Синтез магнитного дисперсного материала на основе нитевидных наночастиц железа в матрице мезопористого диоксида кремния

СИНТЕЗ МАГНИТНОГО ДИСПЕРСНОГО
МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ НИТЕВИДНЫХ
НАНОЧАСТИЦ ЖЕЛЕЗА В МАТРИЦЕ
МЕЗОПОРИСТОГО ДИОКСИДА КРЕМНИЯ

АРБЕНИН А.Ю., МУККОНЕН И.Н.,
ЗЕМЦОВА Е.Г., СМИРНОВ В.М.

Санкт-Петербургский государственный университет,
г.Санкт-Петербург. Россия,тел./факс: (+7 812) 428 40 33,
e-mail: ezimtsova@yandex.ru

Развитие информационных технологий привело к необходимости хранения и обработки колоссального объема цифровой информации. Сегодня информационные технологии на магнитном носителе получили самое широко распространение и в настоящее время никакая другая технология не может конкурировать с ними в плотности записи и хранения информации. Дальнейшее усовершенствование таких систем требует создания новых магнитных материалов с более высокой плотностью записи. Одним из перспективных технологических путей в этом направлении является получение наноматериалов с упорядоченным расположением магнитных наночастиц (нанокристаллов оптимального размера) в диамагнитной матрице. Необходимо отметить, что предполагаемое использование нанокристаллов без системы ограниченный показало их малую стабильность в работе из-за стремления металла к укрупнению, как более стабильному состоянию вещества.
В связи с этим особый интерес представляет разработка методов формирования магнитных материалов на основе металлических частиц, например, железа, с использованием пространственноупорядоченных матриц. В частности, создание устройств хранения информации со сверхвысокой плотностью записи (свыше 100 Гбит/см2) требует получения материалов на основе упорядоченных
массивов одномерных (нитевидных) ферромагнитных наночастиц с параллельной или перпендикулярной ориентацией относительно поверхности матрицы.
Целью данной работы является синтез магнитного материала на основе мезопористого кремнезема с различным диаметром каналов и металлического железа, заполняющего эти каналы.
Методика эксперимента. В качестве матриц разрабатываемых композитов использовались мезопористые кремнезёмы MCM-41 и SBA-15. МСМ-41 получался в две стадии: изначально в водно-спирто-аммиачную смесь(H2O – 170m, C2H5OH[96%] – 60 ml, NH3[25%] – 34 ml) вводился цетилтриметиламмоний бромистый(1.46 g). Раствор некоторое время интенсивно вымешивался, после в него при весьма интенсивном перемешивании прикапывался тетраэтоксисилан (4.16 g).
Далее кремнезём вызревал 2 ч. при интенсивном перемешивании. Полученный материал обжигался в муфельной печи при 6000 C в течение 3 ч. Материал SBA-15 получался по следующим методикам: раствор состоящий из 120 мл воды, 4 г. блок-сополимера Pluronic P123 и 30 мл соляной кислоты термостатировался при 35 С0. Далее при интенсивном перемешивании в него прикапывался тетраэтоксисилан. Вымешивание проводилось в течение 12 ч. После гель отфильтровывался и обжигался. Вторая методика отличалась введением в раствор триметилбен-зола и постсинтетическим автоклавированием геля при 120 0С, что приводит к значительному увеличению диаметра пор.
Далее путём подбора условий и реагентов нами была выработана методика получения наночастиц железа в порах мезопористого кремнезёма путём вакуумной пропитки водным раствором хлорида железа III и отмывки поверхности материала от избытка раствора хлористым метиленом с последующим восстановлением водородом. Такой сложный метод требуется для решения ряда проблем встающих при получении композита. Так пропитка без вакуумирования образца проходит не полно из-за присутствующего в порах воздуха, без отмывки хлорид, находящийся на поверхности материала, при восстановлении образует крупные частицы железа различной формы, размера и взаимного местоположения.
Результаты и выводы. Полученный таким образом мате-риал был исследован на сканирующем электронном микроскопе. Результаты представлены на рисунке. На данном рисунке мы видим глобулы кремнезёма, на поверхности которых нет частиц металла, что не достигалось нами без отмывки.


Рис. Исследование структуры мезопористого кремнезема МСМ-41 с частицами железа в каналах на сканирующем электронном микроскопе

Данный материал был подвергнут химическому анализу. Расчёт количества железа на грамм образца дал нам весовую долю: ωFe = 21 %. По данным Мёссбауэровской спектроскопии в образце находится 3,93 % водного хлорида железа II, и 9,28% безводного хлорида железа II, остальные 86,78 % относятся к металлическому железу.
Далее были проведены исследования магнитных свойств полученного материала. Образец исследовался на вибромагнитометре с магнитом ФЛ-1 при 300 К. В результате исследования были получены величины максимальной и остаточной намагниченности, которые составили соответственно 32 и 0,38 Ам2/кг. Поскольку матрица материала (кремнезём) диамагнитна, её магнитными свойствами можно пренебречь. Так как содержание железа в образце 21 % и из них 86,78 % металлического железа, то намагниченность наночастиц железа составляет 176 Ам2/кг, что близко к значению максимальной намагниченности чистого железа. Однако отношение остаточной намагниченности к максимальной близко к 1%, что значительно ниже значения для чистого железа.
Разработанный нами метод синтеза наночастиц железа был применён к кремнезёмам SBA-15. Полученные таким образом композиты были проанализированы. Содержание железа в первом и втором образце составляло соответственно 19 и 31 %. По данным мёссбауэровской спектроскопии металлического железа в образцах содержится 80 и 71%. Максимальная (σ10) и остаточная намагниченности (σR ) составляют для них соответственно σ10= 43,8 Ам2/кг, σR = 3, 6 Ам2/кг и σ10= 25,9 Ам2/кг, σR= 0,11Ам2/кг Таким образом мы можем сказать, что рост диаметра пор данного композита ведёт к увеличению отношения остаточной намагниченности к максимальной, что важно для создания материалов для магнитной записи информации.
Заключение. На примере нанокомпозитов на основе мезопористых материалов МСМ-41 и SBA-15 была показана возможность регулирования магнитных свойств получаемых материалов на основе регулирования размера нанонитей железа.
Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., гос. контракт № П1431