Published December 20, 2018 | Version v1
Publication Open

Effects of Zn Substitution in the Magnetic and Morphological Properties of Fe-Oxide-Based Core–Shell Nanoparticles Produced in a Single Chemical Synthesis

Creators

  • 1. Polytechnic University of Bari
  • 2. Bariloche Atomic Centre
  • 3. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
  • 4. National University of Cuyo
  • 5. Balseiro Institute
  • 6. Universidad de Zaragoza
  • 7. Universidade de São Paulo

Description

Magnetic, compositional, and morphological properties of Zn–Fe-oxide core–shell bimagnetic nanoparticles were studied for three samples with 0.00, 0.06, and 0.10 Zn/Fe ratios, as obtained from particle-induced X-ray emission analysis. The bimagnetic nanoparticles were produced in a one-step synthesis by the thermal decomposition of the respective acetylacetonates. The nanoparticles present an average particle size between 25 and 30 nm as inferred from transmission electron microscopy (TEM). High-resolution TEM images clearly show core–shell morphology for the particles in all samples. The core is composed by an antiferromagnetic (AFM) phase with a Wüstite (Fe1–yO) structure, whereas the shell is composed by a ZnxFe3–xO4 ferrimagnetic (FiM) spinel phase. Despite the low solubility of Zn in the Wüstite, electron energy-loss spectroscopy analysis indicates that Zn is distributed almost homogeneously in the whole nanoparticle. This result gives information on the formation mechanisms of the particle, indicating that the Wüstite is formed first, and the superficial oxidation results in the FiM ferrite phase with similar Zn concentration than the core. Magnetization and in-field Mössbauer spectroscopy of the Zn-richest nanoparticles indicate that the AFM phase is strongly coupled to the FiM structure of the ferrite shell, resulting in a bias field (HEB) appearing below TNFeO, with HEB values that depend on the core–shell relative proportion. Magnetic characterization also indicates a strong magnetic frustration for the samples with higher Zn concentration, even at low temperatures.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تمت دراسة الخصائص المغناطيسية والتركيبية والمورفولوجية للجسيمات النانوية ثنائية المغناطيسية ذات القشرة الأساسية Zn - Fe - oxide لثلاث عينات بنسب 0.00 و 0.06 و 0.10 Zn/Fe، كما تم الحصول عليها من تحليل انبعاثات الأشعة السينية المستحثة بالجسيمات. تم إنتاج الجسيمات النانوية ثنائية المغناطيسية في تخليق من خطوة واحدة عن طريق التحلل الحراري للأسيتيلات المعنية. تقدم الجسيمات النانوية متوسط حجم جسيم يتراوح بين 25 و 30 نانومتر كما هو مستنتج من المجهر الإلكتروني للإرسال (TEM). تُظهر صور TEM عالية الدقة بوضوح مورفولوجيا القشرة الأساسية للجسيمات في جميع العينات. يتكون القلب من طور مغناطيسي مضاد (AFM) بهيكل Wüstite (Fe1 - yO)، في حين يتكون الغلاف من طور إسبنيل مغناطيسي حديدي ZnxFe3 - xO4 (FiM). على الرغم من انخفاض ذوبان الزنك في Wüstite، يشير التحليل الطيفي لفقدان طاقة الإلكترون إلى أن الزنك موزع بشكل متجانس تقريبًا في الجسيمات النانوية بأكملها. تعطي هذه النتيجة معلومات عن آليات تكوين الجسيم، مما يشير إلى أن الفوستيت يتكون أولاً، وينتج عن الأكسدة السطحية مرحلة الفريت FiM بتركيز Zn مماثل من القلب. تشير المغنطة ومطيافية موسباور في الحقل لأغنى جسيمات الزنك النانوية إلى أن مرحلة AFM مقترنة بقوة ببنية FiM لقشرة الفريت، مما يؤدي إلى ظهور حقل انحياز (HEB) أسفل TNFeO، مع قيم HEB التي تعتمد على النسبة النسبية للقشرة الأساسية. يشير التوصيف المغناطيسي أيضًا إلى إحباط مغناطيسي قوي للعينات ذات التركيز العالي من الزنك، حتى في درجات الحرارة المنخفضة.

Translated Description (French)

Les propriétés magnétiques, compositionnelles et morphologiques des nanoparticules bimagnétiques noyau-enveloppe d'oxyde de Zn-Fe ont été étudiées pour trois échantillons avec des rapports Zn/Fe de 0,00, 0,06 et 0,10, tels qu'obtenus à partir de l'analyse de l'émission de rayons X induite par les particules. Les nanoparticules bimagnétiques ont été produites dans une synthèse en une étape par la décomposition thermique des acétylacétonates respectifs. Les nanoparticules présentent une taille moyenne de particule comprise entre 25 et 30 nm telle que déduite de la microscopie électronique à transmission (met). Les images TEM haute résolution montrent clairement la morphologie noyau-coquille des particules dans tous les échantillons. Le noyau est composé d'une phase antiferromagnétique (AFM) avec une structure Wüstite (Fe1-yO), tandis que la coquille est composée d'une phase spinelle ferrimagnétique (FiM) ZnxFe3-xO4. Malgré la faible solubilité du Zn dans la Wüstite, l'analyse par spectroscopie de perte d'énergie électronique indique que le Zn est distribué de manière presque homogène dans l'ensemble de la nanoparticule. Ce résultat donne des informations sur les mécanismes de formation de la particule, indiquant que la Wüstite est formée en premier, et l'oxydation superficielle donne lieu à la phase de ferrite FiM avec une concentration de Zn similaire à celle du noyau. La magnétisation et la spectroscopie de Mössbauer sur le terrain des nanoparticules les plus riches en Zn indiquent que la phase AFM est fortement couplée à la structure FiM de la coquille de ferrite, résultant en un champ de polarisation (HEB) apparaissant en dessous de TNFeO, avec des valeurs de HEB qui dépendent de la proportion relative noyau-coquille. La caractérisation magnétique indique également une forte frustration magnétique pour les échantillons avec une concentration de Zn plus élevée, même à basse température.

Translated Description (Spanish)

Se estudiaron las propiedades magnéticas, de composición y morfológicas de las nanopartículas bimagnéticas de núcleo-cubierta de óxido de Zn-Fe para tres muestras con relaciones de Zn/Fe de 0.00, 0.06 y 0.10, obtenidas a partir del análisis de emisión de rayos X inducido por partículas. Las nanopartículas bimagnéticas se produjeron en una síntesis de un solo paso mediante la descomposición térmica de los acetilacetonatos respectivos. Las nanopartículas presentan un tamaño medio de partícula entre 25 y 30 nm como se infiere de la microscopía electrónica de transmisión (TEM). Las imágenes TEM de alta resolución muestran claramente la morfología núcleo-corteza de las partículas en todas las muestras. El núcleo está compuesto por una fase antiferromagnética (AFM) con una estructura Wüstite (Fe1–yO), mientras que la carcasa está compuesta por una fase de espinela ferrimagnética ZnxFe3-xO4 (FiM). A pesar de la baja solubilidad del Zn en la Wüstite, el análisis de espectroscopía de pérdida de energía electrónica indica que el Zn se distribuye casi homogéneamente en toda la nanopartícula. Este resultado proporciona información sobre los mecanismos de formación de la partícula, lo que indica que la Wüstite se forma primero, y la oxidación superficial da como resultado la fase de ferrita FiM con una concentración de Zn similar a la del núcleo. La magnetización y la espectroscopia de Mössbauer en campo de las nanopartículas más ricas en Zn indican que la fase AFM está fuertemente acoplada a la estructura FiM de la capa de ferrita, lo que resulta en un campo de polarización (HEB) que aparece por debajo de TNFeO, con valores de HEB que dependen de la proporción relativa entre el núcleo y la capa. La caracterización magnética también indica una fuerte frustración magnética para las muestras con mayor concentración de Zn, incluso a bajas temperaturas.

Files

CONICET_Digital_Nro.1d21e642-3fdc-414f-b0c4-384bdd2b7473_D.pdf.pdf

Files (3.9 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:2a8600b83450a76912e9327cfb6006c0
3.9 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
آثار استبدال الزنك في الخواص المغناطيسية والمورفولوجية للجسيمات النانوية الأساسية القائمة على أكسيد الحديد المنتجة في تخليق كيميائي واحد
Translated title (French)
Effets de la substitution de Zn dans les propriétés magnétiques et morphologiques des nanoparticules noyau-enveloppe à base d'oxyde de fer produites dans une synthèse chimique unique
Translated title (Spanish)
Efectos de la sustitución de Zn en las propiedades magnéticas y morfológicas de las nanopartículas de núcleo-cubierta a base de óxido de Fe producidas en una única síntesis química

Identifiers

Other
https://openalex.org/W2905736880
DOI
10.1021/acs.jpcc.8b08988

Is supplement to
https://openalex.org/W3116673973 (Other)
https://openalex.org/W2952161457 (Other)
https://openalex.org/W2516323167 (Other)
https://openalex.org/W2292820144 (Other)
https://openalex.org/W2166473117 (Other)
https://openalex.org/W2089691770 (Other)
https://openalex.org/W2083315581 (Other)
https://openalex.org/W2045836481 (Other)
https://openalex.org/W2007536246 (Other)
https://openalex.org/W1995555592 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Argentina

References

  • https://openalex.org/W1517434584
  • https://openalex.org/W1600653151
  • https://openalex.org/W1861223224
  • https://openalex.org/W1936385751
  • https://openalex.org/W1980515448
  • https://openalex.org/W2002956672
  • https://openalex.org/W2003485632
  • https://openalex.org/W2004015584
  • https://openalex.org/W2012053203
  • https://openalex.org/W2014128834
  • https://openalex.org/W2020706877
  • https://openalex.org/W2028785818
  • https://openalex.org/W2030107850
  • https://openalex.org/W2035511532
  • https://openalex.org/W2039985275
  • https://openalex.org/W2044636725
  • https://openalex.org/W2047516075
  • https://openalex.org/W2052672716
  • https://openalex.org/W2053789455
  • https://openalex.org/W2072964052
  • https://openalex.org/W2080556492
  • https://openalex.org/W2080668190
  • https://openalex.org/W2087191525
  • https://openalex.org/W2088899213
  • https://openalex.org/W2090145115
  • https://openalex.org/W2094657899
  • https://openalex.org/W2096953247
  • https://openalex.org/W2101293228
  • https://openalex.org/W2101453947
  • https://openalex.org/W2118969052
  • https://openalex.org/W2119662057
  • https://openalex.org/W2125985258
  • https://openalex.org/W2151144182
  • https://openalex.org/W2233658449
  • https://openalex.org/W2315437040
  • https://openalex.org/W2319721374
  • https://openalex.org/W2322286280
  • https://openalex.org/W2381383269
  • https://openalex.org/W2393261372
  • https://openalex.org/W2406482364
  • https://openalex.org/W2517562683
  • https://openalex.org/W2576396085
  • https://openalex.org/W2587141866
  • https://openalex.org/W2625138673
  • https://openalex.org/W2794174689
  • https://openalex.org/W2896514234
  • https://openalex.org/W2924018592
  • https://openalex.org/W4231885856