Российские ученые показали эффективность синтеза наночастиц оксида никеля в кислородной плазме дугового разряда низкого давления. Такой способ получения позволит управлять магнитными свойствами наночастиц, которые делают их подходящими для использования в устройствах компьютерной памяти и записи сигналов. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Physica E: Low-Dimensional Systems and Nanostructures. В последующих исследованиях, также поддержанных грантом РНФ и опубликованных в журнале IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, ученые определили, как свойства наночастиц оксида никеля зависят от условий при таком методе синтеза.

Благодаря своим очень маленьким размерам (10^-9 м) наночастицы обладают рядом уникальных электрофизических, химических и оптических характеристик. Наибольший интерес представляют магнитные наночастицы с антиферромагнитным упорядочиванием. Электроны ведут себя как маленькие магниты, и в таких наночастицах магнитные моменты соседних электронов ориентированы антипараллельно, поэтому общая намагниченность тела близка к нулю. Обратная ситуация наблюдается в ферромагнетиках, где магнитные моменты электронов параллельны и складываются в общую намагниченность тела. Антиферромагнитные наночастицы можно применять в качестве устройств магнитной памяти и записи аудио- и видеосигналов, таких как магнитные ленты и жесткие диски. Устройства на основе этих наночастиц потребляют меньше энергии и могут обладать совсем небольшими габаритами. Обычно запоминающим устройствам необходимо электричество для работы, но антиферромагнетики не нуждаются в этом для совершения операций записи. Кроме того, они защищены от стирания информации под воздействием внешнего магнитного поля. Наиболее востребованными являются антиферромагнетики на основе оксидов переходных металлов: никеля, меди и марганца. Для их получения используются различные физико-химические методы, один из которых — плазмохимический — отличается высокой производительностью и позволяет управлять размером наночастиц, их строением и составом.

Российские ученые впервые показали, что получение наночастиц в кислородной плазме дугового разряда низкого давления — эффективный инструмент для синтеза нанокристаллических частиц оксида никеля (NiO). Синтез происходит внутри реактора, заполненного газом (аргоном). Изготовленный из никеля катод разогревают до такой степени, что он начинает испускать электроны и ионизирует газ внутри реактора. Этот газ образует плазму, заполняющую весь объем. После этого в камеру подается кислород, создающий оболочку вокруг катода, где за счет энергии плазмы осуществляется синтез наночастиц NiO.

«Развитие метода синтеза наночастиц в плазме дугового разряда низкого давления позволит увеличить разнообразие производимых этим методом наночастиц различного назначения. В частности, оксид никеля представляет собой подходящий магнитный материал для записывающих устройств, так как может обеспечить их миниатюризацию и увеличить плотность записи, — рассказывает Анатолий Ушаков, доктор технических наук, сотрудник Федерального исследовательского центра «Красноярский научный центр Сибирского отделения РАН» и Сибирского федерального университета. — Наночастицы оксида никеля проявляли сложное магнитное поведение в зависимости от напряженности магнитного поля и температуры при синтезе. Все полученные результаты свидетельствуют о том, что наночастицы обладают заметным магнитным откликом, и поэтому могут быть использованы в устройствах записи».

В последующих исследованиях ученые рассмотрели особенности строения наночастиц NiO, полученных вышеупомянутым методом. Несмотря на то, что электрические свойства оксида этого металла хорошо изучены, до сих пор не существовало сложившихся представлений о движении и местонахождении носителей заряда в наночастицах. Это связано с тем, что свойства таких материалов сильно зависят от условий их получения. Ученые показали, что характеристики нанопорошка NiO, синтезируемого в плазме дугового разряда низкого давления, определяются главным образом процессами, происходящими вблизи катода, и зависят от скорости ионизации газа. Синтезированные образцы отличались внутренней структурой и высокими значениями диэлектрической проницаемости в области низких частот электромагнитных волн. Такие материалы могут быть использованы в качестве сенсоров, топливных элементов и электролизеров.

В исследованиях также принимали участие Института физики имени Л. В. Киренского СО РАН (Красноярск).

Картинка 1. Горение дугового разряда при синтезе наночастиц. Источник: Леонид Федоров.

Картинка 2. Установка перед началом процесса получения наночастиц. Источник: Леонид Федоров.