CC BY
17
«и»
МАГНИТНЫМ РЕЛЬЕФ СТРУКТУРИРОВАННОГО НАНОКОМПОЗИТНОГО МУЛЬТИФФЕРОИДНОГО
МАТЕРИАЛА
Хлопов Борис Васильевич,
АО "Центральный научно-исследовательский радиотехнический институт им. академика А.И. Берга", Москва, Россия, hlopovu@yandex.ru
Бондарев Юрий Степанович,
АО "Центральный научно-исследовательский радиотехнический институт им. академика А.И. Берга", Москва, Россия
Шашурин Василий Дмитриевич,
МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия, shashurin@bmstu.ru
Белянин Алексей Федорович,
ЦНИТИ "Техномаш", Москва, Россия, belyanin@cnititm.ru
Самойлова Валерия Сергеевна,
АО "Центральный научно-исследовательский радиотехнический институт им. академика А.И. Берга", Москва, Россия, Samvalser@yandex.ru
DOI 10.24411/2072-8735-2018-10114
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 16-07-00642)
Ключевые слова: наночастицы, метаматериалы, нанокомпозит, электромагнитное поле, полеобразующая система, мультиффероидные материалы.
Исследуются микроволновые резонансные явления в нанокомпози-тах, в межсферические полости которых помещены частицы одного или нескольких металлов. Изменения микроволнового сигнала, прошедшего через нанокомпозит, происходят, в основном, из-за изменения поверхностного импеданса нанокомпозита в условиях магнитного резонанса и из-за поглощения электромагнитной волны в нем. Магнитные резонансные явления в нанокомпозитах влияют на коэффициенты отражения и прохождения через изготовленный образец, а соответственно определяют его магнитный рельеф. Распространение волн в системе, с частотами, не отвечающими её внутренним параметрам, способствует появлению областей, которые обладают большим набором дипольных мод, распределенных в широком спектральном диапазоне, а, следовательно, обладающих свойством возбуждаться в неоднородных полях. Последнее и приводит к гигантским локальным полям в упорядоченных областях матричной системы, а также к таким эффектам как фокусирование и экранирование. Показана возможность определения и получения желаемого магнитного рельефа образца в зависимости от изменения структуры нано-композитного мультиферроидного материала при облучении импульсным электромагнитным полем. Для облучения нанокомпозита предложена спиральная плоская магнитная полеобразующая систе-
ма [1] повышающая интегральную электромагнитную восприимчивость с одновременным уменьшением экранирующих воздействий. Рассмотренная информация из зарубежного источника, приведенная в статье, подтвердила правильность выбранного направления исследования процесса формирования поверхностного магнитного рельефа. Предложен технологический процесс получения наноком-позита на основе опаловой матрицы разработанный отечественными производителями, который дает возможность получить положительный эффект в СВЧ диапазоне. Показано, что при получении образцов, их химический состав и структура сильно зависит от метода пропитки, основанного на введении различных химических элементов и соединений в межсферические нанополости опаловых матриц веществом-прекурсором. В настоящей работе в качестве прекурсоров использовались растворимые нитраты металлов. Вещества-прекурсоры не нарушают структуру опаловых матриц. Результаты проведенных исследований для образцов нанокомпозитов показывают низкие диэлектрические потери и малую зависимость от частоты, кроме некоторого подъема в области низких частот и, что поглощения электромагнитной волны происходит в основном из-за изменения структуры образца.
Информация об авторах:
Хлопов Борис Васильевич, д.т.н., начальник отдела, АО "Центральный научно-исследовательский радиотехнический институт им. академика А.И. Берга", Москва, Россия
Бондарев Юрий Степанович, д.воен.н., заместитель генерального директора, АО "Центральный научно-исследовательский радиотехнический институт им. академика А.И. Берга", Москва, Россия
Шашурин Василий Дмитриевич, д.т.н., профессор. Зав. Кафедрой "Технологии приборостроения", МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия Белянин Алексей Федорович, д.т.н., профессор, начальник отдела, Центральный научно-исследовательский технологический институт "Техномаш", Москва, Россия
Самойлова Валерия Сергеевна, АО "Центральный научно-исследовательский радиотехнический институт им. академика А.И. Берга", Москва, Россия
Для цитирования:
Хлопов Б.В., Бондарев Ю.С., Шашурин В.Д., Белянин А.Ф., Самойлова В.С. Магнитный рельеф структурированного нанокомпозитного мультиффероидного материала // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2018. Том 12. №7. С. 12-18.
For citation:
Hlopov B.V., Bondarev Y.S., Shashurin V.D., Belyanin A.F., Samoylova V.S. (2018). Magnetic relief of structured nanocomposite multi-pheroid material. T-Comm, vol. 12, no.7, pр. 12-18. (in Russian)
Т-Сотт Уо!.12. #7-2018
Аналогичные результаты имеют и магветито-кремнеземные композиты. Резонансная частота менее ] ГГц не выгодна для м а ш июли эле ктри ч ее к и х композитов. Даже если кремниевая оболочка сохраняет низкие диэлектрические потери на слоях кремнезема, выступая в качестве изолирующего слоя, давая наночастицам магнетита уменьшенную электропроводность, которая препятствует генерации индуцированного электричества, она препятствует магнитному вкладу магнетита. Это приводит к низкой общей магнитной проницаемости.
Так как основные свойства и характеристики метаматериалов определяются, прежде всего, их структурой, сконструированной в оптимальном варианте [7, 8], при отсутствии трансляционной инвариантности, возбуждаемые моды колебаний, имеют тенденцию локализоваться в ячеистой матричной архитектуре, отвечающей упорядоченным областям.
Отечественными производителями [9] разработан технологический процесс применение нанокомпозита на основе опаловой матрицы, который дает возможность получить положительный эффект в СВЧ диапазоне. Получение образцов, их химический состав и структура, а также синтез образцов опаловых матриц был описан в ряде работ, например, [3, 10]. Нанокомпозиты с внедренными наночастицами оксида кобальта были получены методом пропитки с последующей термической обработкой. Образцы опаловых матриц с диаметром субмикронных сфер Si02 от 200 до 280 нм были сформированы с использованием следующей технологии. На первоначальной стадии в результате реакции гидролиза тетраэфира ортокремниевой кислоты Si(OC2H5)4 с раствором этанола С2Н5ОН в присутствии катализатора гидро-ксида аммония NH4OH были получены наночастицы аморфного Si02.
Сначала образовывались мелкие разветвленные наночастицы. Затем, в процессе поликонденсации, они превращались в частицы аморфного диоксида кремния сферической формы. После отстаивания суспензии осадок представляет собой гидрогель с содержанием жидкости до 50-60 весовых процентов. Если не предпринять дополнительных мер, то после сушки получается материал мелоподобный и легко ломающийся. Поэтому были проведены термообработки с целью упрочнения полученных опаловых матриц и более полного удаления воды. Правильность упаковки наносфер контролировали по форме и ширине берегговских отражений.
Метод пропитки является одним из наиболее простых способов введения различных химических элементов и соединений в межсферические нанополости опаловых матриц и основан на пропитке опаловой матрицы веществом-прекурсором с определенным химическим составом и предполагает проведение последующей термообработки, в процессе которой в указанных полостях формируется необходимый химический состав. Веществ а-прекурсоры должны обладать хорошей растворимостью в воде и переходить в оксиды при умеренных температурах термообработки, не нарушающих структуру упаковки опаловых сфер,
В настоящей работе в качестве прекурсоров использовались растворимые нитраты металлов. Процедура повторялась многократно (до 20 раз) с постепенным заполнением межсферического пространства опаловой матрицы.
В последующем проводилась термообработка при температурах от 500 до 700°С. В процессе термообработки происходит частичное термическое разложение нитратогрупп и полностью удаляется неструктур! [ая вода.
До введения в межсферические полости наночастиц оксидов, опаловая матрица представляет собой плотно упакованную периодическую структуру субмикронных сфер (рис. 3).
Рис. 3. Образцы опаловых матриц: а) незаполненная опаловая матрица размером 40x40x5 мм;
6) Строение опаловых матриц, чьи межсферические нанополости заполнены кластерами: Со + N1 и N¡^6 + рентгеноаморфные фазы; в) образцы опаловых матриц
На это указывают результаты рентгенофазового анализа и электронной микроскопии. После процедуры введения, большая часть внесенного вещества сосредоточена в пространстве между сферами и представляет собой оксиды металлов. Для получения нанокомпозита с металлическими частицами образцы подвергались отжигу в атмосфере водорода при температуре 600-700(>С. Режим отжига был следующим: откачка воздуха и нагрев, при котором происходит десорбция из образца (начинается при 100-200"С), а после завершения десорбции производится увеличение давления водорода до 2,5 атм (десорбция наблюдалась вплоть до температуры 600°С). Отжиг проводился в течение 7 часов при температуре 600-700иС, при этом, наиболее активное падение давления водорода наблюдалось в течении первого часа.
Проведены исследования полученных образцов нано-композитов в переменном электрическом поле в диапазоне частот от 100 Гц до 3012 МГц. Исследована частотная зависимость действительной (е*) и мнимой (б") компонент диэлектрической проницаемости, а также электрической проводимости опаловых матриц, заполненных кристаллитами №3Реи№2Реэ [3].
Полученные результаты для образцов опаловых матриц, содержащих в межсферических нанополостях кластеры №3Ре; N¡^3 представлены на рис. 4.
Т-Сотт Уо!.12. #7-2018
Метод облучения и получения характеристик магнитного рельефа образцов
Для излучения в полеобразующей системе образцов нанокомпозита под воздействием импульсов сверхкороткой длительности была разработана многодроссельная излучающая магнитная система, которая формирует электромагнитное поле с направлением, перпендикулярным плоскости образца (рис. 6).
Представленная схема размещения четырех спиральных соленоидов на одной плате решает задачу генерирования серии электромагнитных импульсов, чем улучшает качество характеристик электромагнитного поля. На рисунке 7 представлена зависимость модуля вектора напряженности магнитного поля по Х-координате от системы из двух плоских спиральных соленоидов (обратная логарифмическая спираль правая и левая), расположенных в одной плоскости а статике при фиксированном токе.
О
ГП
Г<5)
Электромагнитная волна
Отражение
^^-н Кластеры металлов
-.О о О.--'
Многократное
-•о ^ V?
отражение
Образец
Многократное рассеяние
Х(м)
Рис. 7. Представлена зависимость модуля вектора напряженности магнитного поля по Х-координате от системы из двух плоских спиральных соленоидов
Благодаря использованию несимметричной плоской спиральной магнитной системы было получено равномерное распределение амплитудных значений напряженности импульсных магнитных полей в рабочем объеме магнитной системы. Образец мультиферроидного материала размещается соосно спиралям сверху плоской спиральной магнитной системы. Магнитная система с переменным магнитным полем с помощью устройств управления обеспечивает технологический процесс взаимодействия одновременно изменяющихся импульсных магнитных полей в пространстве размещения образца мультиферроидного материала.
На рисунке 8 приведена иллюстрация возможных механизмов микроволнового поглощения в нанокомпозитах.
Рис. 8. Иллюстрация возможных механизмов микроволнового поглощения в нанокомпозитах: М^е; Со + N1; МэРе + Со + № на основе опаловой матрицы
Проведены экспериментальные исследования на образцах опаловых матриц, содержащих в межсферических нано-полостях кластеры. Экспериментальные результаты образцов получены с использованием контрольного оборудования [12] по разработанному процессу, при изменении структуры образца мультиффероидпого материала. Дня образцов опаловых матриц использовались, вещества-прекурсоры создающие в межсферических нанополостях кластеры ТЧ^Ре; N¡^63. Переменное магнитное поле, созданное в полеобразующей системе облучающее каждый из образцов воздействовало последовательно на частотах 700 и 2500 МГц.
На рисунках 9 и 10 приведены фрагменты изображений на экране монитора: магнитные рельефы поверхности образца опаловой матрицы содержащей в межсферических нанополостях кластеры М13Ре, и МьРез, полученные в переменном электрическом поле на частотах а) 700МГц; б) на частоте 2500 МГц
£ М5Щ
яг 1 ©вЕЙ ЩШ1
а)
Рис. 9. Изображения на экране монитора: Магнитный рельеф фрагмента поверхности образца опаловой матрицы содержащей в межсферических нанополостях кластеры №эРе, полученный в переменном электрическом поле на частотах: а) 700 МГц; б) на частоте 2500 МГц
а) б)
Рис. 10. Изображения на экране монитора: Магнитный рельеф фрагмента поверхности образца опаловой матрицы содержащей в мсжсфсричсских нанонолостях кластеры МьРе3, полученный в переменном электрическом поле на частотах: а) 700 МГц; б) на частоте 2500 МГц
Результаты проведенного эксперимента показали, что свойства образца мультиферроидного материала определяются в первую очередь структурой.
Изменения микроволнового сигнала создаваемого поле-образующей системой, прошедшего через образец наноком-позита, происходят, в основном, из-за изменения поверхностного импеданса нанокомпозита в условиях магнитного резонанса и из-за поглощения электромагнитной волны в нем. Магнитные резонансные явления в нанокомпозитах влияют на коэффициенты отражения и прохождения через нанокомпозит, а соответственно определяют магнитный рельеф в изготовленном образце, наблюдаемый в результате проведенного эксперимента.
Заключение
При облучении нанокомпозита на основе опаловой матрицы с микроволновой проводимостью электромагнитным полем в поле об разую щей системе повышается интегральная электромагнитная восприимчивость системы с одновременным уменьшением экранирующих воздействий, от немагнитных материалов и обеспечивается формирование электромагнитных полей в виде их мультипликации.
Разработанный технологический процесс с применением нанокомпозита на основе опаловой матрицы дает возможность получить положительный эффект в СВЧ диапазоне.
По результатам проведенных исследований и полученных фрагментов электромагнитного рельефа испытуемых образцов мультиферроидного материала с большой вероятностью можно сделать заключение, что поглощения электромагнитной волны происходит в основном из-за изменения структуры образца.
Литература
1. Патент на изобретение №2368020 от 20.09.2009 г. {приоритет от 30.01.2008 г).
2. Nuzhnyy D., Vanek P.. Petzelt J., Bovtun V, Kern pa М., Gregora /., Savinov M.. Krupkova R., Studnicka V.. Bursik J.. Samoylovich M.I., Schranz IV. Properties of BaTiOj confined in nanoporous Vycor and artificial opal - opal // Proc. Appl. Ceram. 2010. V. 4, pp. 215-223.
3. Самойлович М.И., Бовтун В.. Ринкевич А.Б., Белянин А.Ф.. Клещева С.М.. Кемпа М, Нужный Д. Пространственно-неоднородные материалы на основе решетчатых упаковок нано-сфер Si02 //Инженерная физика. 2010. № 6. С. 29-38.
4. Самойлович М.И., Белянин А.Ф.. Бовтун В., Чучева Г.В.. Хлопов Б.В. Кристаллизация металлов (Ni, Fe) и соединений на их основе в мсжсфсричсских нанополостях опаловых матриц // Нанома-териалы и наноструктуры - XXI век. 2016. Т. 7. № 4. С. 24-31.
5. Yuanzhe Piao. Multi-Ferroic Polymer Nanopartiele Composites tor Next Generation Metamaterials // AOARD. Final Report. April 25th 2016. P. 13
6. Лагарьков A.H., Маклаков C.A.. Осипов А.В.. Петров Д.А., Розанов К.И., Рыжиков И.А., Седова М.В., Старостенко С. П.. Якубов ИТ. Свойства слоистых структур на основе тонких ферромагнитных пленок // РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА. 2009. Т. 54. №5. С. 625-633.
7. Nuzhnyy D., Petzelt J.. Rychetsky I., Buscaglia V., Buscaglia M., Nanni P. THz and IR Dielectric Response of ВаТЮЗ Core-Shell Composites: Evidence for Interduffusion // Journal of Physics D, 2009, V. 42, 155408/1-8.
8. Хлопов В. В. Оборудование лля изменения магнитного состояния тонкопленочного слоя магнитного носителя информации // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2012, № 3. С. 56-60.
9. Хюпов Б.В., Чучева Г.В., Митягина А.Б. Фазовые изменения мультиферроидных магнитных материалов, применяемых в системах внешней памяти // Известия Саратовского университета, новая серия, серия Физика. Т. 17. Выпуск 1. 2017. С. 21-33.
10. Nuzhnyy IX, Vanek P., Petzelt J., Bovtun V„ Kempa M„ Gregora /., Savinov M.. Krupkova R., Studnicka V.. Bursik J.. Samoylovich M.I., Schranz W. Properties of ВаТЮЗ confined in nan о porous Vycor and artificial opal - opal // Proc. Appl. Ceram. 2010. V. 4, pp. 215-223.
11. Митягин А.Ю., Хюпов Б.В. Аппаратура для уничтожения информации с современных носителей. Разработка и создание // Palmarium Academic Publishing, 2012. С. 168.
12. Хлопов Б.В., Чучева Г.В., Самойлова B.C., Шашурин В.Д.. Митягина А.Б. Исследование возможности мультиферроидных мстаматсриалов на основе опаловых матриц изменять свои параметры под воздействием внешнего электромагнитного поля // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2017. №10. С. 38-44.
T-Comm Vol.12. #7-2018
MAGNETIC RELIEF OF STRUCTURED NANOCOMPOSITE MULTIPHEROID MATERIAL
Boris V. Hlopov, JSC "CNIRTI named after academician A.I. Berg", Russian Federation, Moscow, Russia, hlopovu@yandex.ru Yuriy S. Bondarev, JSC "CNIRTI named after academician A.I. Berg", Russian Federation, Moscow, Russia Vasily D. Shashurin, MGTU of N.E Bauman, Moscow, Russia, shashurin@bmstu.ru Alexey F. Belyanin, "Central Scientific Research Institute of Technology "Technomash", Moscow, Russia, gvc@ms.ire.rssi.ru Valeria S. Samoylova, JSC Central Research Radio Engineering Institute of the Academician A.I. Berg, Moscow, Russia, Samvalser@yandex.ru
Abstract
In the present work, we investigated microwave resonance phenomena in nanocomposites, whose inter-spherical nanocannons are filled with particles of one or several metals. The microwave signal passed through the nanocomposite changes because a change in the surface impedance of the nanocom-posite occurs under magnetic resonance conditions and the absorption of the electromagnetic wave in it. Magnetic resonant phenomena in nanocomposites affect on the reflection and transmission coefficients through the sample, and accordingly determine its magnetic relief. The propagation of waves in the system, with frequencies that do not correspond to its internal parameters, contributes to the appearance of regions that have a large set of dipole modes distributed over a wide spectral range, and, therefore, possessing the excitation property in inhomogeneous fields. This leads to giant local fields in the ordered regions of the matrix system, as well as to such effects as focusing and screening. In the materials of the article, the ability to determine and obtain the desired magnetic relief of the sample is shown depending on the change in the structure of the nanocomposite multiferrod material when irradiated with a pulsed electromagnetic field. For the irradiation of the nanocomposite, a spiral planar magnetic field-forming system is proposed to increase the integral electromagnetic susceptibility with simultaneous reduction of shielding effects.
The article contains information considered in a foreign source that confirmed the correctness of the chosen direction of investigation of the process of formation of the surface magnetic relief. A technological process for obtaining a nanocomposite based on an opal matrix developed by domestic manufacturers is proposed. It gives an opportunity to get a positive effect in the microwave range. It is shown that in the preparation of samples, their chemical composition and structure strongly depend on the impregnation method, based on the introduction of various chemical elements and compounds into the inter-spherical nanocavities of opal matrices with a precursor substance. In the present work, soluble metal nitrates were used as precursors. Substances precursors do not violate the structure of opal matrices. The results of the studies carried out for nanocomposite samples show low dielectric losses and a small dependence on frequency, except for some rise in the low-frequency region and that the absorption of the electromagnetic wave occurs mainly because of a change in the structure of the sample.
Keywords: nanoparticles, metamaterials, nanoaggregate, electromagnetic field, field-generating system, multiferoid materials. References
1. The patent for an invention No. 2368020 of 20.09.2009 (a priority of 30.01.2008).
2. Nuzhnyy D., Vanek P., Petzelt J., Bovtun V., Kempa M., Gregora I., Savinov M., Krupkova R., Studnicka V., Bursik J., Samoylovich M.I., Schranz W. (2010) Properties of BaTiO3 confined in nanoporous Vycor and artificial opal - opal. Proc. Appl. Ceram. Vol. 4, pp. 215-223.
3. Samoylovich M.I., Rinkevich A.B., Bovtun V., Belyanin A.F., Klescheva SM, Kempa M., Nuzhnyy D. (2010) Spatially inhomogeneous materials based on lattice packets of SiO2 nanospheres. Engineering Physics. No. 6, pp. 29-38.
4. Samoylovich M.I., Belyanin A.F., Bovtun V., Chucheva G.V., Hlopov B.V. (2016). Crystallization of metals (Ni, Fe) and connections on their basis in interspherical nanocavities of opal matrixes. Nanomaterialy and nanostructures - XXI century. Vol. 7. No. 4. Pp. 24-31.
5. Yuanzhe Piao. Multi-Ferroic Polymer Nanoparticle Composites for Next Generation Metamaterials. AOARD. Final Report. April 25th 2016, p. 13.
6. Lagar'kov A.N., Maklakov S.A., Osipov A.V., Petrov D.A., Rozanov K.N., Ryzhikov I.A., Sedova M.V., Starostenko S.N., Yakubov I.T. (2009) Properties of layered structures based on thin ferromagnetic films. Journal of communications technology and electronics. Vol. 54, No. 5, pp. 625-633.
7. Nuzhnyy D., Petzelt J., Rychetsky I., Buscaglia V., Buscaglia M.T., Nanni P. (2009). THz and IR Dielectric Response of BaTiO3 Core-Shell Composites: Evidence for Interduffusion. Journal of Physics D. Vol. 42, 155408/1-8.
8. Hlopov B.V. (2012). Equipment for changing the magnetic state of a thin-film layer of a magnetic information carrier. T-Comm. No. 3, pp. 56-60.
9. Hlopov B.V., Chucheva G.V., Mityagina A.B. Phase (2017) changes of multiferrod magnetic materials used in external memory systems. Izvestiya of Saratov University. New series. Vol. 17. Issue 1, pp. 21-33.
10. Nuzhnyy D., Vanek P., Petzelt J., Bovtun V., Kempa M., Gregora I., Savinov M., Krupkova R., Studnicka V., Bursik J., Samoylovich M.I., Schranz W. (2010). Properties of BaTiO3 confined in nanoporous Vycor and artificial opal - opal. Proc. Appl. Ceram. Vol. 4, pp. 215-223. 1 1. Hlopov B.V., Mityagin A.Yu. (2012). Equipment for destroying information from modern carriers. Development and creation. Palmarium Academic Publishing. 168 p.
12. Averkiev N.F., Bogachev S.A., Vlasov S.A., Zhitnikov T.A., Kulvic A.V. (2017). Analysis of application possibilities of formations of spacecraft in elliptical orbits for earth surface review. T-Comm, vol. 11, no.10, pp. 29-37.
T-Comm ^м 12. #7-2018
