Size effects in the magnetic properties of ε-Fe2O3 nanoparticles

Abstract

We report the results of comparative analysis of magnetic properties of the systems based on ε-Fe2O3, nanoparticles with different average sizes (from ∼3 to 9 nm) and dispersions. The experimental data for nanoparticles higher than 6–8 nm in size are consistent with the available data, specifically, the transition to the magnetically ordered state occurs at a temperature of ∼500 K and the anomalies of magnetic properties observed in the range of 80–150 K correspond to the magnetic transition. At the same time, Mőssbauer and ferromagnetic resonance spectroscopy data as well as the results of static magnetic measurements show that at room temperature all the investigated samples contain ε-Fe2O3 particles that exhibit the superparamagnetic behavior. It was established that the magnetic properties of nanoparticles significantly change with a decrease in their size to ∼6 nm. According to high-resolution electron microscopy and Mőssbauer spectroscopy data, the particle structure can be attributed to the ε–modification of trivalent iron oxide; meanwhile, the temperature of the magnetic order onset in these particles is increased, the well-known magnetic transition in the range of 80–150 K does not occur, the crystallographic magnetic anisotropy constant is significantly reduced, and the surface magnetic anisotropy plays a decisive role. This is apparently due to redistribution of cations over crystallographic positions with decreasing particle size, which was established using Mössbauer spectra. As the particle size is decreased and the fraction of surface atoms is increased, the contribution of an additional magnetic subsystem formed in a shell of particles smaller than ∼4 nm becomes significant, which manifests itself in the static magnetic measurements as paramagnetic contribution.

Магнитные свойства наночастиц NiO: вклады антиферромагнитной и ферромагнитной подсистем в различных диапазонах магнитных полей до 250 kOe

“…Видимо, в области низких температур обменная связь AF-и FM-подсистем приводит к более медленному насыщению последней с ростом поля. Во-вторых, в магнитоупорядоченных наночастицах практически все-гда существуют поверхностные спины, которые обмен-но не связаны с " внутренними" спинами [2,12,[35][36][37][38][39][40]. При низких температурах эта дополнительная подсисте-ма демонстрирует " спин-стекольное" поведение, а при повышении температуры ведет себя как парамагнит-ная фаза (невзаимодействующие спины).…”

Multimetal‐Substituted Epsilon‐Iron Oxide ϵ‐Ga0.31Ti0.05Co0.05Fe1.59O3 for Next‐Generation Magnetic Recording Tape in the Big‐Data Era

“…This material exhibits a large coercive field ( H c ) over 20 kOe at room temperature . Since then, various studies have been reported . In such a high H c ferrite magnet, the particle size can be downsized because the superparamagnetic limitation size ( d s ) is very small (i.e., d s is 7.5 nm) .…”

Температурное поведение антиферромагнитной восприимчивости нано-ферригидрита из измерений кривых намагничивания в полях до 250 kOe

“…К ним относит-ся проблема описания кривой намагничивания нанораз-мерных частиц материалов, которые в объемном виде обладают антиферромагнитным (AF) порядком [1][2][3][4][5][6]. В таких наночастицах, как правило, сохраняется AF порядок в " сердцевине"( " ядре"), но поверхностные эф-фекты и дефекты приводят к появлению нескомпен-сированного магнитного момента частиц µ P [6][7][8][9][10][11], а наличие оборванных химических связей в присутствии AF взаимодействий может являться причиной спин-стекольного поведения поверхностных атомов [10][11][12][13][14][15][16][17].…”

“…С одной стороны, это согласуется с результатами других исследований ферригидрита [19,21,22,[24][25][26][27] и ферритина [15,18,20,23] (в ферритине частицы ферригидрита заключены в белко-вую оболочку). С другой стороны, для более корректно-го выяснения поведения χ AF (T ) необходимо исследовать кривые намагничивания в более широком диапазоне полей [14]. Измерения в диапазоне полей до 250 kOe мы провели на двух образцах бактериального ферригидрита из серии, исследованной в работе [33].…”