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Propiedades magnéticas de materiales nanoestructurados: vidrios metálicos recristalizados y partículas pequeñas de hexaferrita

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Universitat de Barcelona. Departament de Física Fonamental

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[spa] Esta memoria presenta el estudio de las propiedades magnéticas de dos sistemas físicos pertenecientes a lo que puede considerarse una nueva generación de materiales, los constituidos por entidades básicas de tamaño nanométrico. El interés propio de dichos nanomateriales se centra en el hecho de que poseen importantes aplicaciones tecnológicas, a la vez que presentan una nueva fenomenología, condicionada completamente por su microestructura. La primera parte de este trabajo, está dedicada a los vidrios metálicos de composición Fe(73.5)Cu(1)Nb(3)Si(16.5)B(6) y Fe(73.5)Cu(1)Nb(3)Si(13.5)B(9) sometidos a diversos tratamientos térmicos encaminados a conseguir la nucleación de nanocristales en un resto amorfo. La caracterización magnética muestra una fuerte dependencia de los parámetros tecnológicamente representativos con la temperatura del tratamiento. Para comprender este comportamiento se hace imprescindible una completa caracterización estructural, que se realizó a través de la difracción de rayos X y la espectroscopía Mössbauer. Gracias a estas dos técnicas, determinamos el tamaño medio, composición y estructura de los cristalitos presentes en las muestras en los diferentes estadios de cristalización (correspondientes a las diferentes temperaturas de recocido). El modelo de anisotropía aleatoria nos permite correlacionar esta microestructura con los parámetros magnéticos y justificar el comportamiento observado en las muestras. El deterioro de las propiedades magneticodulces se produce cuando el tamaño del cristalito supera la longitud de canje ferromagnético, y dicho tamaño depende de cual es la fase que lo constituye. Partiendo de diversas muestras que la difracción de rayos X detecta igual de amorfas, el mismo recocido produce efectos diferentes. Este trabajo demuestra la importancia del vidrio metálico precursor en la microestructura final obtenida. La espectroscopía Mössbauer permitió distinguir entre los amorfos precursores según la textura de espín, relacionando las tensiones congeladas en la estructura con la velocidad de enfriamiento utilizada en su elaboración. A menor ritmo de enfriamiento, más importantes son esas tensiones y, como consecuencia, la estructura nanocristalina aparece a menor temperatura de recocido. Asociamos esas tensiones a la presencia en el precursor de pequeños núcleos cristalinos que actúan como centros de nucleación al efectuar el recocido. Las diferencias en el precursor condicionan fuertemente el inicio de la cristalización (recocido a 500°C), pero una vez han empezado a crecer los nanocristales (recocido a 540°C) las diferencias entre las muestras preparadas a distintos ritmos de enfriamiento se suavizan. En la segunda parte de esta memoria, se analiza el comportamiento magnético de nanopartículas de BaFe(l0.4)CO(0.8)Ti(0.8)O(19), cuyo diámetro medio es <D> - 10 nm. Las características básicas del comportamiento del material estudiado, son las propias de un sistema definido por una distribución de volúmenes y anisotropías. Las nanopartículas presentan, sin embargo, un conjunto de propiedades magnéticas que las diferencian de las partículas microcristalinas de idéntica composición: la imanación de saturación es menos del 50%, la susceptibilidad diferencial aumenta un factor dos, y el campo coercitivo y el campo medio de anisotropía en un factor cuatro. Atribuimos estas diferencias al papel desempeñado por los espines situados en la superficie de la partícula: al sufrir un entorno diferente al de los espines del núcleo, se disponen constituyendo una estructura no colineal (estructura frustrada). Aunque la dirección de la imanación del núcleo induce cierta dirección preferente en estos espines superficiales, se trata de un conjunto para el que será más costoso seguir la dirección del campo aplicado. El peso de este grupo de espines en el comportamiento magnético depende evidentemente de la relación superficie/volumen. El resultado en las medidas magnéticas es el mismo que se observaría si consideráramos una contribución adicional a la anisotropía efectiva del sistema (constituida de entrada por la anisotropía magnetocristalina y la de forma), es decir, la aniotropía de superficie. El segundo resultado relevante a partir de la caracterización magnética básica es la presencia de interacciones entre partículas, cuyo efecto global es desimanador. La inversa de la susceptibilidad a bajo campo en el régimen superparamagnético sigue una ley de Curie - Weiss, dando una temperatura extrapolada de -170±30 K. Un resultado similar se obtiene del análisis de la susceptibilidad AC. En tercer lugar, los gráficos Delta-M obtenidos a partir de las curvas de remanencia muestran una vez más que la interacción es desimanadora, y permiten evaluar el campo de interacción dipolar en unos 1.2 kOe. Este valor está de acuerdo con el obtenido teóricamente a partir de un modelo de dipolos puntuales, aplicado a estas nanopartículas. Conocido el comportamiento magnético básico y las propiedades del sistema que lo determinan (tales como la distribución de volúmenes, la de campos de anisotropía, el tiempo característico 1:0 y el signo e importancia de las interacciones entre partículas) se procedió a estudiar la relajación magnética. La aproximación al problema se efectuó siguiendo el escalado en la variable T-In(t/Theta(o)), que nos proporciona la curva maestra de relajación y la distribución efectiva de barreras de energía. Esta distribución efectiva presenta una contribución de las barreras de menor energía mayor de lo que correspondería a una única función de distribución tipo normal-logarítmica. El ajuste de la curva maestra confirma que la relajación queda descrita considerando la suma de dos contribuciones: i) una función de distribución cercana a la de volúmenes y de temperaturas de bloqueo obtenidas en las medidas estáticas, y ii) una función tipo normal-logarítmica centrada en las energías menores (cuyo peso en la distribución total es del 19 %), Y que representa el aumento del número de barreras de baja energía. Este aumento lo atribuimos, de acuerdo con resultados de simulación numérica, a la presencia de interacciones desimanadoras. Es decir, la presencia de interacciones desimanadoras se manifiesta como un aumento del ritmo de relajación a las temperaturas más bajas. A partir del corrimiento de la distribución total hacia energías menores, podemos evaluar el campo desimanador, que coincide con los citados en el párrafo anterior, reforzando nuestra hipótesis. Para reforzar esta última conclusión, se realizó el mismo análisis en una muestra constituida por partículas idénticas a las anteriores, en la que las interacciones se modificaron gracias a una molienda con polvo de sílice nanométrico. La distribución efectiva de barreras de energía para la nueva muestra evidencia un aumento de las barreras de baja energía a costa de las barreras de mayor energía. Podemos asociar esta transferencia de barreras a la rotura de los grupos de partículas durante el proceso de molienda, con lo que se aumentan las interacciones desimanadoras a la vez que disminuyen las imanadoras. Una segunda aproximación al problema de la relajación magnética y el efecto de las interacciones entre partículas, se realizó en términos del campo de fluctuación y volumen de activación. Los resultados indican que para la muestra inicial, el volumen de activación es un tercio del volumen medio de partícula «V» a 6K y crece con la temperatura hasta llegar a 3<V> a 70 K. Tras la molienda, el volumen de activación aumenta, siendo sólo a 6 K del orden de <V>, y alcanzando 11<V> a 70 K, valor que supera claramente al mayor volumen detectado por TEM. Concluimos, por tanto, que los parámetros obtenidos a partir de las dos aproximaciones sugieren que las interacciones desimanadoras han aumentado tras la molienda. El aumento de las barreras de menor energía que muestra el escalado en T-In(t/Theta(o))se manifiesta como mayores volúmenes térmicamente inestables según la aproximación del campo de fluctuación, indicando incluso el paso de un mecanismo individual de inversión a otro colectivo.

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[eng] This work pursues the understanding of the magnetic properties of nanostructured materials. The motivation of this study was the new phenomenology observed in known materials, when the basic unit which constitutes them reaches the nanometer size. In order to understand and justify this behaviour, a knowledge of its microstructure is indispensable. The first part deals with heat treated metallic glasses. The system is constituted by nanocrystalline grains nucleated in an amorphous matrix. A complete structural characterization was done by means of X ray diffraction and Mössbauer spectroscopy. The magnetic behaviour (coercive field and permeability) as a function of the grain size is explained in the frame of' the Random Anisotropy Model. Finally, the effect of the initial degree of amorphycity on the nanocrystalization was studied. In the second part, the studied system is constituted by platelet-like particles of barium hexaferrite of about 10 nm of' mean diameter. A complete magnetic characterization provided us the parameters that determine the magnetic behaviour, such as the volume and anisotropy distribution, coercive field, characteristic relaxation time. The results evidence the importance of the surface effects and the demagnetizing interpanicle interactions. The time-relaxation of the thermoremanence was analyzed in terms of lhe T-In(t/Theta(o)), and resulted to be affected by both effects. The study was completed analyzing the behaviour of the system after modifying fhe interpanicle interactions by milling with SiO(2) powder.

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Tesis Doctorals - Departament - Física Fonamental

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Propiedades magnéticas de materiales nanoestructurados: vidrios metálicos recristalizados y partículas pequeñas de hexaferrita