ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА С МЕТАЛЛОДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ КОМПОЗИТНЫМИ И ТОНКОПЛЕНОЧНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ Ринкевич А.Б. 1, Самойлович. - презентация

1 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА С МЕТАЛЛОДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ КОМПОЗИТНЫМИ И ТОНКОПЛЕНОЧНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ Ринкевич А.Б. 1, Самойлович М.И. 2 1 Институт физики металлов УрО РАН, Россия, Екатеринбург, ГСП-170, ул.С.Ковалевской, 18, 2 ЦНИТИ Техномаш, Россия, , г. Москва, ул. Ивана Франко, 4, СВЧ-2012, Омск

2 Содержание 1. Проблема взаимодействия высокочастотных электромагнитных волн с неоднородными средами. 2. Взаимодействие волн с 3D-композитными средами на основе опаловых матриц: измерение диэлектрической проницаемости структур на основе опаловых матриц; методика экспериментов; влияние магнитного поля на коэффициенты прохождения и отражения; магнитный резонанс и антирезонанс; опаловая матрица с наночастицами ферро- и ферримагнетиков как метаматериал. 4. Заключение. СВЧ-2012, Омск

3 По существу, тензор ij ( ) описывает как электрический, так и магнитный отклики среды для произвольных и к, поскольку, при учете пространственной дисперсии, вектор к выделяет определенное направление. В этом случае, в пространственной дисперсии появляется параметр, описывающий «магнитный отклик», связанный с магнитной восприимчивостью, а в магнитной проницаемости – «электрический отклик» среды. При увеличении частоты, в отличие от ( ), магнитная проницаемость ( ) сравнительно рано теряет физический смысл, а именно, перестает быть физической величиной определяющей магнитный момент единицы объема среды. Последнее, например, означает, что в ( ) невозможно пренебречь вкладом от диэлектрической проницаемости (зависящей от времени), поскольку магнитный момент единицы объема определяется токами электрической поляризации. A metamaterial (or meta material) is a material that gains its properties from its structure rather than directly from its composition. To distinguish metamaterials from other composite materials, the metamaterial label is usually used for a material that has unusual properties. Such unusual properties could be a negative refractive index or infinite inertia (which are not found in naturally occurring materials). The term was coined in 1999 by Rodger M. Walser of the University of Texas at Austin, and he defined metamaterials as macroscopic composites having a manmade, three- dimensional, periodic cellular architecture designed to produce an optimized combination, not available in nature, of two or more responses to specific excitation.compositeUniversity of Texas at Austin Метаматериалы определяются как материалы, основные свойства которых определяются, прежде всего, их структурой, а не составом. Отличие метаматериалов от других композитных материалов заключается в использовании такого термина для материалов с такими необычными свойствами, как отрицательный показатель преломления или другие (не наблюдавшиеся в природных материалах). Термин был введен в 1999 году Rodger M. Walser из University of Texas at Austin, который обозначил метаматериалы, как макроскопические композиты, характеризующиеся как искусственно изготовленные, а также обладающие трехмерностью, периодической ячеистой архитектурой, сконструированной в оптимальном варианте, но не по природным аналогам и обладающей двумя или более откликами к необычным возбуждениям.University of Texas at Austin СВЧ-2012, Омск

4 Особенности высокочастотной электродинамики метаматериалов R. M. Cole, Y. Sugawara, and J. J. Baumberg PRL 97, (2006) Whispering Gallery Plasmons in Dielectric Nanospheres Embedded in Gold Films СВЧ-2012, Омск Резонанс плазмонов в системе, образованной пленкой золота с диэлектрическими наносферами. Система действует как резонатор типа шепчущая галерея. A.K. Sarychev, V.N.Shalaev. "Electrodynamics of Metamaterials. Word Scientific p.

5 Фокусировка СВЧ излучения C. Monzon et al PRL 96, (2006) Three-Dimensional Focusing of Broadband Microwave Beams by a Layered Photonic Structure Фокусировка микроволнового излучения слоистой фотонной структурой, которая осуществляется в условиях отрицательного показателя преломления. СВЧ-2012, Омск

6 P. Bykov, "Spontaneous emission in a periodic structure," J. Eksp. Teor. Fiz., vol. 35, pp , E. Yablonovitch, "Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics," Phys. Rev. Lett., vol. 58, pp , p. В.М. Агранович, Ю.Н.Горштейн. Пространственная дисперсия и отрицательное преломление волн. УФН т , с В изотропной среде частота волны зависит от модуля волнового вектора к, а значит групповая скорость V g =d (к)/dk может быть направлена по к или по –к. СВЧ-2012, Омск

7 а б Электронно-микроскопические снимки опаловой матрицы (упорядоченная упаковка наносфер SiO 2 ): а) поверхность б) объемный фрагмент;. Наноматериалы: Фотонные кристаллы и нанокомпозиты на основе опаловых матриц, Под редакцией М.И. Самойловича. Москва, ЦНИТИ Техномаш, с. СВЧ-2012, Омск

8 Получение опаловых матриц Мелкие разветвленные наночастицы аморфного SiO 2. Поликонденсация. Получение сферических частиц аморфной двуокиси кремния Отстаивание суспензии. осадок представляет собой гидрогель Термообработка для упрочнения опаловых матриц и удаления воды Результат: опаловая матрица с плотноупакованными субмикронными сферами СВЧ-2012, Омск

9 Получение нанокомпозитов Метод пропитки Пропитка опаловой матрицы веществом прекурсором Последующая термообработка при температурах от 500 до С Получение нанокомпозита с металлическими частицами Отжиг в атмосфере водорода при температуре С Режим отжига : 1) откачка воздуха. 2) нагрев, при котором происходит десорбция из образца (начинается при С). 3) после завершения десорбции производится увеличение давления водорода до 2,5 Атм. 4) Отжиг проводился в течении 7 часов при температуре С СВЧ-2012, Омск

10 Структура нанокомпозитов 30 nm Структура нанокомпозита, содержащего марганец-цинковую шпинель Структура нанокомпозита, содержащего никель-цинковую шпинель СВЧ-2012, Омск

11 Структура нанокомпозитов с частицами металлов (a) (b) Электронномикроскопическое изображение структуры нанокомпозита с частицами кобальта: увеличение х60000, напряжение 20 кВ – а, увеличение х100000, напряжение 25 кВ – б а б

12 Магнитное состояние 3D нанокомпозитов Кривая намагничивания нанокомпозита с частицами никель-цинкового феррита имеет участок быстрого роста в слабых полях, а значит, часть частиц упорядочена ферромагнитно. Полного насыщения нет даже в полях в десятки килоэрстед, так что часть частиц суперпарамагнитна. Справа - петли гистерезиса нанокомпозита с частицами неодим-кобальт-цинкового феррита, при этом, при низких температурах, коэрцитивная сила аномально велика. СВЧ-2012, Омск

13 Температурная зависимость магнитной восприимчивости Температурная зависимость магнитной восприимчивости нанокомпозита с наночастицами никель-цинкового композита. Измерения в поле 10 кЭ дают стандартный результат, когда восприимчивость уменьшается с ростом температуры. На результат измерений в поле 0,1 кЭ оказывает влияние магнитная предыстория образца, наблюдается гистерезис, что подтверждает наличие взаимодействия между наночастицами феррита. СВЧ-2012, Омск

14 Электрические свойства Нанокомпозит с частицами металлического кобальта Проводимость на DC: Сим/м; на волнах мм диапазона 0.36 Сим/м = 3.3 Образец 132/7-700 образцаСостав, Сим/м 155/7-700Pd + Co+ opal /7-700Ni + opal /7-900Nd + Fe+ opal б/нб/нNi + Fe+ opal СВЧ-2012, Омск

15 Диэлектрическая проницаемость и микроволновая проводимость СВЧ-2012, Омск Частотные зависимости: а) микроволновой проводимости; б) диэлектрических характеристик нанокомпозитов – опаловая матрица (5) и опаловая матрица, межсферические нанополости которой частично заполнены: 1 – Ni+Fe; 2 – Fe; 3 – Ni+Fe+Со; 4 – Ni

16 СВЧ измерения в волноводе Sample Waveguide (b) H//E ~ Образец перегораживает сечение волновода. Показана структура микроволновых электрического E~ и магнитного H~ полей. Постоянное магнитное поле может лежать параллельно (a), или перпендикулярно (b) плоскости микроволнового магнитного поля, что предпочтительнее для наблюдения магнитного резонанса ( используется в дальнейшем). Измерялись коэффициенты прохождения и отражения электромагнитных волн миллиметрового диапазона в области от 26 до 38 ГГц. СВЧ-2012, Омск

17 Поглощение волн миллиметрового диапазона СВЧ-2012, Омск Тенденция: Чем больше содержание 3d-металла (Co, Mn или Ni), тем больше коэффициент затухания

18 Магнитный резонанс и антирезонанс в отражении электромагнитных волн Co 0.5 Zn 0.5 Fe 2 O 4 Co 0.35 Zn 0.65 Fe 2 O 4 Магнитный резонанс и антирезонанс в отражении волн от нанокомпозитов с частицами кобальт-цинковых ферритов. На более низких частотах есть только магнитный резонанс, соответствующий минимуму отражения. На частотах свыше 32 ГГц в полях, меньших резонанса, присутствует и антирезонанс – максимум коэффициента отражения. СВЧ-2012, Омск

19 Спектры магнитного резонанса и антирезонанса 3D-нанокомпозита частицами Co-Zn феррита-шпинели Частотная зависимость полей резонанса и антирезонанса, так что область между линией антирезонанса ( черные треугольники) и резонанса (незаполненные кружки) – участок, где действительная часть магнитной проницаемости может быть отрицательной. СВЧ-2012, Омск

20 Проникновение электромагнитных волн через пластину слабо проводящей среды Проникновение электромагнитных волн через пластину слабо проводящей среды Коэффициент прохождения Коэффициент отражения ξ = Z2/Z1ξ = Z2/Z1 Отношение импедансов Постоянная распространения Эффективная магнитная проницаемость ε // - компонента ε 33 тензора диэлектрической проницаемости, а μ выражается через диагональную μ и недиагональную μ a компоненты тензора μ СВЧ-2012, Омск

21 Гигантский антирезонанс в отражении от нанокомпозита с частицами Ni-Zn ферритаГигантский антирезонанс в отражении от нанокомпозита с частицами Ni-Zn феррита Изменение коэффициента отражения для никель-цинкового феррита оказалось особенно велико, более 150%, так что эффект можно назвать гигантским. СВЧ-2012, Омск

22 Относительные изменения коэффициентов прохождения и отражения в магнитном поле ; Если Теоретические выражения для коэффициентов прохождения и отражения. Они зависят от отношения импедансов образца (Z 2 ) и волновода (Z 1 ), толщины образца d и постоянной распространения 2, которая, в свою очередь, зависит от магнитной проницаемости. Поэтому, на характеристиках волны сказываются магнитный резонанс и антирезонанс. Расчет зависимости коэффициентов прохождения и отражения от магнитного поля проводился в предположении малых изменений указанных величин. СВЧ-2012, Омск

23 Характеристики антирезонанса 1. Приводит к минимуму поглощенной мощности 2. Осуществляется в полях, меньших резонансного 3. Существует только на частотах, больших некоторой, характерной для данного магнитного материала Основные свойства антирезонанса Из данных по прохождению и отражению волн получена зависимость мощности, поглощенной в образце, от напряженности магнитного поля. Слева приведены основные характеристики антирезонанса для проводящих сред ( см. например, М.И.Каганова - ЖЭТФ, 1960, т. 39, Вып.1(7), с ). В экспериментах все указанные характеристики антирезонанса присутствуют. Из теории следует, что антирезонанс соответствует нулевому значению действительной части магнитной проницаемости. Так что, в полях от антирезонанса до резонанса, действительная часть магнитной проницаемости отрицательна. СВЧ-2012, Омск

24 Полевая зависимость действительной и мнимой частей магнитной проницаемости частиц никель-цинкового феррита Извлеченные из экспериментальных данных по микроволновому прохождению полевые зависимости действительной и мнимой частей магнитной проницаемости. СВЧ-2012, Омск

25 Магнитный резонанс и антирезонанс в 3D- нанокомпозите с частицами металлического Co ПрохождениеОтражение Показаны полевые зависимости коэффициента прохождения для метало- диэлектрического нанокомпозита с частицами металлического кобальта. Отличие такого нанокомпозита от предыдущих заключается в том, что наночастицы обладают проводимостью. Для проводящей среды диэлектрическая проницаемость считается отрицательной. Поэтому, в области от антирезонанса до резонанса, такой нанокомпозит может быть двойной левой средой, а именно, имеет отрицательный коэффициент преломления (метаматериал). СВЧ-2012, Омск

26 Заключение 1.Исследованы микроволновые свойства 3D-нанокомпозитов на основе опаловых матриц с наночастицами Co и ферритов- шпинелей. 2.Микроволновые изменения вызваны магнитным резонансом и антирезонансом в наночастицах. Спектры магнитного резонанса содержат акустическую ветвь 3.Проведены исследования реальной и мнимой компонент диэлектрической проницаемости синтезированных метаматериалов в диапазоне от 10 МГц до 3 ТГц. 4. 3D-нанокомпозиты в области частот между антирезонансом и резонансом можно рассматривать как метаматериалы.