Неорганические наноматериалы

Вискеры

Вискеры (от англ. whisker – волос, шерст; “усы”, неорганические волокна) – это нитевидные кристаллы с диаметром от 1 до 10 мкм и отношением длины к диаметру >1000.

Вискеры являются одним из наиболее перспективных кристаллических материалов с уникальным комплексом свойств. Они, как правило, имеют совершенное, почти идеальное бездислокационное строение, что исключает обычные механизмы пластической деформации и приближает их прочность к теоретическому для данного вещества порогу. Вискеры в десятки и даже сотни раз прочнее обычных кристаллов, они обладают поразительной гибкостью, коррозионной стойкостью и кристаллографической анизотропией свойств. Получение “усов” сверхчистых металлов и алмаза, нитевидных кристаллов кремния или сверхпроводящих вискеров Bi2Sr2CaCu2O8 стало классикой современной химии функциональных материалов. Подобная необычная форма кристаллов интересна не только с точки зрения исследования механизма ее образования, но из-за своих специфических физико-химических характеристик. Представляя собой одномерную кристаллическую систему, вискеры могут найти широкий диапазон применений. Несмотря на то, что нитевидные кристаллы известны более полувека, вискеры технически используются достаточно однобоко – в основном, как армирующие волокна. Подавляющее большинство из них применяются исключительно для создания конструкционных композитных материалов с улучшенными механическими свойствами (углеродные волокна, SiC, Al2O3), при этом объемы производства достигают значительных величин. В последнее время развивается направление, связанное с практическим использованием классических кремниевых вискеров в качестве острий для атомно-силовой, магнито-силовой микроскопии и АСМ для биологических применений. Упорядоченные ансамбли нановискеров можно рассматривать в качестве систем с уникальными оптическими свойствами, в которых проявляются квантовые эффекты (квантовые точки, квантовые нити). Вискеры, при наличии у них особой кристаллической структуры, обуславливающей смешанную электронно-ионную проводимость, возможности интеркаляции – деинтеркаляции и высокой подвижности ионов во внутренних открытых полостях структуры (межслоевое пространство, туннели и пр.), могут быть использованы для создания электродных и мембранных материалов нового поколения в силу уникального сочетания выдающихся механических свойств и суперионной проводимости. К достоинствам потенциальных электродов из нитевидных кристаллов относятся также возможность легкого придания желаемой формы и дешевизна.

Манганиты

Манганиты – соединения с эффектом гигантского магнетосопротивления (ГМС). Начиная с двадцатых годов прошлого столетия было известно, что электроны, создающие ток в электрической цепи, обладают и собственным магнитным моментом, спином. Однако в практических целях это никак не использовалось. С приходом нового тысячелетия появилась новая отрасль науки — магнитоэлектроника, или, как теперь принято ее называть, — спинтроника, занятая изучением и практическими приложениями спина электрона. В наше время спинтроника изучает магнитные и магнитооптические взаимодействия в металлических и полупроводниковых структурах, а также квантовые магнитные явления в структурах нанометрового размера. А началось славное шествие спинтроники с исследования магнитных и электрических свойств многослойных пленок, состоящих из чередующихся магнитных и немагнитных материалов. Значительные успехи в получении и исследовании тонких металлических пленок, достигнутые в конце XX века, привели к открытию целого ряда новых явлений, которые интересны как для фундаментальной физики, так и для практического применения. Совершенствование технологий позволило синтезировать новые магнитные материалы с уникальной структурой и составом, а возможность получения ультратонких слоев магнитных и немагнитных материалов с резкими границами раздела — обеспечить их кардинально новые магнитные и электрические свойства. В таких материалах возникает ряд уникальных физических явлений, обусловленных тем, что магнитные моменты в трехслойной пленке могут быть параллельны (ферромагнитная [ФМ] конфигурация) или антипараллельны (антиферромагнитная [АФМ] конфигурация), что показано на рис. I.16.

В ферромагнитных материалах выделяют два типа электронов в зависимости от ориентации их спина: «спин-вверх» и «спин-вниз». На рисунке направление спина обозначено синими и красными стрелками. Оказалось, что если ориентация спина не совпадает с магнитным моментом слоя (АФМконфигурация), то электрон не может попасть в этот слой, и электросопротивление становится больше. После перехода конфигурации из антиферромагнитной в ферромагнитную при возрастании внешнего магнитного поля электрон способен перескочить в смежный слой, и сопротивление значительно уменьшается. Этот эффект называется гигантским магнитосопротивлением (ГМС). Открытие эффекта колоссального магнетосопротивление (КМС) повлекло за собой поиск и изучение обладающих им материалов в связи с возможностью их применения в устройствах нового поколения для считывания и хранения информации, в сенсорах магнитного поля. Эффект КМС обнаружен в семействе манганитов с общей формулой Ln1-xAxMnO3 (Ln – РЗЭ, A – щелочной или щелочноземельный элемент) со структурой перовскита. Для этого класса материалов основным механизмом переноса заряда является механизм двойного обмена Mn3+ - O - Mn4+. Обнаружены и другие семейства материалов, обладающих эффектом КМС: La1-xAxCoO3, халькогениды на основе хрома, семейство пирохлора Tl2Mn2O7 и др. Одним из недавних успехов в области изучения КМС материалов было открытие нового семейства манганитов CaCuxMn7-xO12(рис.I.17) обладающего рядом преимуществ по сравнению с ранее изученными системами: для этого семейства характерна большая чувствительность к слабым магнитным полям и лучшая температурная стабильность эффекта.