Введение к работе
Актуальность. Системы магнитных частиц или кластеров малых размеров (порядка нескольких нанометров), так называемые наноструктурированные магнитные материалы (наномагаетики), привлекают большое внимание исследователей благодаря их необычным физическим свойствам. При этом возрастающий шггерес к этому относительно новому классу материалов обусловлен не только предоставленной возможностью систематического исследования фундаментальных свойств малых кластеров и доменов, но и широкой областью их применения в нанотехнологии магнитных и магнитооптических устройств 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 наномашетиков. Анализ мессбауэровских спектров поглощения обеспечивает получение информации о фазовом составе, локальной кристаллической симметрии и размере частиц, а таюке о локальных магнитных характеристиках, таких как энергия магнитной анизотропии и параметры магнитной релаксации /1/
В настоящее время все больший интерес приобретает методика исследования мессбауэровских спектров при воздействии на образец внешнего магнитного радиочастотного (РЧ) поля. Данный метод позволяет изучать релаксационные свойства магнитных сплавов на частотах порядка сотни МГц, что представляет несомненный практический интерес в области создания материалов для магнитной записи По этой проблеме опубликовано большое количество экспериментальных работ, в которых наблюдалось качественно разнообразное поведение формы спектров в зависимости от частоты и амплитуды РЧ поля, что отражает сложную динамику магнитной системы исследуемых образцов Одним из наиболее ярких явлений в этой области исследований является обнаруженный Пфайффером в 1971 г. эффект коллапса хорошо разрешенной в отсутствие РЧ поля сверхтонкой структуры в одиночную центральную линию с сателлитами по мере повышения амплитуды РЧ поля /3/. Однако, до последнего времени практически полностью отсутствовала общая теория, позволяющая описывать соответствующие мессбауэровские спектры, и тем самым, извлекать обширную
информацию, содержащуюся в них, так что'построение'соответствующей теории является крайне актуальным
Второй круг явлений, широко исследованный в этой области, связан с наблюдением двойного гамма-магнитного резонанса, когда при частотах РЧ поля, совпадающих с частотами ядерного магнитного резонанса для ядер в основном или возбужденном состоянии, ожидается расщепление всех компонент спектра /5/ Эгому вопросу был посвящен целый ряд экспериментальных и теоретических исследований, и несмотря на то, что механизм этого явления достаточно хорошо выяснен, а сам эффект нашел свое экспериментальное подтверждение /6/ и также может быть использован для изучения свойств наномапіетиков, в теоретических работах и при анализе экспериментальных спектров до сих пор, как правило, использовалось довольно грубое приближение вращающейся волны и практически не рассматривались какие-либо приближенные к реальности модели для описания магнитной динамики, что не позволяло извлекать количественную информацию из экспериментальных спектров
Для того чтобы построить теорию мессбауэровских спектров при воздействии РЧ магнитного поля необходимо также задать модель для описания динамики магнитной подсистемы образца как за счет тепловых флуктуации, так и под действием РЧ поля, которая должна отражать наличие сложных процессов магнитной релаксации в системе частиц 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 111, и существует немало моделей различной степени сложности, однако окончательно эта проблема еще не решена, и при решении каждой конкретной задачи необходимо найти компромисс между адекватным реальной ситуации описанием и разумной с точки зрения расчетов сложностью модели.
Использование мессбауэровской спектроскопии при воздействии РЧ поля как метода исследования напомагнетиков 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 перекрывающихся линий, соответствующих неэквивалентным позициям мессбауэровского атома в образце, и анализ таких спектров представляет собой доволыю 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 теории для описания магнитной динамики и мессбауэровских спектров наноструктурированных магнитных материалов под действием РЧ магнитного поля произвольной амплитуды и частоты
Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:
- разработана общая теория релаксационных мессбауэровских спектров для
произвольной временной зависимости сверхтонкого поля на ядре, определяемой
магнитной динамикой исследуемой системы под действием РЧ магнитного поля,
- получены аналитические вьіражеіия для описания мессбауэровских спектров
поглощения для ряда предельных случаев магнитной динамики малых частиц, включая
пределы сильных РЧ полей и быстрой релаксации, случаи циркулярно поляризованного
сверхтонкого поля, слабых РЧ полей с частотой, резонансной по отношению к частотам
расщепления уровней ядра в основном или возбужденном состояниях, а также для
модели односторонней и локализованной релаксации,
развиты модели магнитной динамики ансамбля взаимодействующих о дно доменных ферромагнитных частиц и частиц Стонера-Вольфарта в модифицированной релаксационной модели,
разработанные модели магнитной динамики и теория мессбауэровских' спектров при воздействии РЧ поля реализованы в виде пакета компьютерных программ, с помощью которых исследовано влияние параметров релаксации, а также частоты и амплитуды РЧ поля на форму кривых намагничивания и мессбауэровских спектров ансамбля магнитных частиц малых размеров, включая случай многофазных систем взаимодействующих частиц,
разработан и реализован в виде компьютерной программы новый метод DISCVER («Дискретные версии») для анализа мессбауэровских спектров, позволяющий находить
дискретные представления с максимально возмолшым для заданного уровня статистического качества спектра числом компонент . с хорошо определенными параметрами, который успешно использован для извлечения информации о магнитных и структурных характеристиках из мсссбауэровских спектров наноструктурированных магнитных материалов
Паучная новизна.
Впервые разработана общая теория для описания релаксационных мессбауэровских спектров поглощения при произвольных значениях частоты и амплитуды РЧ магнитного поля для любой, заранее заданной модели магнитной динамики исследуемой системы.
Предложена модель магнитной динамики, позволяющая описать «термодинамический» гистерезис в системе взаимодействующих ферромагнитных частиц малого размера, а также развита обобщенная релаксационная модель частиц Стонера-Вольфарта, которая позволяет описывать зависимость магнитных характеристик образца от частоты приложенного внешнего магнитного поля.
Получены аналитические выражения для описания мессбауэровских спектров под действием РЧ магнитного поля в ряде случаев точно решаемых задач, на основании анализа которых предсказаны новые физические эффекты - своеобразная сверхтонкая структура спектров для случая циркулярно поляризованного сверхтонкого поля и стимулированные релаксацией резонансы для частот РЧ поля, связанных условием параметрического резонанса с частотами компонент магнитной сверхтонкой структуры
Предложен принципиально новый метод анализа мессбауэровских спектров, обеспечивающий нахождение моделей с максимально возможным числом линий спектра с заданным уровнем статистического качества, при этом параметры всех компонент оказываются достаточно хорошо определенными
Личный вклад автора.
Постановка задачи, все теоретические расчеты и оценки, а также оригинальные теоретические результаты получены автором в равноправном соавторстве с членом-корреспондентом РАН Афанасьевым A.M. Модели магнитной динамики, теория мессбауэровских спектров наномагнетиков при воздействии РЧ магнитного поля, а также метод анализа мсссбауэровских спектров материалов со сложным составом были реализованы автором самостоятельно в виде пакета компьютерных программ.
Практическая ценность.
Развитая общая теория релаксационных мессбауэровских спектров поглощения при воздействии РЧ магнитного поля может быть эффективно использована для исследования магнитных свойств широкого класса наноструктурироваиных магнитных материалов в радиочастотном диапазоне, что вызывает несомненный шггерес в связи с использованием этих материалов в качестве элементной базы магнитных и магнитооптических устройств записи информации
Разработанные модели магнитной динамики в системах ферромагнитных частиц малых размеров могут являться основой для извлечения информации о магнитных свойствах из экспериментальных данных, полученных в магнитных измерениях по различным методикам, включая измерения кривых; намагничивания во внешнем магнитном поле и магнитной восприимчивости при температурном сканировании в различных режимах, например при охлаждении в магнитном поле или в его отсутствие с последующим нагревом в поле разной напряженности и т д
На базе разработанных моделей магнигной динамики и теории мессбауэровских спектров при воздействии РЧ поля создан пакет компьютерных программ, позволяющих рассчитывать кривые намагничивания и мессбауэровские спектры ансамбля магнитных частиц малых размеров для произвольных значений параметров релаксации, а также частоты и амплитуды РЧ поля
Предложенный метод DISCVER реализован в виде компьютерной программы и дает огромные преимущества по сравнению с ранее известными методиками анализа мессбауэровских спектров практически для всех исследуемых материалов, особенно в случае магнитных систем разного рода, и уже рекомендован ГП «ВНИИФТРИ» Госстандарта России к широкому использованию на практике
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Развитая в диссертации теория релаксационных мессбауэровских спектров поглощения при воздействии РЧ магнитного поля представляет собой реальную основу для использования мессбауэровской спектроскопии в качестве метода исследования магнитных свойств наноструктурированных магнитных материалов в радиочастотном диапазоне, поскольку она позволяег рассчитывать спектры для произвольных значений релаксационных параметров, которые являются характеристикой исследуемого материала, а также для произвольных амплитуд и частот РЧ поля, которые наряду с
температурой являются дополнительными внешними параметрами задачи,' т.е. могут варьироваться в эксперименте
2. Разработаны модели магнитной динамики ансамбля взаимодействующих однодомениых ферромагнитных частиц типа частиц Стонера-Вольфарта с адекватным реальной ситуации описанием релаксационного процесса, которые позволяют рассчитывать магнитные характеристики надаструктурированньгх магнитных систем как в низкочастотном (стандартные магнитные измерения), так и в высокочастотном (мессбауэровские исследования) диапазонах
3 На основе анализа ряда предельных случаев, включая пределы сильных и слабых, резонансных РЧ полей, случаи предельно быстрой релаксации, циркулярно поляризовашюго сверхтонкого поля, а также модель односторонней и локализованной релаксации, получены аналитические выражения для описания спектров поглощения под действием РЧ магнитного поля и предсказаны новые физические эффекты в мессбауэровских спектрах мягких магнитных материалов
а) специфическая сверхтонкая структура центральной линии и сателлитов для случая
циркулярно поляризовашюго сверхтонкого поля,
б) два новых типа стимулированных релаксацией резонансных эффектов -
релаксационное сужение и релаксационное расщепление линий сверхтонкой
структуры, которые должны наблюдаться в мессбауэровских спектрах на частотах РЧ
магнитного поля, связанных условием параметрического резонанса с частотами
компонент магнитной сверхтонкой структуры.
4. Разработан принципиально новый метод анализа мессбауэровских спектров, в рамках которого находятся модели с максимально возможным для заданного статистического качества спектра числом спектральных линий с хорошо определенными параметрами, и при этом обеспечивается достаточно хорошее с точки зрения математической статистики согласие между экспериментальными и расчетными спектрами
Апробация. Основные результаты диссертации были доложены на Международных конференциях по применению эффекта Мессбауэра (Римини, Италия, 1995 г., Рио-де-Жанейро, Бразилия, 1997 г; Гармиш-Партеикирхен, Германия, 1999 г), 4-ой Международной конференции по наноструктурированным материалам (Стокгольм, Швеция, 1998 г.), Всероссийской конференции "Применение ядерно-физических методов в магнетизме и материаловедении" (Ижевск, 1998 г.), 2-ой Национальной
конференции по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов (Москва, 1999 г.)
Публикации Основное содержание диссертации изложено в 20 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения с выводами и списка цитируемых, работ из ПО наименований. Работа содержит 200 страниц, включая 54 рисунка и 4 таблицы.