Caracterización de nanopartículas bimagnéticas mediante microscopía electrónica de transmisión

G.C. LAVORATO; H.E. TROIANI; E. LIMA JR.; R.D. ZYSLER; E.L. WINKLER

S.C. de Bariloche

Congreso; 4º Congreso de la Sociedad Argentina de Microscopía; 2016

Sociedad Argentina de Microscopía (SAMIC)

La posibilidad de combinar diferentes materiales a escala nanométrica da lugar a nuevas propiedades físicas y posibilita el desarrollo de nuevas aplicaciones. En particular, la fabricación de nanopartículas bimagnéticas, que combinen diferentes fases con distinto orden y anisotropía magnética, permite el diseño de nuevos materiales con propiedades controladas[1,2]. Por ejemplo, al reducir el tamaño de las nanopartículas la energía de anisotropía magnética disminuye, haciéndose comparable a la energía térmica, e imponiendo un límite a la estabilidad del momento magnético (conocido como límite superparamagnético). El recubrimiento de estas partículas con un material magnético duro[3] permite aumentar la anisotropía efectiva del material y de esta manera aumentar la estabilidad magnética y el campo coercitivo, HC. La habilidad de manipular estas propiedades permite emplear partículas tanto en aplicaciones médicas que requieren comportamiento superparamagnético; como en desarrollos que requieren estabilidad del momento magnético, por ejemplo para almacenamiento magnético de información, imanes permanentes o almacenamiento de energía. La comprensión y manipulación de las propiedades físicas en la nanoescala depende de la capacidad de caracterizar y controlar la morfología, composición y naturaleza de las interfaces de las nanopartículas en función de su tamaño. En este trabajo se presenta la fabricación y estudio de las propiedades estructurales y magnéticas de distintos sistemas de nanopartículas con estructura core/shell compuestas de un núcleo antiferromagnético (AFM) de CoO recubierto de un óxido ferrimagnético (FiM) de CoFe2O4. El estudio se realizó en función del tamaño de las nanopartículas, el cual varía entre 5 y 11 nm de diámetro, mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM), difracción de rayos X (DRX) y magnetometría DC. Las nanopartículas fueron fabricadas mediante descomposición de Acetilacetonatos de Fe(III) y Co(II) en Difeniléter o Benciléter, asistida por Ácido Oleico y Oleilamina. El tamaño de las mismas se controló ajustando la concentración de surfactantes y el proceso de calentamiento. Las dimensiones, morfología y la formación de aglomerados se estudiaron a través de la combinación de imágenes TEM de campo claro (BF), campo oscuro (DF) y alta resolución (HR), así como experimentos de DRX. Por ejemplo, en la figura 1 se muestran distintas imágenes TEM de nanopartículas de 5 nm y algomerados de nanopartículas de 11 nm; las imágenes de campo oscuro obtenidas con una fracción del haz difractado en la orientación (111) de CoFe2O4 permitieron confirmar la morfología core/shell y estimar un espesor del recubrimiento entre 1.5 y 2.5 nm. A través de imágenes de HRTEM se evaluaron las distancias entre planos cristalográficos, lo que contribuyó a la identificación estructural de los nanocristales; mientras que imágenes de campo claro se emplearon para evaluar la dispersión de tamaños. A su vez, se discuten las distintas técnicas y protocolos de análisis de las imágenes obtenidas por microscopía frente a la caracterización de nanopartículas con estructura core/shell. En cuanto a las propiedades magnéticas, se observó que el campo coercitivo y la cuadratura magnética aumentan notablemente en nanopartículas bimagnéticas con respecto a nanopartículas monofásicas de CoFe2O4. Por ejemplo, para nanopartículas de 5 nm de diámetro de CoO@CoFe2O4 se obtuvo, a 5 K, un HC~30.8 kOe y MR/MS~0.77, en comparación con nanopartículas monofásicas de CoFe2O4 de dimensiones similares donde se obtuvo un HC~14,5 kOe y MR/MS~0.47. Para nanopartículas bimagnéticas de dimensiones mayores, contrariamente a lo que se observa en nanopartículas monofásicas, el campo coercitivo disminuye debido a que disminuye la relación superficie/volumen y como consecuencia hay una menor contribución específica del acople en la interfaz a la anisotropía efectiva del sistema. La estructura y morfología encontradas permiten explicar las propiedades magnéticas y su dependencia con el tamaño de las nanopartículas. En síntesis, en este trabajo demostramos que a través del control de las dimensiones y la morfología de nanopartículas bimagnéticas es posible sintonizar las propiedades magnéticas de nuevos materiales.