ФЕРРОМАГНИТНЫЕ НАНОТРУБКИ В ПОРАХ ТРЕКОВЫХ МЕМБРАН ДЛЯ ЭЛЕМЕНТОВ ГИБКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

В работе рассмотрены особенности шаблонного синтеза нанотрубок из ферромагнитных металлов (Fe, Co, Ni) в порах трековых мембран. Целью работы являлось изучение их основных структурных и магнитных параметров и демонстрация потенциала применения в элементах гибкой электроники.

При помощи электрохимического осаждения в порах полиэтилентерефталатовых трековых мембран сформированы ферромагнитные нанотрубки с диаметром 110 нм и аспектным соотношением 100. Методом сканирующей электронной микроскопии изучены морфологические особенности полученных наноструктур, методом энергодисперсионного анализа изучен элементный состав. С использованием рентгеноструктурного анализа установлены основные параметры кристаллической структуры: тип кристаллической решетки, параметр элементарной ячейки и средний размер кристаллитов. Методом вибрационной магнитометрии изучены магнитные свойства.

Показано, что вне зависимости от типа ферромагнитного металла при выбранных условиях синтеза нанотрубки имеют одинаковые характеристические размеры – длину, диаметр и толщину стенки. Полученные нанотрубки состоят соответственно из железа, из кобальта и из никеля и не содержат оксидных примесей. Нанотрубки имеют поликристаллическую структуру стенок с объемно-центрированной кубической (железные), гране-центрированной кубической (кобальтовые и никелевые) кристаллической решеткой. По основным магнитным параметрам нанотрубки соответствуют группе магнитомягких материалов. Также установлено наличие магнитной анизотропии, которая обусловлена особенностями кристаллической структуры и формой наноструктур.

На основании анализа особенностей структурных и магнитных характеристик ферромагнитных нанотрубок, синтезированных в порах трековых мембран, предложены базовые принципы их использования при конструировании элементов гибкой электроники: наноконденсаторов, датчиков направления магнитного поля и магнитных элементов памяти. 

1. Fink D. Fundamentals of Ion-Irradiated Polymers: Fundamentals and Applications. Vol. 1. Berlin-Heidelberg: Springer, 2004. https://doi.org/10.1007/978-3-662-07326-1

2. Apel P.Y., Dmitriev S.N. Microand nanoporous materials produced using accelerated heavy ion beams. Adv. Nat. Sci. Nanosci. Nanotechnol., 2011, vol. 2, no. 1, pp. 13002. https://doi.org/10.1088/2043-6262/2/1/013002

3. Kaniukov E.Y., Ustarroz J., Yakimchuk D.V., Petrova M., Terryn H., Sivakov V., Petrov A.V. Tunable nanoporous silicon oxide templates by swift heavy ion tracks technology. Nanotechnology, 2016, vol. 27, no. 11, pp. 115305. https://doi.org/10.1088/0957-4484/27/11/115305

4. Hoppe K., Fahrner W.R., Fink D., Dhamodoran S., Petrov A., Chandra A., Saad A., Faupel F., Chakravadhanula V.S.K., Zaporotchenko V. An ion track based approach to nanoand micro-electronics. Nucl. Instruments Methods Phys. Res. B, 2008, vol. 266, no. 8, pp. 1642-1646. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2007.12.069

5. Hulteen J.C., Martin C.R. A general templatebased method for the preparation of nanomaterials. J. Mater. Chem., 1997, vol. 7, no. 7, pp. 1075-1087. https://doi.org/10.1039/a700027h

6. Mitchell D.T., Lee S.B., Trofin L., Li N., Nevanen T.K., Söderlund H., Martin C.R. Smart Nanotubes for Bioseparations and Biocatalysis. J. Am. Chem. Soc., 2002, vol. 124, no. 40, pp. 11864-11865. https://doi.org/10.1021/ja027247b

7. Park J.H., Lee D.Y., Kim Y.-H., Kim J.K., Lee J.H., Park J.H., Lee T.-W., Cho J.H. Flexible and Transparent Metallic Grid Electrodes Prepared by Evaporative Assembly. ACS Appl. Mater. Interfaces., 2014, vol. 6, no. 15, pp. 12380-12387. https://doi.org/10.1021/am502233y

8. Wang J., Jiu J., Nogi M., Sugahara T., Nagao S., Koga H., He P., Suganuma K. A highly sensitive and flexible pressure sensor with electrodes and elastomeric interlayer containing silver nanowires. Nanoscale, 2015, vol. 7, no. 7, pp. 2926-2932. https://doi.org/10.1039/C4NR06494A.

9. Jiu J., Suganuma K. Metallic Nanowires and Their Application. IEEE Trans. Components, Packag. Manuf. Technol., 2016, vol. 6, no. 12, pp. 1733-1751. https://doi.org/10.1109/TCPMT.2016.2581829

10. Chang I., Park T., Lee J., Lee M.H., Ko S.H., Cha S.W. Bendable polymer electrolyte fuel cell using highly flexible Ag nanowire percolation network current collectors. J. Mater. Chem. A, 2013, vol. 1, no. 30, pp. 8541. https://doi.org/10.1039/c3ta11699a

11. Melzer M., Mönch J.I., Makarov D., Zabila Y., Cañón Bermúdez G.S., Karnaushenko D., Baunack S., Bahr F., Yan C., Kaltenbrunner M., Schmidt O.G. Wearable Magnetic Field Sensors for Flexible Electronics. Adv. Mater., 2015, vol. 27, no. 7, pp. 1274-1280. https://doi.org/10.1002/adma.201405027

12. Cohen-Karni T., Timko B.P., Weiss L.E., Lieber C.M. Flexible electrical recording from cells using nanowire transistor arrays. Proc. Natl. Acad. Sci., 2009, vol. 106, no. 18, pp. 7309-7313. https://doi.org/10.1073/pnas.0902752106

13. Patolsky F., Zheng G., Lieber C.M. NanowireBased Biosensors. Anal. Chem., 2006, vol. 78, no. 13, pp. 4260-4269. https://doi.org/10.1021/ac069419j

14. Kaniukov E.Y., Kozlovsky A.L., Shlimas D.I., Zdorovets M.V., Yakimchuk D.V., Shumskaya E.E., Kadyrzhanov K.K. Electrochemically deposited copper nanotubes. J. Surf. Investig. X-ray, Synchrotron Neutron Tech., 2017, vol. 11, no. 1, pp. 270-275. https://doi.org/10.1134/S1027451017010281

15. Demyanov S.E., Kaniukov E.Y., Petrov A.V., Belonogov E.K., Streltsov E.A., Ivanov D.K., Ivanova Y.A., Trautmann C., Terryn H., Petrova M., Ustarroz J., Sivakov V. On the morphology of Si/SiO2 /Ni nanostructures with swift heavy ion tracks in silicon oxide. J. Surf. Investig. X-ray, Synchrotron Neutron Tech., 2014, vol. 8, no. 4, pp. 805-813. https://doi.org/10.1134/S1027451014040326

16. Kozlovskiy A., Zhanbotin A., Zdorovets M., Manakova I., Ozernoy A., Kiseleva T., Kadyrzhanov K., Rusakov V., Kanyukov E. Mossbauer research of Fe/Co nanotubes based on track membranes. Nucl. Instruments Methods Phys. Res. Sect. B Beam Interact. with Mater. Atoms., 2016, vol. 381, pp. 103-109. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2016.05.026

17. Kalanda N.A., Gorokh G.G., Yarmolich M.V., Lozovenko A.A., Kanyukov E.Y. Magnetic and magnetoresistive properties of Al2 O3 -Sr2 FeMoO6-δ-Al2 O3 nanoheterostructures. Phys. Solid State, 2016, vol. 58, no. 2, pp. 351-359. https://doi.org/10.1134/S1063783416020128

18. Wang X.W., Yuan Z.H., Fang B.C. Templatebased synthesis and magnetic properties of Ni nanotube arrays with different diameters. Mater. Chem. Phys., 2011, vol. 125, no. 1-2, pp. 1-4. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2010.08.083

19. Zhang F., Zhao D. Fabrication of ordered magnetite-doped rare earth fluoride nanotube arrays by nanocrystal self-assembly. Nano Res., 2009, vol. 2, no. 4, pp. 292-305. https://doi.org/10.1007/s12274-009-9027-6

20. Kozlovskiy A.L., Shlimas D.I., Shumskaya A.E., Kaniukov E.Y., Zdorovets M.V., Kadyrzhanov K.K. Influence of electrodeposition parameters on structural and morphological features of Ni nanotubes. Phys. Met. Metallogr., vol. 118, no. 2, pp. 164-169, 2017. https://doi.org/10.1134/S0031918X17020065

21. Shumskaya A.E., Kaniukov E.Y., Kozlovskiy A.L., Zdorovets M. V., Rusakov V.S., Kadyrzhanov K.K. Structure and Physical Properties of Iron Nanotubes Obtained by Template Synthesis. Phys. Solid State, 2017, vol. 59, no. 4, pp. 784-790. https://doi.org/10.1134/S1063783417040266

22. Kaniukov E.Y., Shumskaya E.E., Yakimchuk D.V., Kozlovskiy A.L., Ibragimova M.A., Zdorovets M.V. Evolution of the polyethylene terephthalate track membranes parameters at the etching process. J. Contemp. Phys. (Armenian Acad. Sci.), 2017, vol. 52, no. 2, pp. 155-160. https://doi.org/10.3103/S1068337217020098

23. Kozlovskiy A., Borgekov K., Zdorovets M., Arkhangelsky E., Shumskaya A., Kanukov E. [Application of ion-track membranes in processes of direct and reverse osmosis]. Vestsi NAN Belarusi, Fiziko-tekhnicheskaya seriya [Proceeding of the National academy of sciences of Belarus, physico-technical series], 2017, vol. 1, pp. 45-51 (in Russian).

24. Yoo B., Xiao F., Bozhilov K.N., Herman J., Ryan M.A., Myung N.V. Electrodeposition of thermoelectric superlattice nanowires. Adv. Mater., 2007, vol. 19, no. 2, pp. 296-299. https://doi.org/10.1002/adma.200600606

25. Motoyama M., Fukunaka Y., Sakka T., Ogata Y.H. Initial stages of electrodeposition of metal nanowires in nanoporous templates. Electrochim. Acta, 2007, vol. 53, no. 1, pp. 205-212. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2007.04.122

26. Bercu B., Enculescu I., Spohr R. Copper tubes prepared by electroless deposition in ion track templates. Nucl. Instruments Methods Phys. Res. Sect. B Beam Interact. with Mater. Atoms, 2004, vol. 225, no. 4, pp. 497-502. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2004.06.011

27. Graham L.M., Cho S., Kim S.K., Noked M., Lee S.B. Role of boric acid in nickel nanotube electrodeposition: a surface-directed growth mechanism. Chem. Commun., 2014, vol. 50, no. 5, pp. 527-529. https://doi.org/10.1039/C3CC47183G

28. Chowdhury T., Casey D.P., Rohan J.F. Additive influence on Cu nanotube electrodeposition in anodised aluminium oxide templates. Electrochem. commun., 2009,