Магнитные наночастицы и суперпарамагнитный резонанс (2) «Структура и электронные состояния магнитных наночастиц»

Когда мы рассматриваем частицу как сферу, параметр S_s, что является отношением площади поверхности (S=4𝜋𝑟²) к его объему , выражается как

Площадь поверхности обратно пропорциональна радиусу частицы. S_s - удельная площадь поверхности, а 𝑟 - радиус частицы. На рис. 1 показано соотношение между диаметром сферы и расчетной удельной поверхностью по уравнению. (1). Этот график позволяет нам понять, что площадь поверхности мезоскопического вещества должна быть очень большой.
Эта уникальная большая удельная площадь поверхности существенно влияет на физические свойства материалов с наноупорядоченными частицами. Это связано с тем, что поверхность представляет собой прерывистый интерфейс и может генерировать различные электронные состояния из однородного и периодического кристалла во внутренней области частицы.

Рис. 3 Спектры ППР Fe₃O₄ дисперсия магнитных наночастиц в толуоле (0.625 мг/мл), изображения, полученные с помощью ПЭМ (JEM-2100Plus, ускоряющее напряжение 200 кВ) и распределение частиц по размерам, (а) диаметром 5 нм, (б) 10 нм, и (в) 20 нм.

Спины электронов, находящиеся в разных средах, имеют разное расстояние между энергетическими уровнями и внутреннее взаимодействие. Следовательно, каждый путь релаксации или скорость при микроволновом возбуждении не одинаковы, соответствующий спин имеет уникальное время релаксации (спин-решеточная релаксация: T₁, спин-спиновая релаксация: T₂). Поскольку время спиновой релаксации обычных ферромагнетиков очень мало, прямое наблюдение времени релаксации очень затруднительно. Однако измерения зависимости микроволновой мощности (свойства насыщения) позволяют различать разные спины.
Спектры, показанные на рис. 4, представляют собой вариации мощности излучения суперпарамагнитного резонанса МНЧ (Fe₃O₄). Видно, что каждый спектр состоит из двух компонент: широкой и узкой (g ~ 2) один. По мере уменьшения диаметра частиц увеличивается доля узких компонентов. Узкие компоненты легко насыщаются, но их g-значение и ширина линии являются постоянными. Наоборот, широкие компоненты не насыщаются даже выше 160 мВт, а ширина их линий увеличивается с уровнями мощности. Эти спектральные свойства подразумевают два разных спина в частице, что приводит к поддержке модели структуры ядро-оболочка МНЧ.^[2].

Рис. 4. Зависимость спектров ППР Fe от мощности СВЧ.₃O₄ дисперсия магнитных наночастиц в толуоле (0.625 мг/мл) и дифракция электронов диаметром 5 нм (а), 10 нм (б) и 20 нм (в).

* Электронограммы получены на JEM-2100Plus (ускоряющее напряжение 200 кВ). Три дифрактограммы магнитных наночастиц, как показано на (а) – (в), совпали с известной дифракционной картиной Fe₃O₄.

Характеристика магнитных наночастиц по многочастотным спектрам FMR/SPR

Рис. 5 Спектры ЭПР магнетита (Fe₃O₄) частиц разного диаметра с помощью многочастотного.

( а ) спектр ФМР в Х-диапазоне Fe₃O₄ порошок диаметром 50 – 100 нм. (б) Спектры ППР в Х-диапазоне Fe₃O₄ дисперсия магнитных наночастиц в толуоле (0.625 мг/мл). (c) Спектр Q-диапазона (a). (d) Спектры Q-диапазона (b). Спектры Q-диапазона были получены с использованием ES-SQ5 (как показано на рисунке выше).

Приведены многочастотные спектры ЭПР МНЧ (Fe₃O₄) на рис.5. Они были получены с помощью спектрометров X-диапазона (9.4 ГГц) и Q-диапазона (35 ГГц). Микроволны не могут проникать в проводящие материалы на глубину кожи, которая зависит от частоты. Чем меньше глубина скин-слоя, тем больше искажена спектральная картина ЭПР в Dysonian. Как показано на рис. 5 (a) и (c), спектр Q-диапазона является более искаженным дайсоновским паттерном, чем спектр X-диапазона. То есть магнетит с этим диапазоном диаметров имеет электропроводность как объемный кристалл, а также ферримагнетизм. В случае МНЧ, как показано на рис. 5 (б) и (г), характерное соотношение узких компонентов МНЧ резко уменьшается в спектрах Q-диапазона. Подобные спектральные характеристики маггемита (γ-Фе₂O₃) В предыдущей литературе сообщалось о МНЧ, представляющих собой оксид железа различного состава.^[4], слишком. Захватывающая энергия (hv) микроволн Q-диапазона в 4 раза больше, чем у X-диапазона. Поэтому интерпретируется, что уникальный суперпарамагнетизм может ослабнуть из-за уменьшения тепловых флуктуаций.^[4].