nanómetro

Informes científicos volumen 5, Número de artículo: 14414 (2015) Citar este artículo

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El desarrollo de partículas magnéticas de tamaño nanométrico que exhiben un gran campo coercitivo (Hc) tiene una gran demanda para la densificación de la grabación magnética. En este documento, informamos sobre una ferrita magnética dura de tamaño nanométrico (es decir, menos de diez nanómetros de diámetro). Esta ferrita magnética está compuesta por ε-Fe2O3, con un valor Hc lo suficientemente alto para los sistemas de registro magnético y una constante de anisotropía magnética notablemente alta de 7,7 × 106 erg cm−3. Por ejemplo, las nanopartículas de 8,2 nm tienen un valor Hc de 5,2 kOe a temperatura ambiente. Una solución coloidal de estas nanopartículas posee un color naranja claro debido a una banda prohibida ancha de 2,9 eV (430 nm), lo que indica la posibilidad de pigmentos magnéticos transparentes. Además, hemos observado la generación de segundo armónico inducida por magnetización (MSHG). El efecto óptico-magnetoeléctrico no lineal del presente nanocristal magnético polar fue bastante fuerte. Estos hallazgos se han demostrado en un óxido de hierro simple, que es muy significativo desde el punto de vista del costo económico y la producción en masa.

Los materiales magnéticos se han utilizado para una gran cantidad de aplicaciones: medios de grabación magnética, imanes permanentes, absorbentes de ondas electromagnéticas, fluidos magnéticos, suministro de fármacos, por nombrar algunos1,2,3,4,5,6,7,8. Desde el punto de vista de la densificación de los medios de grabación magnéticos, el siguiente paso lógico es el desarrollo de una partícula magnética de tamaño nanométrico (menos de 10 nm de diámetro) con un gran campo coercitivo (Hc). En sistemas de grabación magnética9,10,11, como discos duros o cintas magnéticas de grabación, el valor Hc necesario para escribir y leer es de aprox. 3 kOe. Se necesita una Hc más grande para los futuros sistemas de grabación magnética, como los medios con patrón de bits o la grabación magnética asistida por calor. Los materiales que exhiben propiedades multiferroicas están llamando cada vez más la atención12,13,14,15,16,17 como medios de grabación magnéticos asistidos eléctricamente13. Además, el desarrollo de un imán ópticamente transparente es muy deseable para nuevas aplicaciones, como ventanas transparentes que absorben ondas electromagnéticas o pigmentos magnéticos de color para impresoras. A la luz de los requisitos anteriores, el óxido de hierro épsilon ε-Fe2O3 es un material atractivo porque exhibe un valor alto de Hc a temperatura ambiente7,18,19,20,21,22,23,24,25. En el presente trabajo, desarrollamos un método sintético para la preparación de partículas esféricas de ε-Fe2O3 de un solo nanotamaño. Los nanoimanes resultantes satisfacen el valor Hc requerido para las aplicaciones de grabación magnética mencionadas anteriormente. Además, exhiben generación de segundo armónico inducida por magnetización (MSHG), con un fuerte efecto magnetoeléctrico (ME). El color de esta serie es muy claro y el coeficiente de absorción es pequeño en la región visible. En este trabajo, informamos el procedimiento de síntesis, la estructura cristalina, los tamaños de partículas y las propiedades magnéticas de las nanopartículas de ε-Fe2O3 de tamaño nanométrico. Además, presentamos cálculos de primeros principios para la brecha de banda óptica, la polarización eléctrica espontánea del cristal polar y el efecto ME óptico no lineal.

Se preparó ε-Fe2O3 de tamaño nanométrico a partir de un precursor, en el que se incrustaron nanopartículas de ferrihidrita Fe10O14(OH)2 en una matriz de SiO2. Los detalles del procedimiento sintético se describen en la sección Métodos. En este informe, describimos 18 muestras sinterizadas en un amplio rango de temperaturas: 250 °C (S-250), 500 °C (S-500), 731 °C (S-731), 902 °C (S-902 ), 924 °C (S-924), 951 °C (S-951), 979 °C (S-979), 1002 °C (S-1002), 1020 °C (S-1020), 1032 °C (S-1032), 1044 °C (S-1044), 1061 °C (S-1061), 1063 °C (S-1063), 1104 °C (S-1104), 1142 °C (S-1142) , 1198 °C (S-1198), 1213 °C (S-1213) y 1295 °C (S-1295).

Los patrones de difracción de rayos X en polvo (XRPD) de las muestras sinterizadas y el precursor se muestran en la Fig. 1 y la Fig. S1 complementaria. El patrón XRPD del precursor muestra que Fe10O14(OH)2 tiene una estructura cristalina hexagonal (grupo espacial P63mc, a = 6,04 Å, c = 8,75 Å). Con el aumento de la temperatura de sinterización, el Fe10O14(OH)2 comienza a transformarse en γ-Fe2O3 (cúbico, Fd3–m, a = 8,37 Å) alrededor de los 250 °C. A medida que aumenta la temperatura de sinterización, el γ-Fe2O3 se transforma en ε-Fe2O3 alrededor de los 500 °C. Por encima de 951 °C, los patrones de XRPD para S-951–S-1104 muestran una fase ε-Fe2O3 pura (ortorrómbica, Pna21, a = 5,09 Å, b = 8,80 Å y c = 9,48 Å para S-1020) (Tabla complementaria S1). Por encima de 1142 °C, se detecta una pequeña cantidad de α-Fe2O3 (romboédrico, R3–c, a = 5,04 Å yc = 13,75 Å para S-1295). En este método sintético, se obtiene ε-Fe2O3 puro en un rango de temperatura de sinterización sorprendentemente amplio. El rango es más amplio que el de los métodos informados anteriormente, incluida una combinación de métodos de sol-gel y micelas inversas20 y un método de impregnación que utiliza sílice mesoporosa7.

Transformación de fase de la estructura cristalina en el proceso de sinterización.

(Arriba) Estructuras cristalinas de Fe10O14(OH)2, γ-Fe2O3, ε-Fe2O3 y α-Fe2O3. Los poliedros rojos y azules en la estructura cristalina indican los sitios Fe octaédricos y tetraédricos, respectivamente. Las bolas amarillas representan átomos de oxígeno. (Centro) Dependencia de la temperatura de sinterización del tamaño de partícula (panel vertical) y diagrama de fase que muestra la relación de fase frente a la temperatura de sinterización (panel horizontal). (Abajo) Patrones de XRPD de (i) el precursor Fe10O14(OH)2, (ii) S-250, (iii) S-1020 y (iv) S-1295. Se extrae la matriz de sílice en el precursor y la sílice restante en S-1295. Los puntos grises y las áreas naranja, azul, verde y roja indican el patrón observado y los patrones calculados de Fe10O14(OH)2, γ-Fe2O3, ε-Fe2O3 y α-Fe2O3, respectivamente.

La imagen de microscopía electrónica de transmisión (TEM) del precursor muestra que el tamaño de partícula (d) de las nanopartículas de Fe10O14(OH)2 es de 2,8 ± 0,5 nm. En el rango de temperatura de sinterización hasta 700 °C, que es la región de la transición Fe10O14(OH)2 → γ-Fe2O3, el valor d es casi constante alrededor de 3–4 nm (Fig. 1, centro). A medida que la temperatura de sinterización aumenta aún más, de 750 °C a 924 °C, que es la región de la transición γ-Fe2O3 → ε-Fe2O3, el valor d aumenta gradualmente y se forma ε-Fe2O3 puro. Los valores d de las muestras de ε-Fe2O3 son los siguientes: 5,6 ± 1,6 nm (S-951), 6,3 ± 1,7 nm (S-979), 7,8 ± 2,7 nm (S-1002), 8,2 ± 2,7 nm (S- 1020), 9,0 ± 2,4 nm (S-1032), 10,5 ± 3,3 nm (S-1044), 11,4 ± 3,8 nm (S-1061), 12,4 ± 3,7 nm (S-1063) y 16,5 ± 4,7 nm (S- 1104). Las imágenes TEM de todas las muestras se muestran en la figura complementaria S2.

Los bucles de histéresis magnética de ε-Fe2O3 para S-951–S-1198 con orientación aleatoria a 300 K muestran que los valores de Hc son 0,4 kOe (S-951), 0,7 kOe (S-979), 2,1 kOe (S-1002 ), 3,4 kOe (S-1020), 4,7 kOe (S-1032), 8,3 kOe (S-1044), 11,9 kOe (S-1061), 12,8 kOe (S-1063), 17,3 kOe (S-1104), 20,3 kOe (S-1142) y 20,9 kOe (S-1198) (Fig. 2a, Fig. complementaria S3). Los gráficos de magnetización versus temperatura para S-951–S-1104 se muestran en la Fig. S4 complementaria. Como se muestra en la gráfica de Hc versus d de la Fig. 2b, el valor de Hc disminuye hacia cero con la disminución de d. En la Fig. 2b, las dependencias del tamaño de partícula de los valores de Hc de BaFe12O19, SrFe12O19 y CoFe2O4 informados hasta ahora también se representan como referencia (Fig. S5 complementaria).

Dependencia del tamaño de partícula de las propiedades magnéticas.

(a) Bucles de histéresis magnética de S-1020, S-1044, S-1063 y S-1142 medidos a 300 K con una ilustración del tamaño de partícula promedio. (b) Valor de Hc a 300 K con orientación aleatoria versus gráfico d. La línea roja es una guía para el ojo, que se dibujó con base en la ecuación de dependencia d de Hc, teniendo en cuenta la orientación aleatoria y la distribución del tamaño de las partículas. El valor de dp (límite superparamagnético) se calculó en 7,5 nm. También se muestran los gráficos de Hc frente a d a temperatura ambiente de BaFe12O19 (azul), SrFe12O19 (verde) y CoFe2O4 (púrpura).

Consideremos la dependencia d del valor de Hc. Las nanopartículas de ε-Fe2O3 sintetizadas tienen una distribución de tamaños. H. Pfeiffer26 derivó una ecuación teórica para el límite superparamagnético (dp) de nanopartículas con orientación aleatoria considerando una distribución de tamaño (consulte la sección Métodos). Con base en esta ecuación, se ajustó la gráfica de Hc versus d y se estimó que el valor de dp era de 7,5 nm (Fig. 2b).

Además, preparamos una película delgada de nanocristales orientados, que se obtuvo dispersando los nanocristales en una matriz de vehículo bajo un campo magnético externo. El patrón XRPD del S-1020 muestra que los nanocristales se orientaron a lo largo del eje cristalográfico, perpendicular a la película (Fig. 3a). El bucle de histéresis magnética a 300 K muestra que el nanocristal ε-Fe2O3 con un tamaño de 8,2 nm exhibe un gran campo coercitivo de 5,2 kOe (Fig. 3b, Fig. S6 complementaria), que cumple con el criterio de valor Hc para medios de memoria magnéticos. También se realizó la medición magnética de la película S-1142 orientada. El valor Hc del ciclo de histéresis magnética y la frecuencia de resonancia natural de 182 GHz, informados en nuestros trabajos anteriores7,23, indican que las constantes de anisotropía magnética de Ka y Kb en simetría ortorrómbica son 7,7 × 106 erg cm−3 y 1,2 × 106 ergio cm−3, respectivamente. Por lo tanto, se aclara que ε-Fe2O3 tiene una anisotropía magnética notablemente alta en comparación con otras ferritas como BaFe12O19. El origen de un valor de dp tan pequeño y valores de K tan grandes puede explicarse por los siguientes factores: (i) una fuerte anisotropía magnética debida a un momento angular orbital distinto de cero, L ≠ 0, a través de una fuerte hibridación entre Fe y O y ( ii) restos de la anisotropía magnética debido a la estructura cristalina polar.

ε-Fe2O3 de tamaño nanométrico orientado cristalográficamente.

( a ) Patrón XRPD de la película de nanocristal S-1020 orientado cristalográficamente (tamaño promedio de partícula = 8.2 nm). Los puntos grises y la línea roja representan los patrones observados y calculados, respectivamente. El recuadro es la ilustración de la esfera unitaria de la distribución 3D de la dirección del eje cristalográfico de las nanopartículas ε-Fe2O3 que se muestra con puntos rojos. El campo magnético se aplicó a lo largo del eje Z de la esfera unitaria. (b) El ciclo de histéresis magnética de la película de nanocristal S-1020 orientada cristalográficamente medida en el campo magnético aplicado (H0) paralelo al eje fácil a 300 K. La línea roja es una guía para el ojo.

La solución coloidal del nanocristal S-1020, que se usó para la película de nanocristal orientado mencionada anteriormente, es altamente transparente, con un color naranja claro (Fig. 4a). Desde el espectro de absorción ultravioleta-visible (UV-vis), el coeficiente de absorción molar (ε) fue de solo 400 dm3 mol-1 cm-1 a 500 nm (Fig. 4b). (Energía fotónica × absorción)2 frente a la energía fotónica se ajustó bien mediante una brecha de banda ancha de 2,9 eV (430 nm) acompañada de una transición óptica débil a 2,4 eV (520 nm), lo que indica que este material tiene una alta transparencia debido a una amplia banda prohibida de 2,9 eV. En comparación con las nanopartículas de γ-Fe2O3, de las que se ha informado que poseen un color claro27, el presente material muestra una banda prohibida más grande y una mayor transparencia.

Transparencia, banda prohibida óptica y polarización eléctrica espontánea de ε-Fe2O3 mediante medición de espectros de absorción UV-vis y cálculo de primeros principios.

(a) Fotografía de la solución coloidal de nanocristal S-1020 con un tamaño de partícula promedio de 8,2 nm, cuya concentración es de 1 × 10−2 mol dm−3. La solución tiene un color naranja claro. (b) Espectro de absorción UV-vis observado de la solución coloidal S-1020 mostrado por el coeficiente de absorción molar (ε). El recuadro muestra el espectro óptico calculado obtenido del cálculo de los primeros principios. El eje izquierdo es el coeficiente de absorción (α). (c) La estructura de bandas de ε-Fe2O3 cerca de la energía de Fermi. Las líneas negras continuas y punteadas indican espines α y β, respectivamente. (d) El mapa de diferencia de densidad de carga, que muestra la diferencia entre la densidad de carga de ε-Fe2O3 y la de los átomos neutros de Fe y O, obtenida mediante el cálculo de los primeros principios (izquierda). Las superficies verde y magenta en el mapa de diferencia de densidad de carga muestran los niveles de isosuperficie de +0.385e Å−3 y –0.252e Å−3, respectivamente. La flecha verde muestra que la polarización eléctrica espontánea (P) de ε-Fe2O3 está a lo largo del eje c cristalográfico. La estructura cristalina de ε-Fe2O3 (derecha). Las bolas grises y blancas en la estructura cristalina muestran los átomos de Fe y O, respectivamente. (e) Magnetizaciones de subred de FeA–FeD mostradas por la flecha en la estructura cristalina de ε-Fe2O3. Las flechas rojas y azules en los sitios de Fe indican las magnetizaciones de la subred. Las flechas curvas amarillas expresan los valores de zJ, donde z es el número de vías de intercambio y J es la constante de interacción de superintercambio, con interacción de superintercambio antiferromagnético entre los sitios de Fe (zAB JAB < 0, zAC JAC < 0, zCD JCD < 0) y el grosor de las flechas indica que la magnitud de zJ es . La flecha roja debajo de la estructura cristalina muestra que la polarización magnética (M) de ε-Fe2O3 está a lo largo del eje a cristalográfico.

Para comprender una transparencia tan alta, la brecha de banda óptica de ε-Fe2O3 se evaluó mediante el cálculo de los primeros principios utilizando el programa del paquete de simulación Viena ab initio (VASP) (ver Métodos). La estructura de bandas cerca de la energía de Fermi se muestra en la Fig. 4c, que muestra una transición óptica con un intervalo de banda de 2,36 eV, a través de una transición directa y una transición débil a 2,02 eV. El espectro de absorción óptica calculado reproduce bien el espectro experimental (Fig. 4b, recuadro).

La estructura cristalina de ε-Fe2O3 con el grupo espacial Pna21 es la de un cristal polar y, por lo tanto, debe generarse una polarización eléctrica espontánea. Aquí, la magnitud de la polarización eléctrica espontánea de ε-Fe2O3 y su origen se investigan mediante un cálculo de primeros principios. Los resultados muestran que existe polarización eléctrica a lo largo del eje c cristalográfico con un valor de 1,0 × 10−1 C m−2, que es grande en comparación con otros materiales polares28. El mapa de diferencia de densidad de carga, que es la diferencia entre la densidad de carga de ε-Fe2O3 y la de los átomos neutros de Fe y O, indica que la carga positiva se distribuye en los átomos de Fe y la carga negativa se distribuye en los átomos de O, como se muestra en la Fig. 4d. La carga negativa, especialmente, se concentra en los átomos de O1 y O3 alrededor del sitio tetraédrico FeD, lo que indica que la polarización eléctrica a lo largo del eje c en FeDO4 es la principal contribución a la propiedad piroeléctrica de ε-Fe2O3.

El magnetismo de ε-Fe2O3 se considera ferrimagnetismo colineal18,19, en el que las magnetizaciones de subred de FeB y FeC son antiparalelas a las de FeA y FeD. Con base en la teoría del campo molecular (MF)29, la estructura magnética de ε-Fe2O3 puede entenderse a partir del valor del producto entre la interacción de superintercambio (J) y el número de vías de intercambio (z). El valor zJ del sitio FeD tetraédrico es más pequeño que el de los sitios FeA-FeC octaédricos y, por lo tanto, la fluctuación térmica en la magnetización de la subred FeD es mayor que la de las magnetizaciones de la subred FeA-FeC, lo que induce ferrimagnetismo a lo largo del eje cristalográfico a temperatura ambiente (Fig. 4e).

De los cálculos electrónicos y magnéticos antes mencionados, ε-Fe2O3 tiene polarización eléctrica (eje //c) y polarización magnética (eje //a). Para investigar el efecto de acoplamiento magnetoeléctrico entre estas dos polarizaciones30,31,32, medimos el efecto MSHG utilizando la muestra en forma de polvo de S-1061. Cuando se colocó un láser de femtosegundo fundamental (1064 nm) en la muestra a 300 K, se observó una luz de salida de 532 nm (Fig. 5a, Fig. S7 complementaria). Dado que la intensidad de la luz de salida de 532 nm aumentó con el cuadrado de la intensidad de la luz fundamental de entrada, la luz de 532 nm observada se debió a la generación del segundo armónico (SHG). Al cambiar el estado magnético entre orden y desorden, pudimos cambiar la intensidad (ISH) del segundo armónico (SH) repetidamente (Fig. 5b). También investigamos la dependencia de la temperatura de ISH, que resultó ser casi constante entre 520 y 490 K, mientras aumentaba gradualmente por debajo de 490 K (Fig. 5c). El valor de ISH a 300 K fue 2,2 veces mayor que el ISH promedio a 520 K. Tal dependencia de la temperatura de ISH corresponde al gráfico de magnetización versus temperatura con una temperatura de transición de fase magnética (TC) de 490 K (Fig. S4 complementaria), lo que indica que la mejora en ISH es causada por el orden magnético, es decir, se observa el efecto MSHG.

Efectos de SHG y MSHG en ε-Fe2O3.

(a) La configuración óptica de las mediciones de SHG y MSHG. El cuadrado naranja muestra la posición de la muestra de ε-Fe2O3. Una luz láser de 1064 nm (flecha negra) irradia la muestra y se observa una luz de salida SH de 532 nm. La flecha verde muestra el SHG cuando la muestra está en estado de desorden magnético, mientras que la flecha roja muestra el MSHG cuando la muestra está en estado de orden magnético. Las esferas amarillas muestran las ilustraciones esquemáticas de la nanopartícula ε-Fe2O3 en el estado de ordenamiento magnético con el grupo espacial magnético Pna21 (izquierda) y el estado de desorden magnético con el grupo espacial Pna21 (derecha). Solo la polarización eléctrica existe en el estado de desorden magnético, donde la carga positiva y negativa se muestran en verde y magenta. En el estado de ordenación magnética, la polarización magnética aparece perpendicular a la polarización eléctrica, que se muestra con el polo N en rojo y el polo S en azul. La figura inferior derecha muestra la intensidad de SH de S-1061 frente a la intensidad de luz fundamental a temperatura ambiente. La línea roja representa la curva ajustada basada en la intensidad SH ∝ (potencia de luz fundamental)2. (b) Cambio repetitivo de la intensidad de SH entre SHG y MSHG cambiando la temperatura entre arriba y abajo de TC. ( c ) Gráfica de intensidad SH versus temperatura de S-1061.

La polarización SH se describe mediante PSH = χ(2)E(ω)E(ω), donde PSH y χ(2) son la polarización SH y el tensor de susceptibilidad SH y E(ω) y ω son el campo eléctrico y la frecuencia angular de la luz fundamental de entrada, respectivamente (ver Métodos). El valor ISH está relacionado con el término cristalográfico y el término magnético por la ecuación de . Debajo de TC, opera y luego, ISH se mejora dependiendo del valor de magnetización. A partir de los resultados de SHG y MSHG, el efecto ME óptico no lineal de estos nanocristales es bastante fuerte. Es decir, la polarización magnética y la polarización eléctrica están fuertemente correlacionadas entre sí en ε-Fe2O3.

En resumen, hemos desarrollado un método sintético para un imán de ε-Fe2O3 de tamaño nanométrico único. En particular, el valor Hc de ε-Fe2O3 con un diámetro de 8 nm es de 5 kOe, suficiente para sistemas de registro magnético, donde la especificación necesaria es de 3 kOe. La constante de anisotropía magnética se aproxima a 7,7 × 106 erg cm−3, que es dos veces mayor que la de BaFe12O19 (K = 3,0 × 106 erg cm−3) y SrFe12O19 (K = 3,5 × 106 erg cm−3). El presente material magnético de tamaño nanométrico puede contribuir a la tecnología de grabación magnética de alta densidad, por ejemplo, LTO-8 de las cintas de grabación magnética de próxima generación, así como a las unidades de disco duro para computadoras4,5,9,10,11. Si bien esta magnitud de magnetización puede ser detectada por cabezales de lectura de alta sensibilidad, estamos en el proceso de mejorar el valor de magnetización de esta serie mediante un doble uso del enfoque del procedimiento de sustitución de metales. El nanoimán ε-Fe2O3 también exhibe polarización eléctrica espontánea, originada en su estructura de cristal polar y un efecto óptico-magnetoeléctrico entre polarización eléctrica (eje //c) y polarización magnética (eje //a), con un efecto MSHG. Sorprendentemente, este efecto ME óptico no lineal es fuerte. Es importante destacar que este material posee una alta transparencia óptica con una amplia banda prohibida. Un imán transparente abrirá posibilidades para nuevas aplicaciones industriales, por ejemplo, ventanas absorbentes de ondas electromagnéticas transparentes y pigmentos de color magnéticos. Este alto rendimiento se logró en un óxido de hierro simple, lo cual es significativo, ya que los óxidos de hierro son ecológicos y de bajo costo. Por lo tanto, se puede esperar razonablemente que este material sea escalable para aplicaciones industriales.

Se preparó ε-Fe2O3 de tamaño nanométrico a partir de un precursor, donde se incrustó Fe10O14(OH)233 con un tamaño de partícula de 2,8 nm en SiO2. El precursor se sinterizó a 250 °C–1295 °C durante cuatro horas en aire, para obtener óxido de hierro en matriz de SiO2. Luego, la matriz de SiO2 se eliminó mediante grabado químico utilizando una solución acuosa de NaOH.

Las imágenes TEM se adquirieron con JEM 2000EX. Las mediciones de XRPD de barrido 2θ–θ se realizaron con Rigaku Ultima IV y Rigaku RINT2100 con radiación Cu Kα (λ = 1,5418 Å) a 293 K. Los análisis de Rietveld se realizaron con el programa PDXL de RIGAKU. Las propiedades magnéticas se midieron usando un magnetómetro de dispositivo de interferencia cuántica superconductora (SQUID) (Quantum Design, MPMS 7). Los espectros UV-vis se registraron en un espectrómetro JASCO V-670.

En el caso de nanopartículas con una orientación aleatoria considerando una distribución de tamaño, la dependencia del valor d del valor Hc está descrita por

donde VSP y VSW son los volúmenes medios de partículas superparamagnéticas y partículas con tamaños entre dp y dp, respectivamente y f(d) es la distribución del tamaño de partículas26,34. La función gaussiana se utiliza como f(d) en el presente análisis.

Los cálculos de primeros principios de ε-Fe2O3 se llevaron a cabo utilizando el programa VASP con el método de onda aumentada del proyector de onda plana (PAW). Se utilizó como base la teoría funcional de la densidad polarizada por espín (DFT). La aproximación del funcional de correlación de intercambio se realizó utilizando la aproximación de gradiente generalizado (GGA) parametrizada por Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE).

Para la medición de SHG, la luz incidente de 1064 nm fue generada por un amplificador paramétrico óptico (Clark-MXR, Vis-OPA; ancho de pulso 190 fs; repetición, 1 kHz) bombeado por un láser Ti:zafiro de frecuencia duplicada (Clark-MXR , CPA-2001; longitud de onda, 775 nm; ancho de pulso 150 fs; repetición, 1 kHz). La luz incidente se irradió sobre la muestra en un ángulo de 20°. La detección de la luz SH reflejada (532 nm) se realizó mediante un tubo fotomultiplicador (Hamamatsu R329-02), previo paso por filtros de color.

La polarización SH se describe mediante PSH,i = χijk(2)Ej(ω)Ek(ω), donde PSH,i y χijk(2) son la polarización SH y el tensor de susceptibilidad SH y los subíndices i, j y k se refieren a los ejes de la muestra. El grupo espacial Pna21 de ε-Fe2O3 tiene un término cristalográfico en la susceptibilidad no lineal de segundo orden35. Cuando las nanopartículas están orientadas por campos eléctricos y magnéticos como (polarización eléctrica) //eje z (eje c) y (polarización magnética) //eje x (eje a), los elementos distintos de cero en χijk(2) son , , , y . Además, por debajo de TC, la polarización magnética genera un término magnético en el grupo espacial magnético Pna21, es decir, , , y . Los elementos tensoriales distintos de cero en χijk(2) se describen por la suma de y por el siguiente tensor.

Cómo citar este artículo: Ohkoshi, S. et al. Ferrita magnética dura de tamaño nanométrico que exhibe una alta transparencia óptica y un efecto óptico-magnetoeléctrico no lineal. ciencia Rep. 5, 14414; doi: 10.1038/srep14414 (2015).

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Descargar referencias

La presente investigación fue financiada en parte por el proyecto CREST de JST, JSPS Grant-in-Aid for Specially Promotioned Research Grant Número 15H05697, JSPS Grants-in-Aid for Young Scientists (A), (B), APSA de MEXT y DOWA Tecnofondo. MK agradece al programa ALPS de MEXT. YM y TN están agradecidos al programa MERIT de JSPS. Agradecemos al Centro de Investigación Criogénica y al Centro de Análisis y Litografía Nano de la Universidad de Tokio, que cuentan con el apoyo de MEXT. Agradecemos a la Sra. Y. Kitano por el apoyo técnico, al Sr. Y. Kakegawa, al Sr. H. Tsunakawa y al Sr. S. Ohtsuka de la Universidad de Tokio por recolectar las imágenes TEM, al Sr. T. Miyazaki, al Sr. T .Yoshida, Sr. K. Masada y Sr. H. Maekawa de DOWA Electronics Materials Co., Ltd. por las valiosas discusiones y al Dr. K. Chiba de Ryoka Systems Inc. por su ayuda con los cálculos de los primeros principios.

Departamento de Química, Facultad de Ciencias, Universidad de Tokio, 7-3-1 Hongo, Bunkyo-ku, Tokio, 113-0033, Japón

Shin-ichi Ohkoshi, Asuka Namai, Kenta Imoto, Marie Yoshikiyo, Waka Tarora, Kosuke Nakagawa, Masaya Komine, Yasuto Miyamoto, Totomichi Nasu, Syunsuke Oka y Hiroko Tokoro

CREST, JST, K's Gobancho, 7 Gobancho, Chiyoda-ku, Tokio, 102-0076, Japón

Shin-ichi Ohkoshi

División de Ciencias de los Materiales, Facultad de Ciencias Puras y Aplicadas, Universidad de Tsukuba, 1-1-1 Tennodai, Tsukuba, Ibaraki, 305-8577, Japón

hiroko tokoro

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SO diseñó y coordinó el estudio, contribuyó a todas las mediciones y cálculos y escribió el manuscrito. AN llevó a cabo los análisis XRPD y las medidas magnéticas y preparó las cifras. KI llevó a cabo los análisis XRPD, las mediciones magnéticas y las mediciones SHG y MSHG. MY preparó algunas de las muestras, realizó las mediciones magnéticas y los cálculos de los primeros principios y escribió parcialmente el manuscrito. WT realizó la síntesis, las mediciones de XRPD, las mediciones magnéticas y las observaciones de TEM. KN realizó los análisis de la estructura cristalina. MK realizó las mediciones de SHG y MSHG. YM analizó los datos magnéticos. TN realizó cálculos de primeros principios. Syu.O. prepararon y caracterizaron algunas de las muestras. HT propuso el método sintético y contribuyó a la preparación y caracterización de muestras. Todos los autores comentaron el manuscrito.

Los autores declaran no tener intereses financieros en competencia.

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Reimpresiones y permisos

Ohkoshi, Si., Namai, A., Imoto, K. et al. Ferrita magnética dura de tamaño nanométrico que exhibe una alta transparencia óptica y un efecto óptico-magnetoeléctrico no lineal. Informe científico 5, 14414 (2015). https://doi.org/10.1038/srep14414

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Recibido: 18 de marzo de 2015

Aceptado: 27 de agosto de 2015

Publicado: 06 Octubre 2015

DOI: https://doi.org/10.1038/srep14414

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