Многофункциональные магнитные наноструктуры для спинтроники и биомедицины: синтез, структурные, магнитные, магнитооптические и транспортные свойства. Этап 2.

Объекты исследования — многослойные тонкие пленки и наноструктуры типа «тяжелый металл/ферромагнетик/тяжелый металл», «тяжелый металл/ферромагнетик/антиферроманетик», «тяжелый металл/ферромагнетик/оксид», сверхрешетки «тяжелый металл/ферромагнетик», аморфные магнитные сплавы, магнитная керамика, магнитожесткие нанопорошки, люминесцирующие материалы на основе теноилтрифторацетонатных комплексов лантаноидов, магнитные нанопроволоки, нанопружины, наночастицы и нанодиски. Методы исследований — аналитические расчеты, микромагнитное моделирование, атомистическое моделирование, просвечивающая электронная микроскопия, растровая электронная микроскопия, атомно-силовая микроскопия, магнито-силовая микроскопия, индукционная и оптическая магнитометрия, измерение магнитосопротивления на зондовой станции, Мандельштам-Бриллюэновская спектроскопия, рентгеновский магнитный круговой дихроизм, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия. Цель исследования – комплексное изучение магнитных наноструктур разной размерности для установления физических закономерностей с целью глубокого понимания природы наблюдаемых явлений и прогнозирования их функциональных характеристик для использования при разработке наноматериалов и наноустройств с улучшенными структурными, магнитными, магнитооптическими и транспортными характеристиками. В ходе второго этапа проекта выполнены все запланированные на данный этап задачи, сделан задел для третьего этапа, получены результаты мирового уровня. На основании результатов второго этапа НИР опубликованы 9 статей в журналах, индексируемых в БД Scopus и Web of Science, из которых 3 относятся к журналам из Q1 и 5 – из Q2. Суммарный импакт-фактор журналов составил – 36,114. Основные результаты прошли аппробацию на семи международных и всероссийских научных конференциях, на которых было представлено 10 устных докладов. В конце 2021 года одним из молодых исследователей коллектива НИР представлена к защите диссертационная работа на соискание степени кандидата физико-математических наук, защита которой пройдет в мае 2022 года. В ходе выполнения второго этапа НИР получены следующие научные результаты: Проведены комплексные исследования процессов токоиндуцированного перемагничивания в системах типа «тяжелый металл/ферромагнетик/тяжелый металл», «тяжелый металл/ферромагнетик/антиферроманетик», и «тяжелый металл/ферромагнетик/оксид». Представлены результаты, включающие оценку времени стабилизации тока в структуре холловского креста, методику оценки эффективного поля спин-орбитального вращательного момента, индуцируемого током, методики измерения при пропускании тока, при внешнем нагреве и охлаждении структуры. Разработана микромагнитная модель, согласно которой можно определять энергию интерфейсного взаимодействия Дзялошинского-Мория по зависимостям скоростей смещения доменных границ от продольного магнитного поля в режиме ползучести. Продемонстрировано применение предложенной модели для исследования взаимодействия Дзялошинского-Мория в симметричной эпитаксиальной системе Pd/Co/Pd(111) с различной деформацией слоев Со. В процессе исследований проанализированы уже существующие подходы и предложена новая модель, являющаяся комбинацией двух моделей, которые хорошо описывали результаты отдельных экспериментальных исследований, но не могли описать более сложные случаи. Комбинация экспериментальных методов и теоретических подходов позволила установить, что изменение эффективного взаимодействия Дзялошинского-Мория в симметричной системе Pd/Co/Pd от толщины нижнего слоя Pd связано с асимметрией упругих деформаций в нижних Pd/Co и верхних Co/Pd интерфейсах. Изучено магнитное упорядочение быстрозакаленных сплавов Fe-Cu-Nb-Si-B методом корреляционной магнитометрии, проведен сравнительный анализ магнитных и структурных характеристик данных сплавов. С помощью Керр-микроскопа оценено поле технического насыщения, что дало экспериментальные основания для выбора диапазона полей, использованного для анализа кривой намагничивания в рамках законов приближения намагниченности к насыщению. В полях выше корреляционного (9÷10 кЭ), поведение намагниченности подчиняется закону Акулова, на основании которого рассчитаны поле и константа локальной магнитной анизотропии. В полях ниже корреляционного наблюдается зависимость δM(H)\/M_S~H^(-1\/2), соответствующая изотропному росту областей однородной намагниченности V_H (размерность D = 3). При дальнейшем уменьшении поля происходит изменение вида степенной зависимости на δM(H)\/M_S~H^(-1), что можно соотнести с анизотропным ростом областей однородной намагниченности: преимущественный рост в плоскости ленты, размерность D = 2. Методами корреляционной магнитометрии вычислены значения структурной корреляционной длины RC, которая составляет ~15 атомных расстояний. Для исследованных сплавов RC по порядку величины близка к значению области когерентного рассеяния, полученному из анализа рентгеновских дифрактограмм. Оценено влияние температуры (в пределах 800-100 °С) искрового плазменноого спекания (ИПС) на состав, структуру и магнитные свойства гематита высокой чистоты. Показано, что консолидация α-Fe2O3 в условиях воздействия тепловых, электрических и электромагнитных полей приводит к формированию плотной кристаллической керамики. Наблюдается активный рост зерна при повышении температуры ИПС и протекает частичное восстановление гематита до магнетита при температуре от 900 °С и выше. В этой связи, магнитные свойства оксида со слабым ферромагнетизмом изменяются при повышении температуры ИПС, наблюдается увеличение намагниченности насыщения, из-за формирования фазы магнитного оксида Fe3О4, а также снижения коэрцитивной силы, в виду активного роста зерна у получаемой керамики. Представленные исследования указывают на большой потенциал технологии ИПС как перспективного метода для создания магнитной керамики индивидуального и композитного состава. Полученные результаты несут научную значимость для выявления влияния условий ИПС на состав, структуру и магнитные свойства гематита высокой чистоты. Формируется научное понимания о влиянии тепловых, электрических и электромагнитных полей на процесс консолидации материалов со слабым ферромагнетизмом. Синтезированы оксидированные частицы NdFe1-xCoxB с различным содержанием кобальта золь-гель методом типа Печини, исследовано влияние добавки кобальта на морфологию, размер и магнитные свойства. Результаты FTIR и рамановской спектроскопии показали, что образование магнитных частиц завершается реакциями полиэтерификации. Изображения SEM и TEM показали влияние добавок кобальта на морфологию синтезированных частиц, и было замечено, что с увеличением количества кобальта форма частиц менялась с удлиненной на сферическую. Рентгенограммы и анализ EDS подтвердили наличие различных фаз в образцах частиц. Результаты, извлеченные из петель гистерезиса и кривых перемагничивания первого порядка (FORC), показали, что количество кобальта оказывает значительное влияние на магнитные свойства полученных частиц. В результате получены новые знания для глубокого понимания синтеза и характеристик оксидов на основе Nd-Fe(Co)-B, которые могут быть использованы для устойчивой переработки и очистки использованных или поврежденных магнитов на основе Nd. Для люминесцентных аддуктов комплексов лантаноидов Gd(III), Er(III) и Yb(III) исследованы особенности электронного строения, получены и интерапретированы оптические спектры, установлены взаимосвязи «строение-свойство» и природа аддуктообразования. В качестве лигандов к трис-хелатных комплексам лантаноидов выступали нейтральные молекулы:1,10-фенантролин (Phen) и трифенилфосфиноксид (TPPO), которые в большей степени определяют области поглощения. Использование теноилтрифторацетона (tta) в качестве основных β-дикетонатных лигандов в комплексах лантаноидов представляет интерес из-за возможности увеличения интенсивности люминесценции за счет переноса энергии. В отчете представлены результаты исследования электронной структуры аддукта Gd(tta)3(Phen) и результаты исследования двух аддуктов с формулой Ln(tta)3(TPPO)2, где в качестве атомов лантаноидов (Ln) выступают Er и Yb. Все атомы лантаноидов в аддуктах трехвалентные и обозначаются Ln(III). Основной интерес представляло определение влияния лигандов tta на структуру электронных уровней с целью выявления различия между аддуктами c Er и Yb и оценки эффективности переноса энергии с лигандов на металл. Исследован процесс создания матриц оксида алюминия с заданными параметрами их геометрии для дальнейшего применения в качестве шаблонов для создания ферромагнитных одномерных наноструктур, таких как нанопроволоки, нанопружины, нанотрубки. Проведено комплексное исследование свойств нанопружин на основе сплава железа и кобальта. В ходе работы изучены магнитные и структурные характеристики CoFe нанопружин. Выявлена важная особенность зависимости магнитных свойств от размера диаметра витка при малых его значениях. Выдвинуто предположение, что при увеличение диаметра витка от 38 до 50 нм процесс перемагничивания меняется с образования вихревых доменных стенок на зарождение и движение поперечных доменных стенок. Выявлено, что перемагничивание образца с минимальным диаметром витка продольным полем становится двухступенчатым, состоящим из ферромагнитного переключения и парамагнитного подворота. Используя Керровскую магнитометрию, магнитносиловую микроскопию и анализ диаграмм кривых перемагничивания первого порядка (FORC) выявлено влияние магнитных взаимодействий на процессы ступенчатого перемагничивания магнонного кристалла на основе тонкого поликристаллического железа. Представлены результаты по получению и исследованию свойств магнитных нанодисков, которые могут быть использованы для механического уничтожения раковых опухолей под действием переменного магнитного поля. Показана технология получения магнитных нанодисков диаметром менее 100 нм. Изучено магнитное поведение нанодисков и проанализированы возможности их использования в биомедицине.