Efeitos de tamanho finito e interface em nanopartículas e nanocolóides magnéticos

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Instituto de Física, 2008.Investigamos neste trabalho nanopartículas magnéticas à base de ferrita de cobre, com diâmetros entre 3,5 nm e 10,7 nm. Esses nanomateriais são obtidos por coprecipitação hidrotérmica e permitem a obtenção de nanocolóides magnéticos em meio aquoso ácido graças a uma estratégia do tipo núcleo-superficie, que previne a dissolução das partículas. Conseqüentemente essas são formadas por um núcleo de ferrita de cobre estequiométrica recoberto por uma camada superficial de maguemita. Medidas de magnetização em função da temperatura permitam distinguir o núcleo monodomínio magneticamente ordenado da camada superficial que apresenta em baixa temperatura uma estrutura do tipo vidro de spin. Ainda a temperatura de congelamento é maior em presença de interações dipolares magnéticas (pó). Medidas de espectroscopia Mössbauer, em presença e em ausência de campo aplicado, confirmam a existência da estrutura magnética do tipo núcleo-superfície, com um núcleo apresentando inversão catiônica, e conduzem à determinação da energia de anisotropia. Ainda a investigação da dinâmica de rotação browniana a partir da utilização de um arranjo de birrefringência magneto-ótica em campo cruzado também permite sondar a anisotropia magnética das nanopartículas. Em ambas as determinações, os resultados indicam uma forte contribuição de superfície para as nanopartículas de menores diâmetros. _____________________________________________________________________________________ ABSTRACTIn this work, we investigated magnetic nanoparticles based on copper ferrite, with mean sizes ranging between 3,5 nm e 10,7 nm. Such nanomaterials are chemically synthesized by hydrothermal coprecipitation and allow elaborating magnetic nanocolloids in aqueous and acidic medium thanks to a core-shell strategy that prevent the nanoparticles from dissolution. Consequently, they consist in a core made of stoichiometric copper ferrite surrounded by a maghemite shell. Magnetization measurements as a function of the temperature allow to separate the magnetically ordered core monodomain from the surface shell which presents at low temperature a spin-glass like disordered structure. Moreover, the freezing temperature is larger in the presence of magnetic dipolar interactions between particles (powder). Mössbauer spectroscopy measurements, in the presence and absence of an applied magnetic field confirm the existence of the magnetic core-shell model, with cation inversion in the ordered magnetic core, and lead to the determination of the anisotropy energy. Furthermore, the investigation of the Brownian rotation dynamics using an experimental setup of magneto-optical birefringence in crossed fields also permits to determine the magnetic anisotropy energy of the particles. For both determinations, the results suggest an intense surface contribution for smaller nanoparticles