Методы исследования магнитныхсвойств наноматериалов

Магнитные свойства полимерных наноматериалов могут быть исследованы с помощью средств магнитной радиоспектроскопии. Для выявления магнитных свойств кобальт содержащих материалов наиболее подходящими являются методы: Ферромагнитного резонанса в ЭПР спектрометре и методики измерения магнитных свойств с помощью магнитометра.

Ферромагнитный резонанс

Ферромагнитный резонанс, одна из разновидностей электронного магнитного резонанса; проявляется в избирательном поглощении ферромагнетиком энергии электромагнитного поля при частотах, совпадающих с собственными частотами w0 прецессии магнитных моментов электронной системы ферромагнитного образца во внутреннем эффективном магнитном поле Нэф. Ф. р. в более узком смысле — возбуждение колебаний типа однородной (во всём объёме образца) прецессии вектора намагниченности J (спиновых волн с волновым вектором k =0), вызываемое магнитным СВЧ-полем H, перпендикулярным постоянному намагничивающему полю H. Однородный ферромагнитный резонанс, как и электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), может быть обнаружен методами магнитной радиоспектроскопии. Поскольку магнитная СВЧ-восприимчивость (а следовательно, и поглощение) пропорциональна статической магнитной восприимчивости c0 =Js/H0, где Js — намагниченность насыщения ферромагнетика, то при ферромагнитном резонансе поглощение на несколько порядков больше, чем при ЭПР [22]. Благодаря спонтанной намагниченности ферромагнетика поле Нэф может существенно отличаться от внешнего поля H0(из-за магнитной анизотропии и размагничивающих эффектов поверхности образца;),обычно Нэф (0 даже при H0= 0).

Основные характеристики ферромагнитный резонанс — резонансные частоты, релаксация, форма и ширина линий поглощения, нелинейные эффекты — определяются коллективной многоэлектронной природой ферромагнетизма. Квантовомеханическая теория ферромагнитного резонанса. приводит к тому же выражению для частоты ферромагнитный резонанс w0, как и классическому рассмотрение w0= gНэф, где g= gmБ/ -магнитомеханическое отношение, g — фактор спектроскопического расщепления (Ланде множитель), mБ — магнетон Бора, =h/2p — постоянная Планка. Через Нэф частота w0 зависит от формы образца, от ориентации H0 относительно осей симметрии кристалла и от температуры. Наличие доменной структуры в ферромагнетике усложняет ферромагнитный резонанс приводя к возможности появления нескольких резонансных пиков [23].

Обычно имеют дело с неоднородным ферромагнитным резонансом — возбуждением магнитным СВЧ-полем неоднородных типов коллективных колебаний Js (спиновых волн с k № 0), специфичных именно для ферромагнетиков. Существование нескольких типов резонансных колебаний, ветвей ферромагнитного резонанса (спиновых волн с k№ 0), наряду с колебаниями типа однородной прецессии (с k=0) совершенно меняет характер магнитной релаксации и уширения линий поглощения при ферромагнитном резонансе по сравнению с ЭПР [24]. С квантовомеханической точки зрения процессы релаксации описываются как рассеяние спиновых волн друг на друге, на тепловых колебаниях (фононах) и на электронах проводимости (в металлах). Например, при однородном ферромагнитном резонансе релаксация проявляется в уширении его линии поглощения на величину:

где t0 — время релаксации, т. е. среднее «время жизни» спиновой волны сk=0. Ширина линии DН для различных ферромагнетиков меняется в пределах от 0,1 до 103э. Основную роль в уширении линии играют статические неоднородности: примесные атомы, поры, дислокации, мельчайшие шероховатости на поверхности образца. Наиболее узкая линия (с DН=0,53 э) наблюдалась в монокристалле соединения Y3Fe5O12 — иттриевом феррите со структурой граната. В металлических ферромагнетиках один из главных механизмов уширения линий ферромагнитного резонанса связан со скин-эффектом: СВЧ-поле из-за вихревых токов становится неоднородным и поэтому возбуждает широкий спектр спиновых волн. Существенную роль в рассеянии спиновых волн в металлических ферромагнетиках играет также взаимодействие волн с электронами проводимости [25]. Ширина наиболее узкой линии ферромагнитного резонанса в металлических ферромагнетиках по порядку величины составляет 10 Э.

Нелинейные эффекты ферромагнитного резонанса определяются связью между однородной прецессией магнитных моментов и неоднородными типами колебаний, которые отсутствуют при ЭПР. Из-за указанной связи при увеличении амплитуды напряжённости магнитного поля Н до некоторой критической величины Нкр начинается быстрый (экспоненциальный) рост колебаний с определёнными волновыми числами (т. н. нестабильное возбуждение колебаний). Такой пороговый характер нестабильного возбуждения обусловлен тем, что при достижении Нкр, некоторые из спиновых волн с k № 0 не успевают получаемую ими (от волн с k =0) энергию передавать другим спиновым волнам или фононам.

Магнитоупругие взаимодействия в ферромагнетиках могут привести к параметрическому возбуждению нестабильных колебаний кристаллической решётки (фононов) магнитным СВЧ-полем и обратному эффекту — возбуждению спиновых волн СВЧ-полем упругих напряжений. Изучение ферромагнитного резонанса привело к созданию на его основе многих СВЧ-устройств: вентилей и циркуляторов, генераторов, усилителей, параметрических преобразователей частоты и ограничителей мощности.

Впервые на резонансный характер поглощения сантиметровых электромагнитных волн ферромагнетиками указал в 1911 — 13 В. К. Аркадьев.

Наиболее интересной и перспективной областью для исследования является ферромагнитный резонанс в магнитных полимерных нанокампозитных материалах.