Физики Кореи и Дальнего Востока создали нанопружины из кобальта и железа с особыми магнитными свойствами, что открывает потенциальные возможности для их использования в нанотехнологиях.
Границы познания наномира сегодня раздвигаются не только теоретическими методами, но и современными нанотехнологиями. Интерес ученых к изучению атомных глубин материи вызван, прежде всего, новыми эффектами, открывающими широкий спектр практических применений нанообъектов.
Например, ферромагнитные спиралеподобные наноструктуры или нанопружины благодаря своей уникальной форме обладают особым свойством: их движением можно управлять магнитным полем. Как ведут себя нанопружины в магнитном поле, как можно оперировать нанобъектами и каковы возможности для их практического использования? - рассказали ведущие научные сотрудники лаборатории плёночных технологий кафедры физики низкоразмерных структур Школы естественных наук ДВФУ - доцент, кандидат физико-математических наук Александр Самардак и доцент, доктор физико-математических наук Алексей Огнев.
Российские специалисты из ДВФУ в рамках международного научно-исследовательского проекта с Университетом Корё (Республика Корея) изучали массивы наноструктур из кобальта и железа. В нанопружинах физики определили особенности процессов перемагничивания, знание которых необходимо для создания новых перспективных сред хранения данных, наноэлектромеханических систем и для биомедицинского использования. Полученные экспериментальные результаты, подтвержденные аналитическими расчетами, были опубликованы в высокорейтинговом научном журнале Nanoscale (30.10.2018).
Александр Самардак, возглавивший этот международный проект, прояснил, в чём заключалась работа: «Магнитные нанопружины – это киральные наноразмерные объекты с новыми интересными свойствами. Диаметр провода нанопружины всего 50 нм. Изначально нанопружины синтезируются электрохимическим методом в поры матрицы оксида алюминия. Если же стравить оксид алюминия, то можно получить высвобожденные нанопружины, которые обладают упругими свойствами – они могут сжиматься и разжиматься как обычные пружины, которые окружают нас в повседневной жизни. Спиралевидная форма нанопружин - привод к ряду интересных и полезных физических свойств. Например, используя вращающееся в пространстве магнитное поле можно заставить нанопружины двигаться по поверхности либо в жидких средах, что открывает широкие возможности для их использования в наноробототехнике и биомедицине. Но для этого нужно подробно изучить поведение магнитной структуры нанопружин под действием внешнего магнитного поля. Именно детальному изучению магнитных свойств и было посвящено наше исследование».
Рис.1. Нанопружины CoFe, находящиеся в матрице Al2O3.
Снимок получен растровой электронной микроскопией.
Рис.2. CoFe нанопружина, освобожденная из матрицы Al2O3. Изображение получено высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопией. Диаметр провода 50 нм. Внешний диаметр нанопружины 200 нм.
Чем же интересна с точки зрения физики возможность управления свойствами нанопружин? Развернутый ответ даёт ведущий научный сотрудник Алексей Огнев: «Работая с материалами, которые обладают спонтанным магнитным моментом, например, с ферромагнетиками, мы получаем еще один инструмент для управления объектами – это магнитное поле. Изменяя направление и величину магнитного поля, можно воздействовать на ферромагнетик: перемагничивать, физически перемещать объекты, деформировать и так далее. При этом не важно, какого размера у нас объект – нано- или макроструктура. Реакцию структуры на внешнее магнитное поле определяют процессы перемагничивания, происходящие в ферромагнитном объекте. А ход процесса перемагничивания зависит не только от самого ферромагнитного материала (кобальт или железо, или никель, или их сплавы), но и от формы объекта, особенно, если речь идет о наноструктурах. Варьируя формой наноструктур, например, от нанодиска до нанополоски, мы изменяем ход процесса перемагничивания, так как в первом случае формируется вихревая конфигурация намагниченности, а во втором случае – однодоменное состояние. Совершенно разные конфигурация намагниченности приводят к разным магнитным свойствам, хотя материал может быть один и тот же, например, кобальт. А теперь представим, что мы свили из ферромагнитной нанопроволоки нанопружинку. С одной стороны, у нас была нанопроволока, с другой - появились витки, которые взаимодействуют между собой».
Рис.3. Магнитные состояния нанопружин и нанопроволок в зависимости от направления приложенного поля: (a,b) - Co, (c,d) - CoFe
Что интересует ученых? «Как будет реагировать такая структура на внешнее магнитное поле? Будет ли идти процесс перемагничивания плавно с помощью разворота намагниченности, или будут ступени на кривой намагничивания вследствие образования доменов? Как будет идти процесс перемагничивания при направлении внешнего магнитного поля вдоль и поперек оси пружинки? Наличие ответов на эти вопросы позволяет спрогнозировать варианты использования полученных нанопружин с пользой для человека: в микроэлектронике для хранения информации, в микромеханике - как нанометровые движители или для транспортировки лекарств в жидких средах. Поэтому изучение процессов перемагничивания очень важно и интересно для магнитчиков, особенно, работающих в области прикладной физики», - убежден российский физик Алексей Огнев.
Дальневосточные ученые работают со специалистами из Республики Корея на протяжении нескольких лет. «С командой под руководством профессора Янг Кьен Кима из Университета Корё мы сотрудничаем с 2013 года. Мы проводили в ДВФУ международную конференцию по магнетизму EASTMAG-2013, и профессор Ким был приглашенным докладчиком. Пообщавшись, мы нашли общие интересы и впоследствии получили финансовую поддержку РФФИ и Корейского фонда поддержки науки на проведение совместных исследований. Теперь два раза в год мы проводим совместные научные семинары JIWON с учеными из Кореи, Японии и России, на которых определяем вектор дальнейших исследований», - сообщил Самардак. По мнению российского ученого, «JIWON дает возможность молодым ученым из разных стран представить свои исследования и найти общие научные интересы».
Идея рассмотреть именно эти нанообъекты была сформулирована совместно с корейскими партнерами на одном из научных семинаров. О том, как появился план данного исследования, рассказал Александр Самардак: «Мы предложили создать нанопружины из кобальта и сплава кобальта-железа, что раньше не делалось. Именно Co и CoFe – материалы с одним из самых сильных магнитных моментов, что сразу повышает их привлекательность со стороны практических применений. В ходе выполнения проекта необходимо было получить наноструктуры высокого качества и повторяемости формы, что было успешно выполнено».
Экспериментальные исследования проходили в обоих университетах - ДВФУ и Корё. Как отметил, участник проекта Алексей Огнев, «эта работа - пример продуктивной международной коллаборации, когда образцы были синтезированы в Южной Корее, там же исследована кристаллическая структура, а вот данные о магнитных свойствах нанопружинок, включая снимки микромагнитной структуры, полученные с помощью магнитной силовой микроскопии (МСМ), были измерены в ДВФУ. Также, у себя в лаборатории мы провели микромагнитные расчеты, которые помогли правильно интерпретировать результаты МСМ».
В лаборатории пленочных технологий ДВФУ работы с нанопружинками были разделены следующим образом: возглавлял проект и проводил анализ данных измерений и расчетов Александр Самардак, магнитные свойства на вибромагнетометре измерял аспирант Алексей Самардак, исследования магнитной структуры на магнитном силовом микроскопе проводил Алексей Огнев, микромагнитную структуру рассчитывал молодой кандидат наук Александр Давыденко. «Такая специализация и кооперация необходима в современных научных группах, которые используют большое количество экспериментальных и расчетных методов. Пожалуй, это залог успеха нашего дружного коллектива»,- подчеркнул ведущий научный сотрудник Алексей Огнев.
В итоге, научная команда физиков обнаружила уникальные процессы перемагничивания нанопружин на основе кобальта и железа. «Оказалось, что нанопружины переключаются под действием магнитного поля через формирование трехмерных магнитных вихрей, которые перемещаются вдоль провода и взаимодействуют с вихрями в соседних витках. Такое поведение не типично для цилиндрических нанопроволок и может быть использовано для эффективного управления движением нанопружин», - заявил Самардак.
Ранее, другими группами уже были получены нанопружины на основе никеля, «но должного внимания магнитным свойствам в тех работах уделено не было, - объяснил руководитель проекта Александр Самардак и сказал о преимуществе научного эксперимента, осуществлённого его коллективом, - Проведенное нами исследование позволило получить новые знания о процессах перемагничивания нанопружин, что, без всякого сомнения, будет востребовано при проектировании наноразмерных устройств».
Дальнейшая работа с полученными материалами, будет заключаться, по словам Александра Самардака, «в изучении отдельных нанопружин и их поведения в различных средах под действием внешнего магнитного поля. Это вплотную приблизит нас к практическим применениям».
Иллюстрации: представлены Алексеем Огневым
