Μηχανισμοί αυτοσυγκρότησης μαγνητικών νανοσωματιδίων και ανάπτυξη μακροσκοπικών δικτύων δύο διαστάσεων
Authors: Μουρδικούδης Στέφανος 
Published: January 2014

Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής πραγματοποιήθηκε μια συνδυασμένη μορφολογική, δομική και μαγνητική μελέτη ποικίλων μεταλλικών νανοδομών, που είναι γενικότερα γνωστές με τον όρο ‘νανοσωματίδια’. Ο κύριος στόχος ήταν η ανάπτυξη δικτύων μαγνητικών νανοσωματιδίων με ελεγχόμενη σύσταση, σχήμα και μέγεθος, καθώς και η μελέτη της συσχέτισης των μορφολογικών και δομικών τους χαρακτηριστικών με τη μαγνητική τους συμπεριφορά. Μελετήθηκαν διάφορες μονομεταλλικές και διμεταλλικές ενώσεις που είχαν σε κάθε περίπτωση ως κύριο συστατικό τουλάχιστον ένα μεταβατικό μεταλλικό στοιχείο. Πιο συγκεκριμένα, αναπτύχθηκαν δίκτυα μονομεταλλικών νανοσωματιδίων (Νi, Co, CoO-Co₃O₄) και διμεταλλικών κραμάτων νανοσωματιδίων (FeCo, CoPt, MnPt). Πέρα από τη σύνθεση και το χαρακτηρισμό των μαγνητικών νανοσωματιδίων, επιδιώχθηκε ο σχηματισμός διατεταγμένων δικτύων σε δύο διαστάσεις, αποτελούμενων από νανοσωματίδια με στενή κατανομή μεγέθους. Μελετήθηκαν προσεκτικά όλες οι παράμετροι με σκοπό τη διασπορά των νανοσωματιδίων σε ελεγχόμενες αποστάσεις, ώστε να αποφεύγεται, όσο είναι δυνατό, ο σχηματισμός ‘πυκνών’ επιστοιβάσεων νανοσωματιδίων (συσσωματώματα). Πέρα από τη μεγάλη σημασία που εμφανίζουν αυτές οι δομές εξαιτίας της εμφάνισης καινούργιων φαινομένων από άποψη βασικής φυσικής, τα οποία πηγάζουν κατά κύριο λόγο από το εξαιρετικά μικρό τους μέγεθος, που κυμαίνεται στη νανο-κλίμακα (1-100 nm), τα υλικά αυτά αποτελούν υποψήφιες δομικές μονάδες για εφαρμογές σε τομείς όπως η μαγνητική εγγραφή, η κατάλυση και η βιοϊατρική τεχνολογία. Η σύνθεση των μαγνητικών νανοσωματιδίων έγινε με τη μέθοδο της ‘υγρής χημείας’, όπου κατάλληλα επιλεγμένες οργανομεταλλικές ενώσεις, διαλυμένες σε οργανικούς διαλύτες, διασπώνται σε υψηλές θερμοκρασίες παρουσία επιφανειοδραστικών ενώσεων. Η προσεκτική ρύθμιση των συνθηκών της αντίδρασης καθώς και του χειρισμού των νανοσωματιδίων μετά την παρασκευή τους ήταν απαραίτητες προϋποθέσεις για τη στοχευμένη αυτοσυγκρότηση των σωματιδίων σε δισδιάστατα δίκτυα. Ειδικότερα, στο σύστημα Co-(CoO, Co₃O₄) κατέστη δυνατή η σύνθεση νανοδομών με διάφορες μορφολογίες (π.χ. σφαιρικά σωματίδια, δομές ‘polypod-like’ κλπ.) Μέσα από τις μαγνητικές μετρήσεις καταγράφηκε ο ισχυρός σιδηρομαγνητικός χαρακτήρας των νανοδομών κοβαλτίου (Ms ~ 182 emu/g), ενώ τα οξείδια του κοβαλτίου εμφάνισαν πολύ ασθενή σιδηρομαγνητική συμπεριφορά. O έλεγχος του σχήματος και του μεγέθους των νανοσωματιδίων ήταν εφικτός και για τα νανοσωματίδια Νi. Επιλέγοντας τις κατάλληλες παραμέτρους σύνθεσης, για το σύστημα αυτό παρασκευάστηκαν νανοδομές με εδροκεντρωμένη κυβική κρυσταλλική συμμετρία (fcc) και νανοδομές με εξαγωνική δομή (hcp). Oι παραπάνω κρυσταλλογραφικές φάσεις εμφάνισαν αρκετά διαφορετική μαγνητική συμπεριφορά μεταξύ τους. Τα νανοσωματίδια κράματος FeCo εμφάνισαν ικανοποιητική μονοδιασπορά μεγέθους (~ 15 nm) με τάσεις για αυτοοργάνωση σε μακροσκοπικά δίκτυα. Σε αυτό το σύστημα διερευνήθηκε η επίδραση της έκθεσης στον ατμοσφαιρικό αέρα, που οδήγησε στην επιφανειακή οξείδωση των νανοσωματιδίων, καθώς και οι συνέπειες του φαινομένου αυτού στις μαγνητικές ιδιότητες του υλικού. Για τα διμεταλλικά νανοσωματίδια CoPt, η σημαντικότερη παρατήρηση είναι ότι παρουσίασαν υψηλές τιμές συνεκτικού πεδίου μετά από ανόπτηση (~ 3.3 kOe σε θερμοκρασία δωματίου), μια ιδιότητα που είναι αναγκαία για τα υλικά που είναι υποψήφια για χρήση σε εφαρμογές μαγνητικής εγγραφής. Ακόμη, στα νανοσωματίδια κράματος ΜnPt ήταν δυνατός ο έλεγχος του μεγέθους τους στην περιοχή 2-9 nm καθώς και η αυτοοργάνωση σε πολλαπλά στρώματα σε ορισμένες περιπτώσεις, ενώ η ανόπτηση οδήγησε σε μεγάλες τιμές συνεκτικού πεδίου ( ~ 11 kOe), μετά από μαγνητικές μετρήσεις σε χαμηλές θερμοκρασίες (10 K).