Фундаментальные проблемы физики магнитных наносистемНИР

The fundamental problems of the magnetic nanosystems physics

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
4 1 января 2014 г.-31 декабря 2014 г. Фундаментальные проблемы физики магнитных наносистем
Результаты этапа: В 2014 году были продолжены исследования динамики уединенных изгибных волн на сверхзвуковой доменной границе ортоферрита иттрия. Была получена зависимость угла наклона переднего фронта уединенной волны от ее амплитуды. Эта зависимость нелинейна и существенно отличается от аналогичной зависимости для солитонов. Было продолжено дальнейшее исследование магнитных свойств органогенных горизонтов почв в зонах влияния горно-металлургических комбинатов «Печенганикель» и «Североникель» на Кольском полуострове. В лесных экосистемах в зоне аэротехногенной нагрузки комбината "Печенганикель" наблюдалось значимое возрастание намагниченности образцов почв с приближением к комбинату, установлено что зависимость намагниченности загрязненных подстилок в магнитных полях, превышающих поля насыщения, имеет суперпарамагнитный характер. Проведены исследования возможностей магнитных методов контроля биологических и природных объектов естественного происхождения, ведутся совершенствование методов управления движением магнитных микрочастиц с помощью магнитного поля (магнитный пинцет). Исследованы зависимости магнитных свойств бариевых ферритов от степени замещения различными элементами (Алюминием, вольфрамом, титаном). Исследовано влияние магнитного поля на восстановление наночастиц кобальта из оксида в потоке водорода. Проведено исследование зависимости упругих, магнитных и электрических свойств мультиферроиков и магнитоэластиков от внешних воздействий. Было выявлено анизотропное влияние внешнего магнитного поля на эффективную диэлектрическую проницаемость магнитореологических эластомеров на основе различных типов магнитных частиц. Исследования влияния механических напряжений (сжатия) материала на зависимость диэлектрической проницаемости от внешнего магнитного поля показали уменьшение эффекта. Получены новые данные об особенностях перемагничивания аморфных железо-обогащенных микропроводов при наличии растягивающих и закручивающих напряжений. Опубликовано 18 работ в регулярных журналах и 3 в сборниках, получено два патента, представлено более 20 докладов на конференциях.
5 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. Фундаментальные проблемы физики магнитных наносистем
Результаты этапа:
6 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Фундаментальные проблемы физики магнитных наносистем
Результаты этапа: 1. Внесены изменения и улучшения в метод лазерной интерференционной литографии для создания периодических наноструктур. Площадь получающегося образца увеличена до двух квадратных сантиметров. Отработан и улучшен технологический процесс для нанесения и проявления фоторезиста нового типа (SU-8), включающий пост-отжиг. Отработаны различные толщины нанесения. Отработаны 1D и 2D квадратные структуры. Периоды структур — от 17 до 0.3 мкм. Проведено тестирование плазменного травления стекла по изготовленной маске из фоторезиста. 2. Исследована микро-биоподвижность с помощью спектроскопии флуктуаций интенсивности в проходящем и рассеянном свете. Определены частоты колебаний и получены графики колебаний в реальном времени. Исследованы магнитные свойства модифицированных наноалмазов. Исследована конденсация ядер клеток с целью получения супрамолекулярных структур в неоднородном магнитном поле. 3. Численно обнаружено, что приложение внешнего магнитного поля к образцу магнитофотонного кристалла вызывает возбуждение блоховской поверхностной волны в геометрии, запрещенной для такого возбуждения в случае отсутствия магнитного поля – магнитооптическое переключение. Численно изучено магнитооптическое переключение магнитоиндуцированной блоховскойповерхностной волны (МБПВ) в одномерном магнитофотонном кристалле. Анализ спектров возбуждения МБПВ свидетельствует о зависимости параметров резонанса МБПВ от спектрально-угловых позиций резонансов блоховской поверхностной волны и волноводной моды магнитофотонного кристалла. Показано, что магнитооптическое переключение МБПВ возникает за счет эффекта фарадеевского вращения и что эти эффекты взаимно усиливают друг друга. Показано, что вблизи резонанса МБПВ эффект фарадеевского вращения значительно возрастает и может достигать 12 градусов, что на два порядка превышает значение фарадеевского вращения в пленке ЖИГа той же толщины без наноструктурирования. 4. Были проведены исследования зависимости видимой ширины доменной границы в пластинках ортоферрита иттрия, вырезанных перпендикулярно оптической оси, от ориентации плоскости границы относительно кристаллографических осей. После анализа спектра колебаний доменных границ с разной структурой была определена подвижность. Эти эксперименты являются частью исследований высокоскоростных процессов перемагничивания в прозрачных ферромагнетиках, актуальных для решения фундаментальных и прикладных задач. Был проведен анализ трансформации магнитных свойств почв Кольского полуострова под влиянием загрязнения промышленными выхлопами. Наблюдалась обратная корреляционная связь намагниченности органогенных горизонтов почв с расстоянием в зоне аэротехногенной нагрузки комбината "Североникель". Проведены исследования возможностей магнитных методов контроля биологических и природных объектов естественного происхождения, ведутся совершенствование методов управления движением магнитных микрочастиц с помощью магнитного поля (магнитный пинцет). Проведено исследование зависимости упругих, магнитных и электрических свойств мультиферроиков и магнитоэластиков от внешних воздействий. Было выявлено анизотропное влияние внешнего магнитного поля на эффективную диэлектрическую проницаемость магнитореологических эластомеров на основе различных типов магнитных частиц. Исследования влияния механических напряжений (сжатия) материала на зависимость диэлектрической проницаемости от внешнего магнитного поля показали уменьшение эффекта. Изучены характеристики резонансного магнитоэлектрического взаимодействия в композитных мультиферроидных структурах, состоящих из слоев пьезоэлектриков и магнитострикционных материалов. Новые данные получены об особенностях перемагничивания аморфных микропроводов и их систем. 5. Исследованы структурные и магнитные характеристики Co/Cu/Co тонкопленочных структур и завершено изучение особенностей магнитных характеристик Co/Bi/Co образцов с толщиной слоев кобальта 5 нм, а слоев Bi и Сu, изменяющихся от 0.2 до 50 нм и от 0.5 до 4 нм, соответственно. Обнаружено сильное влияние толщины немагнитных слоев на магнитные свойства изучаемых тонкопленочных систем, объясненное наличием обменного взаимодействия между магнитными слоями через немагнитную прослойку. Продолжено изучение магнитных характеристик аморфных микропроводов на основе кобальта и железа с диаметром магнитной жилы 1060 микрон, полученных с помощью модернизированного метода Улитовского-Тейлора. Обнаружено сильное влияние упругих напряжений на магнитные характеристики изучаемых образцов. 6. Создана вакуумная магнитооптическая установка для исследования влияния адсорбции различных газов на статические и динамические магнитные свойства прозрачных ферромагнетиков. Магнитооптическим методом с использованием эффекта Фарадея в тонких пластинках слабого ферромагнетика - бората железа (FeBO3), плоскость которых параллельна базисной плоскости кристалла, при комнатной температуре установлено, что при слабой (обратимой) адсорбции молекул воды квазистатическая магнитная восприимчивость образцов существенно изменяется. Изменение восприимчивости в насыщенных парах воды составило около 30%. Наблюдающийся эффект обратим. Время установления нового значения восприимчивости после напуска паров воды (~90 с) в два раза больше времени установления исходной восприимчивости после откачки. Наблюдающийся эффект объяснен появлением одноосной поверхностной магнитной анизотропии в базисной плоскости, индуцированной слабой адсорбцией молекул воды. Установлено, что обратимая адсорбция молекул воды при комнатной температуре приводит к уменьшению частоты релаксации доменных границ в кристаллах бората железа. В насыщенных парах воды уменьшение частоты релаксации составило около 20%. После откачки паров воды величина частоты релаксации принимает исходное значение. Наблюдаемый эффект объяснен появлением на поверхности образцов точечных магнитных дефектов, индуцируемых адсорбцией. Указанные дефекты увеличивают эффективное торможение доменных границ при их колебаниях во внешнем переменном магнитном поле. Влияние адсорбции молекул воды на коэрцитивную силу образцов бората железа не обнаружено. 7. Были проведены экспериментальные исследования магнитных свойств слабомагнитных органогенных лесных почв. Была подтверждена зависимость технической намагниченности насыщения от уровня техногенной нагрузки / расстояния до источника загрязнения в окрестностях комбината «Печенганикель». Вместе с тем, предполагаемых закономерных изменений восприимчивости парапроцесса с уровнем техногенной нагрузки не было выявлено. Это может быть объяснено маскирующим влиянием ошибок измерений и/или естественной пространственной изменчивости магнитных свойств почв. Последнее обстоятельство предполагает необходимость проведения фракционирования образцов слабомагнитных органогенных горизонтов изучаемых почв и, возможно, выделения / обогащения образцов ферримагнитной фракцией. 8. Исследованы магнитные и транспортные свойства тонких пленок нестехиометрических сплавов MnxSi1-x (x~0.51-0.52), полученных импульсным лазерным напылением. Обнаружено существование эпсилон фазы MnSi с температурой Кюри порядка 30К, при этом установлено, что пленки находятся в ферромагнитном состоянии при температурах превышающих комнатную. Показано, что в исследованном температурном диапазоне аномальный эффект Холла меняет знак при толщине пленок выше 90 нм. Для объяснения обнаруженных особенностей поведения предложена феноменологическая модель сплава. Предполагается, что высокотемпературный ферромагнетизм в образцах связан с дефектами структуры. На основе наночастиц манганита La0.67Sr0.33MnO3, полученных золь-гель методом, в полимере разработан композитный магнитный материал для биомедицинских приложений, в частности для доставки лекарств. Показана возможность эффективного использования композита для транспортировки ципрофлоксацина в среды как с грамположительными, так и грамотрицательными бактериями. Исследованы свойства нанокристаллических и аморфных пленок сплавов FeZrN с различным содержанием циркония и азота. Показано, что соотношение структурных фаз слабо изменяется при температурной обработке. Определены значения эффективной магнитной анизотропии, которая значительно изменяется при отжиге. Найдены оптимальные режимы отжига. Показано, что при уменьшении размера зерен нанокристаллитов вклад магнитоупругой анизотропии существенно уменьшается. Для работы с магнитными микро- и нано- объектами разработаны токовый магнитный пинцет и микроманипулятор на основе магнитных микропроводов, работа которых проверена на модельных объектах. Проведена теоретическая оценка силовых воздействий в разработанных устройства, подтвержденная непосредственными измерениями. Исследованы возможности применения магнитоактивных эластомеров для биомедицинских применений в качестве временных упругих протезов, управляемых магнитным полем, при лечении заболеваний органов зрения. Проведены исследования магнитных и термодинамических свойств перовскитов Gd0.2Sr0.8CoO3-delta, находящихся в упорядоченном и разупорядоченном состояниях. Упорядоченное состояние в нестехиометрическом составе по кислороду обнаруживает аномалии в теплоемкости, коэффициенте теплового расширения и температурной зависимости намагниченности при температурах около 350 К. Предложено феноменологическое объяснение полученных зависимостей.
7 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Фундаментальные проблемы физики магнитных наносистем
Результаты этапа: Краткое текстовое изложение результатов работы, выполненной в 2017 г. 4.1 Были произведены дальнейшая модификация и усовершенствование установки для лазерной интерференционной литографии, приведшие к успешному получению одномерных и двумерных образцов решеток-масок для изготовления плазмонных структур с периодом, на данный момент, 450 нм. Последовательное экспонирование позволяет получать плазмонные структуры свыше 2 кв. см. 4.2. В спектрах угла фарадеевского вращения в образцах магнитофотонных кристаллов обнаружены резонансы в форме Фано, соответствующие возбуждению блоховских поверхностных волн и волноводных мод в спектрах отражения; максимальное экспериментально полученное значение угла фарадеевского вращения составило 2.1 градуса. 4.3. В пленках ферритов-гранатов методом двукратной высокоскоростной фотографии были исследованы условия перемагничивания под действием короткого мощного светового импульса, а также влияние импульса накачки на динамическую доменную границу. Магнитостатическими методами были исследованы различные структуры магнитных образований на дефектах в пленках ферритов-гранатов. 4.4. Изучены особенности магнитных свойств Со/Сu/Co и Fe / полимер / Fe систем низкоразмерных тонкопленочных систем. Предложена модель, объясняющая магнитно-полевое поведение изучаемых образцов. Продолжено изучение магнитных характеристик аморфных микропроводов на основе кобальта и железа, полученных с помощью модернизированного метода Улитовского-Тейлора, а также микророботов, созданных на их основе. Обнаружено сильное влияние упругих напряжений на магнитные характеристики изучаемых образцов. 4.5. Разработана методика магнитооптического исследования квазистатических и динамических свойств отдельной доменной границы в прозрачном легкоплоскостном слабом ферромагнетике. Исследована слабая адсорбция молекул воды и одноатомных спиртов на величину смещения в магнитном поле, динамику и коэрцитивную силу отдельной доменной границы в монокристаллах слабого ферромагнетика – бората железа. 4.6. Исследованы магнитные свойства модифицированных наноалмазов для биомедицинских приложений. С помощью метода магнитной сепарации получен эффект магнитного захвата клеток с сорбированными наноалмазами. Исследованы биологические ритмы движения беспозвоночных ( с помощью спектроскопии флуктуаций интенсивности рассеянного света). Определены параметры движения ядер клеток в неоднородном магнитном поле. 4.7. Исследованы зависимости упругих, магнитных и электрических свойств, как статических, так и динамических, магнитных и мультиферроидных эластомеров от внешних воздействий на различных частотах 4.8. Исследованы статические и динамические свойства аморфных и нанокристаллических сплавов различной размерности в широком температурном диапазоне при различных механических и химических воздействиях. 4.9. Исследованы физические свойства наночастиц и нанокомпозитов, в зависимости от технологии приготовления, параметров обработки и состава. Исследовано магнитосопротивление образцов (Cr1-xMnx)2AlC МАХ-фаз, редкоземельных сплавов TbSm и FeGa в магнитных полях до 6,7 Тл. 4.10 Были продолжены экспериментальные исследования магнитных свойств почв в зоне влияния предприятия цветной металлургии. Впервые обнаружено, что нижележащая почвообразующая порода обладает максимальной намагниченностью, что свидетельствует о глубокой деградации почв в условиях атмосферного загрязнения.
8 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Фундаментальные проблемы физики магнитных наносистем
Результаты этапа: 4.1. Исследованы структурные и магнитные характеристики низкоразмерных тонкопленочных трехслойных образцов на основе железа/кобальта и полимерной/гадолиниевой прослойки. Изучен обратный магнитоэлектрический эффект в двухслойном композитном образце, состоящем из пьезоэлектрической Pb(Zr,Ti)O3 пластины и аморфной FeSiBNbCu ферромагнитной ленты. Впервые были установлены особенности магнитных свойств и магнитополевого поведения низкоразмерных тонкопленочных систем Fe/PDP/Fe и FeSiBNbCu/Pb(Zr,Ti)O3. Обнаружено, что толщина Fe и PDP слоев влияет на магнитополевое поведение Fe/PDP/Fe образцов, проявляющееся в изменении формы петель гистерезиса. Появление двухступенчатой формы петли гистерезиса свидетельствует о наличии антиферромагнитного обменного взаимодействия между магнитными слоями через немагнитную прослойку. Впервые магнитооптический метод исследования магнитных материалов позволил обнаружить и проанализировать особенности обратного магнитоэлектрического эффекта (МЭ) в двухслойной композитной структуре, состоящей из аморфного FeSiBNbCu слоя и Pb(Zr,Ti)O3 пластины. Установлено, что изменение ориентации перемагничивающего поля H от совпадающего с длинной стороной изучаемого образца к перпендикулярному направлению сопровождается изменением величины и знака обратного МЭ–эффекта. Обнаружено, что максимальное абсолютное значение обратного МЭ–эффекта α порядка 0.1 Гс•см/В 4.2. Методом двукратной высокоскоростной фотографии было проведено исследование влияния импульса накачки на динамическую доменную границу в пленках ферритов-гранатов и аморфных сплавах гадолиний-железо-кобальт. Методом накачки –зондирования проведено исследование особенностей динамического перемагничивания пленки феррита-граната, находящейся в градиентном магнитном поле. В рамках проведения этих исследований было продолжено сотрудничество с Университетом им. Радбоуда г. Неймеген (Нидерланды). В настоящее время исследование динамических характеристик магнитных материалов – это одна из важнейших задач как прикладной, так и фундаментальной науки. Разрабатывается принципиально новая методика исследования динамических процессов в магнетиках, объединяющая метод накачки-зондирования с методом двукратной высокоскоростной фотографии. Известно, что в современных жестких дисках время записи единицы информации составляет порядка 1 нс, первые эксперименты, проведенные по новой методике, показали, что это время может быть сокращено примерно на порядок. 4.3. Установлено влияние толщины феррит-гранатовых пленок с перпендикулярной анизотропией на изменение доменной структуры и ширины доменов, индуцируемых слабой адсорбцией молекул, имеющих существенно различающиеся размеры. В металлических ферромагнетиках, монокристаллах железа и аморфном ферромагнетике на основе железа, ранее наблюдалось влияние слабой адсорбции, протекающей по механизму образования водородных связей, на частоту релаксации доменных границ. Представляет интерес исследование слабой адсорбции на магнитные свойства ферродиэлектриков. Проведено исследование влияния адсорбции воды и метанола, протекающей по указанному механизму, на частоту релаксации доменных границ в диэлектрическом магнетике – слабоферромагнитном борате железа (FeBO3). В пределах чувствительности имеющейся аппаратуры эффект влияния слабой адсорбции на частоту релаксации доменных границ в борате железа зарегистрировать не удалось. 4.4. Продолжены исследования магнитных свойств минеральных горизонтов таежных почв на северной границе распространения лесов. Выявлена связь магнитных свойств почв с уровнем и продолжительностью техногенной нагрузки; идентифицированы основные фазы, определяющие магнитные свойства почв. 4.5. Исследован процесс сорбции магнитных наноалмазов на биологические частицы. Показана аккумуляция наноалмазов с клетками в неоднородном магнитном поле. Проведены измерения частот колебаний беспозвоночных методом спектроскопии флуктуаций интенсивности рассеянного света. Исследована конденсация хроматина в супрамолекулярные структуры в неоднородном магнитном поле. 4.6. Для реальных экспериментальных условий численно рассчитана сверхбыстрая модификация диаграммы рассеяния димера из двух ми-резонансных наноцилиндров арсенида галлия, показано, что, при возбуждении в них магнитных квадрупольных резонансов, направление рассеяния может меняться на 7 градусов в течение 10 пс. Результаты являются новыми и соответствуют международному уровню в области проводимых исследований, что подтверждается устным докладом на международной конференции METANANO и подготовкой публикации для засылки в рецензируемый журнал. 4.7. Обнаружено усиление генерации третьей оптической гармоники более чем на 4 порядка при возбуждении таммовских блоховских поверхностных волн на длинах волн излучения накачки и третьей гармоники в одномерных фотонных кристаллах. Разработан метод детектирования блоховских поверхностных волн в схеме «накачка-зонд» с использованием фемтосекундных лазерных импульсов с шириной спектра более 30 нм. Результаты являются новыми и соответствуют международному уровню в области проводимых исследований, что подтверждается публикацией в рецензируемом журнале Phys. Rev. B (IF = 3.836) и устным докладом на международной конференции SPIE Photonics Europe (Страсбург, Франция). 4.8.Получены образцы материалов, выращенных аддитивным методом селективного лазерного плавления и исследованы их прочностных свойств и структурных особенностей. 4.9. Проведено исследование магнитных, магнитомеханических и магнитоэлектрических свойств магнитореологических материалов и мультиферроидных эластомеров в зависимости от типа наполнителя и от внешних воздействий на различных частотах, в различных температурных диапазонах. Впервые обнаружен обратный магнитодеформационный эффект в новых типах магнитореологических материалов на основе пористой силиконовой структуры с наполнение в виде магнитного эластомера. Предложены механизмы формирования физических свойств магнитных эластомеров на основе наночастиц кобальтовых и бариевых ферритов. Обнаружено магнитоэлектрическое преобразование в мультиферроидных эластомерах на основе магнитномягкого наполнителя с добавлением сегнетоэлектрической компоненты. На основе оценки энергий электрического и магнитного диполь-дипольных взаимодействий показана возможность наблюдения эффекта при равных концентрациях сегнетоэлектрических и ферромагнитных частиц в полимерной матрице. 4.10. Еще одним из приоритетных направлений является исследований статических и динамических свойств аморфных и нанокристаллических сплавов различной размерности в широком температурном диапазоне. Обнаружена немонотонная зависимость магнитоимпеданса при фиксированной частоте от толщины ферромагнитной жилы провода состава Fe-Co-Ni-B-Si. Скручивание проводника оказывает значительно большее влияние на эффект магнитоимпеданса для проводников с жилой большего диаметра. При этом частота максимума эффекта также смещается с увеличением толщины жилы микропровода.
9 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Фундаментальные проблемы физики магнитных наносистем
Результаты этапа:
10 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Фундаментальные проблемы физики магнитных наносистем
Результаты этапа:
11 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Фундаментальные проблемы физики магнитных наносистем
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".

Прикрепленные файлы


Имя Описание Имя файла Размер Добавлен
1. Аннотационный отчет за 2015 год 2015_magn_1_otchet_vedy_perov.doc 44,0 КБ 8 декабря 2015 [perov]
2. Аннотационный отчет 2018_magn_otchet_vedy_perov.doc 69,0 КБ 15 декабря 2018 [perov]