книги / Материаловедение и технологии современных и перспективных материалов.-1

Кристалл затравки, как правило, помещают на верхнюю часть плотной заготовки (таблетки или стержня) и проводят цикл плавления – кристаллизации с применением температурного градиента или движением вдоль образца высокотемпературной зоны. При этом «затравка» с более высокой температурой плавления инициирует образование основной фазы вдоль фронта кристаллизации, что приводит к образованию гигантских псевдомонокристаллических доменов, фактически сопоставимых с размером самого образца.

Недавно в области купратных сверхпроводящих материалов были независимо предложены два новых экспериментальных подхода, которые делают весьма реалистичным выполнение поставленной задачи:

1)создание искусственного периодического и симметричного поверхностного рельефа на шкалах порядка 0,1–1 мм с использованием

вкачестве подложки лент из достаточно дешевого (4–5 руб. / г) промышленного поликристаллического нетекстурированного серебра может обеспечить взаимную ориентацию в плоскости (ab) до 90 % растущих из расплава кристаллитов ВТСП;

2)использование приема напыления на подложку 50–100- микронного слоя проперитектической фазы из ее водной суспензии с органической связкой-клеем и последующей пропитки при повышенных температурах вторым компонентом – расплавом (при реакции которых при охлаждении образуется сверхпроводящий купрат) позволяет получить сплошной крупнокристаллический слой ВТСП.

Будучи основан на принципах графоэпитаксии, процесс, объединяющий оба вышеназванных подхода, в общем случае способен использовать различные механические, электрические и термические эффекты, вызываемые нанесением искусственного рельефа. Такой процесс удобен

для совершенно различных материалов и произвольных подложек и может привести к практически полному текстурированию материала поликристаллического слоя в соответствии с симметрией расположения элементов рельефа.

Наиболее высокие значения jc достигнуты в настоящее время на сверхпроводящей керамике благодаря физическим воздействиям – облучению образцов потоком частиц с высокими энергиями. Наиболее эффективно облучение образцов потоком быстрых нейтронов или тяжелых ионов, создающих в материале радиационные дефекты кластерного типа («треки») размером 20–100 нм. При этом величина криотока увеличивается пропорционально дозе облучения. Серьезными препятст-

81

виями к использованию этого способа обработки являются его техническая сложность, а также наличие остаточной радиации в материале и возможность радиационной деградации образцов при дозах облучения, превышающих оптимальные.

Одним из перспективных методов повышения плотности критического тока является внедрение неорганических тугоплавких добавок с характерными размерами частиц порошка в несколько десятков нанометров для создания искусственных центров пининга. Методика внедрения добавок наиболее оптимальна как с точки зрения трудоемкости, так и стоимости промышленного производства по сравнению, например, с облучением нейтронами или высокоэнергетичными ионами. В результате исследований было показано, что внедрение наноразмерных тугоплавких соединений карбидов, нитридов, силицидов в Bi2223 приводит к значительному увеличению (2–3 раза) плотности критического тока jc при некоторой оптимальной концентрации добавок. Для легирования применялся порошок NbOx с различной степенью дисперсности Ds = 25…123 нм.

Применение высокотемпературных сверхпроводящих материалов

(ВТСП) в различных областях техники, а именно: в линиях электропередачи, трансформаторах, накопителях энергии, ограничителях тока, моторах, генераторах, соленоидах, транспортных системах, предполагает создание на их основе длинных проводов, которые должны обладать высокой токонесущей способностью.

3.6. ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ МАГНИТНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ И ИХ ПЕРСПЕКТИВЫ

На сегодняшний день магнитные устройства хранения информации являются наиболее распространенными, и пока никакие другие технологии не могут соперничать с ними по совокупности объема хранимых данных и скорости доступа.

По аналогии с обычной письменностью первые устройства хранения информации использовали бумажные или картонные носители – так называемые перфокарты и перфоленты (рис. 3.4). Хранение информации в них осуществлялось с помощью перфоратора, пробивавшего дырки в определенных местах, а информация считывалась специальным оптическим устройством и поступала в обработку.

82

Рис. 3.4. Эволюция физических принципов и устройств записи информации: 1 – механический принцип записи (перфокарта), 2 – магнитная запись информации (изображение магнитосиловой микроскопии дорожек жесткого диска компьютера), 3 – оптический принцип записи (АСМ изображение поверхности DVD-диска, интервал между витками – 1,6 мкм, ширина углубления – 0,5 мкм, глубина – 0,125 мкм, минимальная длина – 0,83 мкм), 4 – магнитный нанокомпозит – ферромагнитная нанопроволока в матрице мезопористого диоксида кремния (просвечивающая электронная микроскопия), фотографии 2, 3, 4 – экспериментальные результаты ФНМ МГУ

Однако увеличение производительности компьютеров в скором времени потребовало увеличения банков данных, а расход бумаги только одной ЭВМ повысился до полутонны в день. Естественно, так дальше продолжаться не могло, и в декабре 1952 г. корпорация IBM показала миру первые устройства хранения информации на магнитной ленте. Магнитные ленты, знакомые многим по аудио- и видеокассетам, хранят данные в виде непрерывно изменяющихся аналоговых сигналов. Это сравнительно дешевый, но медленный носитель информации. Тем не менее в мощных компьютерах для хранения больших объемов данных

83

часто используют высокоскоростные многодорожечные магнитные ленты, удобные для резервного копирования всей информации с дисков компьютерных систем. С развитием вычислительной техники потребовался унифицированный цифровой формат хранения данных, в качестве которого был выбран двоичный код, а минимальная ячейка информации была названа битом. Этот формат приобрел всемирную популярность, практически полностью вытеснив аналоговую запись. Кодирование символа (буквы алфавита, знаков препинания и т.д.) сегодня осуществляется 8 битами или байтом: один байт хранит в себе один из 256 возможных символов. Большинство современных цифровых носителей информации основывается на схемах магнитной, оптической, электронной и комбинированной (магнитооптической, магниторезистивной и т.д.) записи информации.

Первым цифровым носителем информации стал магнитный дисковый накопитель (IBM RAMAC, 1956 г.) являвшийся компромиссным решением между магнитной лентой и граммофонной пластинкой. Даже чтение магнитных дисков во многом аналогично считыванию сигнала с грампластинки, с той лишь разницей, что в качестве считывающего устройства в магнитном накопителе используется магниторезистивный сенсор, а не игла фонографа. Для увеличения емкости магнитного накопителя он содержит не один, а сразу стопку дисков. Как правило, пластины изготавливают из алюминия, стекла или керамики и наносят на них слои высококачественного ферромагнетика.

Основным конкурентом устройств магнитной записи на рынке являются оптические диски. В 1982 г. фирмы Sony и Philips завершили работу над форматом CD-аудио (Compact Disk), открыв тем самым эру цифровых носителей на компакт-дисках. Оптический принцип хранения информации, используемый в этих дисках, основывается на чтении

изаписи информации лазером с длиной волны от 780 нм для CD и 650 нм для DVD до 405 нм для новых Blu-ray-дисков. В оптической записи данные кодируются в виде последовательности отражающих и неотражающих участков, которые интерпретируются как единица и ноль соответственно. Максимальный объем информации для оптических дисков составляет от 720 МБ (CD) до 17 ГБ (DVD) при массе всего лишь 14–33 г

и26 ГБ для Blu-ray. Однако основным недостатком оптической записи все еще остается низкая скорость чтения/записи информации, составляющая менее 100 МБ/с для Blu-ray-дисков (по сравнению с 1,5 ГБ/с в магнитных накопителях). Кроме того, использование подходов опти-

84

ческой записи требует значительного увеличения площади носителя, отводимой на один бит информации, по сравнению с магнитной записью из-за технических ограничений – длины волны лазерного излучения, которая определяет максимальное значение плотности записи. Так, плотность записи в последних моделях Blu-ray-дисков соответствует 14,73 Гб/дюйм: (по сравнению с 2,77 Гб/дюйм2 в DVD, 0,41 Гб/ дюйм

вCD и 100 Гб/дюйм в магнитных носителях). Еще одним важным преимуществом магнитных носителей является отсутствие затрат энергии на хранение информации на жестком диске.

Сравнительно недавно (в 1988 г.) компания Intel разработала еще один способ хранения данных на основе микросхем флеш-памяти, запоминающая ячейка которой представляет собой транзистор с двумя изолированными затворами: управляющим и плавающим, способным удерживать электроны, то есть заряд. При программировании микросхемы между коллектором и эмиттером создается канал – поток электронов, некоторые из которых – высокоэнергетические – преодолевают слой изолятора и попадают на плавающий затвор, где могут храниться

втечение нескольких лет. Низкий заряд на плавающем затворе соответствует логической единице, а высокий – нулю. При чтении эти состояния распознаются путем измерения порогового напряжения транзистора. При стирании информации на управляющий затвор подается высокое отрицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора туннелируют на исток. Флеш-память имеет массу преимуществ, включая высокую скорость доступа и отсутствие задержек на механическое движение диска и считывающего устройства, однако стоимость I Гб электронного носителя более чем в 50 раз превосходит аналогичную величину для магнитной записи и составляет более 20 долларов США.

Согласно прогнозам компаний Hitachi и Seagate, технология магнитной записи будет оставаться основным методом хранения информации, как минимум, еще 10 лет. Дальнейшее увеличение плотности записи ставит ряд проблем, связанных как с созданием самой магнитной среды, так и с улучшением схемы записи. Так, материалы, используемые в качестве среды записи информации, должны удовлетворять достаточно жестким требованиям. Во-первых, размер частиц магнитной фазы должен быть значительно меньше размера магнитного домена объемного материала (обычно 50–100 нм). Иначе говоря, наиболее перспективными магнитными материалами для устройств хранения информации являются наноразмерные структуры. Во-вторых, магнитные на-

85

ночастицы должны обладать достаточно высоким магнитным моментом, остаточной намагниченностью и коэрцитивной силой, необходимыми как для устойчивою считывания информации, так и для стабильности записанной информации во времени (в настоящее время действует правило, согласно которому информация, записанная на некоторый носитель, должна оставаться неизменной, как минимум, в течение 10 лет). В то же время уменьшение размера частиц приводит к значительному уменьшению этих параметров и препятствует уменьшению размера магнитных наночастиц ниже некоторой критической величины (5–15 нм), ограничивая тем самым плотность записи информации. Еще одним важным требованием является жесткое «закрепление» магнитных наночастиц в некоторой матрице или на подложке для предотвращения их перемещения в пространстве или контакта между частицами под действием внешнего поля. Таким образом, увеличение плотности записи информации требует уменьшения размера области, занимаемой одним битом информации, что, в свою очередь, приводит к необходимости решения следующих задач: увеличение коэрцитивной силы

ичувствительности считывающей/записывающей головки; увеличение коэрцитивной силы носителя информации; увеличение соотношения сигнал/шум (использование считывающих головок специального типа позволяет поддерживать отношение сигнал/шум на приемлемом уровне, но тогда встает вопрос о теплоотводе, так как при увеличении плотности записи

ипостоянной скорости считывания увеличивается количество выделяющейся за счет джоулевых потерь энергии); увеличение временной и температурнойстабильностиданных; уменьшение времени перезаписи бита.

Плотность записи на современных носителях информации достигает 150 Гб/ дюйм2, в настоящее время изучается возможность использования сред для записи информации с плотностью, превышающей 1 Тб/дюйм.

Память электронных устройств хранения данных может быть су-

щественно увеличена, если выполнять последние на органической основе и применять не бинарную, а троичную форму записи информации. Работающий прототип такого устройства уже создан в Китае. Пока записать информацию на такой «диск» можно лишь один раз, но считывать многократно. Однако ученые уже работают над многократно перезаписывающим устройством памяти согласно данной технологии.

Двоичная система записывает информацию в виде последовательности нулей и единиц, а троичная система фиксирует данные в виде ну-

86

ля, единицы и двойки, которые в микросхеме являются электрическими состояниями. Такая система позволяет хранить намного больше информации в единице объема, и в настоящее время прототипы троичной записи уже существуют на экспериментальном уровне.

Естественным путем повышения плотности записи является разделение соседних наночастиц, и, по мнению современных лидеров производства магнитных устройств хранения информации, наиболее перспективны среды записи на основе упорядоченных наноструктур, например углеродных нанотрубок, с пространственным разделением активных элементов (SOMA, self-ordered magnetic array). Стандартным методом получения таких наноструктур являются процессы самоорганизации. Одним из наиболее перспективных примеров может служить массив магнитных наночастиц FеPt. Теоретический расчет показывает, что использование таких сред в комбинации с технологией температур- но-контролируемой записи информации даст возможность увеличить плотность записи до 10 Тб/дюйм.

Как известно, уменьшение размеров отдельной магнитной частицы приводит к значительному уменьшению ее магнитной восприимчивости и величины коэрцитивной силы (и соответственно, к возрастанию вклада температурных колебаний магнитного момента), а суперпарамагнитные наночастицы характеризуются нулевым значением Нс, что приводит к невозможности закрепления магнитного момента в некотором направлении и. следовательно, к невозможности использования наночастиц с размером, меньшим 10 нм, для хранения информации. Данная проблема носит название «суперпарамагнитный предел». С теоретической точки зрения возможным решением этой проблемы является использование сильно анизотропных наночастиц. Так, теоретически оцененная плотность записи при условии совместного использования технологий темпе- ратурно-контролируемой записи информации и перпендикулярной записи на сильно анизотропные частицы магнитного вещества, расположенные перпендикулярно подложке, составляет 20 Тб/дюйм2 и превышает плотность записи на современных носителях в 500 раз.

Большие перспективы имеет направление, связанное с созданием магнитных нанокомпозитов. Во многих случаях в качестве матриц для их создания используют различные пористые материалы, размер полостей которых лежит в нанометровом диапазоне. В эти поры можно вводить различные соединения, а затем, после химической модификации, получать частицы искомого материала, размер и форма которых повто-

87

ряют форму полостей матрицы, а ее стенки предотвращают их агрегацию и защищают от воздействий внешней среды. Этот подход позволяет синтезировать наночастицы самых различных химических соединений: металлов и сплавов, оксидов и халькогенидов. С точки зрения уникальных физических свойств особенно привлекательны наночастицы, обладающие анизотропной формой. Использование нанореакторов открывает широкие возможности для их синтеза и контроля морфологии: в слоистых матрицах можно получать двумерные наночастицы, а в матрицах с вытянутыми порами – одномерные. При этом можно также достичь ряда практически важных характеристик: варьируемый размер пор (1–100 нм), однородность распределения пор по размеру, упорядоченность пор, создание анизотропных систем, изолированность каналов-пор, решение проблемы агрегации и химической изоляции наночастиц. Преимущества использования жидкокристаллических темплатов, формирующихся в системе «ПАВ – вода» в определенном диапазоне температур и концентраций, связаны с формированием упорядоченной системы однородных по размеру пор с контролируемым диаметром. Гидролиз алкоголятов с последующим отжигом приводит к формированию реплики жидкого кристалла в оксидной матрице, которая тем самым становится мезопористой. Мезопористый диоксид кремния с диаметром пор от 2,1 до 3,7 нм был использован (в МГУ) для получения нанонитей железа, обладающих ферромагнитными свойствами при комнатной температуре. При переходе в суперпарамагнитное состояние для сферических частиц железа этот размер составляет около 5 нм. Однако если наночастицы имеют нитевидную форму, происходит фиксация магнитного момента вдоль длинной оси частицы, и магнитноупорядоченное состояние может сохраняться, если эти наночастицы закреплены в системе упорядоченных пор (система перпендикулярной записи информации). Процедура создания мезопористой матрицы следующая: мицеллы поверхностно-активного вещества (ПАВ) формируют упорядоченную гексагональную структуру (лиотропная жидкокристаллическая матрица), в которую внедряется гель гидратированного диоксида кремния (рис. 3.5). После деликатного низкотемпературного отжига

вокислительной атмосфере (атмосфере кислорода) ПАВ-шаблон выгорает, вода удаляется, и в образовавшемся оксидном материале остается «отпечаток» тех мицелл, которые были первоначально использованы

ввиде шаблона, – формируется мезопористая структура.

88

Одним из методов получения магнитных нанокомпозитов в такой матрице является электрохимическое осаждение в поры магнитных металлов, например никеля. При этом, в отличие от пленок мезопористого диоксида кремния, магнитные наночастицы располагаются в матрице не параллельно, а перпендикулярно поверхности подложки.

Теоретическая максимальная плотность возможна при умении различать отдельные атомы на поверхности. Модель записи на молекулярном уровне, разработанная Ч. Баушлихером и Р. Меркле (Ch. Bauschlicher и R. Mеrkle) из NASA, показывает возможность хранения информации с плотностью до 10 петабит (1015 бит) на квадратный дюйм (квадратный дюйм поверхности содержит порядка 1016 атомов). Схема предлагаемого считывающего устройства состоит из проводящего зонда, сканирующего поверхность алмаза (111) с адсорбированным на ней монослоем атомов водорода и фтора. Зонд представляет собой проводящую углеродную нанотрубку, к которой крепится молекула пиридина (при этом сама нанотрубка закрепляется на зонде сканирующего туннельного микроскопа). При сканировании зонда вдоль алмазной поверхности, покрытой монослоем адсорбата, молекула C5H5N согласно квантовым моделям способна «отличить» по туннельному току адсорбированный атом фтора от адсорбированного атома водорода. В то же время было показано, что индивидуальные атомы водорода могут быть контролируемо удалены с поверхности и, соответственно, замещены атомами фтора в контролируемой атмосфере.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К РАЗДЕЛУ I

1.Какие требования предъявляются к современным и перспективным материалам для машиностроения?

2.Сформулируйте принципы химической комбинаторики при создании материалов с заданными свойствами и приведите примеры на каждый принцип.

3.Дайте классификацию высокопористых материалов.

4.Опишите структуру, свойства и методы исследования свойств высокопористых материалов.

5.Где используются высокопористые материалы?

6.Опишите технологии производства высокопористых материалов.

7.Опишите структуру и свойства сверхтвердых материалов, назовите области их применения.

90