بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله، رفتار مغناطیسی مربوط به تنش اعمالی، ناشی از شکل زیرلایه بلورین پلیمری بر نانو لایههای فریت بیسموت، فریت کبالت و آلیاژ Fe80B20 بررسی شده است. پاسخ مغناطیسی نانو کامپوزیت شدیدا به ساختار زیر لایه و چگونگی لایه نشانی لایه رویی وابسته است. در این میان اثر تنش میتواند بر آمده از اختلاف ثابت شبکههای زیرلایه با لایه و یا تاثیر پذیری از الگوی سطحی زیرلایه باشد. برای ریشه یابی اثر تنش، لایه دیگری از فریت بیسموت در شرایط یکسان روی شیشه رشد داده شده است. با استفاده از ثبت چرخش فارادی، ارتباط ساختار زیرلایه بلورین پلیمری و تغییرات مغناطیسی حاصل از آن بر لایه فریت بیسموت توصیف شده است. مطالعه چرخش فارادی در نمونه های فریت کبالت و آلیاژ Fe80B20 جانشانی شده بر بلور کلوئیدی، نشانگر تاثیر تنش زیرلایه در رفتار مغناطیسی این لایههای نازک است.
کلید واژه- بلورکلوئیدی سه بعدی، چرخش فارادی، حسگر مگنتو کشسان، فریت بیسموت، فریت کبالت.
-1 مقدمه
در سالهای اخیر، طراحی و ساخت ادوات نوری بر پایهی ترکیبات پلیمری به دلیل قابلیت بالای آنها در طراحی و ساخت ابزارهای حسگری و سوئیچها مورد توجه قرار گرفته است.[1] از جمله این ترکیبات، بلورهای کلوئیدی هستند که از ساختاری منظم در ابعاد طول موج نور - چند صد نانومتری - برخوردار هستند. با بهکارگیری مواد مغناطیسی در ساختار بلور کلوئیدی میتوان قابلیت مگنتوفوتونیک و بلوری بودن را در کنارهم داشت. تا کنون کارهایی بر بلورهای مگنتوفوتونیکی یک بعدی [2] و دو بعدی [3] گزارش شده است. بلور مگنتوفوتونیکی را با ترکیب آرایش سه بعدی نظم یافته کره های پلیمری و پر کردن فضای بین آنها ساختهاند .[4]
از جمله مواد مگنتو فوتونیکی، اکسیدهای بس فرو مانند فریت بیسموت - BFO - و فریت کبالت - CFO - هستند که به دلیل خواص فیزیکی اولیه و قابلیتهای کاربردی از توجه خاصی برخوردارند. فریت بیسموت با ساختار اسپینی پیچشی در صفحه در دمای اتاق هر دو خاصیت فرو الکتریک و فرو مغناطیسی را داراست. [6-5 ] از سوی دیگر فریت کبالت دارای اثر مگنتو کشسان فوق العاده است، از این رو در لایههای نازک از این ماده به عنوان رابط تنش و ناهمسانگردی مغناطیسی در ساخت ادوات برای تغییر مشخص در خواص مغناطیسی آن بهره می-گیرند. آلیاژ های فلزی نیز ضریب مگنتو کشسان به مراتب بزرگتر از اکسیدها دارند.
در این مقاله، به روش لایه نشانی پالس لیزری، روی بستره بلور کلوییدی، که از چینش منظم کرههای پلیمری در سه بعد تهیه شدهاند، لایه های نانومتری از BFO، CFO و آلیاژ Fe20B20 رشد داده شده است. به منظور اطمینان و مشاهده کمیت و ویژگیهای ساختاری نمونه ها، طیف بازتاب ساختار و تصویر الکترون روبشیFE- - 1 - SEM تهیه و گزارش شده است. در ادامه با رویکرد تجربی، وجود اثر تنش بر مغناطش ساختار لایههای نازک در دمای اتاق بررسی شدهاست. نتایج وجود اثر تنش زیرلایه CPC طراحی شده بر رفتار مغناطیسی لایههای نازک انتخاب شده را به خوبی نشان میدهند.
-2 روش ساخت و مشخصه یابی بستره
بلور فوتونی سه بعدی - CPC - ، با کرههای پلی استایرن200 نانومتری رشد یافته است - شکل . - 1 برای تهیه لایه آرایش یافته و منظم CPC، درصد مشخصی از سوسپانسون کره ها روی شیشه ریخته و خشک شد. برای این منظور، بر شیشهای تمیز داخل ظرف مناسب، میزان تعیین شدهای از محلول سوسپانسیون ذرات کلوئیدی پوشانده شد. فرآیند خشک شدن در دمای اتاق 30 - درجه - و به مدت چهارده روز انجام شد. ساختار منظم کره ها با تصویر SEM و طیف بازتابی به ترتیب در شکل های 1 و 2 مشخصه یابی شده اند. طیف بازتابی این بلور فوتونی - شکل - 2 در زوایای تقریبا عمود - حدود 5 درجه - نمایانگر آرایش منظم کرههای 200 نانومتری در ساختار بلوری fcc است. طبق رابطه براگ، قلههای بازتاب مربوط به بازتابش اولیه و ثانویه پراش براگ از ساختار بلور فوتونی به ترتیب در طول موج-های 415 نانومتر و 233 نانومتر در نمودار طیف بازتابی از CPC ظهور یافتهاند.
-3 نتایج و بحث
با استفاده از سیستم لایه نشانی پالسی - PLD - ، لایههای بیسموت فریت، کبالت فریت و Fe80B20 بر لایه های CPC رشد داده شد. یک لایه از بیسموت فریت روی شیشه برای مقایسه تهیه شده است. پلاسمای ماده در فشار محفظه 4 10 7 میلی بار و با انرژی بر پالس هارمونیک سوم لیزر Nd:YAG، 9 mJ و نرخ تکرار 10 هرتز تشکیل شده اند. فاصله لایه تا هدف 3 سانتی متر در مورد لایههای فریت و 2 سانتی متر برای هدف Fe80B20 تنظیم و در دمای اتاق لایه نشانی شدند. رشد لایه Fe80B20 در حضور میدان مغناطیسی 150 میلی تسلا در راستای صفحه آن انجام شد.
به منظور شرح پاسخ مغناطیسی نمونههای بدست آمده و تحقیق اثر مغناطو تنگش معکوس در آن، چیدمان فارادی با دقت بالا استفاده شد. در این چیدمان با تغییر میدان مغناطیسی DC، تغییر قطبش نور لیزر هلیوم نئون مدوله شده، میزان چرخش فارادی - FR - نمونه سنجیده می-شود. برای اطمینان از صحت نتایج، هر داده حاصل میانگین گیری از حداقل هشت جفت رفت و برگشت در دو دسته اندازه گیری جداگانه است و در تمای آنها اثر زیرلایه حذف شده است.
چرخش فارادی حاصل از خواص مغناطیسی لایه 80 نانومتری BFO بر بستره CPC و شیشه در شکل 4 مقایسه شده اند . با وجود اینکه هر دو لایه در شرایط یکسان با روش PLD بر روی زیرلایه غیر بلوری تهیه شده اند، نمونه BFO/CPC رشد سریعتری نسبت به دیگری دارد. این رفتار میتواند به دلیل اثر تنش حاصل از شکل زیرلایه بلور کلوئیدی توصیف شود. همانطور که در تصاویر FE-SEM آمده - شکل - 3، لایهها با طرح وارهای به شکل زیرلایه تشکیل شدهاند . لایه BFO سرتاسر و تمام خلل و فرج بین کره ها را پوشانده است. طرح نانو ساختار زیرلایه و تنشی که به واسطهی آن بر لایه رویی اعمال میشود قطبش مغناطیسی دیگری ایجاد میکند و باعث متلاشی شدن ساختار مارپیچ اسپینی در لایه BFO میشود.
با ثبت این پدیده، پاسخ مغناطیسی لایه نازک مگنتو تنگش دیگر با حساسیت بالاتر آنها در اعمال تنش های یکسان مورد بحث قرار گرفته است. اثر زیرلایه CPC در مقدار چرخش فارادی ثبت شده از لایه حدود 50 نانومتری Fe80B20 در شکل 5 نمایش داده شده است. لایه Fe80B20/CPC دارای خاصیت مگنتو کشسان بزرگی است. اما از آنجایی که پاسخ مگنتواپتیک در آن بسیار ضعیف است، مقدار بیشینهی چرخش در این نمونه به در میدان 480 میلی تسلا نسبت به BFO/CPC در همین ساختار حدود 16 برابر کوچکتر است. میدان اشباع
