Nanopartikel Core/Shell CoFe₂O₄/Fe₃O₄: Magnetisme Antarmuka dan Anisotropi yang Dapat Disesuaikan

Abstrak

Kami menyintesis dua keluarga nanopartikel spinel ferrit core/shell: inti CoFe₂O₄ dengan cangkang Fe₃O₄ dan inti Fe₃O₄ dengan cangkang CoFe₂O₄. Diameter inti sekitar 4,1 nm dan 6,3 nm, masing-masing, dan tebal cangkang bervariasi dari 0,05 nm hingga 2,5 nm. Partikel disiapkan dalam dietilena glikol dari klorida logam dan dikarakterisir dengan difraksi X-ray (XRD), mikroskop elektron transmisi (TEM), dan magnetometri sampel getaran. Pengukuran magnetik mengungkapkan bahwa pelapisan memodifikasi parameter antarmuka dan respons magnetik keseluruhan, memungkinkan penyesuaian presisi magnetisasi saturasi dan anisotropi efektif. Temuan ini memberikan kerangka untuk mendesain ferrit core/shell untuk teknologi magnetik dan biomedis lanjutan.

Latar Belakang

Arsitektur core-shell memungkinkan kombinasi bahan magnet yang berbeda, menciptakan nanostruktur dengan properti yang disesuaikan. Dengan menggabungkan spinel ferrit keras dan lunak—CoFe₂O₄ (K > 10⁶ erg/cm³) dan Fe₃O₄ (K ≈ 10⁴–10⁵ erg/cm³)—seseorang dapat mengeksploitasi kecocokan jaringan yang hampir sempurna untuk menumbuhi canggang epitaksial yang mengatur anisotropi magnetik dan koersivitas. Ferrit core/shell telah digunakan untuk meningkatkan produk energi pada magnes permanen, meningkatkan stabilitas termal dalam media perekaman, dan meningkatkan agen kontras untuk citra resonansi magnetik.

Eksperimen

Sintesis

Semua reagen kelas analitis. Partikel inti pertama disiapkan dengan bereaksi Co(NO₃)₂·6H₂O dan FeCl₃·9H₂O (1:2) atau FeSO₄·7H₂O dan FeCl₃·9H₂O (1:2) dalam dietilena glikol (DEG) dengan NaOH, memanaskan pada 200–220 °C selama 60 menit, dan menambahkan asam oleat. Setelah mendingin, koloid dikaitrifugasi, dicuci dengan etanol, dan dikeringkan. Untuk partikel core/shell, inti yang telah disintesis diperdi dalam larutan DEG segar yang mengandung precursornya cangkang (stoikiometri yang sama dengan inti) dan NaOH, diikuti dengan pengadukan yang dibantu ultrasonik, memanaskan pada 200 °C, dan diam selama 1,5 jam. Massa cangkang dihitung dari tebal yang diinginkan menggunakan volume dan densitas (5 g/cm³) bahan cangkang. Kedua set partikel diberi label Co/Fe(t_Fe) dan Fe/Co(t_Co), di mana t mewakili tebal cangkang nominal.

Karakterisasi

XRD dilakukan pada difraktometer PANalytical X’Pert (radiasi Co-α). Gambar TEM diperoleh pada JEM-1230 dan dianalisis untuk distribusi ukuran mengikuti Peddis et al. Pengukuran magnetik dilakukan pada Quantum Design PPMS dari 5 hingga 350 K, mengukur magnetisasi pendingin nol (ZFC) dan pendingin medan (FC) serta loop histeresis (±60 kOe). Semua data direplikasi tiga kali.

Hasil

XRD & TEM

Semua sampel menampilkan pola spinel kubik (JCPDS 19-0629) tanpa pengotor yang terdeteksi. TEM mengonfirmasi morfologi core/shell: partikel Co/Fe(t_Fe) tumbuh dari 4,1 hingga 7,3 nm seiring bertambahnya t_Fe, sementara partikel Fe/Co(t_Co) meluas dari 6,3 hingga 7,9 nm. Tebal cangkang yang diukur secara konsisten lebih kecil dari nilai yang dihitung, yang menunjukkan cakupan yang tidak lengkap pada tebal nominal terendah.

Magnetisasi

Pada 5 K, inti CoFe₂O₄ dan Fe₃O₄ yang tidak dilapisi menunjukkan magnetisasi saturasi masing-masing 50 dan 77 emu/g, di bawah nilai massa mereka (94 dan 98 emu/g). Cangkang 0,05 nm meningkatkan M_s lebih mencolok untuk Co/Fe(t_Fe) daripada untuk Fe/Co(t_Co), yang menunjukkan modifikasi antarmuka yang kuat pada spin permukaan CoFe₂O₄. Saat tebal cangkang tumbuh, M_s sedikit menurun, mencerminkan pengenceran inti keras. Koersivitas H_c dari Co/Fe(t_Fe) tetap sekitar 13,8 kOe untuk t_Fe = 0,05 nm tetapi turun tajam menjadi 1,93 kOe pada t_Fe = 2,5 nm. Sebaliknya, Fe/Co(t_Co) menunjukkan kenaikan dramatis H_c dari 0,38 hingga 6,83 kOe saat t_Co bertambah dari 0,05 hingga 1 nm, karena kontribusi cangkang CoFe₂O₄ keras.

Suhu Blokir

Suhu blokir T_b adalah 140 K (inti CoFe₂O₄) dan 175 K (inti Fe₃O₄). Pelapisan awal meningkatkan T_b dengan cepat untuk kedua set, sementara pertumbuhan cangkang lebih lanjut memiliki efek yang lebih lemah. Menggunakan hubungan H_c(T)=H_c0[1−(T/T_b)^0.5], kami memperkirakan bahwa H_c untuk Co/Fe(t_Fe) menghilang di atas 200 K, sedangkan Fe/Co(t_Co) mempertahankan koersivitas yang signifikan di atas 300 K.

Pembahasan

Fitting kurva ZFC dengan model domain tunggal non-berinteraksi menghasilkan konstanta anisotropi efektif K_eff yang menurun untuk Co/Fe(t_Fe) dan meningkat untuk Fe/Co(t_Co) seiring bertambahnya tebal cangkang. Tren ini mencerminkan redistribusi kontribusi anisotropi dari inti CoFe₂O₄ keras dan cangkang Fe₃O₄ lunak. Struktur core/sh ell oleh karena itu menawarkan kombinasi non-linier dari parameter magnetik, memungkinkan kontrol yang disesuaikan halus atas M_s dan K_eff di luar rata-rata volume sederhana.

Kesimpulan

Kami berhasil memproduksi dua seri nanopartikel CoFe₂O₄/Fe₃O₄ core/shell dengan tebal cangkang yang terkontrol. Cangkang menginduksi perubahan yang mencolok pada bentuk histeresis, magnetisasi saturasi, dan koersivitas, sambil juga menggeser suhu blokir. Arsitektur core/shell oleh karena itu menyediakan jalur yang serbaguna untuk menyesuaikan anisotropi efektif dan respons magnetik dari kristal nano spinel ferrit untuk aplikasi magnetik dan biomedis berkinerja tinggi.

Singkatan

DEG

Dietilena glikol

FC

Pendingin medan

MNP

Nanopartikel magnetik

TEM

Mikroskop elektron transmisi

XRD

Difraksi X-ray

ZFC

Pendingin nol medan