Composition-structure and size/shape-controlled synthesis and characterization of high coercivity ferrite nanocrystals

Abstract

Cobalt ferrite (CoFe2O4) possesses excellent chemical stability, good mechanical hardness and a large positive first order magnetocrystalline anisotropy constant, making it a promising candidate for magneto-optical recording media. In addition to precise control of the composition and structure of CoFe2O4, its practical application will require the capability to control particle size at the nanoscale. It has been well-established that a fine tuning in cobalt ferrite nanocrystals size within the magnetic single domain region would lead to the achievement of extremely high coercivity values at room-temperature. The development of a size-sensitive phase separation method for cobalt ferrite nanocrystals that is based on selective dissolution of the superparamagnetic fraction and subsequent size-sensitive magnetic separation of single-domain nanoparticles is presented. The attained colossal room temperature coercivity value of 11.9 kOe was mainly attributed to the enlargement of the average crystal size within the single domain region coupled with the removal of the superparamagnetic fraction in the ferrite powders. The strong influence of crystal size, ferrite composition, cations distribution in the ferrite lattice and lattice distortion on the corresponding magnetic properties at the nanoscale, was also confirmed. The superparamagnetic and magnetic single domain limits were experimentally determined by synthesizing extremely small (4 nm) and large (over 100 nm) single crystals of cobalt ferrite. The first ones were produced using sodium oleate in-synthesis whereas the large crystals were produced by thermal treatment of starting 16 nm cobalt ferrite nanocrystals.

La ferrita de cobalto (CoFe2O4) posee excelente estabilidad química, adecuada resistencia mecánica así como una alta y positiva constante de anisotropía magnetocristalina, lo que la convierte en un candidato prometedor para ser usado en sistemas de grabación magnetoópticos. Además de un control preciso en la composición y estructura de CoFe2O4, su aplicación práctica dependerá de la capacidad de controlar el tamaño de partícula de esta ferrita a la nanoescala. Se entiende que solo un fino control en el tamaño de nanocristales de ferrita de cobalto dentro de la región de monodominios magnéticos permitiría la obtención de valores de coercividad extremadamente altos a temperatura ambiente. El desarrollo de un método para la separación por tamaños de los nanocristales de ferrita de cobalto, basado en la disolución selectiva de la fracción superparamagnética y la subsecuente separación magnética sensitiva a tamaños de nanopartículas monodominio, es presentado. La altísima coercividad obtenida a temperatura ambiente, 11.9 kOe, fue principalmente atribuida al incremento del tamaño promedio del cristal en la región de monodominios en adición a la eliminación de la fracción superparamagnética en la ferrita. La gran influencia del tamaño de cristal, composición de la ferrita, distribución de cationes en la celda unitaria y la distorsión de esta celda, sobre las propiedades magnéticas correspondientes a escala nanométrica, también fue confirmado. Los limites superparamagnético y de monodominios magnéticos se determinaron experimentalmente mediante la síntesis de monocristales de ferrita de cobalto extremadamente pequeños (4 nm) y de mayor tamaño (100 nm +). Los primeros fueron sintetizados mediante el uso de oleato de sodio durante la síntesis, en tanto que los cristales de mayor tamaño fueron producidos mediante el tratamiento térmico de nanocristales con un tamaño promedio inicial de 16 nm.