Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Исследование ансамблей ультрадисперсных частиц размером от ста до тысячи ангстрем представляет собой одно из наиболее быстро развивающихся направлений, имеющих большое значение для решения ряда фундаментальных проблем физики твердого тела. Эти системы занимают промежуточное положение между ансамблями кластеров размером менее ста ангстрем и массивными образцами и по своим свойствам отличаются как от тех, так и от других. Повышенный интерес привлекает также и практическое использование этих материалов в различных областях современной техники, например, в химии катализа, микроэлектронике, технологии композитных материалов и носителей магнитной записи информации.
Для экспериментального изучения свойств магнитных ультрадисперсных систем весьма информативным оказался магнитооптический метод, основанный на регистрации вызванных намагничиванием образца изменений характеристик света, взаимодействующего с магнитным материалом. С помощью этого метода были исследоваш никелевые и никель- хромовые катализаторы, неоднородные поверх ностные структуры никеля, кобальта и железа, островковые металлические пленки и др. В частности, было показано, что важным параметром системы, определяющим характер магнитооптических спектров отражения, является коэффициент объемного заполнения среды магнитным материалом. Эти результаты находились в согласии с выводами теории магнитооптических свойств ультрадисперсных сред, построенной на основе введения тензора эффективной диэлектрической проницаемости. Вместе с тем, вопрос о влиянии на магнитооптические свойства ультрадисперсной среды размера структурных и магнитных неоднородностей недостаточно изучен. С целью рассмотрения этой проблемы в диссертационной работе были проведены магнитооптические и оптические исследования специально изготовленных порошков калиброванных по размеру ультрадисперсных сферических частиц ферромагнитных металлов.
В диссертационной работе на ансамблях аэрозольных частин никеля исследуется экваториальный эффект Керра на S - компоненте падающего света, величина которого на образцах ультра-
дисперсного никеля возрастала на два порядка по сравнение с величиной этого эффекта на массивном никеле.
В работе были также исследованы различные магнитные жидкости. Магнитные жидкости являются одной из разновидностей ультрадисперсных систем и представляет собой коллоиды, в коте рых суперпарамагнитные частицы сферической формы со средним размером от нескольких десятков до ста ангстрем находятся в немагнитных жидкостях- носителях. Уникальной особенностью эти систем является сочетание характерной для жидкости высокой те кучести с появлением сильного отклика на приложенное внешнее магнитное поле.
Особое внимание в работе уделено исследованию приповерхностного слоя магнитной жидкости, граничащего с немагнитным материалом. Это связано с тем, что свойства магнитных жидкостей вблизи поверхности и в объеме могут существенно отличатьс Приложение внешнего магнитного или электрического поля приводит к возникновению новых физических явлений, происходящих в приповерхностной области магнитной жидкости. Изучение явлений происходящих на границе раздела магнитная жидкость - твердое тело, представляет также и практический интерес, так как их необходимо принимать во внимание при конструировании различны технических устройств, например, магнитожидкостных герметизаторов, узлов смазки механизмов и др.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы являлось экспериментальное и теоретическое исследование магни тооптических и оптических свойств различных ультрадисперсных систем. 6 качестве таких систем были рассмотрены ансамбли калиброванных по размеру ультрадисперсных сферических частиц ни келя и кобальта, а также магнитные жидкости на основе ультрадисперсных частиц магнетита и железа.
В задачу работы входило:
исследование экваториального эффекта Керра и оптических свойств ансамблей калиброванных по размеру ультрадисперсных частиц никеля и кобальта;
экспериментальное определение и теоретический расчет в рамках модели Максвелла- Гарнетта компонент тензора эффективной диэлектрической проницаемости ансамблей ультрадисперсных частиц никеля и кобальта;
экспериментальное изучение экваториального эффекта Керра на - компоненте падающего света на ансамблях ультрадисперсных частиц никеля;
исследование свойств приповерхностной области магнитных жидкостей, приготовленных на основе ультрадисперсных частиц магнетита и железа, магнитооптическими и оптическими методами;
Научная новизна и практическая ценность работы. Представлены результаты экспериментального исследования экваториального эффекта Керра и эффективных оптических констант на ансамблях калиброванных по размеру сферических частиц никеля и кобальта в диапазоне размеров частиц от ста до тысячи ангстрем-Экспериментально определены компоненты тензора эффективной диэлектрической проницаемости этих систем. Проведено сравнение экспериментальных результатов с данными теоретических расчетов в рамках модели Максвелла- Гарнетта, распространенной на случай магнитной среды. На ансамблях ультрадисперсных частиц никеля обнаружено резкое возрастание (на два порядка) величины экваториального эффекта Керра на S - компоненте падающего линейно- поляризованного света по сравнению с величиной этого эффекта на массивном никеле.
Впервые магнитооптическим и оптическим методами исследованы процессы, протекающие в приповерхностной области различных магнитных жидкостей при приложении внешних магнитного и электрического полей. Экспериментально обнаружено, что в однородном магнитном поле, параллельном поверхности магнитной жидкости, имеет место уменьшение концентрации магнитных частиц в приповерхностной области жидкости.
Впервые обнаружены и исследованы временные осцилляции коэффициента отражения поверхности магнитной жидкости во внешнем однородном магнитном поле, параллельном поверхности жидкости. Предложена теоретическая модель, описывающая это явление, в которой рассмотрена интерференция световых лучей, отраженных от границ тонкого приповерхностного слоя магнитной жидкости с пониженной концентрацией магнитных частиц.
Обнаружено, что для некоторых слабоконцентрированных магнитных жидкостей направление вектора намагниченности в приповерхностной области противоположно направлению намагниченности
, Г. і
в объеме жидкости.
Магнитооптическим и оптическим методами изучено вли электрического поля на процесс поверхностного перераспре ния магнитных частиц. Экспериментально установлено, что чение напряженности электрического поля приводит к воэра концентрации частиц вблизи поверхности магнитной жидкост появлению поверхностных концентрационных течений.
Показано, что экспериментальные методы, основанные мерении нечетных по намагниченности магнитооптических эф позволяет получать новую информацию о влиянии поверхност тивных веществ и жидкостей- носителей как на свойства от, ных частиц магнитной жидкости, так и на их поведение в а ле. Обнаруженные физические явления, происходящие в прип ностной области магнитных жидкостей должны приниматься в* мание при рассмотрении вопросов взаимодействия магнитных лоидов с поверхностью твердого тела.
Аппробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладна на IX Всесоюзной школе- семинаре "Новые магнитные матери» для микроэлектроники" (Саранск, 1984), на ІУ и У Всесоюзі конференциях по магнитным жидкостям (Плес, 1985; Плес, 1е. на ІУ Всесоюзном симпозиуме "Свойства малых частиц и octj вых металлических пленок" (Сумы, 1985), на Ш, ІУ и У Всес ных совещаниях по физике магнитных жидкостей (Ставрополь, Душанбе, 1988; Пермь, 1990), на ХУШ Всесоюзной конференци физике магнитных явлений (Калинин, 1988), на II Всесоюзне ференции "Фиэикохимия ультрадисперсных систем" (Юрмала, I на Ш Всесоюзной конференции "Магнитные жидкости в биологи медицине" (Сухуми, 1989), на Международной конференции пс зике магнитных явлений "inte^MAfH^" (Вашингтон, 1989), У и УІ Международных конференциях по магнитным жидкостям 1990; Париж, 1992), на 38 Международной конференции по ма тизму и магнитным материалам (Минеаполис, 1993).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано Г чатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит и дения, четырех глав, заключения и списка литературы. Она і
жит [НО страниц машинописного текста, 75 рисунков, 2. таблиц и 153 наименований цитированной литературы.