CC BY
47
УДК 537.311.1:541.182.023.4
СТРУКТУРНЫЕ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА НАНОРАЗМЕРНОЙ СИСТЕМЫ Fe-Co Ю. А. Захаров, В. М. Пугачев, А. Н. Попова, Г. А. Ростовцев, А. С. Богомяков
Fe-Co NANOSCALE SYSTEMS: STRUCTURE AND MAGNETIC PROPERTIES
Yu. A. Zakharov, V. M. Pugachev, A. N. Popova, G. A. Rostotvsev, А. S. Bogomyakov
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» по государственному контракту № 14.В37.21.0081.
В работе изложены полученные методами рентгеновской дифрактометрии результаты исследования фазового состава и структурных особенностей наноразмерных частиц системы Fe-Co, полученных жидкофазным восстановлением гидразингидратом и тетрагидроборатом смесей водных растворов солей. Магнитные характеристики наночастиц установлены методом СКВИД-магнитометрии. Изучены процессы формирования нанораз-мерных твердых растворов металлов в системе железо-кобальт, а также их магнитные свойства в зависимости от вида восстановителя, фазового и химического составов.
The features of synthesis and the properties of Fe-Co system nanosize powders obtained by reduction of Fe and Co water solutions of salt at 80-90 °C (i.e. at the conditions close to normal) are investigated by the methods of wide-angle X-ray diffraction, element analysis, electronic microscopy. The magnetic characteristics of the product are considered. Dependence of magnetic properties and chemical compound of products is determined.
Ключевые слова: наноразмерные порошки, система железо-кобальт, фазовый состав, магнитные наночастицы, морфология наночастиц.
Keywords: nanopowders, iron-cobalt system, phase structure, magnetic nanoparticles.
Влияние режимов получения химическими методами наноразмерных бикомпонентных систем (НБС) переходных металлов на их фазовые составы, морфологию частиц и свойства (в том числе магнитные) практически не изучено, несмотря на перспективность использования этих биметаллов в различных областях техники, ввиду ряда особенностей и уникальных свойств их по сравнению с «объемными» аналогами [1]. Так, частицы НБС Fe-Co обладают высокими магнитными характеристиками, что обусловливает их использование в системах записи и хранения информации, для диагностики сварных соединений, магнитного охлаждения, в качестве магнитных сенсоров, в медицине, биологии и для создания на их основе новых магнитных материалов [2].
Целью настоящей работы являлось изучение влияния вида восстановителя (гидразин-гидрат (ГГ) и тетрагидроборат натрия (ТГБ)) на структурные и магнитные характеристики НБС железо-кобальт, получаемой восстановлением смесей водных растворов солей.
Сочетанием методов электронной микроскопии (JEOL JSM 6390), рентгеновской дифрактометрии, измерениями плотности, пористости и величины удельной поверхности порошков (по БЭТ) показано, что для НБС, полученной восстановлением ГГ (НБС-1), характерна трехуровневая организация частиц: кристаллиты (5 - 20 нм) - составленные из них компактные агрегаты (около 40 нм) - пористые агломераты (более 100 нм). Частицы НБС, восстановленные ТГБ (НБС-2), наноразмерные (единицы нм) и согласно данным дериватомасс-спектрометрии (Netzsch SIA 409 LUXX) и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (спектрометр CPFCS) содержат в качестве примесей бор и борокисные соединения. Однако, в
результате достаточно сложных (обсуждаемых в работе) превращений при нагревании свыше 200°С образуются металлические фазы НБС (частицы размерами десятки нм), содержащие включения окислов и бора.
Установленный рентгенодифракционным методом (дифрактометры ДРОН-3 и Bruker D8 Advance) с расчетом параметров решетки нанокристаллических фаз и размеров кристаллитов, согласно методике [3, с. 148 - 155] фазовый портрет НБС-1 соответствует области Тэфф, характеризующей энергонасыщенность системы [2] (рис. 1).
В фазовой зоне ОЦК параметры решетки НБС-2 аналогичны (с тенденцией к небольшому занижению) установленным для НБС-1 и это позволяет считать, что бор не образует с НБС твердые растворы (внедрения).
Зависимость намагниченности насыщения (с) НБС-1 от соотношения компонент и фазового состава системы Fe-Co выражена заметно слабее по сравнению с аналогичной для массивных образцов. Однако, характер ее качественно подобен - наибольшие значения с наблюдаются у монофазных ОЦК-составов с высоким соотношением компонент вблизи 1:1.
Так же как у макроразмерных систем в областях ОЦК- и ГЦК- твердых растворов НБС-1 величины коэрцитивной силы и остаточной намагниченности слабо зависят от химического состава; в целом монофаз-ная система является умеренно магнитотвердой.
Влияние фазового состава на магнитные характеристики проявляются в существенном возрастании значений Нс и Мг в области двухфазности НБС Ре-Со. Эффект выражен сильнее, чем в массивных образцах, и связан, вероятно, с возрастанием в таких (нанод-вухфазных) системах затруднений в ориентации магнитных доменов во внешнем поле. Как следствие этого составы становятся магнитотвердыми.
Ввиду различия размеров, морфология частиц и межфазовой организации НБС-1 и НБС-2 наблюдаются заметные отличия магнитных характеристик этих систем (рис. 1) - снижение у НБС-2 значений намагниченности насыщения и остаточной намагниченности. Первое естественно связать с наличием в ферромагнитном Ре-Со диамагнитных включений бора; второе - с существенным уменьшением размеров кристаллитов (эффект суперпарамагнитизма).
Рис. 1. Фазовый портрет наноразмерной системы FeCo в области Тэфф и значения намагниченности насыщения (а),
коэрцитивной силы (Нс), остаточной намагниченности (Мг) при 5К д!а?*"ОТНОСЯТСЯ К НБС-2
Литература
1. Помогайло, А. Д. Наночастицы металлов в полимерах I А. Д. Помогайло, А. С. Розенберг, И. Е. Уфлянд. -М.: Химия, 2000. - 672 с.
2. Захаров Ю. А. II Синтез и свойства наноразмерных порошков металлов группы железа и их взаимных систем I Ю. А. Захаров, В. М. Пугачев, А. Н. Попова [и др.] II Перспективные материалы. - 2008. - № 6(1).
3. Ковба, Л. М. Рентгенофазовый анализ I Л. М. Ковба, В. К. Трунов. - М.: Изд-во МГУ, 1976.
Информация об авторах:
Захаров Юрий Александрович - член-корреспондент РАН, доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой химии твердого тела КемГУ, 8 (3842) 58-05-91, [email protected]
Yury A. Zakharov - Corresponding Member of the RAS, Doctor of Chemistry, Professor, Head of the Department of Chemistry of Solids, Kemerovo State University.
Пугачёв Валерий Михайлович - кандидат химических наук, доцент кафедры химии твердого тела КемГУ, 8(3842) 58-05-91, [email protected]
Valery M. Pugachev - Candidate of Chemistry, Assistant Professor at the Department of Chemistry of Solids, Kemerovo State University.
Попова Анна Николаевна - кандидат химических наук, ведущий инженер кафедры ХТТ КемГУ, старший научный сотрудник Кемеровского научного центра СО РАН, 8(3842) 580591, [email protected].
Anna N. Popova - Candidate of Chemistry, Chief Engineer at the Department of Chemistry of Solids, Kemerovo State University.
Ростовцев Геннадий Александрович - аспирант кафедры химии твердого тела КемГУ.
Gennadi A. Rostovtsev - postgraduate the Department of Chemistry of Solids, Kemerovo State University.
Богомяков Антон Сергеевич - кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник института «Международный томографический центр» СО РАН (г. Новосибирск), (8383) 3331945, [email protected].
Anton S. Bogomyakov - Candidate of Chemistry, Leading Researcher at International Tomography Center of the Siberian Branch of the RAS, Novosibirsk.
