Medidas magnéticas

O estudo das propriedades magnéticas de materiais normalmente envolve alguma curva de magnetização em função da temperatura. No caso das NPs magnéticas, as curvas ZFC (Zero Field Cooled) e FC (Field Cooled) são muito utilizadas, pois são sensíveis a distribuição de tamanho das NPs e a interações. Para obter esta curva de magnetização em função da temperatura no modo ZFC inicialmente levamos o sistema a uma temperatura mais alta permitida pelo sistema de medida utilizado, onde a maioria dos momentos das NPs esta desbloqueado. Em seguida, resfria-se o sistema até uma temperatura mais baixa permitida pelo sistema de medida utilizado onde a maioria dos momentos encontra-se bloqueado, aplicamos um campo de medição e medimos a magnetização durante o aquecimento. A curva FC é similar a ZFC diferenciando-se apenas no modo de resfriamento, que nesta é feito com um campo aplicado (o mesmo utilizado para medir a ZFC).

Conforme observamos nas imagens de MET, os nossos sistemas são compostos por NPs de diferentes tamanhos. No processo de medição da magnetização durante o aquecimento teremos que a energia térmica inicial poderá vencer a barreira de anisotropia magnética das partículas pequenas alinhando os momentos magnéticos destas NPs na direção do campo magnético aplicado. À medida que aumentamos à temperatura a energia térmica irá desbloquear as NPs de tamanhos maiores, contribuindo para o aumento da magnetização. Quando a maioria das NPs estiver desbloqueada teremos um máximo na região de baixa temperatura na curva de ZFC, pois a agitação térmica contribui para o desalinhando dos momentos magnéticos resultando num decréscimo da magnetização do sistema seguindo um comportamento que cai com o inverso da temperatura (1/T) na região de mais alta temperatura, característica típica de sistemas compostas por momentos magnéticos independentes (ex. sistemas paramagnéticos e superparamagnéticos). Mostramos na figura 2.2 esse comportamento no caso de materiais paramagnéticos. Na curva FC, o processo de medição da magnetização durante o resfriamento é feito com um campo magnético aplicado de forma que os momentos são bloqueados com uma direção privilegiada definida pelo campo magnético. Sendo assim a FC apresenta um aumento da

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magnetização com o decréscimo da temperatura enquanto existir partículas sendo bloqueadas.

A Figura 4.6 exibe as curvas de magnetização em função da temperatura no modo Zero Field Cooled (ZFC) e Field Cooled (FC) obtida para a amostra multicamadas [NPsNi(Ar) / Si]10 para o valor de campo aplicado de 100 Oe. No regime de temperaturas abaixo da temperatura de bloqueio média o comportamento das curvas de magnetização no modo ZFC-FC da amostra é semelhante do comportamento tipicamente observado para os sistemas de pequenas partículas magnéticas não interagente descrito na introdução do capítulo 4.3 (Medidas magnéticas). Agora em temperaturas acima da temperatura de bloqueio média o comportamento das curvas de magnetização no modo ZFC-FC da amostra não são coincidente, o que difere do esperado para os sistemas de pequenas partículas magnéticas não interagente. Esse comportamento é típico de um sistema com uma grande largura na distribuição de tamanho médio de partículas.

Figura 4.6 - Curvas de magnetização sobre campo para a amostra produzida por ablação de alvo de Ni em atmosfera de Ar separads por Si. Profs. D.F. Franceschini, J.L. Nachez. W. Nunes, S. Soriano e Y. Xing (IF-UFF-Brasil).

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O mesmo estudo acima foi realizado na amostra multicamadas [NPs Ni( )/)/ Si]10. Nesse caso, o comportamento magnético foi completamente diferente do sistema

multicamadas [NPs Ni(Ar)/)/ Si]10. Compare as Figuras 4.6 e 4.7 a. No caso dos

resultados magnéticos obtidos para amostra multicamadas [NPs Ni( )/ Si]10

observamos irreversibilidade entre as curvas ZFC e FC abaixo do máximo da ZFC e que estas duas curvas se superpõem para temperaturas acima do máximo. Caso o máximo da ZFC seja associado à temperatura de bloqueio média este comportamento observado seria o de um sistema de NPs ideais. No entanto, observe que acima do máximo as curvas ZFC e FC não variam com a temperatura segundo a função 1/T esperada para NPs não interagentes. As curvas ZFC e FC apresentam um decréscimo abrupto em torno de 20K. Este comportamento pode ser visualizado melhor na figura 4.7 b, na qual apresentamos as curvas, ZFC e FC medidas com diferentes campos magnéticos aplicados. Nesta figura fica evidente que o nosso sistema possuem dois processos magnéticos: um associado ao máximo da ZFC temperatura que é bem sensível ao campo magnético e também um outro efeito que ocorre próximo de 20K (indicado no inset da Figura 4.7 b pela seta) causando uma mudança abrupta nas curvas ZFC e FC.

O comportamento magnético observado para a amostra [NPs Ni( )/ Si]10 e

principalmente a transição em 20K é similar ao observado na Ref. [27] , que estudou o comportamento magnético de NPs de Ni produzidas por método químico. Estes autores associaram a transição em 20K a desordem estrutural dos átomos que compõem as NPs.

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Figura 4.7 a- Curvas de magnetização sobre campo de 100 0e para a amostra produzida por ablação de

alvo de Ni em atmosfera de oxigênio. Profs. D.F. Franceschini, J.L. Nachez. W. Nunes, S. Soriano e Y. Xing (IF-UFF-Brasil). 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 0,0 6,0x10-8 1,2x10-7 1,8x10-7 0 20 40 60 80 100 0,0 6,0x10-8 1,2x10-7 1,8x10-7 x ( em u/Oe )

Temperatura (K)

Figura 4.7 b- Curvas de magnetização sobre diferentes campos para a amostra produzida por ablação

de alvo de Ni em atmosfera de oxigênio. Profs. D.F. Franceschini, J.L. Nachez. W. Nunes, S. Soriano e Y. Xing (IF-UFF-Brasil).

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O ciclo de histerese do nosso sistema magnético foi obtido em uma faixa de temperatura onde os momentos magnéticos das NPs do sistema se encontravam em um regime bloqueado e logo acima da temperatura de bloqueio média. O campo inicialmente é nulo e é aumentado gradativamente, até o sistema não mudar mais sua magnetização com a aplicação de campo (magnetização de saturação). Uma explicação plausível para que observemos este comportamento e que ao aplicarmos o campo magnético gradativamente, um dos dois estados de equilíbrio das NPs (considerando que possuam anisotropia magnética uniaxial) que formam o sistema é privilegiado, e a barreira de energia será reduzida, dependendo da direção do campo, resultando então em um aumento da magnetização do sistema e posteriormente numa magnetização de saturação. Depois, o campo magnético externo é reduzido até atingir o valor nulo novamente. Entretanto, após a aplicação do campo, geralmente o valor da magnetização não é o mesmo da magnetização inicial, sendo chamada magnetização remanente (Mr) ou simplesmente remanência. Esta magnetização remanente pode-se dizer que é devido à barreira de energia anisotrópica que bloqueia o momento magnético, na direção do campo magnético externo inicial. O sentido do campo é, então, invertido e vai sendo aumentado mais uma vez, seguindo a mesma explicação do primeiro quadrante da nossa MxH. O campo reverso necessário para fazer com que a magnetização retorne ao valor nulo é conhecido como campo coercivo ou coercividade (Hc). O campo continua sendo aumentado até, novamente, o material alcançar o valor de saturação no sentido inverso. O campo é posteriormente reduzido e invertido novamente, até fechar o ciclo.

Medidas de magnetização em função do campo magnético aplicado, em temperaturas: 1.8K e 20K, para a amostra multicamadas [NPs Ni( )/ Si]10 são

mostradas na Figura 4.8 e medidas de magnetização em função do campo magnético aplicado, em temperaturas: 1.8K, 10K e 20K, para a amostra multicamadas [NPs Ni( )/ Si]10 são mostradas na Figura 4.9. Os resultados com temperaturas de 1.8K, para

ambas as amostras e de 10K para a amostra [NPs Ni( )/ Si]10 apresentam campo

coercitivo Hc (campo necessário para desmagnetizar um material) e magnetização remanente Mr (magnetização residual após a retirada completa do campo magnético externo) não nulos, indicando que o sistema se encontra no estado bloqueado. Em 20K para ambas amostras, notamos que as curvas não exibem magnetização de saturação, apresentando um comportamento desbloqueado.

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Podemos perceber também uma diminuição da coercividade com o aumento da temperatura, para ambas amostras de multicamadas. Este comportamento é típico de sistemas de NPs magnéticas monodomínios.

Figura 4.8 - Medidas de magnetização versus campo magnético aplicado, em temperaturas de:

1.8K, e 20K. Para a amostra multicamadas [NPs Ni(Ar)/ Si]10.

Figura 4.9- Medidas de magnetização versus campo magnético aplicado, em temperaturas de:

1.8K, 10K e 20K. Para a amostra multicamadas [NPs Ni( )/ Si]10.

-4 -2 0 2 4 -1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1.8 K 20 K M/ Ms Campo Magnético (T) -6 -4 -2 0 2 4 6 -6,0x10-4 -3,0x10-4 0,0 3,0x10-4 6,0x10-4 M (e mu ) field[T]

1.8 K

10 K

20 K

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O fato das duas amostras multicamadas [NPs Ni(Ar)/ Si]10 e [NPs

Ni( )/ Si]10 que possuem o mesmo tamanho médio apresentarem resultados

magnéticos tão diferentes provavelmente está relacionado à estrutura cristalina das nanopartículas formadas [27]. Isto foi comprovado pelos resultados de Raios-X preliminares que possuímos. A comparação entre os resultados apresentados por essas duas amostras podem contribuir para o entendimento da causa da transição observada em 20K para a amostra multicamadas [NPs Ni( ) / Si]10 e para o comportamento magnéticos de nanopartículas com desordem

estrutural em geral. Pretende-se dar continuidade a essa investigação e para isso serão produzidas amostras em atmosferas diferentes e variando a espessura do filme separador.

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