xxiii πανελληνιο ÏƒÏ Î½ÎµÎ´ÏÎ¹Î¿ Ï†Ï ÏƒÎ¹ÎºÎ·Ï‚ στερεας καταστασης & επιστημης ...

Μαγνητικά Nανοσωματίδια με Διαμόρφωση Πυρήνα-Φλοιού
Κ. Συμεωνίδης 1,* , Σ. Μουρδικούδης 1 , Ι. Τσιαούσης 1 , Κ. Δενδρινού-Σαμαρά 2 , Μ. Αγγελακέρης 1 και Ο. Καλογήρου 1
1 Τμήμα Φυσικής, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης
2 Τμήμα Χημείας, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης
*ksime@physics.auth.gr
ΠΕΡΙΛΗΨΗ
Στην εργασία αυτήν εξετάστηκε η δυνατότητα σύνθεσης νανοσωματιδίων διαμόρφωσης πυρήνα – φλοιού με τεχνολογικά
ενδιαφέροντα χαρακτηριστικά. Η ρύθμιση του πάχους του φλοιού πραγματοποιήθηκε είτε με επιλογή των παραμέτρων της
αντίδρασης (FePt@Fe 3 O 4 ) είτε με εκ των υστέρων ελεγχόμενη δράση οξειδωτικού περιβάλλοντος (FeO@Fe 3 O 4 και
FeCo@CoFe 2 O 4 ). Οι μαγνητικές μετρήσεις των συστημάτων σε συνδυασμό με τον δομικό χαρακτηρισμό απέδειξαν τον
ρόλο της σύζευξης των φάσεων στον καθορισμό των μαγνητικών ιδιοτήτων τους.
ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Η σύνθεση και ο χαρακτηρισμός νανοσωματιδίων με διαμόρφωση πυρήνα-φλοιού αποτελεί μια σύγχρονη προσέγγιση για
την ανάπτυξη νανοδομημένων υλικών με ελεγχόμενες ιδιότητες. Ειδικότερα, ο συνδυασμός υλικών με διαφορετικά
μαγνητικά χαρακτηριστικά μπορεί να οδηγήσει σε εμφάνιση νέων φαινομένων, σε μεγαλύτερη χημική σταθερότητα και εν
γένει σε βελτίωση των μακροσκοπικά παρατηρούμενων ιδιοτήτων. Η ενίσχυση διεπιφανειακών φαινομένων όπως η πόλωση
ανταλλαγής και η ανταλλαγή «ελατηρίου» αποτελούν χαρακτηριστικές περιπτώσεις εφαρμογής νανοσωματιδίων πυρήναφλοιού
όπου και οι δύο φάσεις είναι μαγνητικές. Ο συνδυασμός σιδηρομαγνητικής-αντισιδηρομαγνητικής φάσης (π.χ.
Co/CoO, Fe/Fe x O y ) και σκληρής-μαλακής φάσης (π.χ. FePt/Fe 3 O 4 ) αντίστοιχα, είναι οι ενδεδειγμένες επιλογές. Η επικάλυψη
μιας μαγνητικής φάσης στο εσωτερικό αδρανούς ή βιοσυμβατού υλικού θεωρείται ιδανική λύση για την διατήρηση των
σιδηρομαγνητικών ιδιοτήτων σε χαμηλές διαστάσεις (μαγνητικά μέσα εγγραφής) και την εφαρμογή τους σε βιολογικά
περιβάλλοντα. Σε κάθε περίπτωση, βασική προϋπόθεση είναι η ελεγχόμενη σύνθεση των διαφορετικών φάσεων και η
ρύθμιση των διαστάσεών τους ώστε να επιτυγχάνεται το επιθυμητό αποτέλεσμα.
Με την χρήση χημικών μεθόδων έχει διαπιστωθεί ότι είναι δυνατή η σύνθεση νανοσωματιδίων σε ένα μεγάλο εύρος
μεγεθών (2-200 nm), με στενή κατανομή μεγέθους και ταυτόχρονο έλεγχο του σχήματος και της σύστασης. Η διάσπαση ή
αναγωγή προδρόμων ενώσεων του μετάλλου προσφέρει το πλεονέκτημα της ανάπτυξης των νανοκρυστάλλων από ατομικό
επίπεδο ενώ η παρουσία επιφανειοδραστικών ενώσεων είναι αυτή που καθορίζει το τελικό μέγεθος και εμποδίζει πιθανή
συσσωμάτωση. Το τελικό προϊόν, που λαμβάνεται σε μορφή κολλοειδούς διαλύματος, μπορεί εύκολα να χρησιμοποιηθεί για
την ανάπτυξη διδιάστατων ή τρισδιάστατων δικτύων με την εναπόθεση τους σε κατάλληλα υποστρώματα.
ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ
Εφαρμόστηκε η μέθοδος της θερμικής διασπάσεως προδρόμων ενώσεων Fe ή Co και αναγωγής προδρόμων ενώσεων Pt σε
οργανικό διαλύτη υψηλού σημείου ζέσεως (>250
o C) παρουσία επιφανειοδραστικών ουσιών. Η διάταξη που
χρησιμοποιήθηκε περιλαμβάνει μια τρίλαιμη σφαιρική φιάλη των 50 ml στην οποία προσαρμόστηκαν συμπυκνωτής,
ρυθμιστής ροής του Ar και θερμοζεύγος.
Ο σχηματισμός νανοσωματιδίων FeCo@CoFe 2 O 4 έγινε με ταυτόχρονη διάσπαση διαλυμάτων Fe(CO) 5 και Co(N(SiMe 3 ) 2 ) 2
σε υψηλή πίεση (3 bar) και αδρανείς συνθήκες. Ακολούθησε μερική οξείδωση του εξωτερικού φλοιού με παραμονή στην
ατμόσφαιρα για 5 ημέρες. Η οξείδωση υπό ανάλογες συνθήκες είναι ταχύτερη στην περίπτωση νανοσωματιδίων Fe παρά την
σχετικά μεγάλη διάμετρο τους που επιτυγχάνεται με την παρατεταμένη διάσπαση Fe(CO) 5 σε υψηλή θερμοκρασία (295 o C).
Αποτέλεσμα είναι ο σχηματισμός δύο φάσεων (Fe x O και Fe 3 O 4 ) με διαφορετική αναλογία Fe:O ανάλογα με την διείσδυση
οξυγόνου στο πλέγμα του αρχικά σχηματιζόμενου σιδήρου. Για την σύνθεση νανοσωματιδίων πυρήνα FePt-φλοιού Fe 3 O 4
χρησιμοποιήθηκε Fe(CO) 5 και Pt(acac) 2 σε υψηλή αναλογία (>5/1) και ήπιες συνθήκες θέρμανσης (250 o C), ώστε η
περίσσεια Fe(CO) 5 να συμβάλλει στο σχηματισμό του φλοιού χωρίς να υπάρξει διάχυση των ατόμων σιδήρου στο εσωτερικό
του πυρήνα.
Σχήμα 1. Νανοσωματίδια πυρήνα FePt – φλοιού Fe 3 O 4 μέσης διαμέτρου 5 nm (α) και 15 nm (β).
128