Магнитные наночастицы и суперпарамагнитный резонанс (1) «Размерные эффекты»

Объемные кристаллы (＞ 100 нм) металлов и полупроводников обладают электропроводностью, обусловленной свободными электронами, принадлежащими к непрерывным энергетическим уровням, называемым «зонной структурой». При уменьшении размеров этих кристаллов до мезоскопической области (рис.1: 1 – 100 нм) пространство энергетических уровней уже не рассматривается как «непрерывное», а дискретное. Следовательно, он проявляет новые физические свойства, отличные от объема, атомов и молекул. Это называется эффектом квантового размера.^[1].

Тетраоксид трижелеза ( Fe₃O₄), который является ферримагнетиком, а также наполовину металлом (или полупроводником), хорошо известен как «магнетит» и является исторически известным соединением. Мелкие частицы магнетита, как и других металлов, проявляют характерные физические свойства, основанные на квантовом эффекте. Магнитные частицы мезоскопического размера имеют один магнитный домен и ведут себя каксуперпарамагнетики"больше не ферримагнетики из-за эффектов броуновского движения и релаксации Нееля. В отличие от ферромагнетиков/ферримагнетиков, суперпарамагнетики не имеют гистерезиса и их магнитная анизотропия мала. Тем не менее, они имеют большие магнитные моменты, подобные ферримагнетикам. Магнитные наночастицы, такие как магнетит, применяется к полям гипертермии^{[2] [3]}, Магнитно-порошковая визуализация^[4] и как контрастные вещества^[5] магнитно-резонансной томографии.

Рис. 1 Диаграмма, отражающая размер и энергетическую структуру проводящего вещества.

Изменение спектров FMR/SPR в зависимости от размера частиц

На рис. 2 показан спектр ферромагнитного резонанса (ФМР) Fe.₃O₄ порошка диаметром 50 – 100 нм и спектры суперпарамагнитного резонанса (ППР) Fe₃O₄ диспергирование магнитных наночастиц в толуоле. Магнитный порошок большого размера обладает электропроводностью, а также магнитной анизотропией. Поэтому его спектр выглядит как широкая дайсоновская форма. Наоборот, магнитная анизотропия наночастиц становится все меньше и меньше по мере уменьшения размера, и дополнительно появляется новый узкий изотропный сигнал. Эти спектральные картины полностью отличаются от порошка большого размера и парамагнитных ионов железа. Это уникальное состояние электрона зависит от размера.

Рис. 2 Спектры ЭПР магнетита (Fe₃O₄) частицы разного диаметра.
(а) спектр ФМР Fe₃O₄ порошок диаметром 50 – 100 нм.
(б) Спектры ППР Fe₃O₄ дисперсия магнитных наночастиц в толуоле (0.625 мг/мл).