Μελέτη της μαγνητικής συμπεριφοράς νανοσωματιδίων με μορφολογία σιδηρομαγνητικού πυρήνα αντισιδηρομαγνητικού φλοιού

Abstract

The magnetic properties of nanoparticles have been subject of continuously growing interest, driven by fundamental research and technological interest especially in the magnetic recording industry and more recently in medicine. The small size of the nanoparticles and the reduced symmetry at their surface result in high coercivity. More recently, the requirement for stable magnetic behavior of the nanoparticles at room temperature led to the development of complex spin nanostructures with core/shell morphology that results to enhanced magnetic anisotropy. Composite nanoparticles with ferromagnetic core/antiferromagnetic shell morphology have an extra anisotropy, the exchange anisotropy which makes them thermally stable in room temperature even in the case of very small size. In the current work we use the Metropolis Monte Carlo method to study the magnetic behaviour of nanoparticles with core/shell morphology which exhibit exchange anisotropy. The advantages of this method is that the microstructure of the nanoparticles is explicitly included and the temperature. The main goal of this thesis was to develop an appropriate theoretical model for the study of the origin of the exchange anisotropy and the parameters which affect its appearance and its magnitude. We find that the exchange anisotropy which is induced by the exchange interaction between ferromagnetic core and antiferromagnetic shell in the interface can is due to the existence of uncompensated bonds along the interface. The size of the exchange anisotropy depends on a) the shell thickness, at least two antiferromagnetic shell layers are necessary for the appearance of the effect, b) the magnitude of exchange interaction at the interface and at the shell influence the strength of the exchange anisotropy also c) the type of anisotropy in the antiferromagnetic shell, it is bigger for z-axis shell anisotropy and d) the magnitude of anisotropy at the interface. Another phenomenon which is related with exchange anisotropy is the vertical shift i.e. the asymmetry of the hysterisis loop on the vertical axis. Our calculations show that this shift depends on the total number of the uncompensated spins in the antiferromagnetic shell and not only from the interface. Our calculations are in good agreement with recent experimental results. This confirms that exchange interaction between ferromagnetic core and antiferromagnetic shell is responsible for the exchange anisotropy effect in these composite nanoparticles with ferromagnetic core/antiferromagnetic shell morphology that results to magnetic behaviour different from that of pure ferromagnetic nanoparticles.

Τα τελευταία χρόνια υπάρχει εκτεταμένη πειραματική και θεωρητική μελέτη στην περιοχή των νανοσωματιδίων διότι βρίσκουν εφαρμογές σαν μέσα μαγνητικής εγγραφής και αποθήκευσης πληροφοριών και πιο πρόσφατα στην ιατρική. Στόχος των ερευνών είναι να κατασκευαστούν όσο το δυνατό μικρότερα σε μέγεθος νανοσωματίδια, στα οποία όμως οι μαγνητικές ιδιότητες να είναι σταθερές σε θερμοκρασία δωματίου, δηλαδή με μεγάλη ανισοτροπία. Τα σύνθετα νανοσωματίδια με μορφολογία σιδηρομαγνητικού πυρήνα/αντισιδηρομαγνητικού φλοιού εμφανίζουν μία επιπλέον ανισοτροπία, την ανισοτροπία ανταλλαγής η οποία τα καθιστά θερμικά σταθερά σε μικρό μέγεθος. Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκε η τεχνική Metropolis Monte Carlo για την μελέτη της μαγνητικής συμπεριφοράς νανοσωματιδίων με μορφολογία πυρήνα/φλοιού τα οποία εμφανίζουν την ανισοτροπία ανταλλαγής. Η τεχνική αυτή έχει το πλεονέκτημα ότι μπορεί να περιλάβει στους υπολογισμούς τις λεπτομέρειες της μικροδομής του συστήματος και την θερμοκρασία. Στόχος της εργασίας μας ήταν με την ανάπτυξη κατάλληλου θεωρητικού μοντέλου να μελετηθεί ο μηχανισμός που προκαλεί την εμφάνιση της ανισοτροπίας ανταλλαγής και οι παράγοντες που επηρεάζουν τόσο την εμφάνιση της όσο και την ισχύ της. Βρήκαμε ότι η ανισοτροπία ανταλλαγής η οποία επάγεται από την αλληλεπίδραση ανταλλαγής κατά μήκος της σιδηρομαγνητική/αντισιδηρομαγνητική διεπιφάνειας οφείλεται στην ύπαρξη μη αντισταθμισμένων μαγνητικών ροπών στην διεπιφάνεια μεταξύ σιδηρομαγνητικού πυρήνα του νανοσωματιδίου και αντισιδηρομαγνητικού φλοιού και οι παράγοντες που επηρεάζουν το μέγεθος της είναι α) το πάχος του φλοιού, έχουμε εμφάνιση της μετά το δεύτερο στρώμα αντισιδηρομαγνητικού φλοιού, β) το μέγεθος της σταθεράς ανταλλαγής στην διεπιφάνεια και λιγότερο στον φλοιό που ενισχύουν το φαινόμενο, γ) το και το είδος της ανισοτροπίας στον φλοιό, είναι πιο έντονη για ανισοτροπία z-άξονα στο φλοιό και δ) από το μέγεθος της ανισοτροπίας της διεπιφάνειας. Ένα άλλο φαινόμενο που συνδέεται με την εμφάνιση της ανισοτροπίας ανταλλαγής είναι η κάθετη μετατόπιση. Δηλαδή η ασσυμετρία του βρόχου υστέρησης των σύνθετων νανοσωματιδίων με μορφολογία πυρήνα φλοιού στον κάθετο άξονα της μαγνήτισης. Οι υπολογισμοί μας έδειξαν ότι σε αντίθεση με την ανισοτροπία ανταλλαγής η κάθετη μετατόπιση οφείλεται στην ύπαρξη του συνολικού αριθμού των μη αντισταθμισμένων μαγνητικών ροπών του φλοιού και όχι μόνο της διεπιφάνειας. Οι υπολογισμοί μας συγκρίθηκαν με πρόσφατα πειραματικά αποτελέσματα, και βρέθηκαν σε πολύ καλή συμφωνία. Επιβεβαιώνοντας ότι οι ανταγωνιστικές αλληλεπιδράσεις που οφείλονται στην ύπαρξη ανταγωνιστικών αλληλεπιδράσεων ανταλλαγής σε σύνθετα νανοσωματίδια με μορφολογία σιδηρομαγνητικού πυρήνα/αντισιδηρομαγνητικού φλοιού είναι υπεύθυνες για τη μεταβολή των μαγνητικών τους ιδιοτήτων σε σχέση με αυτές των σιδηρομαγνητικών νανοσωματιδίων.