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Anisotropic cobalt-based nanostructures : synthesis and characterization

Liébana Vinas, Sara

Different types of cobalt-based magnetic nanoparticles have been designed to im-prove their performances in modern applications. For example, 3d transition metal-based magnetic nanowires are currently considered as potential candidates for rare-earth-free permanent magnets and for applications in catalysis. This thesis describes possible ap-proaches for the design of optimized architectures on the nanoscale exploiting the combi-nation of shape, magnetocrystalline and exchange anisotropy in 3d-metals. First, in a novel approach for the magnetic hardening, electroplated Fe30Co70 nanowires in anodic alumi-num oxide templates with diameters of 20 nm and 40 nm (length 6 μm and 7.5 μm, re-spectively) are synthesized and thoroughly characterized by structural and magnetic tech-niques. A 3–4 nm thick, naturally formed ferrimagnetic FeCo oxide layer covering the tip of the FeCo nanowire increases the coercive field by 20% at T = 10 K. The increase of the coercive field is achieved by means of magnetic pinning by an antiferromagnet which suppresses vortex formation at the tips of the nanowires as suggested by micromagnetic simulations. Second, Co80Ni20 nanorods with a mean diameter of 7 nm and a mean length of 53 nm have been synthesized by colloidal chemistry using the polyol process. Structural anal-ysis shows crystalline rods with the crystallographic c-axis of the hexagonal close-packed (hcp) phase, i.e. the magneto-crystalline easy axis, parallel to the long axis of the Co80Ni20 alloy rods. Moreover, these are covered by a thin Co-rich oxidized face-centered cubic (fcc) shell. This shell promotes a larger hysteretic energy product by exchange anisotropy between the antiferromagnetic oxide shell and the ferromagnetic metallic core. In a third study, cobalt oxide nanoparticles have been examined having a good cata-lytic response and additional magnetic properties. A new synthetic procedure has been developed to master the magnetic properties of cobalt oxide nanocrystals. 20 nm, 40 nm, and 85 nm edge length CoO-Co3O4 core-shell octahedra have been successfully synthe-sized by a thermal decomposition method. The particles exhibit sharp edges as well as almost atomically flat {111} facets. They consist of a CoO core and 2-4 nm thick Co3O4 shell. The interface between these two oxides is heavily strained and gives rise to ferro-magnetism to at least 400 K, well above the antiferromagnetic ordering temperatures of both oxides. Additional studies of different types of nanoparticles for innovative applications (e.g. hyperthermia, waste treatment, contrast agents) have been performed in the course of this thesis and summarized in the appendices II-IV.

Verschiedene Arten Kobalt-basierter magnetischer Nanostrukturen wurden gezielt hergestellt, um ihre Eigenschaften in modernen Anwendungen zu verbessern. Zum Beispiel werden magnetische Nanodrähte bestehend aus 3d-Übergangsmetallen derzeit als potentiel-le Kandidaten für Permanentmagnete ohne seltene Erden und für Anwendungen in der Ka-talyse untersucht. Die vorliegende Dissertation schlägt mögliche Ansätze für das magneti-sche Härten vor, die eine Kombination aus Form-, magneto-kristalliner und Austauschaniso-tropie der 3d-Metalle ausnutzen. Zunächst ist eine neuartige Methode für das magnetische Härten von Fe30Co70 Nanodrähten untersucht worden. Der Durchmesser der in anodisierten Aluminiumoxid Templaten elektrochemisch gewachsenen Nanodrähte beträgt dabei 20 nm und 40 nm bei einer von Länge 6 µm und 7,5 µm. Detaillierte strukturelle und magnetische Untersuchungen ergaben dabei eine 3-4 nm dicke, natürlich gebildete ferrimagnetische FeCo Oxidschicht an den Enden der Nanodrähte. Diese erhöhen die Koerzitivfeldstärke um 20% bei T = 10 K. Diese Zunahme der Koerzitiv¬feldstärke wird erreicht durch magnetisches Pin-nen, welches die Vortexbildung an den beiden Enden unterdrückt. Andererseits sind Co80Ni20 Nanostäbchen mit einem mittleren Durchmesser von 7 nm und einer mittleren Länge von 53 nm kolloidal-chemisch mit einem Polyolprozess syntheti-siert worden. Die Strukturanalyse zeigt kristalline Stäbchen mit einer kristallographischen Orientierung der c-Achse der hexagonalen dicht gepackten (hcp) Phase parallel zur langen Achse der Co80Ni20 Legierungsstäbchen. Weiterhin sind die Stäbchen mit einer dünnen, Co-reichen Oxidhülle mit kubisch-flächenzentrierten (fcc) Struktur ummantelt. Diese Hülle för-dert ein größeres Energieprodukt der magnetischen Hysterese aufgrund des Auftretens der Austauschanisotropie zwischen der antiferromagnetischen Oxidhülle und dem ferromagneti-schen Kern. In einer dritten Studie wurden Kobaltoxid-Nanopartikel untersucht, die gleichzeitig gu-te katalytische und magnetische Eigenschaften zeigen. Ein neues Syntheseverfahren ist ent-wickelt worden, um die magnetischen Eigenschaften der Kobalt-Nanokristalle zu kontrollie-ren. CoO-Co3O4 Kern-Hülle-Oktaeder mit 20 nm, 40 nm und 85 nm Kantenlänge wurden erfolgreich durch ein thermisches Zersetzungsverfahren hergestellt. Die Partikel weisen scharfe Kanten sowie fast atomar glatte {111}–Facetten auf. Sie bestehen aus einen CoO-Kern und einer 2-4 nm dicken Co3O4 Hülle. Die Grenzschicht zwischen diesen beiden Oxi-den ist stark verspannt, was zu ferromagnetischer Ordnung bis mindestens 400 K führt, die weit oberhalb der antiferromagnetischen Ordnungstemperatur der beiden Materialien liegt. Darüber hinaus wurden weitere Untersuchungen an verschiedenen Arten von Nano-partikeln für andere Anwendungen (z.B. Hyperthermie, Abfallbehandlung, Kontrastmittel) im Rahmen dieser Dissertation durchgeführt. Diese sind in den Anhängen II-IV zusammen-gefasst.

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Liébana Vinas, Sara: Anisotropic cobalt-based nanostructures. synthesis and characterization. 2016.

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