Суперпарамагнитная релаксация в ансамблях сверхмалых наночастиц ферригидрита

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Рассмотрено влияние межчастичных взаимодействий в ансамблях ультрамалых наночастиц на суперпарамагнитную релаксацию на примере наночастиц оксигидроксида железа Fe2O3∙nH2O (ферригидрита). Исследованы два образца: ферригидрит биогенного происхождения (средний размер частиц <d> ≈ 2.7 нм) с естественной органической оболочкой частиц и образец, прошедший низкотемпературный отжиг (<d> ≈ 3.5 нм), в ходе которого органическая оболочка частично удалялась. Были измерены dc- и ac-магнитные восприимчивости (χ′(T), χ′′(T)) в малом магнитном поле в области суперпарамагнитной (СПМ) блокировки наночастиц. Обнаружено, что увеличение межчастичных взаимодействий приводит к росту температуры СПМ-блокировки от 28 К до 52 К по данным dc-намагниченности. Показано, что ниже температуры СПМ-блокировки магнитные взаимодействия наночастиц приводят к формированию коллективного состояния, подобного спиновому стеклу в объемных материалах. С помощью скейлингового подхода выявлено, что происходит замедление динамики скоррелированных магнитных моментов на поверхности частиц при увеличении межчастичных взаимодействий. Моделирование зависимости χ′′(T) показало, что диссипация магнитной энергии происходит в две стадии. Первая из них связана непосредственно с блокировкой магнитного момента наночастиц, а вторая отражает спин-стекольное поведение поверхностных спинов, а также сильно зависит от силы межчастичных взаимодействий.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Ю. В. Князев

Институт физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: yuk@iph.krasn.ru
Россия, Красноярск

Д. А. Балаев

Институт физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН

Email: yuk@iph.krasn.ru
Россия, Красноярск

С. А. Скоробогатов

Институт физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН

Email: yuk@iph.krasn.ru
Россия, Красноярск

Д. А. Великанов

Институт физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН

Email: yuk@iph.krasn.ru
Россия, Красноярск

О. А. Баюков

Институт физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН

Email: yuk@iph.krasn.ru
Россия, Красноярск

С. В. Столяр

Институт физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН; Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук

Email: yuk@iph.krasn.ru
Россия, Красноярск; Красноярск

В. П. Ладыгина

Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук

Email: yuk@iph.krasn.ru
Россия, Красноярск

А. А. Красиков

Институт физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН

Email: yuk@iph.krasn.ru
Россия, Красноярск

Р. С. Исхаков

Институт физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН

Email: yuk@iph.krasn.ru
Россия, Красноярск

Список литературы

  1. Lee J.H., Kim B., Kim Y. and Kim S.K. Ultra-high rate of temperature increment from superparamagnetic nanoparticles for highly efficient hyperthermia // Sci. Rep. 2021. V. 11. № 1. P. 4969.
  2. Stolyar S.V., Balaev D.A., Ladygina V.P., Dubrovskiy A.A., Krasikov A.A., Popkov S.I., Bayukov O.A., Knyazev Y.V., Yaroslavtsev R.N., Volochaev M.N., Iskhakov R.S., Dobretsov K.G., Morozov E.V., Falaleev O.V., Inzhevatkin E.V., Kolenchukova O.A. and Chizhova I.A. Bacterial Ferrihydrite Nanoparticles: Preparation, Magnetic Properties, and Application in Medicine // J. Supercond Nov. Magn. 2018. V. 31. № 8. P. 2297–2304.
  3. Zhang L.Y., Gu H.C., Wang X.M. Magnetite ferrofluid with high specific absorption rate for application in hyperthermia // J. Magn. Magn. Mater. 2007. V. 311. № 1. P. 228–233.
  4. Tkachenko M.V., Kamzin A.S. Synthesis and properties of hybrid hydroxyapatite–ferrite (Fe3O4) particles for hyperthermia applications // Phys. Solid State. 2016. V. 58. № 4. P. 763–770.
  5. Kamzin A.S., Das H., Wakiya N. and Valiullin A.A. Magnetic Core/Shell Nanocomposites MgFe2O4/SiO2 for Biomedical Application: Synthesis and Properties // Phys. Solid State. 2018. V. 60. № 9. P. 1752–1761.
  6. Kamzin A.S., Obaidat I.M., Kozlov V.S., Voronina E.V. Magnetic Nanocomposites Graphene Oxide/Magnetite + Cobalt Ferrite (GrO/Fe3O4 + CoFe2O4) for Magnetic Hyperthermia // Phys. Solid State. 2021. V. 63. № 7. P. 998–1008.
  7. Wabler M., Zhu W., Hedayati M., Attaluri A., Zhou H., Mihalic J., Geyh A., Deweese T.L., Ivkov R. and Artemov D. Magnetic resonance imaging contrast of iron oxide nanoparticles developed for hyperthermia is dominated by iron content // International Journal of Hyperthermia. 2014. V. 30. № 3. P. 192–200.
  8. Abbasi A.Z., Gutiérrez L., Del Mercato L.L., Herranz F., Chubykalo-Fesenko O., Veintemillas-Verdaguer S., Parak W.J., Morales M.P., González J.M., Hernando A. and De La Presa P. Magnetic capsules for NMR imaging: Effect of magnetic nanoparticles spatial distribution and aggregation // J. Phys. Chem. C. 2011. V. 115. № 14. P. 6257–6264.
  9. Allia P., Tiberto P., Coisson M., Chiolerio A., Celegato F., Vinai F., Sangermano M., Suber L. and Marchegiani G. Evidence for magnetic interactions among magnetite nanoparticles dispersed in photoreticulated PEGDA-600 matrix // J. Nanoparticle Research. 2011. V. 13. № 11. P. 5615–5626.
  10. Rivas Rojas P.C., Tancredi P., Moscoso Londoño O., Knobel M. and Socolovsky L.M. Tuning dipolar magnetic interactions by controlling individual silica coating of iron oxide nanoparticles // J. Magn. Magn. Mater. 2018. V. 451. P. 688–696.
  11. Yusoff A.H.M., Salimi M.N., Jamlos M.F. A review: Synthetic strategy control of magnetite nanoparticles production // Adv. Nano Res. 2018. V. 6. № 1. P. 1.
  12. Yakushkin S.S., Balaev D.A., Dubrovskiy A.A., Semenov S.V., Knyazev Y.V., Bayukov O.A., Kirillov V.L., Ivantsov R.D., Edelman I.S. and Martyanov O.N. ε-Fe2O3 nanoparticles embedded in silica xerogel – Magnetic metamaterial // Ceram. Int. 2018. V. 44. № 15. P. 17852–17857.
  13. Petrov D.A., Lin C.R., Ivantsov R.D., Ovchinnikov S.G., Zharkov S.M., Yurkin G.Y., Velikanov D.A., Knyazev Y.V., Molokeev M.S., Tseng Y.T., Lin E.S., Edelman I.S., Baskakov A.O., Starchikov S.S. and Lyubutin I.S. Characterization of the iron oxide phases formed during the synthesis of core-shell FexOy@C nanoparticles modified with Ag // Nanotechnology. 2020. V. 31. № 39. P. 395703.
  14. Hong R.Y., Feng B., Chen L.L., Liu G.H., Li H.Z., Zheng Y. and Wei D. G. Synthesis, characterization and MRI application of dextran-coated Fe3O4 magnetic nanoparticles // Biochem. Eng. J. 2008. V. 42. № 3. Р. 290–300.
  15. Yang Y., Tian Q., Wu S., Li Y., Yang K., Yan Y., Shang L., Li A. and Zhang L. Blue light-triggered Fe2+-release from monodispersed ferrihydrite nanoparticles for cancer iron therapy // Biomaterials. 2021. V. 271. P. 120739.
  16. Khutsishvili S.S., Aleksandrova G.P., Vakulskaya T.I. and Sukhov B.G. Structural and Magnetic Properties of Biocompatible-Coated Magnetite Nanoparticles for Treating Antianemia // IEEE Trans. Magn. 2021. V. 57. № 10. P. 1–9.
  17. Mørup S., Madsen D.E., Frandsen C., Bahl C.R.H. and Hansen M.F. Experimental and theoretical studies of nanoparticles of antiferromagnetic materials // J. Phys. Condensed Matter. 2007. V. 19. № 21. P. 213202.
  18. Hansen M.F., Koch C.B. Magnetic dynamics of weakly and strongly interacting hematite nanoparticles // Phys. Rev. B. Condens. Matter Mater Phys. 2000. V. 62. № 2. P. 1124.
  19. Bødker F., Hansen M.F., Bender Koch C. and Mørup S. Particle interaction effects in antiferromagnetic NiO nanoparticles // J. Magn. Magn. Mater. 2000. V. 221. № 1–2. P. 32–36.
  20. Frandsen C., Mørup S. Inter-particle interactions in composites of antiferromagnetic nanoparticles // J. Magn. Magn. Mater. 2003. V. 266. № 1–2. P. 36–48.
  21. De La Presa P., Luengo Y., Multigner M., Costo R., Morales M.P., Rivero G. and Hernando A. Study of heating efficiency as a function of concentration, size, and applied field in γ-Fe2O3 nanoparticles // J. Phys. Chem. C. 2012. V. 116. № 48. P. 25602–25610.
  22. Krasikov A.A., Knyazev Y.V, Balaev D. A., Velikanov D. A., Stolyar S.V., Mikhlin Y.L., Yaroslavtsev R.N. and Iskhakov R.S. Interparticle magnetic interactions and magnetic field dependence of superparamagnetic blocking temperature in ferrihydrite nanoparticle powder systems // Physica B: Condens Matter. 2023. V. 660. P. 414901.
  23. Красиков А.А., Князев Ю.В., Балаев Д.А., Столяр С.В., Ладыгина В.П., Балаев А.Д. и Исхаков Р.С. Магнитные межчастичные взаимодействия и суперпарамагнитная блокировка порошковых систем наночастиц биогенного ферригидрита // ЖЭТФ. 2023. Т. 164. № 6. С. 1026–1038
  24. Knyazev Yu V., Balaev D.A., Stolyar S.V., Krasikov A. A., Bayukov O.A., Volochaev M.N., Yaroslavtsev R.N., Ladygina V.P., Velikanov D.A. and Iskhakov R.S. Interparticle magnetic interactions in synthetic ferrihydrite: Mössbauer spectroscopy and magnetometry study of the dynamic and static manifestations // J. Alloys. Compd. 2022. V. 889. P. 161623.
  25. Kuhn L.T., Lefmann K., Bahl C.R.H., Ancona S.N., Lindgård P.-A., Frandsen C., Madsen D.E. and Mørup S. Neutron study of magnetic excitations in 8-nm α-Fe2O3 nanoparticles // Phys. Rev. B. 2006. V. 74. № 18. P. 184406.
  26. Salvador M., Nicolao L., Figueiredo W. Non-monotonic Behavior of the Blocking Temperature of Interacting Magnetic Nanoparticles // Brazilian J. Phys. 2023. V. 53. № 3. Р. 70
  27. Popkov S.I., Krasikov A.A., Dubrovskiy A.A., Volochaev M.N., Kirillov V.L., Martyanov O.N. and Balaev D.A. Size effects in the formation of an uncompensated ferromagnetic moment in NiO nanoparticles // J. Appl. Phys. 2019. V. 126. № 10. Р. 103904.
  28. Popkov S.I., Krasikov A.A., Velikanov D.A., Kirillov V.L., Martyanov O.N. and Balaev D.A. Formation of the magnetic subsystems in antiferromagnetic NiO nanoparticles using the data of magnetic measurements in fields up to 250 kOe // J. Magn. Magn. Mater. Elsevier, 2019. V. 483. P. 21–26.
  29. Iimori T., Imamoto Y., Uchida N., Kikuchi Y., Honda K., Iwahashi T. and Ouchi Y. Magnetic moment distribution in nanosized antiferromagnetic NiO // J. Appl. Phys. 2020. V. 127. № 2. Р. 023902.
  30. Balaev D.A., Krasikov A.A., Popkov S.I., Semenov S.V., Volochaev M.N., Velikanov D.A., Kirillov V.L. and Martyanov O.N. Uncompensated magnetic moment and surface and size effects in few-nanometer antiferromagnetic NiO particles // J. Magn. Magn. Mater. 2021. V. 539. Р. 168343.
  31. Столяр С.В., Николаева Е.Д., Ли О.А., Великанов Д.А., Воротынов А.М., Пьянков В.Ф., Ладыгина В.П., Суханов А.Л., Балаев Д.А. и Исхаков Р.С. Микроволновый нагрев порошков окисленного железа в режиме ферромагнитного резонанса// Материаловедение. 2023. Т. 9. С. 10–14.
  32. Seehra M.S., Babu V.S., Manivannan A. and Lynn J. W. Neutron scattering and magnetic studies of ferrihydrite nanoparticles // Phys. Rev. B. 2000. V. 61. № 5. P. 3513.
  33. Knyazev Yu.V., Balaev D.A., Stolyar S.V., Bayukov O.A., Yaroslavtsev R.N., Ladygina V.P., Velikanov D.A. and Iskhakov R.S. Magnetic anisotropy and core-shell structure origin of the biogenic ferrihydrite nanoparticles // J. Alloys. Compd. 2021. V. 851. P. 156753.
  34. Knyazev Yu.V., Balaev D.A., Yaroslavtsev R.N., Krasikov A.A., Velikanov D.A., Mikhlin Y.L., Volochaev M.N., Bayukov O.A., Stolyar S.V. and Iskhakov R.S. Tuning of the Interparticle interactions in ultrafine ferrihydrite nanoparticles // Adv. Nano Res. 2022. V. 12. № 6. P. 605–616.
  35. Балаев Д.А., Красиков А.А., Дубровский А.А., Семенов С.В., Баюков О.А., Столяр С.В., Исхаков Р.С., Ладыгина В.П. и Ищенко Л.А. Магнитные свойства и механизм формирования нескомпенсированного магнитного момента антиферромагнитных наночастиц ферригидрита бактериального происхождения // ЖЭТФ. 2014. Т. 146. P. 546–556.
  36. Балаев Д.А., Красиков А.А., Столяр С.В., Исхаков Р.С., Ладыгина В.П., Ярославцев Р.Н., Баюков О.А., Воротынов А.М., Волочаев М.Н. и Дубровский А.А. Изменение магнитных свойств наноферригидрита в ходе низкотемпературного отжига, обусловленное ростом объема наночастиц // ФТТ. 2016. Т. 58. № 9. C. 1724–1732.
  37. Velikanov D.A. SQUID magnetometer for investigations of the magnetic properties of materials in the temperature range 4, 2–370 К // Siberian Aerospace Journal. 2013. V. 14. № 2. P. 176–181.
  38. Landi G.T., Arantes F.R., Cornejo D.R., Bakuzis A.F., Andreu I. and Natividad E. AC susceptibility as a tool to probe the dipolar interaction in magnetic nanoparticles // J. Magn. Magn. Mater. 2017. V. 421. P. 138–151.
  39. Landi G.T. Role of dipolar interaction in magnetic hyperthermia // Phys. Rev. B. 2014. V. 89. № 1. P. 014403.
  40. Knyazev Y.V., Balaev D.A., Skorobogatov S.A., Velikanov D.A., Bayukov O.A., Stolyar S.V., Yaroslavtsev R.N. and Iskhakov R. S. Spin dynamics in ensembles of ultrafine ferrihydrite nanoparticles // Phys. Rev. B. 2023. V. 107. № 11. P. 115413.
  41. Balaev D.A., Stolyar S.V., Knyazev Y.V., Yaroslavtsev R.N., Pankrats A.I., Vorotynov A.M., Krasikov A.A., Velikanov D. A., Bayukov O.A., Ladygina V.P. and Iskhakov R.S. Role of the surface effects and interparticle magnetic interactions in the temperature evolution of magnetic resonance spectra of ferrihydrite nanoparticle ensembles // Results Phys. 2022. V. 35. P. 105340.
  42. Jefremovas E.M., Alfonso Masa J., de la Fuente Rodríguez M., Rodríguez Fernández J., Espeso J.I., Rojas D.P., García-Prieto A., Fernández-Gubieda M.L. and Fernández Barquín L. Investigating the size and microstrain influence in the magnetic order/disorder state of GdCu2 nanoparticles // Nanomaterials. 2020. V. 10. № 6. P. 1117.
  43. Djurberg C., Svedlindh P., Nordblad P., Hansen M.F., Bødker F. and Mørup S. Dynamics of an interacting particle system: evidence of critical slowing down // Phys. Rev. Lett. 1997. V. 79. № 25. P. 5154.
  44. Mørup S., Madsen M.B., Franck J., Villadsen J. and Koch C.J.W. A new interpretation of Mössbauer spectra of microcrystalline goethite: “Super-ferromagnetism” or “super-spin-glass” behaviour? // J. Magn. Magn. Mater. 1983. V. 40. № 1–2. P. 163–174.
  45. Stolyar S.V., Balaev D.A., Ladygina V.P., Pankrats A.I., Yaroslavtsev R.N., Velikanov D.A. and Iskhakov R.S. Ferromagnetic resonance study of biogenic ferrihydrite nanoparticles: spin-glass state of surface spins // JETP Lett. 2020. V. 111. P. 183–187.
  46. Nemati Z., Khurshid H., Alonso J., Phan M.H., Mukherjee P. and Srikanth H. From core/shell to hollow Fe/γ-Fe2O3 nanoparticles: evolution of the magnetic behavior // Nanotechnology. 2015. V. 26. № 40. P. 405705.
  47. Vasilakaki M., Gemenetzi F., Devlin E., Yi D.K., Riduan S.N., Lee S.S., Ying J.Y., Papaefthymiou G.C. and Trohidou K. N. Size effects on the magnetic behavior of γ-Fe2O3 core/SiO2 shell nanoparticle assemblies // J. Magn. Magn. Mater. 2021. V. 522. P. 167570.
  48. Silva F.G. da, Depeyrot J., Raikher Y.L., Stepanov V.I., Poperechny I.S., Aquino R., Ballon G., Geshev J., Dubois E. and Perzynski R. Exchange-bias and magnetic anisotropy fields in core–shell ferrite nanoparticles // Scientific Reports. Nature Publishing Group UK London. 2021. V. 11. № 1. P. 5474.
  49. Fisher D.S., Huse D.A. Equilibrium behavior of the spin-glass ordered phase // Phys. Rev. B. 1988. V. 38. № 1. P. 386.
  50. Mathieu R., Asamitsu A., Kaneko Y., He J.P. and Tokura Y. Eu0.5Sr1.5MnO4: A three-dimensional XY spin glass // Phys. Rev. B. 2005. V. 72. № 1. P. 014436.
  51. Nair S., Nigam A.K. Critical exponents and the correlation length in the charge exchange manganite spin glass Eu0.5Ba0.5MnO3 // Phys. Rev. B. 2007. V. 75. № 21. P. 214415.
  52. Kumar A., Senyshyn A., Pandey D. Evidence for cluster spin glass phase with precursor short-range antiferromagnetic correlations in the B-site disordered Ca(Fe1/2Nb1/2)O3 perovskite // Phys. Rev. B. 2019. V. 99. № 21. P. 214425.
  53. Silva N.J.O., Amaral V.S., Carlos L.D. Relevance of magnetic moment distribution and scaling law methods to study the magnetic behavior of antiferromagnetic nanoparticles: Application to ferritin // Phys. Rev. B. 2005. V. 71. № 18. P. 184408.
  54. Mørup S., Hansen M.F., Frandsen C. Magnetic interactions between nanoparticles // Beilstein Journal of Nanotechnology. 2010. V. 1. № 1. P. 182–190.
  55. Nayak S., Ghorai S., Padhan A.M., Hajra S., Svedlindh P. and Murugavel P. Cationic redistribution induced spin-glass and cluster-glass states in spinel ferrite // Phys. Rev. B. 2022. V. 106. № 17. P. 174402.
  56. Bødker F., Mørup S. Size dependence of the properties of hematite nanoparticles //Europhysics Letters. 2000. V. 52. № 2. P. 217.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Температурные зависимости намагниченности исследованных образцов в поле H = 20 Э в условиях ZFC и FC. Стрелки указывают на температуры СПМ-разблокировки TB при 28 К и 52 К

Скачать (129KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Температурные зависимости статической магнитной восприимчивости χ(T) = M(T)/H (левая шкала), а также реальной χ′(T) (левая шкала) и мнимой χ′′(T) (правая шкала) частей ас-восприимчивости образцов FH-0h (a) и FH-24h (б), полученные в диапазоне частот 10–10000 Гц

Скачать (325KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Результаты подгонки мнимой χ′′(T) части ас-восприимчивости образцов FH-0h (a) и FH-24h (б) по выражению (2). В центре показано модельное представление взаимодействующих наночастиц. Большие стрелки – нескомпенсированный магнитный момент наночастицы, маленькие стрелки – магнитные моменты атомов на поверхности

Скачать (259KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Температурная зависимость времени СПМ- релаксации τ образцов ультрамалых наночастиц ферригидрита в скейлинговых координатах. На вставке показана зависимость τ в прямых координатах

Скачать (132KB)
Метаданные