26МАГНИТ НАНОЗАРРАЛАРНИНГ БАЪЗИ ХОССАЛАРИ
У. Р. Рустамов
Чирчик давлат педагогика институти доценти [email protected]
К. Х. Маликов
Чирчик давлат педагогика институти укитувчиси.
AННОТАЦИЯ
Ушбу маколада магнит нанозарраларнинг баъзи магнит хоссалари ва уларнинг кулланилиши буйича шархлар берилган. Нанозарралар билан макроскопик материал магнит хоссалари фарки тушунтирилган.
Калит сузлар: нанозарра, наноматериал, магнетик, ферромагнит, магнитланиш эгрилиги, супер парамагнетизм, домен структура, магнит кластер, миктомагнетик, блоклаш температураси.
SOME PROPERTIES OF MAGNETIC NANOPARTS
U. R. Rustamov
Associate Professor of Chirchik State Pedagogical Institute [email protected]
К. Х. Malikov
Teacher of Chirchik State Pedagogical Institute
ABSTRACT
This article provides comments on some of the magnetic properties of magnetic nanoparticles and their applications. The difference in the magnetic properties of a macroscopic material with nanoparticles is explained.
Keywords: nanoparticles, nanomaterial, magnetic, ferromagnetic, magnetization curve, super paramagnetism, domain structure, magnetic cluster, micomagnetic, blocking temperature.
КИРИШ
Охирги йилларда магнит наноматериаллар(НМ)сохасида катта узгаришлар содир булди. Бу авваламбор, наноулчамли магнит зарраларни хосил килишнинг эффектив методларини ишлаб чикиш ва нанозарраларни(НЗ)ларни тадкик килишнинг физикавий методларининг ривожланиши билан боFликдир. Масалан, металл ёки оксидли НЗни феррисуюкликлар ва каттик матрицалар холатида хосил килиш имкониятига эга булинди. Бундай материалларда бир катор уникал физикавий эффектлар(гигант магнит каршилик, аномал магнитокалорик эффект ва хк.) кузатилган. НЗ холатида магнит материалларнинг асосий характеристикалари(туйиниш магнитланиш, коэрцитив куч ва х.к.)нинг кийматлари, макро хажмли мос материалникига нисбатан катта булади. Таркибида НЗларни уз ичига олган намуналарнинг магнит хоссаларини тадкик килишда кулланиладиган стандарт методлар:
1. Туйиниш магнитланиш эгрилигини улчаш.
2. Ташки магнит майдон(ТММ) мавжуд булган ва булмаган холатда гелий температурасидаги магнитланиш эгрилигини улчаш.
Айрим холатда, турли температураларда ва ТММ кучланишига боFлик равишда магнитланиш эгрилиги аникланади. Бундан ташкари, магнит НМларнинг ферромагнит резонанс ва Мессбауэр спектри магнетизми маълумотларидан фойдаланилади. Бу маълумотлар НЗлар магнетизмининг хусусиятлари хакида назариялар яратиш учун асос булиб хизмат килади.
AДАБИЁТЛАР ТА^ЛИЛИ ВА МЕТОДОЛОГИЯ
НЗларда атом магнитланиши ва магнит анизотропияси, массив материалникига нисбатан сезиларли катта булади. Кюри ва Неел температураларучун бу фарк 100 °С ташкил этиши мумкин. НЗларнинг улчами, таркиби ва тузилишини узгартириб, улар асосидаги материалларнинг магнит характеристикаларини узгартириш мумкин. Буларнинг хаммаси информацияни ёзиб олиш ва саклашга мулжалланган системаларда, доимий магнитларни яратиш, магнит совутиш системаларда ва магнит сенсорлар яратиш учун, НМлардан фойдаланиш мумкинлигини курсатади. Маълумотни магнит ёзиб олиш технологиясининг замонавий холати ва перспектив амалий томонлари хакида [1] ишда ифодаланган. Х,озирда маълумотни магнит ёзиб олиш мухити сифатида ишлатиладиган дискларда у — Fe203, Со — у — Fe203, Fe ёки Fe — Со таркибли микрон улчамли кукунлар ишлатилади. 1 бит информация ёзиб олиш учун, 109 та атомдан фойдаланилади. 10 нм улчамли НЗ таркибида эса 103 —
104 атом мавжуддир. НЗ магнит хоссаларининг, макроскопик материалникидан фаркини куйидагича ифодалаш мумкин[2]:
1. Куп доменли объектлар(> 1 мкм) - Бу объектларда Кюри температурасидан паст температурада спонтан магнитланиш содир булади. Домен структура пайдо булиши натижасида, магнит материалнинг натижавий магнит моменти камаяди.
2. Оралик соха(50^1000 нм) - Материалнинг магнит характеристикалари уни тайёрлаш технологиясига боFлик булади.
3. Бир доменли магнит зарралар(1^30 нм) - Изоляцияланган зарралар учун ТБ - блоклаш температураси шкаласида 2 - характерли нукта мавжуд булиши мумкин. Паст ТБ температурада ва ТММ мавжуд булмаганда, иссиклик флуктуацияси зарраларнинг магнит майдони кучланганлиги йуналишини узгартирмайди. НЗлар туплами магнит гистерезисни намойиш килади. Юкори ТБ температурада, магнит зарра суперпарамагнит(СПМ) холатга утиб, спонтан магнитланиш ва магнит моментга эга булади. Узаро таъсирлашувчи зарралар бутун туплам буйлаб тартибланиши мумкин. Бундай магнит НМда атомлар сони ~6 • 1023 дан кам булмайди. Шунингдек, унинг магнит хоссаларига ташки шароит(температура, босим ва НЗнинг локал атроф-мухити) таъсир этади. Материални ташкил килган элементнинг магнит табиати хам мухим хисобланади. Масалан, тенг улчамли кобальт(Со) ва гадолиний(Gd) НЗнинг магнит хоссалари турлича булиши мумкин.
Камида битта ферромагнит компонентани уз ичига олган бирикмаларда, концентрация флуктуацияси хисобидан магнит кластерлар пайдо булиши мумкин. Бундай бирикмалар юкори температураларда СПМ зарралар бирлашмаси каби булади. Агар кластерлар орасидаги узаро таъсир ферромагнит характерда булса, паст температураларда оддий ферромагнит утиш содир булади. Агар магнит кластерлар, алохида магнит моментлар холатида булса, паст температура кластерлар магнит моментларининг хаотик ориентациялари сакланади. Бундай магнит табиатли системалар
миктомагнетиклар(mictomagnets) ёки кластер шишалар деб аталади. Кластерли шиша хоссалари, уни тайёрлаш шароити ва термик ишлов беришга кучли боFлик булади. Улар учун юкори температурада магнит гистерезиснинг катта колдик магнитланиш ва магнит хоссалар кайтмаслигининг бошка эффектлари характерлидир [2].
20 аср охирида турли электрон микроскоплардан воситасида наноулчамли объектларнинг тасвирини олишга бевосита имкон берадиган методлар яратилди.
Шунинг учун узок вакт давомида НЗларнинг мавжудлигини исботлаш, турли материалларнинг физикавий характеристикаларини ноодатий табиатини тахлили натижаларига асосланган. НЗларнинг алохида объектлар сифатида урганилиши, уларнинг ноодатий магнит хоссаларини кузатишдан бошланган деб хисоблаш мумкин. 1930 йилларда Френкель ва Дорфман томонидан кичик улчамли зарраларнинг бир доменли булиши энергетик нуктаи - назардан курсатилди. 20 аср урталарида бир доменли зарралар назарияси яратила бошланди ва улар билан боFлик ходисалар экпериментал урганила бошланди[3]. Бу тадкикотлар ферроматериалларнинг куп доменли структурага утишда коэрцитив кучларнинг сезиларли кучайишини курсатади. Бу холат доимий магнит яратиш учун мухим хисобланади [4].
Бир доменлилик критик диаметрини экспериментал аниклаш кийин муаммо хисобланади. Х,озирда магнит зарраларнинг куп доменли структурасида бир доменли структура урнини бевосита кузатиш учун магнит куч микроскоп(MFM), микро-сквид(^-SQUГО) ва магнитланишни улчашда мулжалланган бошка приборлар мавжуд. [4] ишда, кобальт(Со)нинг доиравий юпка заррасининг бир доменлилик критик диаметри 200 нм тенглиги аникланган. Шундай калинликли эллиптик зарра эса, 150 нм х 450 нм улчамда бир доменли хисобланади. Бу экспериментал аникланган кийматлар, назарий хисобланган кийматлардан анча катта хисобланади[4].
НАТИЖАЛАР
Магнит НЗни бир доменли деб хисобланиши учун, унинг бутун хажми буйлаб бир жинсли магнитланиш эмас, балки домен "деворча"ларнинг мавжуд эмаслиги тахмин этилади. Бундан ташкари, бир доменлилик НЗнинг кичиклигини билдирмайди. Агар НЗ канча кичик булса, унинг хоссалари массив материал хоссаларидан шунча катта фарк килиши мумкин. Агар НЗ сирт атомлари сонининг, унинг умумий атомлар сонига нисбати 0.5 кийматга канча интилса, НЗнинг асосий физикавий хоссалари массив материалникидан фарк шунча катта булади[4]. Бу хулосани магнит НЗларга нисбатан куллаш [2] ишда таклиф этилган. Сиртнинг Дг калинликда алмашиш боFликликлар киймати, зарранинг ичидагига нисбатан 2 марта кам ва Кюри температураси Тк эса алмашиш боFликликларнинг хажмий зичлигига пропорционал деб хисоблаб, Тк температуранинг магнетит зарранинг улчамига боFликлиги анализ килинди[3]. Бундан куринадики, Дг параметр, зарранинг г радиусига боFликдир. Магнетит учун г & 20 нм улчамда Аг ^ 0 булади. Бир доменли зарра радиуси
камайганда, Ar киймати ортади, масалан, г ~ 2.8 нм учун Дг ~ 0.5 нм булади. Яъни зарра улчами канча кичик булса, магнит НЗ учун Ar катталик дефект параметр сифатида хисоблаш мумкин. [2] иш маълумотлари ва [3] ишдаги уларнинг тахлили курсатадики, НЗлар бир доменли булиб хам, массив материалники каби хоссаларга эга булиши мумкин.
МУ^ОКАМА
Факат бир доменли зарра улчамидан кичик улчамларда, нанозаррага хос булган хоссалар намоён була бошлайди. НЗларнинг яна бир хусусияти -суперпарамагнетизмдир(СПМ). 20 аср урталарида, СПМ хусусияти НЗлар мавжудлигини экспериментал аниклашга имкон беради. Маълумки, парамагнит магнит моментининг ТММ кучланганлигига(Н) боFликлиги Бриллюэн функцияси оркали ифодаланади:
P = (1)
кТ V '
Рэ - атом(молекула ва хк.)нинг эффектив магнит моменти. Зарранинг магнит моменти канча катта булса, туйинган магнитланишни кузатиш учун шунча кучсиз ТММ кучланганлиги(Нт) керак булади. Нт ушбу формула буйича ифодаланиши мумкин.
РэНт « кТ
(2)
Масалан, парамагнит Gd(S04) • Н20 учун Рэ « 7дБ тенг булиб, хона температурасида ТММ кучланганлиги куйидагига тенг булади:
Нт = ^ « 100 Тл (3)
Агар зарра учун Рэ~104дБ тенг булса, туйиниш ТММ кучланганлиги киймати 0.1 Тл кийматгача пасаяди. Бриллюэн туридаги туйиниш магнитланиш эгрилиги ходисаси суперпарамагнетизм номини олди. Бундай хоссани намоён киладиган материал - суперпарамагнетик(СПМ) номини олди. Идеал СПМ модели 1960 йилларда яратилган[5]. Бу модел хозирда хам ривожланмокда[6]. Содда вариантда бу модел - узаро таъсирлашмайдиган ва дэ магнит моментли бир хил зарралар системаси сифатида каралади. Зарранинг магнит моменти киймати катта деб хисоблангани учун, унинг ТММ билан узаро таъсири квант эффектлар эътиборга олинмасдан хисобланади. Изотроп зарралар холатида системанинг мувозанат магнитланиши Ланжеван функцияси билан ифодаланади:
= = (4)
(4) формулада, зарра магнит изотроп - зарранинг магнит майдони учун хамма йуналишлар энергетик эквивалент хисобланади. Лекин хамма вакт бунга тескари холат - магнит анизотропия кузатилади. Магнит анизотропиянинг юзага келиш механизмлари турлича(кристал магнит анизотропия, форма анизотропияси, ички кучланиш ва ташки таъсир билан боFлик анизотропия, алмашиш анизотропияси) булиши мумкин[7]. Магнит НЗ учун сирт анизотропия мухим урин тутади. Агар зарралар магнит анизотропия булса, мувозанатли магнитланиш жараёни мураккаблашади. Симметрия буйича магнит анизотропиянинг содда куриниши - бир укли анизотропиядир. Бунда зарра энергияси:
Е(0) = KV • sin2 в (5)
К - хажмий анизотропия доимийси, V - зарра хажми, 0 - зарра магнитланиш вектори ва анизотропия уки орасидаги бурчак. Агар ТММ мавжуд булмаса, зарра энергиясининг минимум киймати, анизотропия уки билан мос тушади. Агар ТММ кучланганлиги, анизотропия укига нисбатан ~ф бурчак остида булса, зарранинг энергияси:
Е(0) = KV • sin2 в — HTMSV • cos(6 — \р) (6)
Зарра туйинган бир жинсли магнитланган хисобланиб, унинг магнит моменти: т. = MSV тенг булади. Бунда Ms — магнитланишнинг туйиниш киймати.
Умумий холатда, ТММ мавжуд булганда ва минимал энергияга эга булиш максадида зарранинг магнит моменти йуналишини узгартириш учун, ЕБ = К7 энергетик барьерни утиш керак. ЕБ » кТ холатда, бир укли ва бир доменли зарра магнит майдонининг иссиклик флуктуациясининг характерли вакти формуласи Неель томонидан хосил килинган:
_еб
т = т0е кТ (7)
Бу формула, кубли анизотропия учун Браун томонидан умумлаштирилган. Параматр т0 киймати баъзи параметрларга(температура, гиромагнит нисбат, туйиниш магнитланиш, анизотропия доимийси, энергетик барьер киймати ва х. к.) боFлик. (7) формула, узаро таъсир киймати ошмайдиган бир доменли магнит зарра системасида иссиклик мувозанатини урнатилиш характерли вактини ифодалайди. Юкори температурада(ЕБ « кТ) минимал энергияли холатга утиш вакти, улчаш вактига Ту нисбатан кам булади ва система магнит гистерезис хосил килмайди. Акс холатда(ЕБ » кТ) системанинг мувозанат холатга утиш вакти катта булади. Агар Ту » т булса, система СПМ холатда булиб, температура ва ТММ кучланганлиги киймати узгарганда, зарра магнитланиши
тезда мувозанат холатга етади. Агар сфериксимон магнит НЗлар улчамлар учун Ту~100 с деб хисобланса, (7) формула ва Ту = т шартдан ушбу формула юзага келади.
КУ = 32кТ (8)
Одатда блоклаш температураси ушбу формула оркали аникланади.
Тб = — (9)
Б 25к
Таъкидлаш керакки, (9) формула Н=0 холатда ТБ ни аниклайди. Т(Н) боFликлик ушбу формула билан ифодаланади[3]:
Т(Н) = Т(0)(1-Н) (9)
Нт
ХУЛОСА
Юкорида келтирилган фактлар, турли соха мутахассисларининг магнит НЗларга булган кизикиш учун асос булади. Охирги йилларда бундай материалларга булган кизикиш, айнан наноулчам диапазонда усмокда. Магнит НЗлар физикаси тадкикотларининг ушбу тахлили, каралган масалаларнинг илмий долзарблиги ва улкан амалий кийматини исботлайди. Бу авваламбор магнит НЗларнинг тез ривожланаётган сохаларда мухим урин тутиши билан тушунтирилади. Масалан, охирги 20 йилда магнит материаллар воситасида, шахсий компьютерларда информацияни саклаш имконияти тахминан 4000 марта ошди. Бошка сохаларда(биология, медицинада ва хк.) магнит НЗлардан фойдаланиш имконияти кулай булиб бормокда. Электрониканинг кейинги ривожи хам НЗлар магнит хоссаларидан фойдаланиш билан хам боFликдир. Буни спинтроника буйича бир катор илмий ишлар гувохлик беради. Бу сохада нанообъектларнинг магнит ва электр хоссалари узаро боFланишда каралади. Шунингдек, НЗларнинг магнит хоссалари квант компьютерларни яратишда жуда фойдали булиши мумкин.
Парамагнит НЗлар тукима, оксилни ажратиш ва алохида молекулаларни улчаш учун мухим восита хисобланади. Улар касаллик келтирувчи микроорганизмларни топишда кулланилади. Узига хос кимёвий копламали ва темир оксиднинг СПМ НЗлари, тукимани тиклаш, иммунофермент тахлили, биологик суюкликлар детокцикацияси, гипертермия ва дори етказиш учун кулланилади. Олтин билан копланган СПМ НЗларни магнит резонанс томографияда контраст агент сифатида куллаш мумкин. Бу холат ушбу методнинг ажратиш кобилиятини сезиларли оширади.
REFERENCES
1. K.L.Wang, A.A.Balandin(2001). Quantum Dots: Physics and Applications in Optics of Nanostructured Materials, Ed. V.A.Markel and T.F.George, J.Wiley, New York, 2001, p.515.
2. J.Hu, T.W.Odom, C.M.Lieber(1999). Acc. Chem. Res., 32, 435 (1999)
3. R.D. Gomez, T.V. Luu, A.O. Park, K.J. Kirk, J.N. Chapman(1999). J. Appl. Phys., 85, 6163 (1999)
4. M.D.Bentzon, J.van Wonterghem, S.Morup, A.Tholen(1989). Philosophical Magazine B, 60, 169 (1989).
5. UV Valiev, UR Rustamov, B Yu Sokolov, V Nekvasil, RA Rupp, M Fally, I Amin(2002). Features of Circularly Polarized Luminescence of the Paramagnetic Garnets YsAlsO^Tb^ and YsAlsO^Ho^ in Magnetic Field. Phys.Stat.Sol.(b).- 2002 - V.231.- No.1.- P.98-105.
6. Vasiliy O Pelenovich, Uygun V Valiev, Lin Zhou, Ivanov Igor'A, Oleg V Pelenovich, Umid R Rustamov, Dejun Fu(2016). "Magnetooptical spectrometer based on pfotoelastic modulator with optikal feedback and its application in study of f-electron materials" "Optikal Materials" -2016.-No.5.- P.115-120.
7. UV Valiev, JB Gruber, B Zandi, UR Rustamov, AS Rakhmatov, DR Dzhuraev, NM Narzullaev(2005). Magnetooptics of quintet states of Tb3+ ion in terbium-yttrium aluminum garnet. physica status solidi (b)- 2005 - V.242.- No.4.- P.933-946.
