Size effects and interface phenomena in the magnetism of transition metal oxide nanoparticles embedded in insulating matrices

Abstract

A lo largo de las últimas décadas, los nanomateriales han atraído un gran interés por parte de la comunidad científica debido a que sus propiedades físico-químicas difieren notablemente de aquellas de sus homólogos masivos. El binomio novedad-versatilidad que ofrece la materia a escala tan minúscula dibuja un marco óptimo para el desarrollo de dispositivos singulares, poco costosos y con propiedades controlables para su potencial uso en áreas como la nanoelectrónica, el almacenamiento de energía y la biomedicina. Puesto que estas aplicaciones requieren sistemas con propiedades magnéticas específicas, resulta necesario efectuar un estudio exhaustivo con el fin de elucidar la relación existente entre microestructura y magnetismo a la nanoescala. Esta tesis respalda la idea de que el control de las dimensiones de nanopartículas (NPs) de metales de transición y sus óxidos es relevante para manipular su estructura magnética interna. Para empezar, se muestra como el antiferromagnetismo de un material masivo como el NiO puede romperse al reducir su tamaño por debajo de un cierto umbral. Dado que los sistemas antiferromagnéticos (AFM) necesitan un alto grado de simetría para mantener una estructura magnética compensada, la frustración magnética fruto de la reducción de tamaño es especialmente pronunciada. Los resultados obtenidos revelan que los efectos de superficie tales como infracoordinación promedio, relajación de enlaces y desorden estático inducen frustración de spines que compite con el esperado orden AFM, dando lugar a un diámetro umbral (4 nm) para la nucleación de la fase AFM. Por tanto, la microestructura magnética de las NPs cambia de una morfología de tipo núcleo(AFM)/ corteza(vidrio de spin) a un estado magnético completamente desordenado por debajo del diámetro crítico. Además, el conocimiento adquirido para sistemas AFM de baja dimensionalidad ha sido empleado con el fin de arrojar luz sobre el debilitado efecto de exchange bias (EB) en NPs bi-magnéticas de tipo núcleo(metal de transición)/ corteza(óxido nativo). En particular, la drástica reducción de la temperatura de aparición del EB en NPs Ni/NiO es debido al estado magnético desordenado de los pequeños cristales que forman la corteza de óxido. Más aun, la tendencia universal encontrada para la dependencia de la temperatura de aparición del efecto de EB en función del tamaño característico de los cristales de NiO, tanto en NPs de NiO como en aquellas de tipo Ni/NiO, sugiere que puede ser posible elegir selectivamente el espesor del material AFM como forma de controlar el rendimiento de sistemas de tipo EB. Por otra parte, la oxidación controlada de NPs de Co metálico con tamaños comprendidos entre 3 y 50 nm ha permitido identificar una amplia variedad de morfologías magnéticas de tipo núcleo/corteza incluyendo las fases Co, CoO y Co3O4, que presentan diferente imanación de saturación, histéresis a baja temperatura y propiedades de EB. En la búsqueda de materiales multiferroicos a temperatura ambiente, la estructura AFM de un material magneto-eléctrico como el Cr2O3 ha sido modificada a partir de la ruptura de simetría en la superficie de NPs de Cr2O3. Estas NPs presentan una corteza de 2 nm de espesor de spines canteados que mantienen su orden magnético hasta la temperatura de Néel del núcleo AFM. La capacidad de conseguir crear histéresis magnética en el borde de las NPs abre la posibilidad de atrapar la polarización eléctrica y así el desbloquear carácter multiferroico. Por último, se ha abordado el reto de diseñar nanoestructuras híbridas multifuncionales como agentes duales para técnicas biomédicas de hipertermia magnética AC y terapia foto-térmica. De este modo, la sinergia entre las propiedades plasmónicas del Ag y magnéticas de la magnetita en nanoflores de Ag(núcleo)/ Fe3O4 (corteza) ha producido un aumento de un orden de magnitud en la potencia de calentamiento (SAR) a campos magnéticos bajos al aplicar simultáneamente radiación laser.