자성나노입자와 초상자성 공명 (2) "자성나노입자의 구조와 전자상태"

입자를 구체로 가정할 때 매개변수 S_s, 이는 표면적의 비율(S=4𝜋𝑟²) 볼륨 는 다음과 같이 표현됩니다.

표면적은 입자 반경에 반비례합니다. S_s 는 비표면적이고 𝑟는 입자의 반지름입니다. 그림 1은 구의 직경과 방정식에 따라 계산된 비표면적 사이의 관계를 보여줍니다. (1). 이 플롯은 mesoscopic 물질의 표면적이 매우 크다는 것을 알려줍니다.
이러한 고유한 비표면적의 크기는 나노 정렬 입자 재료의 물리적 특성에 상당한 영향을 미칩니다. 이는 표면이 불연속적인 계면을 형성하고 입자 내부 영역에서 균일하고 주기적인 결정으로부터 다른 전자 상태를 생성할 수 있기 때문입니다.

그림 3 Fe의 SPR 스펙트럼₃O₄ 톨루엔(0.625 mg/mL)에 자성 나노입자 분산, TEM(JEM-2100Plus, 가속 전압은 200 kV)을 사용하여 얻은 이미지 및 입자의 크기 분포, (a) 직경이 5 nm, (b) 10 nm, 및 (c) 20nm.

서로 다른 환경에 위치한 전자 스핀은 서로 다른 에너지 준위 간격과 본질적인 상호작용을 가지고 있습니다. 따라서 마이크로웨이브 여기에 의한 각각의 이완 경로 또는 속도는 동일하지 않으며, 각각의 스핀은 고유한 이완 시간(스핀-격자 이완: T₁, 스핀-스핀 이완: T₂). 일반적인 강자성체의 스핀 이완 시간은 매우 짧기 때문에 이완 시간을 직접 관찰하는 것은 매우 어렵습니다. 그러나 마이크로파 전력 의존성(포화 특성)을 측정하면 서로 다른 스핀을 구별할 수 있습니다.
그림 4에 표시된 스펙트럼은 MNP(Fe₃O₄). 모든 스펙트럼은 넓은 것과 좁은 두 가지 구성 요소로 구성되어 있음을 알 수 있습니다(g ~2) 하나. 입자의 직경이 작아짐에 따라 좁은 성분 비율이 증가하고 있습니다. 좁은 성분은 포화되기 쉽지만 g-값과 선 너비는 일정합니다. 반대로 넓은 구성 요소는 160mW 이상에서도 포화되지 않으며 전력 수준에 따라 선폭이 증가합니다. 이러한 스펙트럼 특성은 입자에서 두 개의 서로 다른 스핀을 의미하며 MNP의 코어-쉘 구조 모델을 지원합니다.^[2].

그림 4 Fe의 SPR 스펙트럼의 마이크로파 전력 의존성₃O₄ (a) 0.625 nm, (b) 5 nm 및 (c) 10 nm의 직경을 갖는 톨루엔(20 mg/mL)에서의 자성 나노입자 분산 및 전자 회절.

* 전자 회절 패턴은 JEM-2100Plus(가속 전압 200kV)를 사용하여 얻었다. (a)~(c)에 나타난 바와 같이 자성 나노입자의 XNUMX가지 회절 패턴은 Fe의 알려진 회절 패턴과 일치하였다.₃O₄.

다중 주파수 FMR/SPR 스펙트럼에 의한 자성 나노입자 특성화

그림 5 자철광의 ESR 스펙트럼(Fe₃O₄) 다중 주파수를 사용하여 직경이 다른 입자.

(a) Fe의 X-대역 FMR 스펙트럼₃O₄ 직경 50 – 100 nm의 분말. (b) Fe의 X-대역 SPR 스펙트럼₃O₄ 톨루엔 중 자성 나노입자 분산액(0.625 mg/mL). (c) (a)의 Q-대역 스펙트럼. (d) (b)의 Q-대역 스펙트럼. Q-대역 스펙트럼은 ES-SQ5를 사용하여 얻었습니다(위 그림 참조).

우리는 MNP의 다중 주파수 ESR 스펙트럼을 보여줍니다 (Fe₃O₄) 그림 5. 이들은 X-대역(9.4GHz) 및 Q-대역(35GHz) 분광기로 얻은 것입니다. 마이크로파는 주파수에 따라 달라지는 표피 깊이 이상으로 전도성 물질에 침투할 수 없습니다. 피부 깊이가 짧을수록 Dysonian에서 ESR 스펙트럼 패턴이 더 왜곡됩니다. 그림 5(a)와 (c)에서 보는 바와 같이 Q-대역 스펙트럼은 X-대역보다 다이소니언 패턴이 더 왜곡되어 있다. 즉, 이 직경 범위의 마그네타이트는 페리자성(ferrimagnetism) 뿐만 아니라 벌크 결정(bulk crystal)과 같은 전기 전도성을 갖는다. MNP의 경우, 도 5(b) 및 (d)에 도시된 바와 같이, MNP의 특징적인 좁은 성분 비율은 Q-대역 스펙트럼에서 급격하게 감소한다. 마그헤마이트의 유사한 스펙트럼 특성(γ-페₂O₃) 조성이 다른 산화철인 MNPs는 선행문헌에 보고되어 있다.^[4], 도. 신나는 에너지(hv)의 Q-대역 마이크로파는 X-대역의 마이크로파보다 4배 더 큽니다. 따라서 열요동의 감소로 고유한 초상자성이 약해질 수 있는 것으로 해석된다.^[4].