Введение к работе
Актуальность темы. Структуры, представляющие собой магнитные
металлические гранулы размером в несколько нанометров, внедрённые в
немагнитные металлические или диэлектрические матрицы, можно
рассматривать как материалы, находящиеся на границе между классической
физикой твёрдого тела и нанофизикой. Интерес к таким гранулированным
наноструктурам (нанокомпозитам) резко возрос благодаря ряду их
физических свойств. Среди таких свойств прежде всего следует отметить
явление гигантского магнитосопротивления (ГМС), спин - зависимое
электронное туннелирование, высокие диэлектрические потери СВЧ,
аномальный эффект Холла, аномально высокие значения эффекта Керра, а
также целый ряд других необычных физических свойств. Совокупность таких
свойств делает наногранулированные композиты чрезвычайно
привлекательными материалами для применения их в микро- и
радиоэлектронике. В частности, данные материалы могут быть использованы в
качестве сверхчувствительных датчиков температуры, магнитного поля.
Наногранулированные материалы и физические принципы, определяющие
электронно-транспортные свойства композитов, лежат в основе создания
элементов бурно развивающегося направления микроэлектроники -
спинтроники.
Перечисленные выше перспективные материалы представляют собой достаточно сложные объекты для исследований. Их структура и свойства находятся в сильной зависимости от соотношения металлической и диэлектрической компонент и условий получения. Также остается до конца не ясной реализация прыжковой (моттовской) проводимости по локализованным состояниям, имеющим высокую энергию активации в случае их расположения исключительно в диэлектрической матрице Si02 При этом особое внимание уделяется исследованию поведения нанокомпозитов вблизи порога перколяции, так как именно в этой области наблюдаются наиболее значительные изменения их свойств. Порог перколяции или протекания - это состав нанокомпозита, при котором изменяется механизм проводимости с туннельного или прыжкового на металлический за счёт формирования проводящих кластеров и сплошных проводящих каналов из металлических граігул. Поэтому представляет интерес изучение электронного строения в зависимости от соотношения компонент нанокомпозитов и размерных эффектов. Для анализа межатомных взаимодействий в гранулах и между ними, а также энергетического строения исследуемых материалов, особый интерес представляют методы, которые позволяют получать данные о взаимосвязи локальной атомной структуры и энергетического спектра электронов.
Цель работы. Определение природы межатомных взаимодействий и
фазового состава аморфных нанокомпозитов методами ультрамягкой
рентгеновской спектроскопии эмиссии и поглощения, построение
топологических и энергетических моделей нанокомпозитов с металлической
4 компонентой сложного состава в диэлектрической матрице S1O2:
(C04lFe39B2o)x(Si02)l-x И (C045Fe45Zr,o)x(Si02)l.x.
Основными задачами исследования, исходя из поставленной цели, являются:
Исследование структуры нанокомпозитов со сложной металлической компонентой методом рентгеновской дифракции.
Получение данных об особенностях распределение состояний валентных электронов нанокомпозитов (Co4iFe39B2o)x(Si02)i-x методами ультрамягкой рентгеновской спектроскопии (USXES - ultra soft x-ray emission spectroscopy) в зависимости от содержания металлической компоненты в диэлектрической матрице и условий получения.
Определение природы межатомных взаимодействий и фазового состава, а также особенностей распределения плотности свободных состояний нанокомпозитов (Co4iFej9B2o)x(Si02)i.x и (Co45Fe45Zrio)x(Si02)i.x различного состава с помощью методики ближней тонкой структуры края рентгеновского поглощения (XANES - x-ray absorption near edge structure).
Построение топологических и энергетических моделей нанокомпозитов.
Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые:
Получены экспериментальные данные о распределении локальных парциальных состояний в валентной зоне нанокомпозитов (Co4|FeMB2o)x(Si02)i-x и (Co45Fe45Zrio)x(Si02)i-x методом USXES.
Получены экспериментальные данные о характере распределения плотности свободных состояний двух систем нанокомпозитов сложного состава методом XANES с использованием синхротронного излучения
Обнаружено наличие межатомного взаимодействия между атомами металлической и диэлектрической компонент в процессе формирования нанокомпозита с образованием наноферритов, силикатов и кластеров элементарного кремния в пограничных слоях между металлическими гранулами и диэлектрической матрицей.
Предложены топологические и энергетические модели нанокомпозитов
(Co4|Fej9B2o)x(Si02)l.x И (CO45Fe45Zr|0)x(SiO2)l-x.
Практическая ценность результатов работы заключается в том, что
полученные данные могут быть использованы для оптимизации
ТеХНОЛОГИЧеСКИХ реЖИМОВ ПОЛучеНИЯ НаНОКОМПОЗИТОВ (C04lFe3<)B2o)x(Si02)l-x и
(Co45Fe45Zr,o)x(Si02)i-xC заданными свойствами.
Научные положения, выносимые на защиту.
Взаимодействие между атомами металлической и диэлектрической
компонент в процессе формирования нанокомпозитов
(Co4|Fe39B2o)x(Si02)i-x и (Co45Fe45Zrio)\(Si02)i-x с образованием
оксидов/наноферритов переходных металлов с различной валентностью и
координацией, а также силикатов/боросиликатов железа и силикатов
циркония.
Уменьшение содержания металлического железа и кобальта в результате более интенсивного окисления гранул с образованием, полупроводниковых наноферритов и силикатов / боросиликатов железа при добавлении молекулярного кислорода в процессе получения нанокомпозитов.
Образование кластеров элементарного кремния, обеспечивающих высокую плотность локализованных состояний в диэлектрической матрице с низкой энергией активации ловушек в результате твердофазной реакции между металлическими гранулами и диэлектрической матрицей
Топологические модели нанокомпозитов с детализацией сложного состава металлической и диэлектрической компонент, включающих малые металлические ядра, окруженные оксидными и наноферритными оболочками, и силикатными слоями на границе с диэлектрической матрицей, содержащей кластеры элементарного кремния.
Энергетические модели нанокомпозитов, построенные на основе топологических моделей и данных XANES и USXES, включающие локализованные состояния в запрещенной зоне диэлектрической матрицы SiC>2, обусловленные наличием кластеров элементарного кремния и силикатов в переходном слое.
Личный вклад автора. Постановка задач, определение направлений исследований выполнены научным руководителем д.ф.-м.н., профессором Домашевской Э.П. Данные рентгеновской эмиссионной спектроскопии USXES получены лично автором совместно с доцентом кафедры физики твердого тела и наноструктур (ФТТ и НС) ВГУ Кашкаровым В.М. Данные, полученные впервые методами XANES с использованием синхротронного излучения научной группой кафедры ФТТ и НС ВГУ, обработаны лично автором. Автором произведен сбор, подготовка и расчеты всех экспериментальных данных по фазовому составу, структуре и электронно-энергетическому строению исследуемых материалов. Обсуждение полученных результатов проведено с профессором Домашевской Э.П., профессором Тереховым В.А., доцентом Кашкаровым В.М., к.ф.-м.н. Турищевым СЮ. Основные результаты и выводы получены лично автором.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены в виде докладов и обсуждались на:
VI Национальной конференции по применению Рентгеновского, Синхротронного излучений, Нейтронов и Электронов для исследования наноматериалов и наносистем «РСНЭ НАНО - 2007» (Москва, 2007)
XIX Всероссийской научной школе - семинаре «Рентгеновские и электронные спектры и химическая связь» (Ижевск, 2007).
Electromagnetic Materials : Proc. of the Int. «Conf. on Materials for Advanced Technologies, Symposium P» (Сингапур, Малазия, 2007)
The European Materials Research Society 2007 spring meeting «E-MRS 2007 Spring Meeting» (Страсбург, Франция, 2007)
VI международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск, 2006)
10-th International Conference on Electronic Spectroscopy and Structure -2006 «ICESS 10» (Фоз-ду-Игуассу, Бразилия, 2006)
III Всероссийской конференции «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах» «Фагран - 2006» (Воронеж, 2006)
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 13 печатных работах, из которых 2 статьи - в центральной Российской печати, 2 статьи в зарубежных научных журналах.
Объем и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 135 страницах машинописного текста, включая 41 рисунков, 6 таблиц и список литературы из 85 наименований.
