Desordem de spins, anisotropia magnética e magneto-ótica de nanopartículas de ferrita

Abstract

Investigamos neste trabalho a desordem de spins, a anisotropia magnética e magneto-ótica de nanopartículas de ferrita utilizadas na elaboração de líquidos magnéticos. As nanopartículas de ferrita obtidas por síntese química hidrotérmica em meio alcalino são peptizadas em meio aquoso ácido graças a uma estratégia do tipo núcleo-superficie, que previne a dissolução das partículas. Entretanto a sua composição química não é homogênea e pode ser descrita como um núcleo de ferrita estequiométrica envolto por uma camade de superfície de composição media Fe3O4. A fração volumétrica em partículas e a espessura da camada superficial foram determinadas a partir das dosagens químicas. Medidas a temperatura ambiente de magnetização, birrefringência magneto-ótica e rotação Faraday foram utilizadas para caracterizar a distribuição em tamanhos das partículas. Medidas de magnetização em função da temperatura permitiram distinguir entre o núcleo monodomínio magneticamente organizado e uma camada superficial cujos spins congelam a muito baixa temperatura em uma estrutura do tipo vidro de spin. Medidas de espectroscopia Mössbauer em presença de campo aplicado mostraram, pela primeira vez na literatura, a evolução da estrutura núcleo-superfície em função do valor do campo aplicado. A anisotropia magnéticas das nanopartículas foi investigada por magnetometria estática e dinâmica e espectroscopia Mössbauer em função da temperatura e por birrefringência magneto-ótica em campo cruzado. Os resultados indicam uma forte contribuição de superfície associada a uma desordem dos spins superficiais, fracamente acoplados aos do núcleo. _________________________________________________________________________________ RÉSUMÉ

Notre travail vise l´etude du desordre de spins et de l´anisotropie magnetique et magneto-optique de nanoparticules de ferrites synthetisees pour l´elaboration de liquides magnetiques. Ces nanograins, obenus par une methode de chimie douce, sont disperses en milieu acide grace a une strategie coeur/couronne qui permet de proteger les particules de leur dissolution. Leur composition chimique n´est donc plus homogene et celles-ci sont mieux decrites par un coeur de ferrite stoechiometrique et une couche surfacique de composition chimique moyenne Fe3O4. Les dosages chimiques permettent de determiner la fraction volumique en nanoparticules ainsi que l´epaisseur de la couche. Les solutions diluees sont etudiees par des mesures a temperature ambiante d´aimantation, de birefringence magnetoinduite et de rotation Faraday qui permettent entre autres de caracteriser les distributions de tailles de particules. Des mesures de d´aimantation realisees en fonction de la temperature permettent de distinguer le coeur monodomaine magnetiquement ordonne, de la couronne, dont les spins congelent aux basses temperatures dans une structure du type verre de spins. Des experiences de spectroscopie Mossbauer en champ applique montrent pour la premiere fois l´evolution du modele coeur-couronne en fonction d´un champ externe. L´anisotropie magnetique des nanoparticules est etudiee par mesures statiques et dynamiques de magnetometrie, de spectroscopie Mossbauer en fonction de la temperature et de birefringence en champs croises. Les resultats indiquent une tres forte contribution de surface due aux spins desordonnes de la couronne, faiblement couples a ceux du coeur. _________________________________________________________________________________ ABSTRACT

Spins disorder, magnetic and magneto-optical anisotropies are investigated in ferrite nanoparticles synthesized in order to obtain magnetic liquids. Nanograins prepared by a soft chemistry method are dispersed in acidic medium thanks to a core-shell strategy that prevents the particles from dissolution. Their chemical composition is no longer homogeneous and they can be described as a core of stoechiometric ferrite surrounded by a surface layer with a mean composition of Fe3O4 type. Chemical titrations allow to determine the volume fraction of particles and the thickness of the surface layer. Diluted solutions are investigated at room temperature by measurements of magnetization, magneto-optical birefringence and Faraday rotation to characterize the size distribution of particles. Magnetization measurements performed as a function of the temperature allow to distinguish the monodomain core magnetically ordered from the surface shell whose spins freeze at low temperatures in a spinglass like structure. In-field Mossbauer spectroscopy measurements show, for the first time, the evolution of the core-shell structure as a function of the external field. The magnetic anisotropy of the nanoparticles is investigated by static and dynamic magnetometry, Mossbauer spectroscopy as a function of the temperature and birefringence in crossed fields. The results indicate a strong surface contribution due to disordered surface spins, weakly coupled with those of the core (weak pinning limit).