Development of the magnetic nanoparticle deposition gun based on hollow cathode magnetron sputtering

O desenvolvimento de novos métodos de produção de partículas nanométricas tem sido um dos pontos focais nos últimos anos na pesquisa em ciência de materiais. As nanopartículas (NPs) são utilizadas em eletrônica, biotecnologia, química e na indústria em geral devido às suas propriedades catalíticas, elétricas, ópticas ou magnéticas. Este trabalho consiste no desenvolvimento de um método físico para a produção de nanopartículas magnéticas utilizando um canhão magnetron sputtering radial desenvolvido por nós, baseado no método de agregação gasosa. Na montagem, as amostras foram preparadas no canhão de NP, instalado como um novo canhão em um sistema de magnetron sputtering comercial. Normalmente, o sistema de sputtering opera a uma pressão de 5 mTorr na câmara principal. No entanto, no canhão de NP, existe uma pressão interna de 780 mTorr, sob o fluxo de Ar de 80 sccm. Os átomos removidos do alvo são termalizados pelo fluxo de Ar e condensados para formar NPs, que são extraídos do canhão de NP aerodinamicamente, indo em direção ao substrato. O dispositivo é capaz de produzir filmes de NPs de diferentes metais, incluindo metais ferromagnéticos, e também co-depositar as NPs simultaneamente com outro filme de sputter. Foram produzidas NPs de Cu e Co. As NPs de Cu foram produzidas com diâmetro médio de 5,79(8) nm e desvio padrão de 2,97(5) nm, com cristalinidade compatível com a estrutura FCC. As NPs de Co apresentaram diâmetro médio de 3,88(3) nm e desvio padrão de 1,74(2) nm, com cristalinidade compatível com as estruturas FCC e HCP. As NPs de Co apresentaram comportamento ferromagnético quando produzidas sozinhas, dada a aglomeração de NPs no substrato. Porém, quando co-depositados com filmes de Si3N4, a aglomeração de NPs no substrato foi minimizada e as amostras apresentaram comportamento superparamagnético. Este comportamento foi descrito combinando a função de Langevin e uma distribuição de diâmetros. NPs de Co intercaladas com Si3N4 apresentaram diâmetro médio de 3,1(1) nm e desvio padrão de 1,2(1) nm. NPs de Co cobertas com Si3N4 apresentaram diâmetro médio de 3,8(2) nm e desvio padrão de 2,2(2) nm. Ambas as amostras apresentaram envelhecimento, com uma perda de 66% das NPs de Co, após uma semana.The development of new production methods of nanometric particles has been one of the focal points in the recent years on material science research. Nanoparticles (NPs) are used in electronics, biotechnology, chemistry and in the industry in general as a result of its catalytic, electric, optical or magnetic properties. This work consists of the development of a physical method for the production of magnetic nanoparticles using a homemade radial magnetron sputtering, and the gas aggregation method. In the setup, the samples were prepared in a NP gun, installed as a new gun on a commercial magnetron sputtering system. Typically, the sputtering system operates at a pressure of 5 mTorr in the main chamber. However, in the NP gun there is inside a pressure of 780 mTorr, under the argon flux of 80 sccm. The atoms removed from the target are thermalized by the argon flux and condensed to form NPs, which are extracted from the NP gun aerodynamically, flowing in direction to the substrate. The device is capable of producing films of NPs of different metals, including ferromagnetic metals, and also co-deposit the NPs simultaneously with other sputtered film. Cu and Co NPs were produced. For Cu NPs the averaged diameter was 5.79(8) nm and standard deviation of 2.97(5) nm, with crystallinity compatible with the FCC structure. The Co NPs presented an average diameter of 3.88(3) nm and standard deviation of 1.74(2) nm, with crystallinity compatible with the FCC and HCP structures. The Co NPs showed ferromagnetic behavior due to the agglomeration of NPs in the substrate. But, when co-deposited with Si3N4 film, the agglomeration of NPs on substrate was minimized and samples showed superparamagnetic behavior. This behavior was described by a combination of Langevin function and a distribution of diameters. Co NPs film dispersed with capping and buffer layer of Si3N4 showed average diameter of 3.1(1) nm and standard deviation of 1.2(1) nm. Co NPs film covered with Si3N4 showed average diameter of 3.8(2) nm and standard deviation of 2.2(2) nm. Both samples showed aging, with a loss of 66% of Co NPs, after one week