БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Выпускная работа по «Основам информационных технологий»
Магистрантки
физического факультета
кафедры энергофизики
Касюк Юлии Владимировны
Руководители:
к. ф.-м. н. Федотова Юлия Александровна
ст. преподаватель Кожич Павел Павлович
Минск – 2008
Список обозначений к выпускной работе. 3
Реферат на тему «Применение ИТ в исследовании свойств нанокомпозиционных материалов». 4
Глава 2 Методики исследований. 8
Глава 3 Пример использования ИТ в исследовании структуры нанокомпозитов FeCoZr-Al2O3 14
Глава 4 Обсуждение результатов. 22
Список литературы к реферату. 23
Предметный указатель к реферату. 25
Интернет-ресурсы в предметной области. 26
Действующий личный сайт в WWW... 28
Презентация магистерской диссертации. 31
Список литературы к выпускной работе. 32
ИТ – информационные технологии,
ЯГР-спектроскопия – ядерная гамма-резонансная спектроскопия,
δ – изомерный сдвиг спектральных линий,
ΔЕ – квадрупольное расщепление спектральных линий,
Нэфф – эффективное сверхтонкое магнитное поле на ядрах железа
В настоящее время одним из актуальных направлений материаловедения является изучение нанокомпозитных материалов. Нанокомпозитами называются материалы, состоящие из частиц, по своим размерам меньших 100 нм (обычно от единиц до нескольких десятков нм). Такой размер частиц приводит к значительному увеличению их активной площади, что способствует более активному протеканию многих физических и химических процессов. Это, в свою очередь, проявляется в формировании у таких материалов особых механических [1], электрических [2], магнитных [1], магнитотранспортных, оптических [3] и прочих свойств, обусловивших их дальнейшее применение. Магнитные наноматериалы вызывают особый интерес в связи с возможностью создания на их основе сверхчувствительных сенсоров магнитного поля, запоминающей среды с высокой плотностью записи и т.п.
ЯГР-спектроскопия (ядерная гамма-резонансная спектроскопия), основанная на эффекте Мёссбауэра (явлении резонансного поглощении ядерных γ-квантов без отдачи), является мощным инструментом в исследовании структурных и сверхтонких магнитных свойств наноматериалов. Ее достоинствами являются высокая точность определения изменения энергии, позволяющая обнаруживать весьма тонкие эффекты (сверхтонкое расщепление ядерных уровней при электрическом квадрупольном и сверхтонком магнитном взаимодействиях ядер), и возможность обнаружения локальных образований (фаз), присутствующих в образцах в малых количествах.
ИТ (информационная технология) – это совокупность методов, производственных процессов и программно-технических средств, объединенных в технологическую цепочку, обеспечивающую сбор, хранение, обработку, вывод и распространение информации.
В настоящее время информационные технологии широко используются на всех этапах изготовления и, в основном, исследования наноструктурных материалов. И хотя при разработке наноматериалов сегодня пока еще используются в основном экспериментальные методы, все активнее начинают развиваться компьютерные методы моделирования нанотехнологических процессов и наноструктур и создаются специальные программы, способные спрогнозировать состав, характеристики и свойства будущего наноматериала. Подобный подход способствует снижению финансовых затрат и времени на создание нанокомпозита.
Хотя информационные технологии в сфере прогнозирования и создания новых функциональных наноматериалов с заданными характеристиками только начинает развиваться, программное обеспечение в области обработки и интерпретации данных, полученных в ходе исследования свойств нанокомпозитов, достигло достаточно высокого уровня.
Для обработки, интерпретации и анализа данных, полученных методом ЯГР-спектроскопии, достаточно широко применяется программный пакет MOSMOD. Важным средством визуализации данных в научных работах, отчетах и презентациях являются графики, которые удобно создавать с помощью программы Origin. Эти программные средства будут рассмотрены подробно в данной работе.
Таким образом, целью данной работы является анализ подходящих компьютерных программ и рассмотрение процесса проведенной с помощью них последовательной обработки данных, полученных в результате ЯГР-спектроскопии, для описания структуры и некоторых свойств нанокомпозиционных материалов FeCoZr-Al2O3.
Как известно, одна наночастица, содержащая небольшое количество атомов, не является стабильной системой при комнатной температуре. Поэтому разработка различных приборов и электронной аппаратуры на основе отдельных наночастиц представляет определенные сложности. В связи с этим ведутся активные работы по созданию более стабильных структур наночастиц, которые при этом сохраняют преимущества наноразмерных систем.
Одним из таких перспективных направлений является изучение нанокомпозиционных материалов, состоящих из металлических наночастиц, хаотически или упорядоченно расположенных в матрице другого, не взаимодействующего с наночастицами материала: металла, полупроводника или диэлектрика. Такие композиции позволяют стабилизировать наночастицы при комнатной температуре.
В настоящее время большой интерес для магнетоэлектроники, включая спинтронику, представляют нанокомпозиционные материалы, содержащие магнитомягкие ферромагнитные наночастицы на основе FeCo, внедренные в диэлектрическую матрицу [4]. Такие гранулированные композиты обладают уникальными физическими свойствами: гигантское магнитосопротивление [5], магниторефрактивный эффект [6], хорошие магнитооптические характеристики [7], высокая поглощающая способность электромагнитного излучения в радиочастотном и микроволновом диапазонах [8], широкий интервал изменения удельного электрического сопротивления [9] и т.п.
Низкая коэрцитивность наряду с высокой намагниченностью насыщения, значительной анизотропией поля в плоскости образца, высокое удельное сопротивление и гигантское положительное или туннельное отрицательное магнитосопротивление обусловили применение этих нанокомпозиционных материалов для конструирования различных магнитоэлектрических устройств с целью создания запоминающей среды со сверхвысокой плотностью магнитной записи, экранирования СВЧ и радиочастот и т.п.
Исследования показали, что максимальные значения МС подобных материалов наблюдаются вблизи такого соотношения металл-диэлектрик, при котором происходит формирование токопроводящей (перколяционной) сети нанокластеров и изменение механизма проводимости с активационного на металлический. Данное соотношение концентраций именуется порогом перколяции. Достижение перколяционной конфигурации в процессе синтеза представляет определенные сложности. Поэтому зачастую необходимо варьировать значение порога перколяции композита путем изменения его структуры.
Изменение структуры и свойств нанокомпозиционных материалов возможно как путем вариации размеров и формы наночастиц при синтезе (изменением методики и условий синтеза), так и применяя различные виды обработки образцов (отжиг, гидрогенизация и т.п.).
Ранее было показано [10], что введение в композиты Fe45Co45Zr10-Al2O3 химически активной примеси (кислорода) препятствует формированию в них токопроводящей сети из-за процессов окисления, происходящих в образцах. Как следствие, синтез образцов в кислород-содержащей среде приводит к существенному изменению их свойств (увеличению коэрцитивности, уменьшению намагниченности, изменению типа проводимости и т.п.) по сравнению с композитами, синтезированными в атмосфере аргона.
Для изучения влияния на структуру и свойств композитов FeCoZr-Al2O3 химически инертной примеси, в образцы вводился водород путем их гидрогенизации. Это позволило повлиять на структуру и свойства указанных композитов в диапазоне концентраций вблизи порога перколяции. Соответствующие изменения были зафиксированы методом ЯГР-спектроскопии и исследованы при помощи специального программного пакета MOSMOD, который является достаточно простым, но вместе с тем исчерпывающим средством обработки данных.
Сегодня ЯГР-спектроскопия (Mossbauer spectroscopy в англоязычной литературе), наряду с различными видами микроскопии, рентгеноструктурным анализом, - один из основных и часто используемых методов исследования структуры материалов (в том числе и наноразмерных). В статьях, посвященных исследованию различных образцов этим методом, редко упоминаются те методы и программы, которые применялись для обработки спектров. Однако в большинстве случаев используются аппроксимация численными методами полученного спектра частично перекрывающимися кривыми Лоренца и программы, построенные на ее основе.