых объектах, получаемой ш анализа экспериментальных данных.

Апробация. Основные результаты диссертации были доложены ш VIII и IX Международных конференциях по применению эффекта Мессбауэра (Санкт-Перербург, 2002г. и Екатеринбург, 2004г.), Международной конференции по микро- и наноэлегароннке (Москва-Звенигород, 2005г.), V Национальной конференции по применению рентгеновского, сшкрспрониого излучения, нейтронов и электронов для исследования наноматериалов и наноеиетем (Москва, 2005г.).

Публикации. Основное содержаине диссертации изложено в 8 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит пз введения, четырех глав, заключения с выводами и списка цитируемых работ ю 78 наименований. Работа содержит 124 страниц, включая 68 рисунка н 1 таблицу.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы ее цели и задачи, научная новизна и практическая ценность, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен обзор литературы по теме диссертации, посвященный экспериментальным и теоретическим исследованиям мессбауэровских спектров магнитных наноматериалов. Подавляющая часть экспериментальных спектров такого рода анализируется на основе статической сверхгонкой структуры, когда положения и интенсивности спектральных линий можно описать в рамках действующих на ядро статических магнитных и электрических полей. При этом вводят в рассмотрение непрерывные распределения сверхтонкого поля Нь; па ядре, что позволяет восстановить температурную эволюцию формы распределения Щ для наночастиц, аморфной фазы и интерфейсных зон между ними. Однако, в рамках этого метода очень

7

трудно, а зачастую а невозможно получить количественную информацию о парциальных вкладах различных фаз в результирующее распределение сверхтонких параметров. На ряду с этим методом, для анализа спектров наномапштных материалов часто привлекают двухуровневую модель релаксации магнитного момента, которая не дает объяснения специфически асимметричной формы спектральных линий с резкими внешними фронтами и явно выраженным широким фронтом, размытым к центру спектра (что встречается в каждой второй работе), и требует привлечения дополнительного распределения сверхтонких полей, для объяснения такой экзотической формы спектра.

Анализ рассмотренных работ показал, что до настоящего времени при стандартом анализе мессбауэровсюя спектров не учитывались погрешности распределений сверхтонких полей, не существовало адекватного подхода к учету влияния эффекта релаксации магнитного момента и явления вращения сверхтонкого поля вокруг оси магнитной аншогрошш, которые оказывают огромное влияние но формирование спектра сверхтонкой структуры.

Глава II посвящена анализу мессбауэровских спектров поглощения ядер "Fe в наноструктурированных магнитных сплавах Fe-Cu-Nb-B в рамках реализации метода DISCVER в операционной среде Windows, который дает возможность находить модели спектров с максимально возможным числом линий, допускающих количественное описание с указанием средних значений и ошибок всех извлекаемых параметров.

Раздел 11.1 посвящен анализу внутренней структуры исследуемых образцов. Показано, что распределение полученных наиочастиц по размерам не связано с температурой отжига образца, тогда как повышение концентрации нанокристаллов находится в непосредственной зависимости от увеличения температуры опкига.

В разделе II.2 описаны принципы и основные этапы реализации альтернативного математического подхода для решения хорошо известной некорректно поставленной задачи, основанный на более совершенном математическом аппарате. Исходя из отношения полезного сигнала к шуму, он позволяет находить довольно сложные модели мессбауэровских спектров наномашетиков (рис. 1) содержащие несколько магнитных компонент с гауссовым распределением №/, Тем самым удалось восстановить температурную зависимость средних значений Ну и ширины их распределений для различных позиций атомов железа в структуре образцов с указанием среднеквадратичных ошибок для указанных параметров. Кроме того,

8

iHsl

Г

т319ги

реализованный в методе ШЗСУЕН подход к анализу спектров позволяет следующий образом оценить результирующие 1.00 распределения сверхтонких полей в исследуемом образце. Дополнительное гауссово ушнрение линий магнитного секстета можно трактовать как хорошую 0 85 оценку для распределения сверхтонкого о.»о поля по различным позициям

л

мессбауэровского атома в решетке, соответствующим данному секстету. Тогда результирующее распределение сверхтонкого поля в образце можно представить в вцде суммы по всем секстетам линий с гауссовым ушнреннем:

Рнс.1 МессбауэроЬские спекгры сплава Fe7jCuiNbjBi3, с вкладами различных магнитных фаз сверхгонкого поля

О)

где А/ - площадь /-го секстета, jj - дополнительная гауссова ширина для внешних линий магнитного секстета и 'расстояние между этими линиями.

Поскольку распределение сверхтонких попей определяется в формуле (1) через параметры отдельных линяй, которые и варьируются в процессе подгонки, можно также оценить среднеквадратичные ошибки Р{Нф в каждой точке Hrf.

(2)

где Р) - ОД1Ш го параметров линий, входящих в определение (1), т.е. площади, соложения и гауссовы ширины линий дпл всех секстетов в текущей модели; -

элементы ковариационной матрицы, которые определяют степень корреляции между параметрами, рассчитываются в процессе подгонки и доступны на каждой стадии анализа в рамках метода ОВСУЕН. Соответствующие значения ЬР(Нь}) ограничивают степень разрешения в распределении сверхтонкого поля, рассчнштого по формуле (1), и определяет разброс Р(Щ), который показан на рис. 2 в вцде пунктирных линий. Это обстоятельство и предопределяет преимущество метода 015СУБЕ в получении

количественной информации о распределении сверхтонких полей по сравнению с ранее ~f] [ TPIj ff] П известными методами поиска этих

распределений с помощью процедур сглаживания.

Раньше метод D1SCVER был реализован в среде DOS, что существенно сужало облапь его применения. Поэтому первой решенной в ходе диссертации задачей - была реализация данного метода в виде приложения в операционной системе WINDOWS. Раздел ИЗ посвящен подробному описанию программной реализации и практическому руководству по использованию данного комплекса.

*п«1

ив]

1ЯИ

м

Рнс.2 Мессбауэровский спектр, результирующая модель «распределение сверхтонких, полей сплава FcisCujNbjSBu

Рис.3 Примеры оконных форм в программной реализации метода DBCVER в операционной среде WINDOWS.

С помощью данного пакета программ был проанализирован большой объем экспериментальных данных для нескольких серий образцов типа Fe-Cu-Nb-5B,

Полученные результаты анализа структурных и магнитных свойств наноструктурированных магнитных сплавов представлены в разделе 11.4 (Примеры данных проиллюстрированы на рис. 4 н 5).

В ходе анализа были построены модели и зависимости распределений сверхтонких полей. По результатам анализа, для каждой серий были построены зависимости средних значений сверхтонких полей, площадей, изомерного сдвига и квадрупольного расщепления, которые подтверждают не противоречивость полученных моделей н дают возможность идентифицировать различные магнитные фазы и получить информацию о поведении характеристик различных фаз. Высокая разрешающая способность использованного метода позволила помимо характеристик нанокрнсталлнческих зерен и аморфных фаз надежно установить наличие и параметры межфазных границ, которые связаны магнитным взаимодействием с нанокристаллическимн частицами железа.

ГгкТ-

л

_____

____X

:1

(И

"и:

р.„еи,мь,в„т.н1К нпат) :

: : -I

I 5

гОННнщг Э

* У

♦ ♦

;1

за

; к II

е »

я «

X 11

и и

I «

«Сиси 1*1 V ы+Нхи • т

I *

и

1!

Н

I, к

Рнс.4 Температурная зависимость мессбауэровских спектров и соответствующих распределений сверхтонких полей для РекСщМЬ^В», отожженного при Та=813 К

Рнс.5 Температурная зависимость распределений сверхтонких полей различных магнитных фаз в образцах РсгаСщЫЪ^В» отожженного при Та=733 К иТа=813 К.

Итак, метод D1SCVER - это усовершенствованный вариант математического описания спектра, но существуют и физические аспекты, которые необходимо учитывать при анализе, поэтому дальнейшие главы посвящены рассмотрению явления релаксации магнитного момента для взаимодействующих чаепш и эффекта вращения сверхтонкого поля вокруг оси мапштной анизотропии, которые до сих пор не фигурировали в стандартном анализе.

В Главе III выполнен анализ мессбауэровских спектров поглощения ядер ^Fe в наноструктурированных мапшгных сплавах Fe-Cu-Nb-B в рамках обобщенной двухуровневой релаксационной модели, учитывающей взаимодействие между шгаочастицами.

Раздел Ш.1 посвящен рассмотрению гамма-резонансных спектров в классической двухуровневой модели релаксации суперпарамапшшых частиц. Наиомагнетнки можно рассматривать как системы с суперпарамагсштными частицами, и поскольку размер частиц в этих материалах довольно мал (5-15 им), время релаксации магнитного момента каждой отдельной частицы может попадать в мессбауэровское временное окно (Кг'МО"'' с для ядер i7Fe), и супепарамагннтная релаксация может оказаться решающим фактором в реализации той или иной формы мессбауэровского спектра. В первом приближении влияние суперпарамагтгпгой релаксации на форму мессбауэровских спектров может быть описано в рамках простейшей двухуровневой модели релаксации, согласно которой магнитный момент отдельной частицы случайным образом меняет во времени свое направление на обратное, оставаясь параллельным оси легчайшего намагничивания частицы. Эта модель ранее часто использовалась дня анализа спектров суперпарам апштшлх частиц. Однако во многих работах наблюдаются линии необычной формы, которые никак не укладываются в рамки стандартной двухуровневой модели, поэтому вводилось широкое распределение сверхтонких поле.

Альтернативное объяснение существования линий такой экзотической формы было дано при обобщении двухуровневой релаксационной модели па случай наличия взаимодействия между частицами. Раздел НО посвящен описанию обобщенной двухуровневой модели релаксации одподоменпых частиц. Оеповпая идея этой модели базируется па утверждении, что релаксация между состояниями частицы с противоположи ¿ми направлениями магнитного момента никогда не происходит как процесс перехода между уровнями одной и той же энергии, поскольку даже слабое

12

взаимодействие с окружением должно приводить к размытию энергетических уровней каждой отдельной частили. В системе частиц, подобной наномагдешкам, с большим числом степеней свободы энергетические уровпп (соответствующие противоположным направлениям намагниченности и одинаковые в отсутствие взаимодейспшя) каждой частицы в определенный момент времени оказываются раздвинутыми на величину взаимодействия ¿£, а средняя величина взаимодействия может оказаться довольно большой и сравнимой с температурой. Различие в энергии уровней приводит к различию скоростей переходов, р\% (АЕ) и р2\ (М), из одного состояния в другое и наоборот. Тогда релаксационная ма!рица будет иметь ввд

Пренаде всего, включение взаимодействуя существенно замедляет процесс релаксации, п наиболее существенным качественным отличием является тот факт, что в пределе быстрой релаксации спектр не склопывается в одиночную лилию, а демонстрирует хорошо разрешенную сверхтонкую структуру, В этом случае ядро «чувствует» стохастически среднее сверхтонкое поле, которое определяется разностью равновесных заселенностей двух состояний ivi(A£) и которые определяются пришитом

детального равновесия:

1Г11(д£)=_^т)_. (4)

1,2 ехр(ДЕ/кТ)+ехр(— АЕ/кТ) Поскольку магнитные поля от соседних наночастиц являются случайными величинами, а соответствующие сдвиги энергии состояний различных частиц ДЕ будут распределены в некотором интервале а, и результирующий мсссбауэровский снектр получается усреднением сечения поглощения гамма-кванта для задапиого АЕ с заданной функцией распределения P(ÁB,c), например, гаусеовского распределения:

при этом сечение поглощения будет определяться шириной энергетического распределения <г.

W{&)= fe(,ú>,ÁE)P(AE,<T)d(AE). (6)

Такое обобщение двухуровневой релаксационной модели приводит к появлению

разнообразных по своей форме репаксацнонвдсс мессбауэровских спектров поглощения [20,21], что позволяет качественно описать все нестандартные особенности, наблюдавшиеся ранее в спектрах систем с частицами малых размеров. В разделе ПО проводится анализ мессбауэровских спектров взаимодействующих однодомеяных частиц.

В разделе Ш.4 представлены результаты анализа мессбауэровских спектров наноструктур нрованных магнитных сплавов РепОцЫЬгВц в рамках обобщенной двухуровневой модели релаксации с использованием гауссовского распределения Р(кЕ,ст) ианочастиц по энергии взаимодействия, результата показаны на рас. 6 и 7. Видно, что значительная часть каждого спектра, включая сильно асимметричную форму линий при высоких температурах, хорошо описана в рамках обобщенаой двухуровневой модели без привлечения какого-либо распределения сверхтонких полей Д,/всего двумя компонентам: вкладом магнитной и аморфной фазы. Соответственно -перед нами новая трактовка спектра.

При этом наблюдаемое в спектрах ушнрение магнитных компонент объясняется не распределением Я^ а распределением параметра взаимодействия о между частицами, отражая физически различную интерпретацию экспериметалывк данных.

кг тда

Ь-1-1---------1-- оо

1 4 .1 * « ) » 1 »

Ы к-чзЭ.

л 4 .1 4 й г 4 I *

Рис.6. Температурная эволюция мессбауэровских спектров наноструктурврованных магнитных сплавов

Ре»Сц|№7Вц с содержанием наночастиц 25%. Сплошные кривые рассчитаны в обобщенной двухуровневой модели релаксации ианочастиц одного размера, но с разной шириной распределения

энерпш взаимодействия а.

Анализ такого рода позволяет восстановить температурные зависимости средних значений сверхтонкого поля Им и параметра взаимодействия для различных магнитных фаз. В любом случае, хотя обобщенная двухуровневая модель не отрицает в принципе наличия распределения сверхтонких полей, но учет взаимодействия наночастнц с окружением будет сильно изменять (в сторону сужения) форму сверхтонкого распределения, восстанавливаемую стандартным методом поиск.

Рис.7. Зависимость распределения средних значений сверхтонких полей наночастнц и аморфной фазы н параметра магнитного взаимодействия наночастнц от Т сплава Fc?»Cti¡Nb?5B]3, снятые в рамках обобщенной двухуровневой модели.

Из проведенного анализа видно, что при достижении температуры Кюри параметр взаимодействия наночастиц резко падает, но и вклады сверхгонких полей магнитных фаз также уменьшаются. Это связано с давно известным эффект возбуждения магнитного момента вблизи оси анизотропии.

Необходимо отметить, что наряд}' с описанными выше моделями, существует еще один существенный механизм формирования сверхтонкой структуры мессбауэровских спектров навомагнетнков - это эффект вращения сверхтонкого поля вокруг оси магнитной анизотропии, который ш(когда раньше не учитывался при анализе гамма-резонансных спектров.

В Главе IV рассмотрен случай вращения магнитных моментов наночастнц в попе магнитной анизотропии, и показано, что во вращающемся сверхтонком поле Щгтряжу с хорошо известным эффективным уменьшением величины Ну происходит перенормировка ядерных g-факторов, что приводит к качественной трансформации спектров сверхтонкой структуры.

Раздел IV. 1 посвящен вращению магнитного момента однодоменной частицы в поле магштюй анизотропии. В суперпарамагннтных частицах с определенным типом магнитной araooipoium обязательно происходит вращение магнитного момента

• • . . .

t * < г ; :

jren

н „ со

УОр

¡.(К)

ÍV0

Т«^«*™ К

soo TÓO ООО

т(К)

частиц, а, следовательно, н сверхтонкого поля на ядре вокруг оса (осей) легчайшего намагничивания частицы. Это явление известно в мессбауэровской спектроскопии, однако при учете этого явления предполагалось, что характерная частота прецессии магнитного момента частицы Л много больше частот прецессии ядерных стшов в сверхтонком поле, и в этом случае снова формируется типичный для статических спектров магнитный секстет. Однако, для реальных образцов могут реализоваться самые разные соотношения между частотой £1 и частотами прецессии ядерных спинов в сверхтонком поле. В этих случаях могут формироваться спектры, качественно отличающиеся от известных статических спектров сверхтонкой структуры. В частности, для изотопа "Те в условиях вращения сверхтонкого поля кроме статических магнитных секстетов могут возникать спектры, состоящие из двух, трех, четырех и пяти линий. Не учет этого обстоятельства может привести к непреодолимым трудностям при анализе спектров сверхтонкой структуры даже в тех случаях, когда эти аномалии не проявляются в четкой форме, а размазаны за счет изложения парциальных спектров и релаксационных эффектов. Хорошо известно, что магнитный момент, отклоненный на некоторый угол 0 относительно оси легчайшего намагничивания, совершает прецессию отноапелыго этой оси, при этом частота процессии магнитного момента определяется как:

П=Посм0, (7)

где По параметр, определяющийся энергией анизотропии и магнитным моментом насыщения частиц. И, следовательно, всегда существует область углов в, в которой частота П сравнима с частотами прецессии ядерных спинов в сверхтонком поле.

Направление сверхтонкого поля на ядре отслеживает направление магнитного момента, т.е. также вращается относительно оси магнитной анкзотрошш;

Ну (0 = Ял/[п. «80+(в* «и(П0+5т(£1())зн1 (8)

где и* п,. и п.- • единичные орта вдоль осей х,у иг, соответственно. Описанию влияния этого явления на форму мессбауэровеких спектров посвящен раздел IV,2

Гамильтонианы сверхтонкого взаимодействия магнитных моментов ядра в основном и возбужденном состояниях со сверхтонким магнитным полем Пь/, вращающимся вокруг оси г с частотой О, уже зависят от времени:

nie - ядерный магнетон, g&t - яцерный ^-фактор для основного и возбужденного состояний ядра, соответственно.

Эта задача просто решается с переходом во вращающуюся систему координат. Если в лабораторной системе гамильтониан сверхтонкого взаимодействия зависит от времени, то во вращающейся системе этого нет, но направления осей квантования для основного и возбужденного состояния - разные. Получено аналитическое выражение для еечення поглощения гамма-кванта ядром для случая сверхтонкого поля (8), вращающегося под произвольным углом в, и для сечения поглощения с учетом усреднения по поляризации /7 падающего излучения:

где а>-спектральная частота. Го - ширина уровня возбужденного состояния ядра, У^

- матричные элемента оператора взаимодействия гамма-кванта с ядром, - проекции спина ядра на ось, а

где Как видно из выражения (10), в случае вращающегося сверхтонкого

поля о спектре поглощения должны наблюдаться четкие линии с естественной шириной, число которых в общем случае равно (21е +1)г-(2/, +1)г, Для изотопа "Ие N — 64, но с учетом правил отбора для магнитных детальных переходов М1 число разрешенных яиинй сокращается до 24, каждая из которых оказывается двукратно вырожденной, поскольку линии с индексами (%,«,) и («¿±1,тД1) имеют одинаковые энергии переходов.

Фюичес(ото природу такой кардинальной трансформации спектров сверхтонкой структуры можно проследить на примере случая высоких частот вращения сверхтонкого ноля, когда |л)>> ¡г»£с| (см. раздел ¡У.З). Спектр разбивается на

центральную группу из 6 двукратно вырожденных лшшй и боковые группы линий (сателлиты). Поскольку для высоких частот вращешш сателлиты уходят далеко за рамки скоростей стандартных мессбаузровскик спектрометров и падают по интенсивности, основной вклад в интенсивность поглощения дают центральные линии

IJ ^¿iy

00)

(И)

с йг = тлг в тс=тг, и для сеченая поглощення имеем следующее приближенное выражение;

где эффективные константы сверхтонкого расщепления для основного и возбужденного состояний ядра

находятся из выражения (11) и определяются перенормированными ядерными факторами

Такая нормировка приводит к тому, что при вращении в направлении левого винта (£1 <0) й -фактор для основного состояния по абсолютной величине будет уменьшаться, а для возбужденного состояния, наоборот, увеличиваться. При углах в, близких к л/2, фактор для основного состояния ядра может даже поменять знак. Именно это обстоятельство является причиной появления триплета, квартета идо квинтета линий. В свою очередь, при вращении в направлении правого винта (Л > 0) £-фактор для возбужденного состояния ядра по абсолютной величине будет уменьшаться, а для основного - увеличиваться. В этом случае при углах в, близких к я/2, уже для возбужденного фактор состояния ядра может поменять знак, что приводит к проявлению магнитного дублета. Схема расщепления энергетических уровней ядра для этого случая показана на рис. 8.

(12)

(13)

(14)

V, гс,^

поглощения ядер Тс во вращающемся сверхтонком поле

(%= 330 кЭ, = -0.5 ГГя), рассчитанные для разных значений угла вращения в = 10, 45, 60, 70, 75, 80". Серые линии - спектры, рассчитанные в модели

Черным - обозначен реальный учет частоты вращения, серым - изображен стандартный подход. Как вшюо на рисунке спекгры в модели коллективных возбуждений и при учете вращения существенно различаются при увеличении угла, но даже при малом угле в 45" различия легко видны глазу, поэтому эффект вращения нельзя исключать из рассмотрения при анализе спектров.

Раздел IV.4 описывает мессбауэровскне спектры одиодоменной магнитной частицы з условиях вращения сверхгонкого поля. Проиллюстрировано, что вид мессбауэровского спектра зависит от направления вращения сверхтонкого поля. Для отрицательных частот О наблюдается широкий разброс положений линий в парциальных спектрах, так что в результирующем спектре не должно наблюдаться какой-либо четкой структуры. В то же время для вращения с положительными значениями П топологическая форма именно магнитного «дублета», а не электрического, как считалось раньше, сохраняется в довольно широком интервале частого.

Разделы №5 н 1У.6 описывают спектры ндночастнц с ромбической и кубической магнитной анизотропией. Результирующие траектории движения магнитного момента наночаетнцы для разных типов магнитной анизотропии показаны на рнс.9.

» г;

Рнс.9. Уровни постоянной энерпш (траектории движения магнитного момента) в случае ромбической (слева) н кубической (справа) магнитной анизотропии

Нетрудно увидеть, что эти движения являются квази-врашательными, причем •шетые вращения вокруг осей имеют разные знаки, так что различные комбинации квчествишых эффектов, представленные в предыдущем разделе мотуг проявляться в мессбауэровских спектрах магнитных ианочостиц и в этом случае.

19

Оппсашшс выше особенности формирования спектров сверхтонкой структуры могут реализоваться в спектрах магнитных ваноматерналов л их необходимо принимать во внимание при анализе эксперпмекгапьньк спектров магнитных чаепщ малых размеров даже в тех случаях, когда предсказанные аномалии не проявляются в четкой форме, а размазаны за счет наложения различных парциальных спектров и релаксационных эффектов, Для наблюдения обнаруженных аффектов в «чистом» вице необходимо реализовать ситуацию, когда внешние сипы заставляют сверхтонкое поле на ядре вращаться с заданной частотой под заданным углом к некоторой осн. Например, эту ситуацию можно реализовать в методике измерения мессбарровских спектров магнитных наночаеттщ под действием внешнего высокочастотного поля, достаточно сильного, чтобы заставить магнитные моменты частиц следовать изменениям направления внешнего поля, т.е. вращаться вокруг некоторой оси под заданным утлом.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОД Ы

1. Разработан пакет компьютерных программ для реализации метода DISCVER в операционной системе Windows, позволяющий проводить аиализ мессбарровских спектров произвольных материалов и обеспечивающий нахождение моделей с максимально возможным числом линий спектра с заданным уровнем статистического качества.

2. На основе анализа мессбауэровских спектров с помощью данного программного комплекса восстановлены структурные и магнитные свойства каноетруктурированных магнитных сплавов Fe-Cu-Nb-B с разным содержанием наночастиц железа.

3. Разработана обобщенная двухуровневая модель релаксации взаимодействующих однодоменных частиц, в рамках которой реализуются разнообразные по своей форме релаксационные мессбауэровскне спектры, что позволяет качественно описать нестандартные особенности экспериментальных спектров.

4. Обнаружено, что решающим фактором при формировании сверхтонкой структуры спектров поглощения паноструюурнрованного магнитного сплава FcjjCuiNbjBij является взаимодействием между нададастищщи железа.

20

5. Установлено, что вращение сверхтонкого поля на ядре вокруг оси легчайшего намапшчиваник частицы, когда частота прецессия магнитного момента частипы сравнима с частотами прецессии ядерных спинов в сверхтонком поле, приводит к перенормировке ядерных g-факторов, которая предопределяет формирование спектров, качественно отличающиеся от известных статических спектров сверхтонкой структуры.

6. Показано, что учет эффектов вращения в случае слабой релаксации магнитных моментов наночасгиц с аксиальной, ромбической и кубической магнитной анизотропией приводит к нетривиальной трансформации мессбауэровскик спектров.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. М.АЛуев, AM Афанасьев, Н,П Аксенова, О.Хьюп, Ю.Гессе, Месебауэровскпе спектры наноструктур ярова нных магнитных материалов в обобщенной двухуровневой модели релаксации^ Известия РАН, сер. физическая, 2003, т.67, N7, O.10J3-101S

2. М-А.Чуев, А.М.Афанасьев, Н.П. Аксенова, Магнитная сверхтонкая структура во вращающемся сверхтонком ноле\\ IX Int. Conf. "Mossbauer spectroscopy and its applications". Ekaterinburg, 2004. Bock of abstracts, p.7

3. Н.П .Аксенова, М.АЛуев, Специфические особенности диагностики наномагнетиков методом гамма-резонансной спектр oCKonmiW Микроэлектроника, 2005,т.34, N5,c,334-351

4. M.A.Chuev, N.P.Aksenova, Moessbauer spectra of nanomagnets within rotating hypcrfine fieldW Int. Conf. "Micro- and nanoelectronics". Moscow-7venigorod, 2005, Abstracts, p, 02-08

5. М.А.Чуев, Н.П.Аксенова, Диагностика магнитных наноматериалов методом гамма-резонансной спектроскопии^ V Нац. Конф. по прим. Рентгеновского, еннхротрошюго нзл., нейтронов и электронов для исслед. наноматериалов и наносистсм. Москва, 2005. Тез. докл., с. 347

6. М.А.Чуев, Н.П.Аксенова, А.М.Афанасьев, Новые нпаправлення в гамма-резонансной спектроскопии, сфокусированные на днагноенку магнитных

21

наноматеришкш\\ Труды ФТИАН, 2005, т.18, с.304-324

7. МЛЛуев, НЛЛксенова, АА1Афавасьев, Магнитная сверхтонкая структура во вращающемся сверхтонком полей Известия РАН, сер. физическая, 2005, т.69, N10, с.1403-1407

8. M.A.Chuev, N.PAksenova, P.G.Medvedev, Moessbauer spectra of aanomagnets within rotating hypetftae fieldW Proc. ofSPIE, 2006, Vol.6260, p. OVI-OVIO.

Tuf

11 11 î

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. ОБЗОР ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ МЕССБАУЭРОВСКИХ СПЕКТРОВ

МАГНИТНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ.

Глава И. ВОССТАНОВЛЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СВЕРХТОНКИХ ПОЛЕЙ В НАНОМАГНЕТИКАХ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ГАММА-РЕЗОНАНСНЫХ СПЕКТРОВ МЕТОДОМ DISCVER.

11.1. Специфические формы мессбауэровских спектров наноструктурированных магнитных сплавов Fe-Cu-Nb-B.

11.2. Основные идеи и принципы реализации метода DISCVER для анализа гамма-резонансных спектров.

11.3. Компьютерная реализация метода DISCVER в операционной системе Windows.

11.4. Структурные и магнитные свойства наноструктурированных магнитных сплавов Fe-Cu-Nb-B, восстановленные из анализа мессбауэровских спектров методом DISCVER.

Глава III. МЕССБАУЭРОВСКИЕ СПЕКТРЫ НАНОМАГНЕТИКОВ В ОБОБЩЕННОЙ ДВУХУРОВНЕВОЙ МОДЕЛИ РЕЛАКСАЦИИ.

111.1. Гамма-резонансные спектры в классической двухуровневой модели релаксации суперпарамагнитной частицы.

111.2. Обобщенная двухуровневая модель релаксации магнитных моментов взаимодействующих однодоменных частиц.

111.3. Мессбауэровские спектры взаимодействующих однодоменных частиц в обобщенной двухуровневой модели релаксации.

111.4. Мессбауэровские спектры наноструктурированных магнитных сплавов Fe-Cu-Nb-B в обобщенной двухуровневой модели релаксации.

Глава IV. ГАММА-РЕЗОНАНСНЫЕ СПЕКТРЫ

НАНОМАГНЕТИКОВ ВО ВРАЩАЮЩЕМСЯ СВЕРХТОНКОМ

ПОЛЕ.

IV.1. Вращение магнитного момента однодоменной частицы в поле магнитной анизотропии.

IV.2. Мессбауэровские спектры во вращающемся сверхтонком поле.

IV.3. Перенормировка ядерных g-факторов в пределе высоких частот вращения сверхтонкого поля.

IV.4. Мессбауэровские спектры однодоменной магнитной частицы в условиях вращения сверхтонкого поля.

IV.5. Спектры наночастиц с ромбической магнитной анизотропией.

IV.6. Спектры наночастиц с кубической магнитной анизотропией

Системы магнитных частиц или кластеров малых размеров (порядка нескольких нанометров), так называемые наноструктурированные магнитные материалы (наномагнетики), привлекают большое внимание исследователей благодаря их необычным физическим свойствам. При этом возрастающий интерес к этому относительно новому классу материалов обусловлен не только существующей возможностью систематического исследования на их примере фундаментальных свойств малых кластеров и доменов, но и широкой областью их применения в нанотехнологии магнитных и магнитооптических устройствах записи информации, приборов цветного изображения, биотехнологии, ЯМР-томографии и феррожидкостях [1,2].

Гамма-резонансная (мессбауэровская) спектроскопия является одним из основных методов, который успешно используется для исследования структурных, магнитных и термодинамических свойств наномагнетиков. Анализ мессбауэровских спектров поглощения обеспечивает получение информации о фазовом составе, локальной кристаллической симметрии и размере частиц, а также о локальных магнитных характеристиках, таких как энергия магнитной анизотропии и параметры магнитной релаксации [3]. Для построения теории мессбауэровских спектров наномагнетиков необходимо, прежде всего, задать некоторую определенную модель для описания динамики магнитной подсистемы образца, как за счет тепловых флуктуаций, так и под действием внешних и внутренних магнитных полей, которая должна отражать наличие сложных процессов магнитной релаксации в частицах или кластерах малых размеров. Такие релаксационные процессы, которые на макроскопическом уровне проявляются, например, как перемагничивание образца с ярко выраженными гистерезисными свойствами, не могут происходить в наномагнетиках однородно по всему объему образца и носят в общем случае случайный характер. Эти же релаксационные процессы влияют и на мессбауэровские спектры поглощения, но при этом в спектрах поглощения находят свое отражение более тонкие аспекты магнитной релаксации, которая в случае ансамбля частиц или кластеров малых размеров должна носить стохастический характер. Проблема описания магнитной динамики системы малых частиц решается в течение довольно длительного времени [3], и существует немало моделей различной степени сложности, однако окончательно эта проблема еще не решена, и при решении каждой новой конкретной задачи необходимо найти компромисс между адекватным реальной ситуации описанием и разумной с точки зрения расчетов сложностью модели.

Использование гамма-резонансной спектроскопии как метода исследования наномагнетиков подразумевает не только необходимость создания соответствующей теории, но и разработку методики анализа экспериментальных спектров на базе этой теории. Мессбауэровские спектры наномагнетиков в большинстве случаев состоят из большого числа, зачастую перекрывающихся линий, соответствующих неэквивалентным позициям мессбауэровского атома в образце, и анализ таких спектров представляет собой довольно непростую задачу. Существующие подходы к решению этой проблемы не обладали достаточной степенью общности, так что развитие адекватного метода анализа мессбауэровских спектров как в случае наномагнетиков, так и для большинства материалов со сложным составом является чрезвычайно актуальным.

Цель работы - разработка теоретических подходов и методов анализа для описания мессбауэровских спектров наноструктурированных магнитных материалов.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

- разработан и реализован в виде компьютерной программы под операционную систему Windows новый метод DISCVER («Дискретные версии») для анализа мессбауэровских спектров, позволяющий находить дискретные представления с максимально возможным для заданного уровня статистического качества спектра числом компонент с хорошо определенными параметрами. Метод успешно использован для извлечения информации о магнитных и структурных характеристиках из мессбауэровских спектров наноструктурированных магнитных материалов;

- разработана обобщенная двухуровневая модель релаксации магнитных моментов взаимодействующих однодоменных частиц и развит формализм для описания гамма-резонансных спектров в этой модели, который апробирован на примере мессбауэровских спектров наноструктурированных магнитных сплавов Fe-Cu-Nb-B;

- проведен последовательный учет вращения магнитного момента однодоменной частицы в поле магнитной анизотропии и выполнен соответствующий анализ мессбауэровских спектров во вращающемся сверхтонком поле для системы однодоменных частиц с аксиальной, ромбической и кубической магнитной анизотропией.

Научная новизна.

Полученные в диссертации результаты представляют собой теоретическую базу для существенного усовершенствования методов анализа мессбауэровских спектров магнитных наноматериалов:

- Реализованный в операционной системе Windows метод DISCVER для анализа мессбауэровских спектров, позволяет существенно усовершенствовать стандартный метод поиска распределений сверхтонких полей в силу принципиальной возможности не только оценки среднеквадратичных ошибок в полученных распределениях, но и поиска разнообразных форм искомых распределений.

- Проведено обобщение стандартной двухуровневой релаксационной модели на случай взаимодействующих однодоменных магнитных частиц, которое приводит к реализации разнообразных по своей форме релаксационных мессбауэровских спектров поглощения и позволяет качественно описать нестандартные особенности, наблюдающиеся в экспериментальных спектрах магнитных наноматериалов. - Показано, что вращение магнитного момента суперпарамагнитной частицы вокруг легкой оси магнитной анизотропии качественным образом изменяет форму мессбауэровских спектров магнитной сверхтонкой структуры вследствие перенормировки ядерных g-факторов. Предсказанные эффекты могут в существенной степени модифицировать устоявшуюся схему анализа экспериментальных мессбауэровских спектров магнитной сверхтонкой структуры.

Практическая ценность.

Развиты новые подходы к анализу релаксационных мессбауэровских спектров магнитных наноматериалов, которые могут быть эффективно использованы для исследования магнитных свойств широкого класса наноструктурированных магнитных материалов, что вызывает несомненный интерес в связи с использованием этих материалов в качестве элементной базы магнитных и магнитооптических устройств записи информации.

Разработан ориентированный программный комплекс с использованием визуальных компонент в операционной системе Windows для реализации метода DISCVER, который дает огромные преимущества по сравнению со стандартными методиками анализа мессбауэровских спектров практически для всех исследуемых материалов, особенно в случае магнитных систем разного рода.

Развитые в диссертации обобщенная двухуровневая модель взаимодействующих однодоменных магнитных частиц и учет вращения сверхтонкого поля на ядре вокруг осей легчайшего намагничивания наночастиц необходимо принимать во внимании при разработке моделей для анализа мессбауэровских спектров магнитных наноматериалов, что приведет к существенной коррекции физической информации об исследуемых объектах, получаемой из анализа экспериментальных данных.

Положения, выносимые на защиту:

1. Разработан не имеющий аналогов пакет компьютерных программ для реализации метода DISCVER в операционной системе Windows, на базе которого можно проводить эффективный анализ мессбауэровских спектров магнитных наноматериалов.

2. Развита обобщенная двухуровневая модель релаксации магнитных моментов взаимодействующих однодоменных частиц, которая приводит к нетривиальной трансформации релаксационных мессбауэровских спектров поглощения магнитных наноматериалов.

3. В рамках анализа спектров поглощения наноструктурированного магнитного сплава Fe79CuiNb7Bi3 установлено, что взаимодействие между наночастицами может оказаться решающим фактором в формировании спектров сверхтонкой структуры.

4. Выявлен механизм формирования спектров сверхтонкой структуры во вращающемся сверхтонком поле, связанный с перенормировкой ядерных g-факторов.

5. Эффекты вращения сверхтонкого поля приводят к кардинальной трансформации гамма-резонансных спектров однодоменных частиц с аксиальной, ромбической и кубической магнитной анизотропией.

Апробация. Основные результаты диссертации были доложены на VIII и IX Международных конференциях по применению эффекта Мессбауэра (Санкт-Перербург, 2002г. и Екатеринбург, 2004г.), Международной конференции по микро- и наноэлектронике (Москва-Звенигород, 2005г.), V Национальной конференции по применению рентгеновского, синхротронного излучения, нейтронов и электронов для исследования наноматериалов и наносистем (Москва, 2005г.).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 8 печатных работах, список которых приведен в конце диссертации.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка публикаций автора и списка цитируемой литературы (78 наименований). Работа содержит 124 страницы, 68 рисунков и 1 таблицу.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработан пакет компьютерных программ для реализации метода DISCVER в операционной системе Windows, позволяющий проводить анализ мессбауэровских спектров произвольных материалов и обеспечивающий нахождение моделей с максимально возможным числом линий спектра с заданным уровнем статистического качества.

2. На основе анализа мессбауэровских спектров с помощью данного программного комплекса восстановлены структурные и магнитные свойства наноструктурированных магнитных сплавов Fe-Cu-Nb-B с разным содержанием наночастиц железа.

3. Разработана обобщенная двухуровневая модель релаксации взаимодействующих однодоменных частиц, в рамках которой реализуются разнообразные по своей форме релаксационные мессбауэровские спектры, что позволяет качественно описать нестандартные особенности экспериментальных спектров.

4. Обнаружено, что решающим фактором при формировании сверхтонкой структуры спектров поглощения наноструктурированного магнитного сплава Fe79CuiNb7Bi3 является взаимодействием между наночастицами железа.

5. Установлено, что вращение сверхтонкого поля на ядре вокруг оси легчайшего намагничивания частицы, когда частота прецессии магнитного момента частицы сравнима с частотами прецессии ядерных спинов в сверхтонком поле, приводит к перенормировке ядерных g-факторов, которая предопределяет формирование спектров, качественно отличающиеся от известных статических спектров сверхтонкой структуры.

6. Показано, что учет эффектов вращения в случае слабой релаксации магнитных моментов наночастиц с аксиальной, ромбической и кубической магнитной анизотропией приводит к нетривиальной трансформации мессбауэровских спектров.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. М.А.Чуев, А.М.Афанасьев, Н.П.Аксенова, О.Хьюп, Ю.Гессе, Мессбауэровские спектры наноструктурированных магнитных материалов в обобщенной двухуровневой модели релаксации\\ Известия РАН, сер. физическая, 2003, т.67, N7, с.1013-1018

2. М.А.Чуев, А.М.Афанасьев, Н.П. Аксенова, Магнитная сверхтонкая структура во вращающемся сверхтонком поле\\ IX Int. Conf. "Mossbauer spectroscopy and its applications". Ekaterinburg, 2004. Book of abstracts, p.7

3. Н.П.Аксенова, М.А.Чуев, Специфические особенности диагностики наномагнетиков методом гамма-резонансной спектроскопии\\ Микроэлектроника, 2005, т.34, N5, с.334-351

4. M.A.Chuev, N.P.Aksenova, Moessbauer spectra of nanomagnets within rotating hyperfine fieldW Int. Conf. "Micro- and nanoelectronics". Moscow-Zvenigorod, 2005. Abstracts, p. 02-08

5. М.А.Чуев, Н.П.Аксенова, Диагностика магнитных наноматериалов методом гамма-резонансной спектроскопии\\ V Нац. Конф. по прим. Рентгеновского, синхротронного изл., нейтронов и электронов для исслед. наноматериалов и наносистем. Москва, 2005. Тез. докл., с. 347

6. М.А.Чуев, Н.П.Аксенова, А.М.Афанасьев, Новые направления в гамма-резонансной спектроскопии, сфокусированные на диагностику магнитных наноматериалов\\ Труды ФТИАН, 2005, т. 18, с.304-324

7. М.А.Чуев, Н.П.Аксенова, А.М.Афанасьев, Магнитная сверхтонкая структура во вращающемся сверхтонком поле\\ Известия РАН, сер. физическая, 2005, т.69, N10, с.1403-1407

8. M.A.Chuev, N.P.Aksenova, P.G.Medvedev, Moessbauer spectra of nanomagnets within rotating hyperfine fieldW ,Proc. of SPIE, 2006, Vol.6260 , p. 0V1-0V10.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Было рассмотрено несколько теоретических механизмов формирования мессбауэровских спектров магнитной сверхтонкой структуры наномагнетиков, которые, как минимум, надо иметь в виду при реализации наиболее оптимальной схемы диагностики наномагнетиков на основе гамма-резонансной спектроскопии, даже в тех случаях, когда предсказанные аномалии не проявляются в четкой форме, а размазаны за счет наложения различных парциальных спектров и релаксационных эффектов.

Как было показано, использование в рамках стандартного в мессбауэровской спектроскопии метода поиска непрерывных распределений сверхтонкого поля на ядре более совершенного математического аппарата на базе метода DISCVER позволяет находить довольно сложные модели мессбауэровских спектров наномагнетиков, содержащие несколько магнитных компонент с гауссовым распределением Hhf, и тем самым восстанавливать температурную зависимость средних значений Hhf и ширины их распределений для различных позиций атомов железа в структуре образцов с определением среднеквадратичных ошибок для указанных параметров.

Альтернативой к этому методу является обобщенная двухуровневая модель релаксации, которая не только оказалась весьма эффективной в частном случае описания специфической формы мессбауэровских спектров наномагнетиков, но и представляет собой базу для совершенно нового подхода к анализу релаксационных мессбауэровских спектров систем магнитных наночастиц. В то же время ясно, что детальный количественный анализ спектров магнитных наноматериалов настоятельно требует проведения дальнейших исследований в плане разработки эффективных методик расчета и соответствующих вычислительных процедур, включающих описание как релаксационных эффектов в системе взаимодействующих магнитных наночастиц, так и их распределение по размеру.

С другой стороны, имеется существенный методический задел для повышения информативности мессбауэровской спектроскопии для диагностики наномагнетиков при воздействии на образец внешнего магнитного радиочастотного поля, особенно в варианте реализации условий для наблюдения релаксационно-стимулированных резонансов в мессбауэровских спектрах. Для наблюдения обнаруженных эффектов в «чистом» виде необходимо реализовать ситуацию, когда внешние силы заставляют сверхтонкое поле на ядре вращаться с заданной частотой под заданным углом к некоторой оси. Например, эту ситуацию можно реализовать в методике измерения мессбауэровских спектров магнитных наночастиц под действием внешнего высокочастотного поля, достаточно сильного, чтобы заставить магнитные моменты частиц следовать изменениям направления внешнего поля, т.е. вращаться вокруг некоторой оси под заданным углом. Подбирая необходимые амплитуду и частоту внешнего, циркулярно поляризованного высокочастотного поля и прилагая постоянное магнитное поле для выбора требуемого угла вращения, можно реализовать условия для наблюдения специфических форм спектров поглощения.

1. Eds. J. L. Dorman and D. Fiorani, Magnetic Properties of Fine Particles // Elsevier Sci. Publ., Amsterdam, 1991, p. 430.

2. Eds. G. C. Hadjipanayis and G. A. Prinz, Science and Technology of Nanostructured Magnetic Materials NATO ASI // Plenum Press, ser. B, New York, 1991, v. 259,.

3. А.Н.Тихонов, В.Я. Арсенин, Методы решения некорректных задач // М.:Наука, 1979.

4. M.Miglierini and J.-M. Greneche, Mossbauer spectrometry of Fe(Cu)MB-type nanocrystalline alloys: I. The fitting model for the Mossbauer spectra // J. Phys.: Condens. Matter., 1997, v. 9, p. 2303 -2319.

5. K.Suzuki and J.M.Cadogan, Random magnetocrystalline anisotropy in two-phase nanocrystalline systems // Phys.Rev. B, 1998, v. 58, p. 2730-2739.

6. M.Miglierini, I.Skorvanek and J.-M.Greneche, Microstructure and hyperfine interactions of the Fe735Nb4 5Cr5CuBi6 nanocrystalline alloys: Mossbauer effect temperature measurements // J. Phys.: Condens. Matter., 1998, v. 10, p. 31593176.

7. A.Hernando, Magnetic properties and spin disorder in nanocrystalline materials //J. Phys.: Condens. Matter., 1999,v. 11, p.9455-9482.

8. T.Kemeny, D.Kaptas, J.Balogh et al, Microscopic study of the magnetic coupling in a nanocrystalline soft magnet // J. Phys. Condens. Matter., 1999, v. 11, p. 2841-2847.

9. O.Hupe, H.Bremers, J.Hesse et al, Structural and magnetic information about a nanostructured ferromagnetic FeCuNbB alloy by novel model independent evaluation of Mossbauer spectra//Nanostructured Mater., 1999, v. 12, p. 581-.

10. O.Hupe, M.A.Chuev, H.Bremers et al, Magnetic properties of nanostructured ferromagnetic FeCuNbB alloys revealed by a novel model independent evaluation of Mossbauer spectra // J. Phys.: Condens. Matter., 1999, v. 11, p. 10545-.

11. J.Balogh, LBujdoso, D.Kaptas et al, Mossbauer study of the interface of iron nanocrystallites // Phys. Rev. B, 2000, v. 61, p. 4109-4116.

12. M.A.Chuev, O.Hupe, H.Bremers et al, A novel method for evaluation of complex Mossbauer spectra demonstrated on nanostructured ferromagnetic FeCuNbB alloys // Hyperfme Interact., 2000, v. 126, p. 407-.

13. M.Miglierini, P.Schaaf, I. Skorvanek et al, Laser-induced structural modifications of FeMoCuB metallic glasses before and after transformation into a nanocrystalline state // J. Phys.: Condens. Matter., 2001, v. 13, p. 1035910369.

14. B.C. Шпинель, Резонанс гамма-лучей в кристаллах // М.: Наука, 1969. 408 с.

15. В.И.Гольданский, Е.Ф.Макаров, В сб.: Химические применения мессбауэровской спектроскопии // М.: Мир, 1970. с. 9-94.

16. И.П.Суздалев, Гамма-резонансная спектроскопия белков и модельных соединений // М.: Наука, 1988.262 с.

17. Г.Н.Белозерский, Мессбауэровская спектроскопия как метод исследования поверхностей//М.: Энергоатомиздат, 1990. 351 с.

18. W. Т. Eadie, D. Drijard, F.E. James, M. Roos, and В. Sadoulet, Statistical Methods in Experimental Physics // Elsevier, New York, 1971.

19. C. Janot, L'effect Mossbauer et ses applications // Masson et Cie, Paris, 1972.

20. G. K. Shenoy and F. E. Wagner, Mossbauer Isomer Shifts // North-Holland, Amsterdam, 1978.

21. J. Hesse and H. Rubartsch, Model independent evaluation of overlapped Mossbauer spectra//J. Phys. E: Sci. Instrum, 1974, v. 7, p. 526-532.

22. P. Mangin, G. Marshal, M. Piecuch, and C. Janot, Mossbauer spectra analysis in amorphous system studies // J. Phys. E: Sci. Instrum., 1976, v. 9, p. 11011105.

23. G. Le Gaer and J. M. Dubois, Evaluation of hyperfme parameter distributions from overlapped Mossbauer spectra of amorphous alloys // J. Phys. E: Sci. Instrum., 1979, v. 12, p. 1083-1090.

24. С. Wivel and S. Morup, Improved computational procedure for evaluation of overlapping hyperfine parameter distributions in Mossbauer spectra // J. Phys. E: Sci. Instrum., 1981, v. 14, p. 605-610.

25. R. A. Brand and G. Le Caer, Improving the validity of Mossbauer hyperfine parameter distributions: the maximum entropy formalism and its applications// Nucl. Instrum. and Meth., 1988, v. B34, p. 272-284.

26. Г. Крамер, Математические методы статистики // М.:Мир, 1975.

27. А.М.Афанасьев, М.А. Чуев,Новая модель релаксации суперпарамагнитных частиц в приложении к мессбауэровской спектроскопии // Письма в ЖЭТФ, 2001, т. 74, № 2, с. 112.

28. M.A.Chuev, О.Нире, A.M.Ajanas'ev et al, Alternative approach for evaluation of Mossbauer spectra of nanostructured ferromagnetic alloys within generalized two-level relaxation model // Письма в ЖЭТФ, 2002, v. 76, № 9, p. 656-661.

29. B.Huck, J.Hesse, Mossbauer effect spectroscopy on the reentraint spin glass FeNiMn //J. Magn. Magn. Mater., 1989, v. 78, p.247-254.

30. B. Window, Hyperfine filed distributions from Mossbauer spectra // J.Phys.E: Sci.Instrum, 1971, v.4, p.401-402.

31. А.Н.Тихонов, A.B. Гончарский, B.B. Степанов, А.Г. Ягола, Регуляризирующие алгоритмы и априорная информация. // М.: Наука, 1983.

32. E.V.Voronina, A.LAgeyev and E.P.Yelsukov, Using an improved procedure of fast discrete Fourier transform to analyse Mossbauer spectra hyperfine parameters. // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B, 1993, v.73, p.90-94.

33. D.G .Rancourt, Accurate site population from Mossbauer spectroscopy I I Nucl. Instrum. Meth., 1989, v. B44, p. 199-210.

34. J.L.Dormann, F.D'Orazio, F.Lucari et al, Thermal variation of the relaxation time of the magnetic moment of y-Fe203 nanoparticles with interparticle interactions of various strengths // Phys. Rev. B, 1996, v. 53, p.14291-14297.

35. J. L. Dormann, L. Spinu, E. Tronc, J. P. Joliviet, F. Lucari, F. D'Orazio, D. Fioran, Effect of interparticle interactions on the dynamical properties of y-Fe203 nanoparticles. J. Magn. Magn. Mater, 1998, v. 183, p. L255-L260.

36. E.Tronc, A.Ezzir, R.Cherkaoui et al, Surface-related properties of y-Fe203 nanoparticles // J. Magn. Magn. Mater., 2000, v. 221, p.63-79.

37. E.Tronc, P.Prene, J.P. Jolivet et al, Magnetic behaviour of Y-Fe203 nanoparticles by Mossbauer spectroscopy and magnetic measurements // Hyperfine Interact., 1995, v. 95, p. 129-148.

38. J.Dormann, D.Fiorani, R.Chercaoui, E.Tronc et al, Form pure superparamagnetism to glass collective state y-Fe203 nanoparticle assemblies // J. Magn. Magn. Mater., 1999, v. 203, p.23-27.

39. M.Vasquez-Mansilla, R.D.Zysler, C.Arciprete et al, Magnetic interaction evidence in a-Fe203 nanoparticles by magnetization and Mossbauer measurements // J. Magn. Magn. Mater., 1999, v. 204, p.29-35.

40. I.P.Suzdalev, A.S.Plachinda, V.N.Buravtsev et al, Magnetic phase transition in nanoclusters of iron oxyhydroxides in polymeric matrices // Chem. Phys. Reports., 1998, v. 17, p. 1355-1369.

41. H.Kachkachi, M. Nogues, E.Tronc, D.A.Garanin, Finite-size versus surface effects in nanoparticles // J. Magn. Magn. Mater., 2000, v. 221, p.158-163.

42. S.Stankov, B. Sepiol, M.Miglerini et al, High temperature Mossbauer effect study ofFe90Zr7B3 nanocrystalline alloy // J.Phys.:Condens.Matter, 2005, v.17, p.3183-3196.

43. A.M.Афанасьев, M.A. Чуев, Дискретные версии мессбауэровских спектров // ЖЭТФ, 1995, т. 107, с. 989-1004.

44. J. L. Dormann, L. Bessais, D. Fiorani, A dynamic study of small interacting particles: superparamagnetic model and spin-glass laws // J. Phys.: Solid State Phys., 1988, v.21, p.2015-2034.

45. J. Zhao, F. E.Huggins, Z. Feng, G. P. Huffman, Surface-induced superparamagnetic relaxation in nanoscale ferrihydrite particles // Phys. Rev. :B, 1996, v.54, p.3403-3407

46. M.Miglierini, J.Greneche, Hyperfine fields of amorphous residual and interface phases in FeMCuB nanocrystalline alloys: a Mossbauer effect study // Hyperfine Interact., 1995, v. 121, p. 291-301.

47. H.H.Wickman, Mossbauer Paramagnetic Hyperfine Structure // in I.J. Gruverman (ed.), 'Mossbauer effect methodology', Plenum Press, New York, 1966, v. 2, p.39-66.

48. N.M.K.Reid, D.P.E.Dickson and D.H.Jones, A study of the parametrisation of the uniaxial model of superparamagnetic relaxation // Hyperfine Interact., 1990, v. 56, p.1487-1490.

49. S.M0rup, Superferromagnetic nanostructures // Hyperfine Interact., 1994, v. 90, p.171-185.

50. S.M0rup and E.Tronc, Superparamagnetic relaxation of weakly interacting particles // Phys. Rev. Lett., 1994, v. 72, p.3278-3281.

51. LBessais, LBen Jaffel, J. L. Dormann, Relaxation time of fine magnetic particles in uniaxial symmetry // Phys. Rev. B, 1992, v. 45, p. 7805-7815.

52. N.N.Savvateev, V.l.Kalita, ID. Komlev, O.Yu. Nartova, Mossbauer study of amorphous and nanocrystalline Fe73 5Cu1Nbi35B9 obtained by the plasma coating method // Conf.Proc. Ital.Phys.Soc., 1996, v.50 p.437-440.

53. Г.Н. Белозерский, Б.С. Павлов, Форма мессбауэровских спектров при явлении суперпарамагнетизма. Учет прецессии // ФТТ, 1983, т.25, с. 16901697.

54. G.Herzer, Nanocrystalline Soft Magnetic Materials // Phisica Scripta, 1993, v. 49, p.307-314.

55. M.Seeger, H.Kronmuller, High-Tech Permanent Magnets // Z. Metallkde, 1996, v. 87, p.923-933.

56. G. Bottoni, D. Candolfo, A. Cecchetti, F. Masoli, a-Fe particles for magnetic recording // In: "Magnetic Properties of Fine Particles", Eds. J. L. Dorman and D. Fiorani, Elsevier Sci. Publ., Amsterdam, 1991, p. 323-328.

57. В. Н. Sohn, R. Е. Cohen, G. С. Papaefthymiou, Magnetic properties of iron oxide nanoclusters within microdomains of block copolimers // J. Magn. Magn. Mater., 1998, v. 182, p. 216-224.

58. L. S. Prichard, K. O'Crady, High speed switching in metal particle recording media//J. Magn. Magn. Mater, 1999, v. 193, p. 220-223.

59. P. Ruuskanen, A. Deribas, A. Shtertser, T. Korkala, Magnetic properties of Fe735CuiNb3Sii3 5B9 alloy compacted by a shock-wave technique // J. Magn. Magn. Mater, 1998, v. 182, p. 185-192.

60. N. Randrianantoandro, A. Slawska-Waniewska, J. M. Greneshe, Magnetic interactions in Fe-Cr-based nanocrystalline alloys // Phys. Rev. B, 1997, v. 56, p. 10797-10800.

61. N. Randrianantoandro, A. Slawska-Waniewska, J. M. Greneshe, Magnetic properties of Fe-Cr-based nanocrystalline alloys // J. Phys.: Cond. Matter., 1997, v. 9, p. 10485-10500.

62. A. Slawska-Waniewska, J. M. Greneshe, Magnetic interfaces in Fe-based nanocrystalline alloys determined by Mossbauer spectroscopy // Phys. Rev. B, 1997, v. 56, p. R8491-R8494.

63. M.Miglierini and J.-M.Greneche, Mossbauer spectrometry of Fe(Cu)MB-type nanocrystalline alloys: II. The topography of hyperfine interactions in Fe(Cu)ZnB allows // J. Phys.: Condens. Matter., 1997, v. 9, p. 2321-2347.

64. O.Hupe, H.Bremers, J.Hesse, M. A. Chuev, A.M.Afanas'ev, Mossbauer effect in iron-based nanocrystalline alloys // Nato Science series, II. Mathematics, Physics and Chemistry, 2003, v. 94, p. 137-147.

65. J.M.Williams, D.P.Danson, and C.Janot. Phys. Med. Biol., 1978, v.23, p.835.

66. A.Abraham, The theory of nuclear magnetism // Oxford University Press, London, 1961.

67. LNeel, Theorie du trainage magnetique des ferromagnetiques en grains fins avec applications aux terres cuites // Ann.Geophys., 1949, v.5, p.99.

68. E.C.Stoner and E.P.Wohlfarth, A mechanism of magnetic hysteresis in heterogeneous alloys // Phil. Trans. Royal Soc., London, 1948, A240, p.599.

69. A. M. Afanas 'ev, M. A. Chuev and J. Hesse, Relaxation Mossbauer spectra under rf magnetic field excitation // Phys. Rev. B, 1997, v.56, p.5489.

70. A. M. Афанасьев, M. А. Чуев, Ю. Гессе, Эффект коллапса в модели невзаимодействующих частиц Стонера-Вольфарта // ЖЭТФ, 1998, т .113, № 5, с.1799-1815.

71. А. М. Афанасьев, М. А. Чуев, Ю. Гессе, Мессбауэровские спектры частиц Стонера-Вольфарта в радиочастотных полях в модифицированной релаксационной модели // ЖЭТФ, 1999, т .116, с. 1001.

72. S. Мфгир, Models for the dynamics of interacting magnetic particles // J. Magn. Magn. Mater., 1983, v. 37, p. 39.

73. А.М.Афанасьев, M.A. Чуев, Магнитные «дублеты» в мессбауэровских спектрах суперпарамагнитных частиц // Письма в ЖЭТФ, 2003, т.77, № 8, с.489-493.

74. А.М.Афанасьев, М.А. Чуев, Статические мессбауэровские спектры магнитной сверхтонкой структуры суперпарамагнитных частиц // Доклады АН, 2003, т.390, N6, с.750-754

75. А. М. Afanas'ev, М. A. Chuev , Mossbauer spectra of single-domain particles with rotating magnetic moments // J. Phys.: Condens. Matter, 2003, v. 15, No. 27, p. 4827-4839.

76. А. Абрагам, Б.Блини Электронный парамагнитный резонанс переходных ионов. М.: Мир, 1972, Т. 1. 651 с.

77. R.Zwanzing, II Physica, 1964, v.30, p.l 109