Fabricación y estudio de las propiedades físicas de nanopartículas de aleación, núcleo@corteza y núcleo@corteza@corteza basadas en Co, Au y Ag

• Autores: Daniel Llamosa Pérez
• Directores de la Tesis: Yves Huttel (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2014
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Carlos Andrés Prieto de Castro (presid.), Alejandro Gutiérrez Delgado (secret.), José de Toro y Sánchez (voc.), Marco César Maicas Ramos (voc.), Alejandro Baeza García (voc.)
• Materias:
  • Física
    • Física del estado sólido
      • Propiedades magnéticas
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
• Resumen

  • En este trabajo de tesis se presenta un estudio sobre la fabricación y caracterización de nanopartículas (NPs) basadas en Co, Au y Ag. Todas las nanopartículas fueron fabricadas utilizando la técnica de agregación de gas pero en diferentes dispositivos experimentales. En la primera parte se presentan NPs CoAu producidas por una fuente tipo ICS (Ion Cluster Source) y depositadas sobre sustratos mantenidos a diferentes temperaturas. Se muestra que el aumento de temperatura de depósito induce la difusión del Au a la superficie de las NPs originando una estructura tipo núcleo@corteza@corteza. Se estudian las modificaciones estructurales y químicas inducidas por el cambio de temperatura de depósito y su impacto en las propiedades magnéticas de las NPS. En particular se presenta la evolución del efecto de Exchange¿Bias (EB) con la temperatura de depósito. Se muestra que la formación de una película intermedia de oro impide la oxidación y formación del CoO. Este cambio estructural reduce el acoplamiento ferromagnético/anti¿ferromagnético, conduciendo a una disminución del EB. Se identifica la temperatura umbral de 500 K para la formación completa de esta capa intermedia de Au, donde se estabiliza el EB. Al igual que las características de las partículas (tamaño, forma, estructura), influyen en sus propiedades, estas pueden ser controladas por la naturaleza de la matriz (aislante, conductora, magnética, porosa, etc.) en las que las NPs se encuentren inmersas así como la distancia media entre partículas. En la segunda parte se presenta el estudio del crecimiento y de las propiedades morfológicas, estructurales y magnéticas de NPs de CoAu embebidas en matrices no magnéticas. Las NPs fueron generadas con un sistema LECBD (Low Energy Cluster Beam Deposition). Se fabricaron películas de NPs de CoAu embebidas en matrices de C y LiF. Los análisis estructurales mostraron que las NPs presentan una estructura tipo Au@Co@CoO. Los cambios morfológicos, químicos y magnéticos fueron relacionados con cada matriz. Se determinó la variación del porcentaje de óxido del cobalto y la temperatura de bloqueo de las NPs para cada matriz. Además se realizó un recocido de las NPs embebidas en C, el cual produjo un cambio estructural del Co de HCP a FCC y la difusión del oro hacia el exterior de la NPs, formando una estructura Co@Au. Se muestra que estos cambios estructurales inducen un aumento en los valores de magnetización de saturación y campo coercitivo. Finalmente, en la tercera parte, se muestra la capacidad del sistema MICS (Multiple Ion Cluster Source) para fabricar NPs de alta calidad con diferentes estructuras y estequiometrias en un solo paso. Se presenta la calibración del sistema con dos de los magnetrones de manera independiente. Se muestra que el control individual de los parámetros de funcionamiento de cada uno de los magnetrones permite la obtención de un amplio abanico de NPs. En particular se muestra que el tamaño medio de las NPs, la taza de depósito, y la tasa de depósito atómica pueden ser ajustados a través de los parámetros de funcionamiento de los magnetrones, tales como la potencia aplicada al magnetrón, el flujo de argón inyectado en cada magnetrón, el flujo total de argón y la longitud de agregación. Empleando la calibración de los blancos individuales, se fabricaron NPs bimetálicas de tres tipos: CoAu (aleación), Co@Au y Au@Co (de tipo núcleo@corteza). Se presenta el estudio de las propiedades químicas, morfologías, estructurales y magnéticas de estas NPs. Finalmente se fabricaron y caracterizaron NPs Co@Ag@Au demostrando así la capacidad del sistema MICS para la fabricación de NPs con estructuras complejas.

    In the present work we present a study on the fabrication and characterization of nanoparticles (NPs) based on Co, Au and Ag. All the nanoparticle were generated using gas aggregation sources but in different experimental set¿ups. In the first part we present NPs CoAu generated using an ICS (Ion Cluster Source) and deposited on substrates kept at different temperatures. We show that an increasing deposition temperature induces the diffusion of Au to the surface of the NPs giving place to the generation of core@shell@shell NPs. We present the structural and chemical modifications induced by the deposition temperature and correlate them with the magnetic properties. In particular we present the evolution of the Exchange Bias (EB) as a function of the deposition temperature. We show that the formation of the intermediate Au shell protects the Co from oxidation. This structural change reduces the ferromagnetic/anti¿ferromagnetic coupling with the corresponding reduction of the EB. It is shown that 500 K is the temperature where the formation of a complete Au shell takes place and the EB is stabilized. Like the size, shape and structure determine the properties of the NPs, also the nature of the matrix (insulator, conductive, magnetic, etc) were they are embedded and their first neighbor distance are mandatory. In the second part, we present the study on the growth and characterization of the morphological, structural and magnetic properties of CoAu NPs embedded in nonmagnetic matrices. The NPs were generated using a Low Energy Cluster Beam deposition system (LECBD) and embedded in C and LiF matrices. The structural analysis revealed that the NPs have an Au@Co@CoO structure. The morphological, chemical and magnetic Abstract Abstract iv changes were correlated with the different matrices as well as the percentage of Co oxide and the blocking temperature. Additionally it is shown that the annealing of the NPs embedded in the C matrix induces the structural change from the HCP to the FCC structure and the diffusion of Au the outer¿shell of the NPs originating Co@Au NPs. These structural modifications lead to an increase of the saturation magnetization and coercitivity. Finally, in the third part, we demonstrate the capacity of the Multiple Ion Cluster Source (MICS) system to generate high quality NPs with controlled structure and stoichiometry in one¿step. First we present the calibration of the system with 2 of the independent magnetrons. It is shown that the individual control of the working parameters of each of the magnetrons allows the generation of a wide range of NPs. In particular it is shown that the mean size, deposition rate and atomic deposition rate can be adjusted through the working parameters of the magnetrons like applied power, argon flux in each magnetron, total argon flux and aggregation length. Using the calibration of individual magnetrons, 3 types of NPs were generated and characterized: CoAu (alloy), Co@Au and Au@Co (core@shell). The study of their structural, chemical, morphological and magnetic properties is also presented. Finally NPs with structure Co@Ag@Au were fabricated and characterized, demonstraing the capacity of the MOCs for the generation of complex NPs.