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Please use this identifier to cite or link to this item: http://repositorio.unb.br/handle/10482/35310
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Title: Uma contribuição ao nanomagnetismo : dependência térmica da coercividade e da anisotropia magnética em sistemas polidispersos de partículas ferrimagnéticas
Other Titles: A contribution to nanomagnetism : thermal dependence of the coercivity and of the magnetic anisotropy in polydisperse systems of ferrimagnetic particles
Authors: Gomide, Guilherme Siqueira
Orientador(es):: Depeyrot, Jérôme
Assunto:: Nanopartículas magnéticas
Nanopartículas de ferrita
Dependência térmica
Lei de Kneller
Issue Date: 16-Aug-2019
Citation: GOMIDE, Guilherme Siqueira. Uma contribuição ao nanomagnetismo: dependência térmica da coercividade e da anisotropia magnética em sistemas polidispersos de partículas ferrimagnéticas. 2018. 94 f., il. Tese (Doutorado em Física)—Universidade de Brasília, Brasília, 2018.
Abstract: Nanopartículas magnéticas são nanomateriais amplamente estudados devido a seu potencial para aplicações em diversos ramos, desde a biomedicina, até o armazenamento magnético de informações, passando pela captação de energia. Entre as propriedades mais importantes das nanopartículas, no contexto destas aplicações, estão duas grandezas intimamente ligadas à estrutura cristalina do material: a magnetização de saturação e a anisotropia magnética, que devem ser consideradas nas temperaturas utilizadas em cada tipo de aplicação e, sabidamente, são dependentes do tamanho das partículas. Com o objetivo de estudar a dependência térmica dessas grandezas, foram sintetizados ferrofluidos diluídos a base de nanopartículas de ferrita de cobalto, com dois tamanhos médios diferentes. As nanopartículas foram produzidas pelo método da coprecipitação hidrotérmica em meio básico seguido de tratamento hidrotérmico superficial com nitrato férrico, responsável pela criação de uma camada de maguemita que protege as partículas da dissolução em meio ácido e permite a obtenção de um nanocoloide estável. As nanopartículas sintetizadas tiveram suas propriedades químicas, estruturais e morfológicas caracterizadas por diversas técnicas, enquanto a estrutura local dos ferrofluidos foi investigada em experimentos de SAXS. Ainda, as propriedades magnéticas básicas das amostras foram investigadas por meio de experimentos de magnetização em função da temperatura realizados em alto e baixo campo. A investigação da anisotropia das amostras foi inicialmente realizada pelos experimentos em baixo campo, por meio do protocolo ZFC-FC, amplamente utilizado na literatura. Todavia, este se mostrou insuficiente devido à combinação de anisotropia e tamanho em uma das amostras. Nesse contexto, foram medidos os ciclos de histerese em diversas temperaturas e a anisotropia foi, então, sondada utilizando a dependência térmica da coercividade. No entanto, ao tentar explicar a variação do campo coercitivo em função da temperatura, a lei de Kneller, comumente empregada para esse fim, diverge dos dados experimentais. Neste trabalho, os motivos desta divergência são discutidos de maneira aprofundada e a discussão culmina na proposição de um modelo capaz de explicar os dados experimentais aqui apresentados. O modelo proposto leva em conta a contribuição das partículas superparamagnéticas, cuja proporção relativa aumenta com a temperatura, ressaltando a importância da distribuição de tamanhos das nanopartículas. Adicionalmente, a dependência térmica da magnetização de saturação é considerada e permite, ainda, determinar a dependência térmica da constante de anisotropia em toda a faixa entre 2 e 300 K, grandeza normalmente inacessível em sistemas de nanopartículas devido ao fenômeno do superparamagnetismo. O modelo é discutido em detalhe, assim como o efeito de cada variável sobre a coercividade e suas implicações no comportamento magnético de sistemas polidispersos de nanopartículas ferrimagnéticas.
Abstract: Magnetic nanoparticles (NPs) are nanomaterials which have been thoroughly investigated due to their potential for numerous applications, from biomedicine to magnetic information storage, including energy harvesting applications. Among the most important properties in the context of these applications are two physical quantities closely related to the crystalline structure of the material: the saturation magnetization and the magnetic anisotropy, which must be evaluated in the temperature required for each kind of application, and are known to be dependent on the NPs’ size. Aiming the study of the thermal dependence of these two quantities, diluted ferrofluids based on two different-sized cobalt ferrite nanoparticles were synthesized. The NPs are produced using the hydrothermal coprecipitation method in alkaline media followed by a ferric nitrate surface treatment, which creates a superficial maghemite layer and protects the particles of dissolution in acidic media, allowing us to obtain a stable colloid. The synthesized NPs had their chemical, structural and morphological properties characterized by several complementary techniques, while the local structure of the ferrofluids was investigated in SAXS experiments. Moreover, the basic magnetic properties of the samples were investigated in magnetization measurements as function of temperature in both high and low fields. The investigation of the magnetic anisotropy of the samples was initially carried out by using the commonly applied ZFC-FC protocol. However, this alone was not sufficient due to the combination of size and anisotropy in one of the samples. In this context, hysteresis curves were measured at different temperatures and the anisotropy was, thus, probed by means of the thermal dependence of coercivity. However, when trying to account for the thermal dependence of coercivity, the so called Kneller’s law, commonly used with this purpose, diverged from the experimental data. In this work, we discuss in depth the reason of this divergence and the discussion culminates in the proposition of a model capable of explaining the experimental data. The model we propose takes into account the contribution of the superparamagnetic NPs, whose relative proportion increases with temperature, evidencing the importance of the NPs’ size distribution. Additionally, the thermal dependence of the saturation magnetization is taken into account, allowing us to determine the thermal dependence of the anisotropy constant in the range of 2 to 300 K, a quantity usually unaccessible in NP systems due to the superparamagnetism. The model is discussed in detail, as well as the effect of each variable on the coercivity and its implication on the magnetic behavior of ferrimagnetic polydisperse NP systems.
Description: Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Instituto de Física, Programa de Pós-Graduação em Física, 2018.
Licença:: A concessão da licença deste item refere-se ao termo de autorização impresso assinado pelo autor com as seguintes condições: Na qualidade de titular dos direitos de autor da publicação, autorizo a Universidade de Brasília e o IBICT a disponibilizar por meio dos sites www.bce.unb.br, www.ibict.br, http://hercules.vtls.com/cgi-bin/ndltd/chameleon?lng=pt&skin=ndltd sem ressarcimento dos direitos autorais, de acordo com a Lei nº 9610/98, o texto integral da obra disponibilizada, conforme permissões assinaladas, para fins de leitura, impressão e/ou download, a título de divulgação da produção científica brasileira, a partir desta data.
Agência financiadora: Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq).
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