Sintesi di nanoparticelle bi-magnetiche core/shell e studio dell’accoppiamento di scambio tra fasi ferri-/antiferrimagnetiche e perovskitiche per modulare l’anisotropia magnetica e la coercitività.

Responsabili di progetto

Elisabetta Agostinelli, Roberto Daniel Zysler

Accordo

ARGENTINA - CONICET - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas

Bando

CNR/CONICET 2013-2014

Dipartimento

Materiali e Dispositivi

Area tematica

Scienze fisiche e tecnologie della materia

Stato del progetto

Nuovo

Proposta di ricerca

Nei materiali magnetici nanostrutturati gli effetti di superficie e interfaccia, insieme agli effetti dovuti al confinamento dimensionale, producono un comportamento magnetico complesso la cui comprensione sta stimolando un’intensa attività di ricerca a livello internazionale, in particolare, per i materiali composti da fasi con struttura magnetica diversa. L’accoppiamento di scambio (exchange coupling: EC) che ha luogo all'interfaccia tra un materiale ferro- (F) o ferri-magnetico (FI) ed uno antiferromagnetico (AF), dà origine ad un termine aggiuntivo di anisotropia, che influenza il processo di inversione della magnetizzazione del sistema, e che ne varia in modo significativo la coercitività. In tali sistemi, dopo raffreddamento sotto un campo magnetico, si osserva uno spostamento orizzontale del ciclo di isteresi e tale effetto è solitamente accompagnato da un aumento della coercitività. In questo contesto, lo studio di proprietà magnetiche di sistemi F (FI)/AF nanostrutturati ha particolare interesse sia per questioni applicative (miniaturizzazione dei dispositivi) che per motivi legati alla fisica di base. Infatti, l’effetto della nanostrutturazione sul meccanismo di EC risulta ancora poco chiaro e ulteriori studi sono necessari  per una completa comprensione del fenomeno.
Recentemente, il forte sviluppo di nuovi metodi (fisici e chimici) di preparazione dei materiali ha aperto nuove possibilità per la progettazione e la fabbricazione di particelle di dimensioni nanometriche con caratteristiche morfologiche e strutturali controllate. Questo consente la modulazione delle proprietà fisiche (elettriche, ottiche, magnetiche) necessarie per specifiche applicazioni. Tali sistemi trovano applicazioni nella realizzazione di nuovi magneti permanenti ad alte prestazioni con riduzione di terre rare, nello sviluppo di mezzi di immagazzinamento ad alta densità di informazioni magnetiche [1, 2] e nel campo della biomedicina (Drug delivery, MRI).
La capacità di comprendere le proprietà delle particelle formate da una singola fase [3, 4, 5, 6] e la possibilità di produrre nanoparticelle che combinino materiali con caratteristiche magnetiche diverse [1, 7] sono alla base dell’attività proposta.
 
Il presente progetto è focalizzato allo studio dell’EC all'interfaccia FI(F)/AF e dell’anisotropia magnetica in campioni caratterizzati dal confinamento dimensionale di due componenti magnetici. Questo permetterà di migliorare sensibilmente le proprietà magnetiche, consentendo l’aumento della coercitività e il controllo della stabilità termica anche al diminuire della dimensione. Ci si propone di studiare in modo sistematico l’EC nei seguenti sistemi:
 
a) Ossidi FI di metalli di transizione (MeFe2O4 Me=Co2+, Ni2+) con struttura spinello accoppiati con ossidi AF (CoO e MnO). 
b) Ossidi FI di metalli di transizione (MeFe2O4 Me=Co2+, Ni2+) con struttura a spinello accoppiati con ossidi perovskitici multiferroici quali BiFeO3, LaxSryCa(1-x-y)MnO3.
 
Contesto
I due gruppi proponenti, collaborando nel corso degli ultimi venti anni, hanno sviluppato una notevole esperienza in comune in queste aree e dispongono di tecniche complementari. Tale sinergia è stata sviluppata in anni di collaborazione, attraverso lo scambio di studenti argentini che hanno effettuato soggiorni di post-dottorato nel laboratorio italiano nell’ambito di progetti finanziati dall'UE e attraverso soggiorni (diverse settimane) dei ricercatori nell'ambito del programma bilaterale Italia-Argentina del MAE-Secyt e CNR-CONICET.
All’interno di questa collaborazione grande attenzione è stata dedicata allo studio delle proprietà fisiche di nanoparticelle. Sono state studiate nanoparticelle F, AF e FI per studiare l'origine del momento magnetico, gli effetti delle dimensioni sull’anisotropia efficace, gli effetti delle interazioni interparticellari [8,9], l’influenza dell’ordine-disordine magnetico in superficie [10,11] e gli effetti di interazione di interfaccia [12,13]. Sono stati eseguiti calcoli Monte Carlo per simulare i risultati sperimentali ottenuti dai modelli proposti [9] ed è stato osservato un aumento dell’anisotropia magnetica efficace di un ordine di grandezza maggiore di quella corrispondente alle anisotropie di forma o cristallina [14]. Al fine di indagare le proprietà delle nanoparticelle bimagnetiche sono state sintetizzate nanostrutture tipo core/shell composte da CoO (d ~ 5 nm) rivestito con uno strato FI CoFe2O4 (FI) (~2 nm), che mostrano un notevole incremento di anisotropia con campi coercitivi superiori a quelli riportati per CoFe2O4 [15]. Le competenze legate alla simulazione (metodo Montecarlo), alla sintesi chimica e a particolari tecniche di indagine magnetica come la Electron Paramagnetic Resonance (EPR) del gruppo Argentino, si integrano perfettamente alla elevata competenza sullo studio delle proprietà magnetiche attraverso misure di magnetizzazione e suscettività magnetica DC e AC del gruppo Italiano.
 
Come risultato di questa collaborazione sono stati pubblicati numerosi articoli e fatte presentazioni in conferenze internazionali.
 [1] E. Lima Jr., E. L. Winkler, D. Tobia , H. E. Troiani, R. D. Zysler, E. Agostinelli, D. Fiorani, Chemistry of Materials 24, 512−516 (2012)
[2] J. Nogués, et al, Physics Reports 422 65 – 117 (2 005)
 [12] E. Winkler, R. D. Zysler and D. Fiorani. Phys. Rev. B 70, 174406 (1-5 pp.)  (2004)
[13] E. Winkler, R.D. Zysler, M. Vasquez Mansilla, D. Fiorani. Phys. Rev. B. 72,1324091-4 (2005)
[3] R.D. Zysler, E. Winkler, M. Vasquez Mansilla, D. Fiorani.  Physica B 384, 277-281 (2006)
[4] D. Tobia, E. Winkler, R. D. Zysler, M. Granada, and H. E. Troiani.  Physical  Review B  78, 104412(1-7pp) (2008)
[5], E. Winkler, R. D. Zysler, M. Vasquez Mansilla, D. Fiorani, D. Rinaldi, M. Vasilakaki and K. N. Trohidou.  Nanotechnology 19, 185702 (1-8 pp) (2008)
[6] E. Winkler, J. P. Sinnecker, M. A. Novak and R. D. Zysler.  J.Nanoparticle Res. 13, 5653–5659 (2011) [7] D. Tobia, E. Winkler, R.D. Zysler, M. Granada, H.E. Troiani and D. Fiorani. J. Appl. Phys, 106 103920 (2009)
 [8] E. De Biasi et al,  Phys. Rev. B 65, 144416 (2002)
[9] E. Winkler, R. D. Zysler and D. Fiorani. Phys. Rev. B 70, 174406 (1-5 pp.)  (2004) 
[10] E. De Biasi, R.D. Zysler, C.A. Ramos, H. Romero, D. Fiorani, Phys. Rev. B 71, 104408(6) (2005)
[11] R.D. Zysler, E. Winkler, M. Vasquez Mansilla, D. Fiorani, Physica B 384 (1-2), 277-281 (2006)
[12] D. Tobia, E. Winkler, R.D. Zysler, M. Granada, H.E. Troiani and D. Fiorani,. J. Appl. Phys. 106 103920 (2009)
[13] A. López-Ortega, D. Tobia, E. Winkler, I. V. Golosovsky, G. Salazar-Alvarez, S. Estradé, M. Estrader, J. Sort, M. Gonzalez,  S. Suriñach, J. Arbiol, F. Peiró, R. D. Zysler, M. Baró, J. Nogues, J. Am. Chem. Soc., 132, 9398-9407 (2010)
[14] E. Winkler, R. D. Zysler, M. Vasquez Mansilla, D. Fiorani, D. Rinaldi, M. Vasilakaki,  K. N. Trohidou, Nanotechnology, 19, 185702 (8pp) (2008)
[15] E. Lima Jr., E. L. Winkler, D. Tobia, H. E. Troiani, R. D. Zysler, E. Agostinelli, D. Fiorani, Chem. Mater., 24 (3), 512–516 (2012)

Obiettivi della ricerca

L'obiettivo principale di questo progetto è lo sviluppo di materiali bi-magnetici nanostrutturati (nanoparticelle)  nei quali l’accoppiamento tra una fase FI(F)- e una AF-magnetica governa le proprietà. Particolare attenzione verrà rivolta allo studio dell’effetto del confinamento dimensionale e delle interazioni interparticella sulle proprietà magnetiche e sull’accoppiamento di scambio tra le fasi magnetiche. Il primo obiettivo del progetto è lo sviluppo di metodi di sintesi chimica per la preparazione dei sistemi già descritti e lo studio delle proprietà strutturali e magnetiche. Tutti i sistemi verranno prima studiati come fasi singole per valutare l’effetto delle interazioni e della riduzione delle dimensioni sulle proprietà magnetiche. Questa fase preliminare è particolarmente interessante per gli ossidi perovskitici per i quali l’evoluzione delle proprietà multiferroiche con la dimensione è tuttora da comprendere.
Si entrerà poi nella fase centrale del progetto studiando gli effetti dell’accoppiamento di scambio tra le varie fasi magnetiche.  Questo tipo di studio verrà realizzato su due tipologie: 
 
a) nanocompositi costituiti da particelle FI- F- e AF-magnetiche (NC). Modificando dimensioni e percentuali in peso relative tra le varie fasi magnetiche verranno preparati nanocompositi che permetteranno di studiare in particolare  l’effetto delle interazioni interparticellari sull’accoppiamento FI(F)/AFM
 
b) Particelle core-shell (CS). Attraverso la preparazione di particelle con core FI(F) e shell AFM e viceversa (core AFM, shell F, FI), si focalizzerà l’attenzione sugli effetti del confinamento dimensionale di entrambe le fasi magnetiche sull’accoppiamento di scambio tra le fasi magnetiche stesse.

Ultimo aggiornamento: 26/04/2025