Nanoparticles of antiferromagnetic materials

Daniel Esmarch Madsen

Research output: Book/ReportPh.D. thesisResearch

152 Downloads (Pure)

Abstract

I denne Ph.D. afhandling studeres forskellige egenskaber ved antiferromagnetiske nanopartikler. I en ideel antiferromagnet er spinnene orienteret således at der ikke er et resulterende magnetisk moment. I nanopartikler af antiferromagnetiske materialer er denne kompensation på grund af forskellige størrelseseekter dog ikke perfekt, hvorfor sådanne partikler har et lille ukompenseret magnetisk moment. Traditionelt set er, blandt andet, magnetiseringsdata for antiferromagnetiske nanopartikler blevet analyseret med modeller der oprindelig er blevet udledt for ferro- eller ferrimagnetiske partikler. Disse modeller kan dog være baseret på antagelser som ikke nødvendigvis er opfyldt for antiferromagnetiske nanopartikler. I denne afhandling demonstreres, at den ukritiske anvendelse af sådanne modeller kan føre til en ukorrekt bestemmelse af forskellige parametre. For eksempel, når magnetiseringskurver for antiferromagnetiske nanopartikler er blevet analyseret, er det sjældent blevet taget i betragtning, at på grund af det ukompenserede moments lille størrelse vil Zeeman-energien selv ved høje temperaturer og i et stort påtrykt felt være sammenlignelig med anisotropi-energien. Det bliver vist hvorledes en ukorrekt temperaturafhængighed af det ukompenserede moment følger når anisotropi-energien ikke inkluderes i analysen. I et andet eksempel betragtes polydisperse prøver, hvor volumen-afhængigheden af det ukompenserede moment også skal medtages i analysen. I dette tilfælde betragter vi værdierne af anisotropien-energien og præfaktoren i den superparamagnetiske relaksationslov bestemt fra en analyse af peak-værdierne i ac susceptibilitetsdata. Vi demonstrerer at disse værdier bliver unøjagtigt bestemt hvis ikke volumen-afhængigheden tages i betragtning. Det bedste estimat af disse parametre opnås ved en direkte analyse af susceptibilitetskurverne. I dette tilfældet skal volumen-afhængigheden dog også inddrages. Eksitationer i magnetiske partikler har typisk form af spinbølger. Den laveste eneritilstand kan beskrives som en uniform præsession af spinnene kombineret med overgange mellem tilstande med forskellige præsessionsvinkler. Ifølge klassiske beregninger er energien i den uniforme tilstand forskellig for ferri- og antiferromagnetiske partikler. I denne afhandling diskuteres, hvorledes energien i 8 nm store hæmatit partikler afviger fra hvad der forventes for en antiferromagnetisk nanopartikel. Denne uoverensstemmelse kan dog forklares hvis vi som følge af det ukompenserede moment betragter partiklerne som små ferrimagneter. Størrelsen på det ukompenserede moment der skal til for at forklare forskellen i energier viser sig at være i overensstemmelse med de teoretiske forudsigelser. Det kan vises, at undergittermagnetiseringerne i den uniforme præsessionstilstand ikke er fuldstændigt antiparallelle. Det er tidligere blevet foreslået at denne forskel i præsessionsvinkler i en ideel antiferromagnet kan føre til eksistensen af et såkaldt termoinduceret magnetisk moment, der, modsat det normale magnetiske moment, stiger med temperaturen. I denne afhandling betragter vi antiferromagnetiske nanopartikler som små ferrimagneter og undersøger hvilken effekt tilstedeværelsen af et ukompenseret moment har på muligheden for at mange tilfælde vil være fremtrædende, vil der også være situationer hvor det termoinducerede moment er tydeligt observerbart. Endelig betragtes også vekselvirkninger mellem partikler. Goethit er en antiferromagnetisk jern oxyhydroxid som gennem de seneste årtier er blevet grundigt studeret. Det har længe været kendt at små goethite partikler har et besynderligt Mössbauer spektrum eftersom linierne af den sekstet, der indikerer magnetisk orden, forbredes symmetrisk med stigende temperatur. Desuden kollapser sekstetten til en dublet ved en temperatur der ligger væsentlig under den forventede Néel temperatur. Adskillige forklaringer er gennem årene blevet fremsat, herunder at det skulle skyldes vekselvirkninger mellem ellers superparamagnetiske partikler. Et problem med en sådan fortolkning har været, at artiklerne hidtil er blevet estimeret til at være for store til at udvise superparamagnetisk relaksation. I denne afhandling vises det, at en sådan fortolkning alligevel kan være korrekt, eftersom partikler der tidligere har været antaget at være en-krystaller formentlig indeholder adskillige mindre, vekselvirkende krystaller.
Original languageEnglish
Number of pages218
Publication statusPublished - Sep 2008

Projects

Nanopartikler af antiferromagnetilske materialer

Madsen, D. E., Mørup, S., Jacobsen, C. S., Pierre, T. S., Wäppling, R. & Hansen, M. F.

Forskningsrådsfinansiering

01/03/200529/09/2008

Project: PhD

Cite this