CC BY
13УДК 620.179.1
ТОЛЩИНА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ И ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ
МАГНИТНЫХ НАНОСТРУКТУР
Юров Виктор Михайлович
кандидат физ.-мат. наук, доцент Карагандинский государственный университет имени Е.А. Букетова,
100028 Казахстан, Караганда
THICKNESS OF THE SURFACE LAYER AND SURFACE TENSION OF MAGNETIC NANOSTRUCTURES
Yurov Viktor
Candidate of phys.-mat. sciences, associate professor Karaganda State University named after EA. Buketov, 100028 Kazakhstan, Karaganda
Аннотация. Способ применяли для определения поверхностного натяжения магнетитов Соколовского и Сарбайского месторождений. Удельная намагниченность измерялась с помощью вибрационного магнитометра. Размер зерна магнетита определялся с помощью металлографического микроскопа. В координатах ж~ 1/г экспериментальная кривая спрямляется, давая значение d = 0,36 мкм. Для магнетита поверхностное натяжение: с = 10,07-103 эрг/см.
Abstract. The method was used to determine the surface tension of magnetites of the Sokolovsky and Sarbaisk deposits. Specific magnetization was measured using a vibrating magnetometer. The grain size of magnetite was determined using a metallographic microscope. At ж coordinates, the experimental curve straightens, yielding a value of d=0.36 дт. For magnetite, surface tension: с=10.07 103 erg/cm.
Ключевые слова: магнетизм, магнитная восприимчивость, толщина поверхностного слоя.
Keywords: magnetism, magnetic susceptibility, thickness of the surface layer.
Атомно-гладкие поверхности твердых тел, особенно полупроводников, крайне нужны для исследований фундаментального характера поверхностных явлений [1-4]. Они нужны также при изготовлении современных полупроводниковых приборов [5]. Считается, что только на атомно-гладких поверхностях можно создавать наноструктуры, которые при росте кристаллов претерпевают явление самоорганизации [6, 7]. Атомно-гладкие поверхности твердых тел начали изучать совсем недавно из-за стремительного роста нанотехнологий (смотри, например, [8-10]).
В настоящем сообщении мы рассмотрим атомно-гладкие наноструктуры на основе наших работ [11, 12], обращая внимание на Патенты.
В работе [11] обобщена предложенная модель поверхностного слоя атомарно-гладких металлов. Поверхностный слой атомарно-гладкого металла состоит из двух слоев - d(I) и d(П). Слой толщиной при h=d назван слоем (I), а слой при h~10d - слоем (II) атомарно-гладкого кристалла. При h~10d начинает проявляться размерная зависимость физических свойств материала. Для определения толщины поверхностного слоя использовалась размерная зависимость физического свойства A(r) [11]:
А (г) =A0■(1-d/r),r>>d,
A(r)=A0■(1-d/d + r),r<d (1)
Параметр d связан с поверхностным натяжением с формулой:
а = 2сь/КГ. (2)
Здесь с - поверхностное натяжение массивного образца; и - объем одного моля; R - газовая постоянная; Т - температура. В [11] показано, что с точностью до 3% выполняется:
а = 0,7 ■ 10-3 ■ Тт,. (3)
где Тт - температура плавления твердого тела (К). Соотношение выполняется для всех металлов и для кристаллических соединений. При Т=Тт получим:
й(1) = 0,17 ■ 10-3и. (4)
Уравнение (4) показывает, что толщина поверхностного слоя d(I) определяется одним фундаментальным параметром - молярным (атомным) объемом элемента (и=М/р, М - молярная масса (г/моль), р - плотность (г/см3).
Для ряда металлов значение d(I) представлено в табл. 1.
Таблица 1
Толщина поверхностного слоя ^Г) некоторых чистых металлов (Ме) _
Me d(I), нм Me d(I), нм Me d(I), нм Me d(I), нм Ме d(I), нм Ме d(I), нм
Li 2,2 Sr 5,9 Sn 2,8 Cd 3,4 Бе 1,2 Gd 3,4
№ 4,5 Ba 6,6 Pb 3,1 Щ 1,8 Со 1,1 ТЬ 3,3
K 7,7 Al 1,6 Se 2,8 о- 1,2 № 1,1 Ву 3,3
Rb 10,0 Ga 2,0 Te 3,5 Mo 1,8 Се 3,6 Но 3,2
Cs 12,1 1п 2,7 Си 1,2 W 1,6 Рг 3,5 Ег 3,2
Be 0,8 И 2,4 Ag 1,7 Мп 1,1 № 3,4 Тт 3,1
Mg 2,4 Si 2,1 Au 1,7 Тс 1,4 Sm 3,4 УЬ 4,2
Ca 4,4 Ge 2,4 Zn 1,6 Re 1,5 Ей 5,0 Lu 3,0
Толщина поверхностного слоя d(I) чистых металлов при температуре, близкой к температуре плавления, колеблется от 0,8 нм (Be) до 12,1 (Cs) нм, т.е. относится к наноструктуре. Эту толщину слоя экспериментально можно определить методом скользящего рассеяния рентгеновских лучей при внутреннем отражении. Для золота эта толщина слоя равна 1,2 нм при комнатной температуре [13], что совпадает с учетом термического расширения с его значением из табл. 1 - d(I)=1,7 нм. В слое d(I) с атомами чистых металлов происходит реконструкция и релаксация, связанная с перестройкой поверхности [13]. Для золота постоянная решетки равна а = 0,41 нм и поверхность перестраивается на расстоянии трех атомных монослоев.
Определение толщины поверхностного слоя и поверхностного натяжения магнитных наноструктур [14, 15]. В этом случае по измеренному тангенсу угла наклона зависимости магнитной восприимчивости магнитного материала от обратного радиуса его частиц вычисляется величина его поверхностного натяжения. Зависимость магнитной восприимчивости магнитного материала от размера частиц также описывается формулой (1) и (2).
Построенная зависимость в координатах A(r) = ж~ 1/г (1/г - обратный радиус частиц, магнитного материала) получается прямая, тангенс угла наклона, который определяет d, и по формуле (2) рассчитывается поверхностное натяжение магнитного материала (с). Способ применяли для определения поверхностного натяжения магнетитов (Ре304) Соколовского и Сарбайского месторождений. Удельная намагниченность измерялась с помощью вибрационного магнитометра. Размер зерна магнетита определялся с помощью металлографического микроскопа. Результаты показаны на рис. 1. В координатах ж~ 1/г экспериментальная кривая спрямляется в соответствии с формулой (1), давая значение d = 0,36 мкм. Для магнетита $ = 44,5 см3/моль и из (2) для поверхностного натяжения получено: с = 10,07-Ш3 эрг/см.
Рисунок 1 - Зависимость относительной магнитной проницаемости от радиуса (а) и обратного
радиуса (б) частиц магнетита
Расчеты по формулам теории магнетизма с использованием экспериментальных значений намагниченности насыщения дали значение с = 10,1 •Ю3 эрг/см, что практически совпадает с приведенным выше. Формулы теории магнетизма, однако, применимы для ограниченного числа материалов, в то время как предлагаемый способ позволяет определять с экспериментально для любых магнитных минералов.
Использование Патентов и описаний полезной модели к патенту [14, 15] дает простые формулы для расчета или экспериментального определения толщины поверхностного слоя и поверхностного натяжения магнитных материалов. Экспериментальное определение указанных величин позволит управлять технологическими процессами получения наноматериалов из магнитных материалов с заданными
свойствами.
Благодарность
Работа выполнена при финансовой поддержке МОН РК. Гранты №0118РК000063 и №Ф.0781.
Список использованной литературы
1. Li J., Schneider W.-D., Berndt R., Crampin S.. Electron confinement to nanoscale Ag islands on Ag(111): a quantitative study. // Phys. Rev. Lett. - 1998, V. 80. - P. 3332-3335.
2. Stipe B.C., Rezaei M.A., Ho W.. Inducing and viewing the rotational motion of a single molecule. // Sci. Rep., 1998, V. 279. - P. 1907-1909.
3. Kalff F.E., Rebergen M.P., Fahrenfort E., Girovsky J., Toskovic R., Lado J.L., Fernandez-Rossier J., Otte A.F. A kilobyte rewritable atomic memory. // Nat. Nanotechnol. Lett., 2016, V. 11. - P. 926-930.
4. Drost R., Ojanen T., Harju A., Liljeroth P. Topological states in engineered atomic lattices. // Nat. Phys. Lett., 2017, V. 13. - P. 668-672.
5. Karkare S., Bazarov I.. Effects of surface nonuniformities on the mean transverse energy from photocathodes. // Phys. Rev. Appl., 2015, V. 4. - P. 024015.
6. Teichert C. Self-organization of nanostructures in semiconductor heteroepitaxy. // Phys. Rep., 2002, V. 365. - P. 335-432.
7. Xu F., Huang P.W., Huang J.H., Lee W.N., Chin T.S., Ku H.C., Du Y.W.. Self-assembly and magnetic properties of MnAs nanowires on GaAs(001) substrate. // J. Appl. Phys., 2010, V. 107. - P. 063909.
8. Одинокова Е.В., Панфилов Ю.В., Юрченко П.И. Перспективы получения нанометровой шероховатости поверхности ионно-лучевым методом. // Инженерный журнал: наука и инновации, 2013, вып. 6. URL: http://engjournal.ru/catalog/nano/hidden/801.html.
9. Захаров П.В., Корзникова Е.А., Дмитриев С.В. Дискретные бризеры вблизи поверхности интерметаллидного сплава Pt3Al // Materials Physics and Mechanics, 2017, V. 33. - С. 69-79.
10. Казанцев Д.М. Моделирование процессов термического выглаживания и разупорядочения поверхности полупроводников. - Дисс. кандидата физ.-мат. наук, Новосибирск, 2018. - 112 с.
11. Юров В.М. Толщина поверхностного слоя атомарно-гладких кристаллов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов, 2019, Вып. 11. - С. 389-397.
12. Юров В.М. Обратный эффект Холла-Петча в атомарно-гладких металлах // LXVI Международные научные чтения (памяти Л.Д. Ландау): сборник статей Международной научно-практической конференции (Москва, 22.02.2020 г.). - Москва: ЕФИР, 2020. - С. 17-22.
13. Оура К., Лифшиц В.Г., Саранин А.А., Зотов А.В., Катаяма М.. Введение в физику поверхности. - М.: Наука, 2006. - 490 с.
14. Юров В.М., Портнов В.С., Пузеева М.П. Способ измерения поверхностного натяжения магнитных материалов. Пат. 58158 Республика Казахстан. опубл. 15.12.2008, Бюл. № 12.
15. Юров В.М., Гученко С.А., Лауринас В.Ч., Завацкая О.Н. Способ измерения толщины поверхностного слоя магнитных материалов // Описание полезной модели к патенту, № 3747, Опубл. 07.03.2019, бюл. №10.
