Гетерогенное магнитное состояние в нанокристаллическом оксиде CuO

Исследованы структурное состояние и магнитные свойства образцов нанокристаллического оксида меди со средним размером частиц около 40 и 13 nm, синтезированных электровзрывным и газофазным методами соответственно. Образцы изучались с помощью рентгеноструктурного анализа, нейтронографии, магнитных измерений, высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии и ядерного магнитного резонанса на атомах меди. Показано, что в исходном состоянии независимо от метода синтеза наночастицы CuO характеризуются неоднородным магнитным состоянием: наличием дальнего антиферромагнитного порядка, существованием спонтанной намагниченности, особенно при низкой температуре, и парамагнитных центров. Ферромагнитный вклад, вероятно, обусловлен появлением магнитных поляронных состояний из-за фазового расслоения в системе, вызванного избыточными носителями заряда в результате существования точечных дефектов (вакансий в анионной подрешетке) в наносостоянии. В этом состоянии наблюдается неоднородно уширенный спектр ядерного магнитного резонанса, который представляет собой суперпозицию спектров от исходной антиферромагнитной матрицы и от ферромагнитно упорядоченных областей. При большой концентрации ферромагнитно упорядоченных областей в антиферромагнитной матрице регистрируется ЯМР-спектр наночастиц CuO, в основном от областей с ферромагнитной фазой. Появление намагниченности также может быть частично связано с фрустрацией спинов в CuO, и такое состояние предположительно локализовано вблизи наиболее дефектной поверхности наночастиц. Восприимчивость наночастиц в исходном состоянии в высоких полях существенно больше, чем для образцов, прошедших отжиг, что, вероятно, вызвано влиянием высокой концентрации магнитных поляронов. Связь ферромагнитного вклада с размером частиц не обнаружена. Так, в образцах CuO после отжига при 400$^\circ$C в среде воздуха, когда средний размер наночастиц CuO остается неизменным, полностью исчезает ферромагнитный вклад, при этом магнитное поведение становится качественно подобным поведению в случае массивного CuO.