Μελέτη των μαγνητικών ιδιοτήτων και αλληλεπιδράσεων ανταλλαγής σε νανοσύνθετα μαγνητικά υλικά

Abstract

This dissertation focuses on the chemical synthesis of high-anisotropy nanoparticles suitable for use in applications as high density magnetic recording media. In order to achive the required anisotropy a heat-treatment process is needed. However it is known that when nanoparticles are heat treated, agglomeration and sintering effects take place. In order to tackle this problem, novel magnetic nanocomposites and hybrids were prepared and studied. More specifically multiwalled carbon nanotubes were used as nanotemplates for the dispersion and stabilization of FePt nanoparticles. Pre-formed capped FePt NPs synthesized by the polyol process were connected to the MWCNTs external surface via covalent binding through organic linkers. The hard magnetic L10 phase characteristics and the magnetic isolation of the magnetic nanoparticles are evident in the magnetization measurements after annealing. Also, FePt nanoparticles have been encapsulated in insulating and protective MgO shells using a two step chemical process providing sintering prevention during the required heat-treatment process for the L10 ordering. Furthermore, as the phenomenon of exchange biasing attracts great interest in research, a new core-shell nanocomposite system CoPt/CoO using a two step polyol process.has been prepared in order to study this effect. In the CoPt/CoO nanocomposites, magnetic measurements show the appearance of increased coercivity with respect to the as-prepared CoPt particles and unidirectional anisotropy loop shift of Heb=1125 Oe at temperatures below 20 K, as a result of exchange coupling between CoO and CoPt. In addition, as Cr-Pt nanoparticles have very interesting magnetic properties but had never been synthesized chemically, in this work Cr-Pt nanoparticles are synthesized by a thermolytic chemical method. The as prepared particles have a size of (5.5±1.0) nm but after heat-treatment at 850 oC for two hours an inhomogeneous microstructure is obtained. Chemical ordering to the L12 phase up to S=0.83 has been achieved for the nanoparticles with optimized stoichiometry while moderate coercivity values up to 380 Oe are achieved. All samples were characterized by a combination of experimental techniques, such as X-ray diffraction, magnetization measurements, transmission electron microscopy measurements, Raman and Mössbauer spectroscopies.

Η παρούσα διατριβή εστιάζει στη χημική σύνθεση νανοσωματιδίων υψηλής ανισοτροπίας κατάλληλων για χρήση σε εφαρμογές όπως η υψηλής πυκνότητας μαγνητική εγγραφή. Προκειμένου να επιτευχθεί η απαιτούμενη ανισοτροπία η διαδικασία της θερμικής κατεργασίας είναι απαραίτητη. Όταν τα νανοσωματίδια υποστούν θερμική επεξεργασία, φαινόμενα συσσωμάτωσης και πύροσυσσωμάτωσης λαμβάνουν χώρα. Για τη λύση αυτού του προβλήματος συντέθηκαν και μελετήθηκαν νέα νανοσύνθετα και υβριδικά υλικά. Συγκεκριμένα νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλού τοιχώματος χρησιμοποιήθηκαν ως νανο-εκμαγεία για τη διασπορά και σταθεροποίηση νανοσωματιδίων FePt. Τα αρχικά επικαλυμμένα νανοσωματίδια FePt, συντεθειμένα με τη μέθοδο της πολυόλης, συνδέθηκαν στην εξωτερική επιφάνεια των νανοσωλήνων μέσω ομοιοπολικών δεσμών. Τα χαρακτηριστικά της σκληρής μαγνητικής L10 φάσης και η μαγνητική απομόνωση των μαγνητικών νανοσωματιδίων είναι εμφανή στις μαγνητικές μετρήσεις. Ακόμη, νανοσωματίδια FePt ενσωματώθηκαν σε προστατευτικά κελύφη MgO, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της πολυόλης σε δύο βήματα, παρέχοντας παρεμπόδιση της συσσωμάτωσης κατά τη διάρκεια της θερμικής κατεργασίας, απαιτούμενη για τη διάταξη L10. Επίσης, εφόσον το φαινόμενο της πόλωσης ανταλλαγής αποτελεί ένα από τα σπουδαιότερα αντικείμενα έρευνας ένα νέο «πυρήνα-κελύφους» νανοσύνθετο σύστημα CoPt/CoO παρασκευάστηκε χρησιμοποιώντας σε δύο βήματα τη μέθοδο της πολυόλης, με σκοπό τη μελέτη αυτού του φαινομένου. Στα νανοσύνθετα CoPt/CoO οι μαγνητικές μετρήσεις επέδειξαν την εμφάνιση αυξημένου συνεκτικού πεδίου σε σχέση με τα αρχικώς παρασκευασμένα σωματίδια CoPt αλλά και ομοαξονική ανισοτροπία (μετατόπιση βρόχου Heb=1125 Oe) σε θερμοκρασίες κάτω των 20 Κ, ως αποτέλεσμα της σύζευξης ανταλλαγής μεταξύ των CoO και CoPt. Επιπρόσθετα, καθώς τα νανοσωματίδια Cr-Pt χαρακτηρίζονται από πολύ ενδιαφέρουσες μαγνητικές ιδιότητες, αλλά δεν έχουν παρασκευαστεί ποτέ χημικά, νανοσωματίδια Cr-Pt συντέθηκαν μέσω της θερμολυτικής χημικής μεθόδου. Τα αρχικά σωματίδια έχουν μέγεθος 5.5±1.0 nm αλλά μετά τη θερμική κατεργασία στους 850 oC για δύο ώρες παρατηρήθηκε ανομοιογενή μικροδομή με μέσο μέγεθος 5- 50 nm. Επιτεύχθηκε χημική διάταξη τύπου L12 μέχρι S=0.83 στα νανοσωματίδια με την βέλτιστη στοιχειομετρία καθώς μέτριες τιμές συνεκτικού πεδίου μέχρι 380 Oe παρατηρήθηκαν. Όλα τα δείγματα χαρακτηρίστηκαν με ένα συνδυασμό πειραματικών τεχνικών όπως είναι η περίθλαση ακτίνων-Χ, οι μαγνητικές μετρήσεις, η ηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης, οι φασματοσκοπίες Raman και Mössbauer.