Superparamagnetic resonance studies on magnetic nanoparticles

Abstract

Manyetik nano parçacıklar, uygulama alanlarının genisligi ve mesoskopiközelliklerinden dolayı çok yaygın olarak çalısılmaktadır. En yaygın kullanılan ve en iyibilinen magnetic nano parçacıklardan birisi mıknatıs (Fe3O4). Bu çalısmada,Süperparamanyetik Rezonans (SPR) teorisi ve 1.1-11 nm arasında büyüklüklere sahipsüperparamanyetik Fe3O4 numunelerindeki uygulaması incelenmistir. Sıcaklıga ve frekansabaglı manyetik özellikleri olan bu nano parçacıklarda büyüklük ve yüzey etkileriarastırılmıstır. Kullanılan teorik yaklasım Berger ve çalısma arkadaslarına ait parçacıkçaplarının veya hacimlerinin lognormal dagılımına dayanmaktadır. Rastgele yönelmismanyetik momentler ve anisotropi ekseninin ısısal dalgalanmalarıdan dolayı bunanoparçacıkların tek alanlı (single domain) oldukları kabul edilmistir. Tek çizgi fonsiyonuLandau-Lifshitz'in sönümlü presesyon denkleminden elde edilmistir. Numunelerin manyetiközelliklerinin büyüklüklerine ve sıcaklıga siddetli bagımlı oldugu gözlenmistir. Sıcaklıkdüserken SPR çizgi genisligi artarken rezonans alanı azalmıstır. Bunun anlamı düsensıcaklıkla anisotropy alanının artmasıdır. Yüksek sıcaklıklarda SPR çizgi sekli çekirdekanisotrpisi ve ısısal dalgalanmalardan etkilenmistir. Azalan sıcaklıkla birlikte kabuk spinlerinumunelerin manyetik alınganlıgını artıracakları için bunlar çekirdek üzerinde etkin birmanyetik alan olustururlar ve buda rezonans alanının Br yüksek sıcaklardaki degerinden dahaküçük degerlere sahip olmasına sebep olur. Kabuk spinleri düzenli hale geldikçe etkinanisotropi artar ve yüzey alanının sahip oldugu degere yaklasır. Dolayısıyla bu sonuçları basitbir model ile açıklayabiliriz. Bu modele göre her bir tek alanlı nano parçacıklar, çekirdekkabukyapılı sistemler olarak düsünülebilir. lave olarak lineer mikrodalga frekans baglılıgı veblok sıcaklıgının parçacık büyüklügü ile arttıgı gözlenmistir.Anahtar Kelimeler: SPR, süperparamanyetizma, spinel yapılar, nanoparçacıklar, Fe3O4

Magnetic nanoparticles have attracted great interest due to their mesoscopic propertiesand their potential for applications. The widely used and the well known magneticnanoparticle is the magnetite (Fe3O4). In this study, the theory of the SuperparamagneticResonance (SPR) and its application on superparamagnetic Fe3O4 nanoparticles in a sizerange of 1.1-11 nm were studied. The size and surface effects on temperature and frequencydependent magnetic properties of these particles were investigated. We used a theoreticalformalism based on a distribution of diameters or volumes of the nanoparticles followinglognormal proposed by Berger et al. The nanoparticles are considered as single magneticdomains with random orientations of magnetic moments and thermal fluctuations ofanisotropic axes. The individual line shape function is derived from the damped precessionequation of Landau-Lifshitz. Magnetic properties of the samples were strongly temperatureand size dependent. When the temperature is decreased, while the SPR line width isincreasing the resonance field is decreasing. This means the anisotropy field is increasing bydecreasing the temperature. At high T?s, the SPR line shape is governed by the coreanisotropy and the thermal fluctuations. On decreasing T, as the shell spins increase theirmagnetic susceptibility, they produce an effective field on the core, leading to a decrease of Brfrom its high T value. As the shell spins begin to order, the effective anisotropy increasesfollowing its surface value more closely. So, the results can be interpreted by a simple model,in which each single-domain nanoparticle is considered as a core-shell system, with uniaxialanisotropy on the core and surface anisotropy on the shell. Also a linear microwave frequencydependence was observed. Furthermore, the blocking temperature of the particles is alsoincreasing by the particle size.Keywords: SPR, superparamagnetism, spinel structure, nanoparticles, Fe3O4.