Self-assembly mechanisms for magnetic nanoparticles and formation of macroscopic two-dimensional arrays

see the original item page
in the repository's web site and access all digital files if the item*

PhD thesis (EN)

2009 (EN)
Μηχανισμοί αυτοσυγκρότησης μαγνητικών νανοσωματιδίων και ανάπτυξη μικροσκοπικών δικτύων δύο διαστάσεων
Self-assembly mechanisms for magnetic nanoparticles and formation of macroscopic two-dimensional arrays

Μουρδικούδης, Στέφανος Π.

Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής πραγματοποιήθηκε μια συνδυασµένη μορφολογική, δομική και μαγνητική μελέτη ποικίλων μεταλλικών νανοδομών, που είναι γενικότερα γνωστές με τον όρο ‘νανοσωματίδια’. Ο κύριος στόχος ήταν η χημική παρασκευή δικτύων μαγνητικών νανοσωματιδίων με ελεγχόμενη σύσταση, σχήμα και μέγεθος, καθώς και η μελέτη της συσχέτισης των μορφολογικών και δομικών τους χαρακτηριστικών με τη μαγνητική τους συμπεριφορά. Ειδικότερα, αναπτύχθηκαν δίκτυα μονομεταλλικών νανοσωματιδίων (Νi, Co, CoO-Co3O4) και διμεταλλικών κραμάτων νανοσωματιδίων (FeCo, CoPt, MnPt). Η σύνθεση των μαγνητικών νανοσωματιδίων έγινε με τη μέθοδο της ‘υγρής χημείας’, όπου κατάλληλα επιλεγμένες οργανομεταλλικές ενώσεις, διαλυμένες σε οργανικούς διαλύτες, διασπώνται σε υψηλές θερμοκρασίες παρουσία επιφανειοδραστικών ενώσεων. Ειδικότερα, στο σύστημα Co-(CoO, Co3O4) κατέστη δυνατή η σύνθεση νανοδομών με διάφορες μορφολογίες (π.χ. σφαιρικά σωματίδια, δομές ‘polypod-like’ κλπ.) Μέσα από τις μαγνητικές μετρήσεις καταγράφηκε ο ισχυρός σιδηρομαγνητικός χαρακτήρας των νανοδομών κοβαλτίου (Ms ~ 182 emu/g), ενώ τα οξείδια του κοβαλτίου εμφάνισαν πολύ ασθενή σιδηρομαγνητική συμπεριφορά. O έλεγχος του σχήματος και του μεγέθους των νανοσωματιδίων ήταν εφικτός και για τα νανοσωματίδια Νi. Επιλέγοντας τις κατάλληλες παραμέτρους σύνθεσης, για το σύστημα αυτό παρασκευάστηκαν νανοδομές με κυβική κρυσταλλική συμμετρία (fcc) και νανοδομές με εξαγωνική δομή (hcp). Oι παραπάνω κρυσταλλογραφικές φάσεις εμφάνισαν αρκετά διαφορετική μαγνητική συμπεριφορά μεταξύ τους. Τα νανοσωματίδια κράματος FeCo εμφάνισαν ικανοποιητική μονοδιασπορά μεγέθους (~ 15 nm) με τάσεις για αυτοοργάνωση σε μακροσκοπικά δίκτυα. Σε αυτό το σύστημα διερευνήθηκε η επίδραση της έκθεσης στον ατμοσφαιρικό αέρα, που οδήγησε στην επιφανειακή οξείδωση των νανοσωματιδίων, καθώς και οι συνέπειες του φαινομένου αυτού στις μαγνητικές ιδιότητες του υλικού. Για τα διμεταλλικά νανοσωματίδια CoPt, η σημαντικότερη παρατήρηση είναι ότι παρουσίασαν υψηλές τιμές συνεκτικού πεδίου μετά από ανόπτηση (~ 3.3 kOe σε θερμοκρασία δωματίου), μια ιδιότητα που είναι αναγκαία για τα υλικά που είναι υποψήφια για χρήση σε εφαρμογές μαγνητικής εγγραφής. Ακόμη, στα νανοσωματίδια κράματος ΜnPt ήταν δυνατός ο έλεγχος του μεγέθους τους στην περιοχή 2-9 nm καθώς και η αυτοοργάνωση σε πολλαπλά στρώματα σε ορισμένες περιπτώσεις, ενώ η ανόπτηση οδήγησε σε μεγάλες τιμές συνεκτικού πεδίου ( ~ 11 kOe), μετά από μαγνητικές μετρήσεις σε χαμηλές θερμοκρασίες (10 K)
A combined morphological, structural and magnetic investigation of several magnetic nanostructures, which are widely known as ‘nanoparticles’, was carried out in the framework of the current Doctorate Thesis. The main objective was to prepare arrays of magnetic nanoparticles with controllable size and shape and to understand the mechanisms for the correlation of the morphological and structural features with the magnetic behavior. More specifically, arrays of monometallic nanoparticles (Ni, Co, CoO-Co3O4) and bimetallic alloy nanoparticles (FeCo, CoPt, MnPt) were formed. The magnetic nanoparticles were synthesized by the so-called ‘wet-chemistry’ method, where properly selected organometallic compounds, diluted in organic solvents, are thermally decomposed in the presence of surfactants. In particular, concerning the Co-based nanoparticles (Co, CoO, Co3O4), we were able to fabricate nanostructures with various morphologies (e.g. spherical particles, ‘polypod-like’ structures). Magnetic measurements showed a strong ferromagnetic character for the cobalt nanostructures (Ms ~ 182 emu/g), while the Co-oxide nanoparticles displayed very weak ferromagnetic features. The tuning of the size and shape of the nanoparticles was also feasible for the Ni system. By applying the appropriate synthesis parameters, Ni nanoparticles with tailored crystal structure were produced (either cubic (fcc) or hexagonal (hcp)). The magnetic properties of these two crystal phases were much different. The FeCo alloy nanoparticles presented a high size monodispersity (~ 15 nm), with a tendency for self-organization in extended arrays. In this system, the effect of air exposure was examined, which briefly led to the surface oxidation of the particles, thus resulting in a deterioration on the magnetic properties of the material. Regarding the bimetallic CoPt nanoparticles, the main observation is that they showed high coercivity values after annealing (~ 3.3 kOe at room temperature), which is an essential feature for the candidate materials to be employed in magnetic recording media. Moreover, concerning the MnPt alloy nanoparticles we were able to control the size in the range 2-9 nm, while the self-assembly in multiple layers was achieved in certain cases. The annealing resulted in considerably high coercivity values (~ 11 kOe), as revealed by magnetic measurements at low temperatures (10 K)

PhD Thesis / Διδακτορική Διατριβή

Μαγνητικές ιδιότητες
Nanopartricles, Synthesis
Νανοσωματίδια, Σύνθεση
Magnetic properties

Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης (EL)
Aristotle University of Thessaloniki (EN)



Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, Σχολή Θετικών Επιστημών, Τμήμα Φυσικής

This record is part of 'IKEE', the Institutional Repository of Aristotle University of Thessaloniki's Library and Information Centre found at Unless otherwise stated above, the record metadata were created by and belong to Aristotle University of Thessaloniki Library, Greece and are made available to the public under Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International license ( Unless otherwise stated in the record, the content and copyright of files and fulltext documents belong to their respective authors. Out-of-copyright content that was digitized, converted, processed, modified, etc by AUTh Library, is made available to the public under Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International license ( You are kindly requested to make a reference to AUTh Library and the URL of the record containing the resource whenever you make use of this material.

*Institutions are responsible for keeping their URLs functional (digital file, item page in repository site)