Μελέτη της επίδρασης της επιφάνειας και της διεπιφάνειας στη μαγνητική συμπεριφορά νανοσωματιδίων

Abstract

The magnetic nanoparticles (NP) have magnetic behavior different from that of the bulk materials. Their magnetic properties which are new or modified from that of the bulk materials have created new challenges for their study and novel technological applications. In the present work, an atomic three-dimensional model of a spherical nanoparticle has been developed taking into account explicitly each atomic magnetic moment. Furthermore a computational code has been developed using the Metropolis Monte Carlo algorithm to simulate the magnetic behavior of antiferromagnetic, ferrimagnetic and composite NP with a core/shell morphology. Our simulations have demonstrated the dominant role of the surface to the magnetic behavior of antiferromagnetic and ferrimagnetic NP due to its anisotropy and the number of 'uncompensated' magnetic moments. The behavior of the coercive field Hc for the ferrimagnetic NP depends on the details of their surface and their size. The experimental findings for nanoparticles NiO and γ-Fe₂O₃ confirmed our simulation results. Our study has also extended to the case of composite NP with ferromagnetic core and a ferrimagnetic disordered shell. We have demonstrated the important role of the interface in their magnetic behavior. We showed that Hc, exchange bias field HE and remanent magnetization depend on the cooling field. Also the increase of the ferrimagnetic shell thickness causes at first the increase and the stabilization of the Hc and the HE, and the increase of the core radius causes the reversed dependence of the Hc on the temperature above a critical temperature. In all cases Hc and HE decrease exponentially with temperature due to the disordered shell. The training and aging effects, which are characteristic of disordered systems, have also been studied for the composite NP. The simulation results are in agreement with the experimental ones. Finally a novel model for an assembly of composite NPs with ferromagnetic core/antiferromagnetic shell morphology has been developed to study the interface effects together with the interparticle dipolar interaction effects using the Monte Carlo technique. In our study the comparison of the magnetic behavior of the assembly of the composite NPs with that of the assembly of ferromagnetic NPs demonstrated the important role of the exchange anisotropy along the interface. Our results are in agreement with the experimental findings for an assembly of Co NPs embedded in Mn and Ag matrices.

Η μελέτη νέων αλλά και διαφοροποιημένων σε σχέση με αυτές των συμπαγών μαγνητικών υλικών ιδιοτήτων των συστημάτων μαγνητικών νανοσωματιδίων ανοίγει νέους ορίζοντες στην ανάπτυξη τεχνολογικών εφαρμογών. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε ένα τρισδιάστατο μοντέλο σφαιρικού νανοσωματιδίου στο οποίο κάθε ατομική μαγνητική ροπή λαμβάνεται ρητά υπόψη. Αναπτύχθηκε υπολογιστικά ένας κώδικας που χρησιμοποιεί τον αλγόριθμο Metropolis Monte Carlo για την προσομοίωση της μαγνητικής συμπεριφοράς αντισιδηρομαγνητικών, σιδηριμαγνητικών νανοσωματιδίων καθώς και σύνθετων νανοσωματιδίων με μορφολογία σιδηρομαγνητικού πυρήνα/σιδηριμαγνητικού φλοιού. Οι προσομοιώσεις μας ανέδειξαν τον κυρίαρχο ρόλο της επιφάνειας στη μαγνητική συμπεριφορά των αντισιδηρομαγνητικών νανοσωματιδίων, τόσο εξαιτίας του είδους και μεγέθους της ανισοτροπίας της όσο και εξαιτίας του αριθμού των 'μη αντισταθμισμένων' μαγνητικών ροπών. Στα σιδηριμαγνητικά νανοσωματίδια η συμπεριφορά του συνεκτικού πεδίου (Hc) εξαρτάται τόσο από την επιφάνεια όσο και από το μέγεθος τους. Τα αποτελέσματα μας επιβεβαιώθηκαν από αντίστοιχα πειραματικά για νανοσωματίδια NiO και γ-Fe₂O₃. Η μελέτη μας επεκτάθηκε στα σύνθετα νανοσωματίδια με σιδηρομαγνητικό πυρήνα και άτακτο σιδηριμαγνητικό φλοιό όπου τα φαινόμενα διεπιφάνειας επηρεάζουν την μαγνητική συμπεριφορά τους. Βρέθηκε ότι το Hc, το πεδίο ανταλλαγής (HE) και η παραμένουσα μαγνήτιση εξαρτώνται από το πεδίου ψύξης. Επίσης η αύξηση του πάχους του σιδηριμαγνητικού φλοιού οδηγεί αρχικά στην αύξηση και μετά στη σταθεροποίηση των πεδίων Hc και HE ενώ η αύξηση της ακτίνας του πυρήνα προκαλεί αντιστροφή στην εξάρτηση του Hc από τη θερμοκρασία πάνω από μια κρίσιμη θερμοκρασία. Σε όλες τις περιπτώσεις τα πεδία Hc και HE μειώνονται εκθετικά με τη θερμοκρασία εξαιτίας του άτακτου φλοιού. Ακόμα μελετήθηκαν τα φαινόμενα παίδευσης και γήρανσης που οφείλονται στον άτακτο φλοιό. Τα αποτελέσματα μας συμφωνούν με τα αντίστοιχα πειραματικά. Τέλος προχωρήσαμε στην ανάπτυξη ενός νέου μοντέλου συλλογής σύνθετων νανοσωματιδίων με μορφολογία σιδηρομαγνητικού πυρήνα/αντισιδηρομαγνητικού φλοιού για τη μελέτη των φαινομένων διεπιφάνειας και διπολικών αλληλεπιδράσεων με τη μέθοδο Monte Carlo. Η σύγκριση της μαγνητικής συμπεριφοράς της παραπάνω συλλογής με αυτής μιας συλλογής απλών σιδηρομαγνητικών νανοσωματιδίων ανέδειξε το ρόλο της ανισοτροπίας ανταλλαγής της διεπεφάνειας. Τα αποτελέσματα μας συμφωνούν με τα πειραματικά αποτελέσματα για συλλογές νανοσωματιδίων Co σε μήτρες Ag και Μn.