อนุภาคนาโนแม่เหล็กและเรโซแนนซ์แม่เหล็กยิ่งยวด (2) "โครงสร้างและสถานะทางอิเล็กทรอนิกส์ของอนุภาคนาโนแม่เหล็ก"

เมื่อเราถือว่าอนุภาคเป็นทรงกลม พารามิเตอร์ S_sซึ่งเป็นอัตราส่วนของพื้นที่ผิว (S=4𝜋𝑟²) ถึงระดับเสียงของมัน , จะแสดงเป็น

พื้นที่ผิวเป็นสัดส่วนผกผันกับรัศมีอนุภาค S_s คือพื้นที่ผิวจำเพาะ และ 𝑟 คือรัศมีของอนุภาค รูปที่ 1 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างเส้นผ่านศูนย์กลางของทรงกลมและพื้นที่ผิวจำเพาะที่คำนวณได้ตามสมการ (1). พล็อตนี้ทำให้เรารู้ว่าพื้นที่ผิวของสสารมีสโคปิกนั้นใหญ่มาก
ความใหญ่พิเศษเฉพาะของพื้นที่ผิวจำเพาะนี้ส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อคุณสมบัติทางกายภาพของวัสดุอนุภาคระดับนาโน เนื่องจากพื้นผิวมีส่วนต่อประสานที่ไม่ต่อเนื่อง และสามารถสร้างสถานะอิเล็กตรอนที่แตกต่างจากผลึกที่สม่ำเสมอและเป็นระยะ ๆ ในบริเวณด้านในของอนุภาค

รูปที่ 3 สเปกตรัม SPR ของ Fe₃O₄ การกระจายอนุภาคนาโนแม่เหล็กในโทลูอีน (0.625 มก. / มล.) ภาพที่ได้จาก TEM (JEM-2100Plus, แรงดันไฟฟ้าเร่งคือ 200 kV) และการกระจายขนาดของอนุภาค (a) มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 5 นาโนเมตร (b) 10 นาโนเมตร และ (c) 20 นาโนเมตร

สปินของอิเล็กตรอนในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกันมีระยะห่างระดับพลังงานและปฏิสัมพันธ์ภายในที่แตกต่างกัน ดังนั้น แต่ละเส้นทางการผ่อนคลายหรือความเร็วด้วยการกระตุ้นด้วยไมโครเวฟจึงไม่เหมือนกัน การหมุนตามลำดับจึงมีเวลาผ่อนคลายที่ไม่เหมือนใคร (การคลายตัวของสปิน-แลตทิซ : T₁, สปิน-สปิน รีแลกซ์ : T₂). เนื่องจากเวลาการหมุนคลายตัวของแม่เหล็กเฟอร์โรแมกเนติกปกตินั้นสั้นมาก การสังเกตเวลาผ่อนคลายโดยตรงจึงเป็นเรื่องยากมาก อย่างไรก็ตาม การวัดการพึ่งพาพลังงานไมโครเวฟ (คุณสมบัติความอิ่มตัว) ทำให้สามารถแยกแยะการหมุนต่างๆ ได้
สเปกตรัมที่แสดงในรูปที่ 4 เป็นการแปรผันกำลังการฉายรังสีของการเรโซแนนซ์สนามแม่เหล็กยิ่งยวดโดย MNPs (Fe₃O₄). จะเห็นได้ว่าทุกสเปกตรัมประกอบด้วยสององค์ประกอบคือกว้างหนึ่งและแคบ (g ~ 2) หนึ่ง. เนื่องจากเส้นผ่านศูนย์กลางของอนุภาคเล็กลง อัตราส่วนของส่วนประกอบที่แคบจึงเพิ่มขึ้น ส่วนประกอบที่แคบทำให้อิ่มตัวได้ง่าย แต่ g-ค่าและความกว้างของเส้นคงที่ ในทางตรงกันข้าม ส่วนประกอบกว้างๆ จะไม่อิ่มตัวมากกว่า 160 mW และความกว้างของเส้นจะเพิ่มขึ้นตามระดับพลังงาน คุณสมบัติสเปกตรัมเหล่านี้บ่งบอกถึงสปินที่แตกต่างกันสองแบบในอนุภาค และนำไปสู่การสนับสนุนโมเดลโครงสร้างคอร์-เชลล์ของ MNP^[2].

รูปที่ 4 การพึ่งพาพลังงานไมโครเวฟของสเปกตรัม SPR ของ Fe₃O₄ การกระจายอนุภาคนาโนแม่เหล็กในโทลูอีน (0.625 มก. / มล.) และการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง (a) 5 นาโนเมตร (b) 10 นาโนเมตร และ (ค) 20 นาโนเมตร

* ได้รูปแบบการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนโดยใช้ JEM-2100Plus (แรงดันไฟเร่งคือ 200 kV) รูปแบบการเลี้ยวเบนสามแบบของอนุภาคนาโนแม่เหล็กดังแสดงใน (a) - (c) เกิดขึ้นพร้อมกันกับรูปแบบการเลี้ยวเบนที่รู้จักของ Fe₃O₄.

การจำแนกลักษณะอนุภาคนาโนแม่เหล็กด้วยสเปกตรัม FMR/SPR หลายความถี่

รูปที่ 5 สเปกตรัม ESR ของแมกนีไทต์ (Fe₃O₄) อนุภาคที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางต่างกันโดยใช้ความถี่หลายความถี่

(a) สเปกตรัม X-band FMR ของ Fe₃O₄ ผงขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 50-100 นาโนเมตร (b) X-band SPR สเปกตรัมของ Fe₃O₄ การกระจายอนุภาคนาโนแม่เหล็กในโทลูอีน (0.625 มก. / มล.) (c) สเปกตรัม Q-band ของ (a) (d) สเปกตรัม Q-band ของ (b) สเปกตรัม Q-band ได้มาจากการใช้ ES-SQ5 (ดังภาพด้านบน)

เราแสดงสเปกตรัม ESR แบบหลายความถี่ของ MNP (Fe₃O₄) ในรูปที่ 5 สิ่งเหล่านี้ได้มาจากสเปกโตรมิเตอร์ X-band (9.4 GHz) และ Q-band (35 GHz) ไมโครเวฟไม่สามารถทะลุผ่านวัสดุนำไฟฟ้าผ่านความลึกของผิวหนังได้ ซึ่งขึ้นอยู่กับความถี่ ยิ่งความลึกของผิวสั้นลง รูปแบบสเปกตรัม ESR ใน Dysonian จะบิดเบี้ยวมากขึ้น ดังแสดงในรูปที่ 5 (a) และ (c) สเปกตรัม Q-band มีรูปแบบ Dysonian ที่บิดเบี้ยวมากกว่า X-band กล่าวคือ แมกนีไทต์ที่มีช่วงของเส้นผ่านศูนย์กลางนี้มีค่าการนำไฟฟ้า เช่น ผลึกขนาดใหญ่และเฟอร์ริแมกเนติก ในกรณีของ MNP ดังแสดงในรูปที่ 5 (b) และ (d) อัตราส่วนองค์ประกอบแคบที่เป็นลักษณะเฉพาะของ MNPs จะลดลงอย่างมากในสเปกตรัม Q-band ลักษณะสเปกตรัมที่คล้ายกันของแมกนีเซียม (γ- เฟ₂O₃) MNPs ซึ่งเป็นเหล็กออกไซด์ประกอบด้วยองค์ประกอบที่แตกต่างกัน มีรายงานในเอกสารก่อนหน้านี้^[4], ด้วย. พลังงานที่น่าตื่นเต้น (hv) ของไมโครเวฟ Q-band นั้นใหญ่กว่า X-band ถึง 4 เท่า ดังนั้นจึงตีความได้ว่า superparamagnetism เฉพาะตัวอาจอ่อนตัวลงเนื่องจากความผันผวนของความร้อนลดลง^[4].