nanômetro

Scientific Reports volume 5, Número do artigo: 14414 (2015) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

O desenvolvimento de partículas magnéticas de tamanho nanométrico exibindo um grande campo coercitivo (Hc) está em alta demanda para densificação de gravação magnética. Aqui, relatamos uma ferrita magnética dura de tamanho único (ou seja, menos de dez nanômetros). Esta ferrita magnética é composta de ε-Fe2O3, com um valor de Hc suficientemente alto para sistemas de gravação magnética e uma constante de anisotropia magnética notavelmente alta de 7,7 × 106 erg cm−3. Por exemplo, nanopartículas de 8,2 nm têm um valor de Hc de 5,2 kOe à temperatura ambiente. Uma solução coloidal dessas nanopartículas possui uma cor laranja clara devido a um largo gap de 2,9 eV (430 nm), indicando a possibilidade de pigmentos magnéticos transparentes. Além disso, observamos a geração de segundo harmônico induzida por magnetização (MSHG). O efeito óptico-magnetoelétrico não linear do presente nanocristal magnético polar foi bastante forte. Essas descobertas foram demonstradas em um óxido de ferro simples, altamente significativo do ponto de vista de custo econômico e produção em massa.

Os materiais magnéticos têm sido usados ​​para uma série de aplicações: mídia de gravação magnética, ímãs permanentes, absorvedores de ondas eletromagnéticas, fluido magnético, administração de medicamentos, para citar alguns1,2,3,4,5,6,7,8. Do ponto de vista da densificação da mídia de gravação magnética, o desenvolvimento de uma partícula magnética de tamanho nanométrico (menos de 10 nm de diâmetro) com um grande campo coercitivo (Hc) é o próximo passo lógico. Em sistemas de gravação magnética9,10,11, como discos rígidos ou fitas magnéticas de gravação, o valor de Hc necessário para escrita e leitura é ca. 3 kOe. Um Hc maior é necessário para futuros sistemas de gravação magnética, como mídia com padrão de bits ou gravação magnética assistida por calor. Materiais que exibem propriedades multiferróicas estão chamando cada vez mais atenção12,13,14,15,16,17 como mídia de gravação magnética assistida eletricamente13. Além disso, o desenvolvimento de um ímã opticamente transparente é altamente desejável para novas aplicações, como janelas absorvedoras de ondas eletromagnéticas transparentes ou pigmentos de cores magnéticas para impressoras. À luz dos requisitos acima, o óxido de ferro epsilon ε-Fe2O3 é um material atraente porque exibe um grande valor de Hc à temperatura ambiente7,18,19,20,21,22,23,24,25. No presente trabalho, desenvolvemos um método sintético para a preparação de partículas esféricas ε-Fe2O3 de tamanho único. Os nanoímãs resultantes satisfazem o valor de Hc necessário para aplicações de gravação magnética mencionadas acima. Além disso, eles exibem geração de segundo harmônico induzida por magnetização (MSHG), com um forte efeito magnetoelétrico (ME). A cor desta série é muito clara e o coeficiente de absorção é pequeno na região do visível. Neste trabalho, relatamos o procedimento de síntese, a estrutura cristalina, os tamanhos de partícula e as propriedades magnéticas de nanopartículas de ε-Fe2O3 de tamanho nanométrico. Além disso, apresentamos cálculos de primeiros princípios para o gap óptico, a polarização elétrica espontânea do cristal polar e o efeito óptico-ME não linear.

O ε-Fe2O3 de tamanho nanométrico foi preparado a partir de um precursor, no qual nanopartículas de ferrihidrita Fe10O14(OH)2 foram embutidas em matriz de SiO2. Os detalhes do procedimento sintético são descritos na seção Métodos. Neste relatório, descrevemos 18 amostras sinterizadas em uma ampla faixa de temperaturas: 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).

Os padrões de difração de pó de raios-X (XRPD) das amostras sinterizadas e do precursor são mostrados na Fig. 1 e na Fig. Complementar S1. O padrão XRPD do precursor mostra Fe10O14(OH)2 com estrutura cristalina hexagonal (grupo espacial P63mc, a = 6,04 Å, c = 8,75 Å). Com o aumento da temperatura de sinterização, Fe10O14(OH)2 começa a se transformar em γ-Fe2O3 (cúbico, Fd3–m, a = 8,37 Å) por volta de 250 °C. À medida que a temperatura de sinterização aumenta, γ-Fe2O3 se transforma em ε-Fe2O3 em torno de 500 °C. Acima de 951 °C, os padrões XRPD para S-951–S-1104 mostram uma fase ε-Fe2O3 pura (ortorrômbica, Pna21, a = 5,09 Å, b = 8,80 Å e c = 9,48 Å para S-1020) (Tabela suplementar S1). Acima de 1142 °C, uma pequena quantidade de α-Fe2O3 é detectada (romboédrica, R3–c, a = 5,04 Å ec = 13,75 Å para S-1295). Neste método sintético, ε-Fe2O3 puro é obtido em uma faixa de temperatura de sinterização surpreendentemente ampla. A gama é mais ampla do que a dos métodos relatados anteriormente, incluindo uma combinação de métodos de micela reversa e sol-gel20 e método de impregnação usando sílica mesoporosa7.