О синтезе нанокомпозита FeNi3/C под действием ИК нагрева и возможности его применения для высокоплотной магнитной записи информации

Разработан синтез нанокомпозита FeNi3/C на основе ПАН, FeCl3·6H2O и NiCl2·6H2O, в результате которого впервые под действием ИК нагрева при 400÷700 °С получен нанокомпозит FeNi3/C с размером частиц FeNi3 от 10 до 80 нм, равномерно распределенных в УМ. С помощью термодинамического расчета, основанного на минимизации энергии Гиббса, подтвержден синтез нанокомпозита FeNi3/C при Т=400 °С восстановлением ионов Fe и Ni с помощью H2, выделяющегося в процессе карбонизации полиакрилонитрила при ИК нагреве. Разработанный материал в виде наноразмерных пленок может эффективно использоваться в качестве материала-носителя для сверхплотной магнитной записи информации. Плотность записи информации в таком носителе достигается (85-100) Гб/дюйм2. ​

Ключевые слова: нанокомпозит, полиакрилонитрил, ИК-нагрев, запись информации, магнитные свойства, углеродная матрица

01.04.10 - Физика полупроводников

05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника на квантовых эффектах

Введение

Для развития электроники перспективен нанокомпозит [1,2] FeNi3/C, который является дисперсией наночастиц пермаллоя (FeNi3) (d<100 нм) в углеродном материале (УМ) [3-9]. Нанокомпозит FeNi3/C сочетает выгодные свойства FeNi3 (магнитная проницаемость – 50000÷3000000 отн. ед.; коэрцитивная сила – 0,1÷200 Э; магнитострикция – 0,003 %; магниторезистивный эффект –

4 % [5]) и УМ (плотность –

2 г/см 3 ; теплопроводность – до 1700 Вт/(м·К); термическая стабильность на воздухе до 300 ºС; биосовместимость). Такой материал может найти применение в производстве высокодобротных магнитооптических устройств обработки и хранения информации, а также в производстве магнитооптических дисков. Структурирование полиакрилонитрила (ПАН) при ИК нагреве способствует образованию УМ, содержащего различные углеродные формы (графено-, тубулено-, фуллерено- и кольцоподобные структуры), и обладающего перспективными физическими и химическими свойствами [3-7]. Синтез наночастиц FeNi3 под действием ИК нагрева в УМ на основе ПАН модифицирует свойства УМ и создает возможность синтезировать нанокомпозит FeNi3/C с контролируемыми электрофизическими и магнитными свойствами.

Новые материалы на основе нанокомпозита FeNi3/C перспективны для изготовления эффективных электромагнитных (ЭМ) экранов, так как постоянное увеличение интенсивности техногенных ЭМ излучений приводит к повышению требований экологической защиты человека, ЭМ совместимости радиоэлектронных средств и обеспечения защиты информации [10-12]. Синтезируемый материал перспективен также и в качестве материала для высокоплотной магнитной записи информации. Синтез нанокомпозита FeNi3/C с помощью ИК нагрева является экономически эффективным методом, так как он основан на принципе самоорганизации системы и характеризуется высокой скоростью химических превращений при низких температурах благодаря синергетическому эффекту ИК нагрева [8, 9, 13]. Целью работы является синтез нанокомпозита FeNi3/C на основе ПАН, FeCl3·6H2O и NiCl2·6H2O под действием ИК нагрева.

Экспериментальная часть

Для приготовления нанокомпозита FeNi3/C использовали ПАН, произведенный ОАО «Полимер», г. Новополоцк, Витебская обл. (Мn=80000 а.е.); FeCl3·6H2O, х.ч.; NiCl2·6H2O, х.ч.; диметилформамид, х.ч. На первой стадии синтеза готовился совместный раствор FeCl3·6H2O, NiCl2·6H2O и ПАН в диметилформамиде (ДМФА) при 70 °С [14]. Полученный раствор помещали в сушильный шкаф при 70 °С для удаления растворителя, или предварительно наносили на поверхность подложки с помощью центрифуги (w=100 об/мин) для синтеза нанокомпозита FeNi3/C в виде пленки. Полученный твердый остаток FeCl3·6H2O/NiCl2·6H2O/ПАН подвергали ИК нагреву на установке «Фотон» и QHC-P610CH (Ulvac-Riko, Япония) при Р=1 Па. Были изготовлены композиты FeNi3/C с CFe=CNi=5; 10; 15; 20; 25 масс. %.УФ спектр композита FeCl3·6H2O/NiCl2·6H2O/ПАН записан с помощью спектрометра UV-1700 Pharma Speed Shimadzu. Кинетические и термохимические зависимости были исследованы методами термогравиметрического анализа (ТГА) и дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) на установках Discovery TG TM (TA Instruments, США) и Q20 (TA Instruments, США), соответственно, со скоростью нагрева 10 °С/мин при потоке N2, равном 50 мл/мин [12]. Морфологию поверхности нанокомпозита FeNi3/C исследовали с помощью метода сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), используя низковакуумный растровый двухлучевой электронный микроскоп Quanta 3D FEG с ускоряющим напряжением от 200 до 30 кВ и сканирующий микроскоп JSM-6610LV фирмы JEOL. Поверхность анализировали методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) на микроскопе «Solver Next» с кремниевым кантилевером марки NSG10. Структуру композита исследовали методами рентгенофазового анализа (РФА) и комбинационного рассеяния света (КРС) с помощью дифрактометра ДРОН-1,5 (CuKa-излучения) с модернизированной коллимацией и спектрометра Renishaw Invia Raman microscope, оснащенном Ar + - лазером с длиной волны λ=514,4 нм, соответственно [11].

Результаты и их обсуждение

На основе расчетов методом минимизации свободной энергии Гиббса были проанализированы химические реакции, происходящие при синтезе нанокомпозита FeNi3/C. Образование FeNi3 происходит посредством восстановления промежуточного соединения NiFe2O4 с помощью H2, выделяющегося при ИК нагреве ПАН (таблица 1). УФ спектр композита FeCl3·6H2O/NiCl2·6H2O/ПАН, записанный с помощью спектрометра UV-1700 Pharma Speed Shimadzu, характеризуется областью поглощения с λmax=320 нм, связанной с электронным переходом n-d-типа, характеризующим образование донорно-акцепторных комплексов Fe и Ni с нитрильными группами ПАН, что способствует однородному распределению Fe и Ni в нем. Эти комплексы обусловлены взаимодействием d-орбитали переходного металла с электронной парой атома N. Таблица № 1 Термодинамические параметры химических реакций, происходящих при ИК нагреве FeCl3·6H2O/NiCl2·6H2O/ПАН