Magnetic properties of nanoparticles by Mossbauer and muon spectroscopy

1. Propriétés magnétiques de
nanoparticules de maghémite par
spectroscopie Mössbauer et µSR
Leïla Rebbouh

2. 2
Spectroscopie Mössbauer
Principe
L’effet Mössbauer a été découvert par Rudolf Mössbauer en 1957 et a été
observé dans 45 éléments différents et 91 nuclides différents.
Les plus usités sont :
fer-57, europium-151, or-197, étain-119, …
La spectroscopie Mössbauer est basée sur la
Fluorescence résonnante sans recul des photons γ
Profil d’émission de la source
=
Profil d’absorbtion de l’échantillon
⇒ Spectroscopie du 57
Fe étudie
les atomes de fer.
Rayonnement γ absorbé sans
recul des atomes
⇒ Spectroscopie du solide, de
solutions gelées.

3. 3
Spectroscopie Mössbauer
Dispositif expérimental

4. 4
Spectroscopie Mössbauer
Transitions hyperfines du 57
Fe

5. Spectroscopie de relaxation du spin du muon (µSR)
GPS-General
Purpose Surface-
Muon Instrument.
Paul Scherrer
Institut (PSI),
Villigen, Suisse.
5

6. Spectroscopie de relaxation du spin du muon (µSR)
Désintégration des pions
en muons:
Π+
→ µ+
+ νµ
µ+
M: Détection des muons B, F: Détection des positrons
Implantation dans l’échantillon
S et désintégration des muons
(t = 2.197 µs) en positrons:
µ+
→ e+
+ νe
+ νµ
La technique µSR consiste à observer l’évolution temporelle de la
direction du spin du muon afin d’obtenir des informations sur les
champs locaux.
Time, µs
Asymmetry
B F
B F
N (t) N (t)
N (t) + N (t)
−
A(t) =
6

7. Cas de nanoparticules monodisperses de maghémite
Microscopie électronique
T. Hyeon et al., J. Am. Chem. Soc. 123,12798
(2001).
Diamètre de 11nm, déviation standard < 5%
7

8. Cas de nanoparticules de maghémite monodisperses
Spectroscopie Mössbauer
Relaxation superparamagnétique
Modèle adapté à la relaxation isotrope du
moment magnétique d’une nanoparticule.
Modèle stochastique de Dattagupta et
Blume.
Six orientations possibles du champ
hyperfin le long des directions ±x, ±y
et ±z.
8

9. Cas de nanoparticules de maghémite monodisperses
Spectroscopie Mössbauer
98.0
98.5
99.0
99.5
100.0
-15 -10 -5 0 5 10 15
Velocity, mm/s
95.0
96.0
97.0
98.0
99.0
100.0
96.0
97.0
98.0
99.0
100.0
PercentTransmission
97.0
97.5
98.0
98.5
99.0
99.5
100.0
295 K
95.0
96.0
97.0
98.0
99.0
100.0
9 nm315 K
225 K
185 K
155 K
95.0
96.0
97.0
98.0
99.0
100.0
-15 -10 -5 0 5 10 15
Velocity, mm/s
97.0
97.5
98.0
98.5
99.0
99.5
100.0
96.0
97.0
98.0
99.0
100.0
PercentTransmission
95.0
96.0
97.0
98.0
99.0
100.0
98.0
98.5
99.0
99.5
100.0
9 nm125 K
60 K
30 K
85 K
4.2 K
Différentes
composantes avec
différentes
fréquences de
relaxation…
L. Rebbouh et al., Phys. Rev. B, draft.
9

10. Cas de nanoparticules de maghémite monodisperses
Spectroscopie Mössbauer
II
II
II
III
Trois régimes différents:
I – Régime
superparamagnétique
thermiquement activé
II – Régime
superparamagnétique
modifié par les
interactions
interparticules
III– Régime de type
verre de spin
L. Rebbouh et al., Phys. Rev. B, draft.10

11. Cas de nanoparticules de maghémite monodisperses
Spectroscopie Mössbauer
Pour des particules de 9 nm de diamètre :
Regime I : Eact = 540 K
Régime II : Eact ~ 112 K
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 100 200 300 400 500 600 700
ActivationEnergy,K
Particle Volume, nm3
Régime I
Régime II
Régime I : Eact α Volume
⇒ K = 2.4 ×104
J/m3
Régime II :Eact indépendant du
volume ⇒ interactions
interparticules
L. Rebbouh et al., Phys. Rev. B, draft.11

12. Cas de nanoparticules de maghémite monodisperses
Mesures µSR
Au-dessus de 120 K,
A(t) = a0exp(–(σt)0.5
), avec σ le
taux de relaxation et a0 = 0.25.
En-dessous de 120 K,
les champs locaux deviennent
progressivement statiques MAIS de
manière inhomogène ⇒ 2 composantes
dans A(t)
A(t) = a1exp(–(σt)0.5
) + a2exp(–λt)
+2 a2 cos(ωµt),
avec a1+3a2 = 0.25 pour garder le
volume total constant.
L. Rebbouh et al., Phys. Rev. B, draft.12

13. Cas de nanoparticules de maghémite monodisperses
Mesures µSR
En-dessous de 120 K,
diminution graduelle de a1 et
baisse significative du taux de
relaxation, σ ⇒ ΤΒ = 120 Κ
III
III
I – Régime
superparamagnétique
thermiquement activé
II – Régime
superparamagnétique modifié
par les interactions
interparticules
III– Régime de type verre de
spin
L. Rebbouh et al., Phys. Rev. B, draft.13

14. Cas de nanoparticules de maghémite monodisperses
Mesures µSR
Au-dessus de 120 K:
Eact ~ 176 K
K ~ 11820 J/m3
L. Rebbouh et al., Phys. Rev. B, draft.
2.2
2.7
3.2
3.7
4.2
4.7
0.002 0.004 0.006 0.008
Inverse Temperature, 1/K
14

15. CONCLUSIONS
Monodispersité des nanoparticules de maghémite confirmée par
spectroscopie µSR.
Trois régimes:
I – Régime superparamagnétique thermiquement activé
II – Régime superparamagnétique modifié par les interactions
interparticules
III– Régime de type verre de spin
PERSPECTIVES
Mesures µSR sous champ transverse nécessaires pour
confirmer le régime verre de spin à basse température.
15

16. REMERCIEMENTS
Prof. F. Grandjean, Université de Liège.
Prof. G. J. Long, Université du Missouri-Rolla.
Dr. A. Amato, Paul Scherrer Institut.
Prof. T. Hyeon, Université de Séoul.
CONTACT
Leila Rebbouh, @leilarebbouh