Зарегистрировано «___»_____20___г.

________ __________________________

Подпись (расшифровка подписи)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ Государственное АВТОНОМНОЕ образовательное учреждение высшего профессионального образования

БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

(НИУ «БелГУ»)

ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ

МАГНИТЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ И ИХ ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА

Курсовая работа

по дисциплине «Физикохимия наноструктурированных материалов»

студента дневного отделения 4 курса группы 190804

Гайнутдиновой Ольги Равильевны

Научный руководитель:

К.х.н., ст. преподаватель

кафедры общей химии

О.А. Воронцова

БЕЛГОРОД 2012 г.

Оглавление

ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ 1

КАФЕДРА МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ 1

Курсовая работа 1

по дисциплине «Физикохимия наноструктурированных материалов» 1

БЕЛГОРОД 2012 г. 1

ВВЕДЕНИЕ 3

1.1 НАНОЧАСТИЦЫ И МАТЕРИАЛЫ НА ИХ ОСНОВЕ 9

1.2 МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА НАНОЧАСТИЦ. 11

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 31

Список литературы 34

Введение

В последние два десятилетия в научную лексику стремительно «ворвались» ряд новых слов с префиксом «нано»: наноструктура, нанотехнология, наноматериал, нанокластер, нанохимия, наноразмерный материал, наноколлоиды, нанореактор и т.п. Издается ряд новых журналов, посвященных исключительно этой тематике, появились монографии, в названии которых присутствует префикс «нано», а также «нано»-профилированные институты, кафедры и отдельные лаборатории, проводятся многочисленные конференции. В большинстве случаев новые названия даны давно известным объектам или явлениям. Но есть объекты, которых по-существу не было в арсенале исследователей еще 20 лет назад  и без которых сегодня уже невозможно представить современное развитие науки – это наночастицы во всем их многообразии начиная от фуллеренов, нанотрубок, нанопроводов до квантовых точек и квантовых корралов.

Уменьшение частиц до нанометровых размеров приводит к проявлению в них так называемых «квантовых размерных эффектов», когда размеры исследуемых объектов сравнимы с длиной де-бройлевской волны электронов, фононов и экситонов. В сфероидальных наночастицах имеет место трёхмерное квантование уровней, что позволяет говорить, в зависимости от состава наночастиц, об образовании «квантовых точек», «квантовых кристаллитов» и других объектов с нулевой размерностью.

Одной из главных причин изменения физических и химических свойств малых частиц по мере уменьшения их размеров является рост относительной доли «поверхностных» атомов, находящихся в иных условиях (координационное число, симметрия локального окружения и т.п.), нежели атомы внутри объемной фазы. С энергетической точки зрения уменьшение размеров частицы приводит к возрастанию роли поверхностной энергии.

В настоящее время уникальные физические свойства наночастиц, возникающие за счёт поверхностных или квантово-размерных эффектов, являются объектом интенсивных исследований . Особое место в этом ряду занимают магнитные характеристики наночастиц; здесь наиболее отчётливо выявлены различия (иногда очень существенные) между компактными магнитными материалами и соответствующими наночастицами и создана теоретическая база, способная объяснить многие из наблюдаемых эффектов.

Каков минимальный размер постоянного магнита? Каким методом и на основе каких химических элементов можно создать такой магнит? Можно ли получить материал, где бы эти мельчайшие магнитики были распределены в немагнитной среде, и каковы будут их магнитные характеристики? Эти и другие вопросы, поставленные еще в 30-е годы, стимулировали в дальнейшем многочисленные теоретические и экспериментальные исследования.

За последние годы в области магнитных наноматериалов произошли изменения, которые, без преувеличения, можно назвать революционными. Связано это в первую очередь с разработкой эффективных методов получения и стабилизации магнитных частиц нанометровых размеров и параллельным развитием физических методов характеризации и исследования частиц таких размеров. Стало возможным получение нанометровых металлических или оксидных частиц не только в виде феррожидкостей, технология приготовления которых хорошо разработана с 60-х годов прошлого века [1], но и внедрёнными в различные «жесткие» матрицы (полимеры, цеолиты и др.). На базе таких материалов обнаружен ряд необычных явлений, таких как гигантское магнитосопротивление, аномально большой магнитокалорический эффект и др. Стандартные  характеристики магнитных материалов (намагниченность насыщения, коэрцитивная сила и т.п.) в случае наночастиц как правило не хуже, а часто и превосходят, аналогичные параметры объемных материалов.

По-видимому, впервые магнитные характеристики материала, состоящего из изолированных друг от друга в немагнитной твердой диэлектрической матрице магнитных наночастиц (3-10 нм) были описаны еще в 1980 г в [2]; наличие наночастиц и их состав были установлены тогда методами рентгеновского малоуглового рассеяния и мессбауэровской спектроскопии [3]^[1]. В дальнейшем эти образцы были повторно исследованы современными методами и полученные в ранних работах результаты в основном подтвердились . В настоящее время физика и химия наночастиц в твёрдых матрицах достаточно хорошо развиты и здесь удалось надежно устанавить фунаментальные различия ряда физических параметров для наночастицы и соответствующего компактного материала. Показано, что в наночастицах намагниченность на атом и магнитная анизотропия может быть заметно больше, чем в массивном образце, а отличия в температурах Кюри и Нееля могут составить сотни градусов. Иными словами, меняя размеры, форму, состав, строение наночастиц можно в определенных пределах управлять магнитными характеристиками материалов на их основе. Все это позволяет надеяться на использование материалов, содержащих наночастицы, в перспективных системах записи и хранения информации, для создания новых постоянных магнитов, в системах магнитного охлаждения, в качестве магнитных сенсоров и т.п. Отметим только, что в применяемых в настоящее время магнитных лентах или дисках в качестве сред для магнитной записи информации чаще всего используют порошки микронных размеров состава -Fe₂O₃,Co--Fe₂O₃, Fe или Fe-Co, и для записи 1 бита информации используется примерно 10⁹ атомов , в то время как в наночастице диаметром 10 нм содержится 10³-10⁴ атомов.

Грубая схема характера изменения магнитных свойств при уменьшении размеров образца ферромагнетика от макроскопических, когда число атомов в образце не менее  6.0210²³, до атомных (в пределе  до одного атома - иона) представлена в табл.1.

Таблица 1. Характер изменения магнитных свойств ферромагнетика при уменьшении размеров образца от макроскопического до атомного.

Название объекта	Характерный размер	Специфические магнитные свойства
Макроскопический (объемный) образец	> 1 мкм	Спонтанная намагниченность ниже Тс. Возникновение ненулевого магнитного момента образца подавляется в результате образования доменной структуры
Микроскопический образец	50 -1000 нм	Магнитные характеристики сильно зависят от предыстории образца, способа его приготовления и обработки.
Однодоменные магнитные частицы (малые магнитные частицы) в диамагнитной матрице	1-30 нм	Наличие температуры блокировки^a Тb < ГС, ниже которой магнитный момент частицы сохраняет свою ориентацию в пространстве, а ансамбль частиц демонстрирует магнитный гистерезис. При температуре выше Тb частица переходит в суперпарамагнитное состояние. В области Тb < Т < Тс частица обладает спонтанной намагниченностью и ненулевым суммарным магнитным моментом, легко изменяющим ориентацию во внешнем поле.
Отдельный атом (ион)	~0.2 нм	«Обычные» парамагнитные свойства

Для изолированных наночастиц с размерами 1-30 нм помимо температур Кюри и Нееля на шкале температур существует еще одна характерная точка — температура «блокировки» Т_b<T_C(T_N).

Надо иметь в виду, что на магнитные свойства вещества оказывают влияние внешние условия  температура, давление, а для групп Б, В еще локальное окружение частицы, среда в которой она находится  кристаллическая (или аморфная) объемная матрица, подложка для пленки, локальное кристаллического окружение для отдельного атома.

В нестехиометрических соединениях, содержащих хотя бы один ферромагнитный компонент, из-за флуктуаций концентрации возможно появление магнитных кластеров  областей, в которых преобладают ферромагнитные взаимодействия между атомами. При высоких температурах такие соединения ведут себя как ансамбль суперпарамагнитных частиц. Если взаимодействие между кластерами также ферромагнитно, то при понижении температуры происходит обычный ферромагнитный переход. Если же магнитные кластеры оказываются в той же ситуации, что и отдельные магнитные моменты в «спиновых стеклах» (т.е. существует беспорядок в знаке обменного взаимодействия или локальной магнитной анизотропии), то при понижении температуры моменты кластеров «замерзают» в хаотических ориентациях. Системы с таким магнитным поведением называются миктомагнетиками (mictomagnets), или кластерными стеклами. Кластерные стекла отличаются высокой чувствительностью к условиям приготовления и последующей термообработки. Для них характерен заметный температурный и магнитный гистерезис, большая остаточная намагниченность, другие эффекты необратимости магнитных свойств. ([4])

Магнитные наночастицы широко распространены в природе и встречаются во многих биологических объектах. Так, например, высокоупорядоченные квази-одномерные цепочечные ансамбли магнитных наночастиц оксидов железа (Fe₃O₄ с примесью -Fe₂O₃) присутствуют в магнитных бактериях magnetotactic spirillum и играют важную функциональную роль, обеспечивая возможности ориентации бактерий в магнитном поле Земли .

Всё вышеизложенное служит основанием для повышенного интереса к магнитным наночастицам специалистов различного профиля. Задача данного обзора дать современное представление о физике и химии магнитных наночастиц, методах их получения и стабилизации, имея в виду возможности их использования в нанотехнологии для создания новых приборов и устройств различного назначения.