Nanometro

Rapporti scientifici volume 5, numero articolo: 14414 (2015) Citare questo articolo

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Lo sviluppo di particelle magnetiche di dimensioni nanometriche che esibiscono un ampio campo coercitivo (Hc) è molto richiesto per la densificazione della registrazione magnetica. Qui riportiamo una ferrite magnetica dura di singola nanodimensione (cioè meno di dieci nanometri di diametro). Questa ferrite magnetica è composta da ε-Fe2O3, con un valore Hc sufficientemente elevato per i sistemi di registrazione magnetica e una costante di anisotropia magnetica notevolmente elevata di 7,7 × 106 erg cm−3. Ad esempio, le nanoparticelle da 8,2 nm hanno un valore Hc di 5,2 kOe a temperatura ambiente. Una soluzione colloidale di queste nanoparticelle possiede un colore arancione chiaro a causa di un ampio intervallo di banda di 2,9 eV (430 nm), indicando la possibilità di pigmenti magnetici trasparenti. Inoltre, abbiamo osservato la generazione della seconda armonica indotta dalla magnetizzazione (MSHG). L'effetto ottico-magnetoelettrico non lineare del presente nanocristallo magnetico polare era piuttosto forte. Questi risultati sono stati dimostrati in un semplice ossido di ferro, il che è altamente significativo dal punto di vista del costo economico e della produzione di massa.

I materiali magnetici sono stati utilizzati per tutta una serie di applicazioni: supporti di registrazione magnetica, magneti permanenti, assorbitori di onde elettromagnetiche, fluidi magnetici, somministrazione di farmaci, solo per citarne alcune1,2,3,4,5,6,7,8. Dal punto di vista della densificazione dei mezzi di registrazione magnetica, lo sviluppo di una particella magnetica di dimensioni nanometriche (meno di 10 nm di diametro) con un grande campo coercitivo (Hc) è il logico passo successivo. Nei sistemi di registrazione magnetica9,10,11, come dischi rigidi o nastri magnetici, il valore Hc richiesto per la scrittura e la lettura è di ca. 3 kOe. Un Hc maggiore è necessario per i futuri sistemi di registrazione magnetica, come i supporti a pattern di bit o la registrazione magnetica assistita dal calore. I materiali che presentano proprietà multiferroiche stanno attirando sempre più attenzione12,13,14,15,16,17 come supporti di registrazione magnetica assistiti elettricamente13. Inoltre, lo sviluppo di un magnete otticamente trasparente è altamente auspicabile per nuove applicazioni, come finestre trasparenti che assorbono le onde elettromagnetiche o pigmenti colorati magnetici per stampanti. Alla luce dei requisiti di cui sopra, l'ossido di ferro epsilon ε-Fe2O3 è un materiale interessante perché presenta un elevato valore Hc a temperatura ambiente7,18,19,20,21,22,23,24,25. Nel presente lavoro sviluppiamo un metodo sintetico per la preparazione di particelle sferiche ε-Fe2O3 a singola nanodimensione. I nanomagneti risultanti soddisfano il valore Hc richiesto per le applicazioni di registrazione magnetica menzionate sopra. Inoltre, mostrano una generazione di seconda armonica indotta dalla magnetizzazione (MSHG), con un forte effetto magnetoelettrico (ME). Il colore di questa serie è molto chiaro e il coefficiente di assorbimento è piccolo nella regione del visibile. In questo lavoro riportiamo la procedura di sintesi, la struttura cristallina, le dimensioni delle particelle e le proprietà magnetiche delle nanoparticelle ε-Fe2O3 di dimensioni nanometriche. Inoltre, presentiamo i calcoli dei principi primi per il gap di banda ottica, la polarizzazione elettrica spontanea del cristallo polare e l'effetto ottico-ME non lineare.

ε-Fe2O3 di dimensioni nanometriche è stato preparato da un precursore, in cui le nanoparticelle di ferriidrite Fe10O14(OH)2 erano incorporate nella matrice SiO2. I dettagli della procedura sintetica sono descritti nella sezione Metodi. In questo rapporto descriviamo 18 campioni sinterizzati in un ampio intervallo di temperature: 250 °C (S-250), 500 °C (S-500), 731 °C (S-731), 902 °C (S-902 ), 924 °C (S-924), 951 °C (S-951), 979 °C (S-979), 1002 °C (S-1002), 1020 °C (S-1020), 1032 °C (S-1032), 1044 °C (S-1044), 1061 °C (S-1061), 1063 °C (S-1063), 1104 °C (S-1104), 1142 °C (S-1142) , 1198 °C (S-1198), 1213 °C (S-1213) e 1295 °C (S-1295).

I modelli di diffrazione dei raggi X in polvere (XRPD) dei campioni sinterizzati e del precursore sono mostrati in Fig. 1 e Fig. S1 supplementare. Il modello XRPD del precursore mostra Fe10O14(OH)2 con struttura cristallina esagonale (gruppo spaziale P63mc, a = 6,04 Å, c = 8,75 Å). Con l'aumento della temperatura di sinterizzazione, Fe10O14(OH)2 inizia a trasformarsi in γ-Fe2O3 (cubico, Fd3–m, a = 8,37 Å) intorno a 250 °C. Quando la temperatura di sinterizzazione aumenta, γ-Fe2O3 si trasforma in ε-Fe2O3 intorno a 500 °C. Al di sopra di 951 °C, i modelli XRPD per S-951–S-1104 mostrano una fase ε-Fe2O3 pura (ortorombica, Pna21, a = 5,09 Å, b = 8,80 Å e c = 9,48 Å per S-1020) (Tabella supplementare S1). Al di sopra di 1142 °C viene rilevata una piccola quantità di α-Fe2O3 (romboedrico, R3–c, a = 5,04 Å e c = 13,75 Å per S-1295). In questo metodo sintetico, si ottiene ε-Fe2O3 puro in un intervallo di temperature di sinterizzazione sorprendentemente ampio. La gamma è più ampia di quella dei metodi precedentemente riportati, inclusa una combinazione di metodi a micella inversa e sol-gel20 e metodo di impregnazione utilizzando silice mesoporosa7.