Magnetic Behavior and Stoichiometry on Magnetite Nanoparticles

Abstract

RESUMEN: En este trabajo investigamos las propiedades magnéticas de nanopartículas de magnetita usando simulación Monte Carlo en el marco de un modelo “core-shell”. Los cálculos se realizan con base en un Hamiltoniano Heisenberg clásico tridimensional con interacción a primeros vecinos y la dinámica de Metropolis. El Hamiltoniano incluye interacciones de superintercambio entre iones de Hierro, un término de anisotropía de Néel para átomos de superficie y anisotropía cúbica magnetocristalina para los átomos del interior. Se implementaron condiciones de frontera libres y se simularon nanopartículas de diferentes diámetros con el fin de estudiar el efecto del cambio en la estequiometría y del tamaño sobre el comportamiento magnético. Para el sistema en ‘bulk’ se implementaron condiciones de frontera periódicas, y los resultados se comparan con los correspondientes a las nanopartículas con el objetivo de notar el comportamiento de la temperatura crítica al cambiar el tamaño del sistema, y el rol que juega la superficie sobre las propiedades magnéticas.

ABSTRACT: In this study we investigate the magnetic properties of magnetite fine particles by means of Monte Carlo simulation in the framework of a core-shell model. Calculations are performed on the basis of a three-dimensional classical Heisenberg Hamiltonian, with nearest magnetic neighbor interactions, and the Metropolis dynamics. The Hamiltonian includes interactions between Fe ions through the superexchange integrals for the different crystallographic sites, a Néel’s surface anisotropy term applied to surface ions, and a cubic magnetocrystalline anisotropy term for those ions belonging to the core. Free boundary conditions were implemented and nanoparticles of different diameters were simulated in order to study the effect of the change in the stoichiometry and particle size on the magnetic behavior. Periodic boundary conditions were used to simulate a large enough bulk system and results were used to compare with those of nanoparticles in order to evidence the behavior of the critical temperature with the system size and the role played by the surface on the magnetic properties.