[論文レビュー] Unusual superparamagnetic behavior of Co3O4 nanoparticles

Vijay Bisht, K. P. Rajeev|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2010

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、コバルトヘキサオキシドナノ粒子がネール温度（30 K）より高い温度で異常なスーパー・パラ磁性行動を示すことを明らかにした。磁化のブロッキング遷移は31 Kで発生するが、通常の系とは異なり、秩序化温度以下でのブロッキングとは異なる。ZFC磁化のピークとFC/ZFC曲線の分岐は、外部磁場に依存しない同一温度で発生しており、短距離反強磁性相関による早期の磁気的ブロッキングを示しており、記憶効果はFCプロトコルでのみ観察され、ZFCでは老化が認められない。これはスピンガラス行動を除外する。

ABSTRACT

We report detailed studies on magnetic properties of Co3O4 nanoparticles of average size 12.5 nm. Temperature and field dependence of magnetization, wait time dependence of magnetic relaxation (aging), memory effects and temperature dependence of specific heat have been investigated to understand the magnetic behavior of these particles. We find that the particles show some features characteristic of nanoparticle magnetism such as bifurcation of field cooled (FC) and zero field cooled (ZFC) susceptibilities and a slow relaxation of magnetization. However, strangely, the temperature at which ZFC magnetization peaks coincides with the bifurcation temperature and does not shift on application of magnetic fields up to 1 kOe, unlike most other nanoparticle systems. Aging effects in these particles are negligible in both FC and ZFC protocol and memory effects are present only in FC protocol. Our results show that Co3O4 nanoparticles constitute a unique system where superparamagnetic blocking starts above the Néel temperature, in the paramagnetic state.

研究の動機と目的

• 平均寸法12.5 nmのCo3O4ナノ粒子の磁気的性質を調査すること。
• 観察された磁気的特徴がスーパー・パラ磁性であるか、スピンガラス様の挙動に起因するかを特定すること。
• ネール温度を超える範囲での反強磁性相関が磁気的ブロッキングを誘発する役割を明確にすること。
• 磁化の磁場および温度依存性、老化、記憶効果、および比熱の測定を検討すること。

提案手法

• 250 °Cで焼成したソル・ゲル法によるCo3O4ナノ粒子の合成。
• シュレッダー式を用いたX線回折（XRD）測定により、平均粒子径（12.5 nm）を推定。
• SQUID磁化計を用い、100–1000 Oeの磁場下で、冷却時磁化（FC）およびゼロ磁場冷却時磁化（ZFC）プロトコルによる磁気測定。
• FCおよびZFCプロトコルにおける、待ち時間依存の磁化緩和（老化）および記憶効果の研究。
• PPMSを用いた比熱測定により、ネール温度を特定。
• ZFC/FC磁化曲線、磁化率、およびキュリー・ウッズ則の適合を分析し、磁気転移を同定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜZFC磁化ピーク温度（T_P）が分岐温度と一致し、1 kOeまで磁場に依存しないのか？
• RQ2 FCでは緩和が遅いにもかかわらず、ZFCプロトコルでは老化や記憶効果が観察されないのはなぜか？
• RQ3 反強磁性Co3O4ナノ粒子において、なぜネール温度より高い温度でスーパー・パラ磁性ブロッキングが発生するのか？
• RQ4 短距離反強磁性相関が、T_Nを超えてネット磁気モーメントとブロッキングを誘発する役割を果たすメカニズムは何か？

主な発見

• ZFC磁化ピーク温度（T_P = 31 K）は分岐温度（T_bf）と一致し、1 kOeまで磁場に依存せず、通常のスーパー・パラ磁性系とは異なる。
• 比熱測定からネール温度（T_N = 30 K）が推定され、ブロッキングがT_Nを超えて発生していることが確認された。
• FC磁化は温度低下に伴い連続的に増加し、飽和しない。これはスーパー・パラ磁性挙動の特徴的兆候である。
• ZFCプロトコルでは老化や記憶効果が観察されず、スピンガラス様のダイナミクスが存在しないことが示された。
• 記憶効果はFCプロトコルでのみ観察され、T_P未満でのスーパー・パラ磁性ブロッキングを支持する。
• T_Pを超える領域ではパラ磁性挙動を示し、キュリー・ウッズ則の適合が得られ、反強磁性相関に一致する。