Enhanced shape anisotropy and magneto-optical birefringence by high energy ball milling in NixFe1−xFe2O4 ferrofluids

Ferrofluids belonging to the series NixFe1 xFe2O4 were synthesised by two different procedures—one by standard co-precipitation techniques, the other by co-precipitation for synthesis of particles and dispersion aided by high-energy ball milling with a view to understand the effect of strain and size anisotropy on the magneto-optical properties of ferrofluids. The birefringence measurements were carried out using a standard ellipsometer. The birefringence signal obtained for chemically synthesised samples was satisfactorily fitted to the standard second Langevin function. The ball-milled ferrofluids showed a deviation and their birefringence was enhanced by an order. This large enhancement in the birefringence value cannot be attributed to the increase in grain size of the samples, considering that the grain sizes of sample synthesised by both modes are comparable; instead, it can be attributed to the lattice strain-induced shape anisotropy(oblation) arising from the high-energy ball-milling process. Thus magnetic-optical (MO) signals can be tuned by ball-milling process, which can find potential applications.

Size effects in the magneto-optical response of Co nanoparticles

A study of the magneto-optical (MO) spectral response of Co nanoparticles embedded in MgO as a function of their size and concentration in the spectral range from 1.4 to 4.3 eV is presented. The nanoparticle layers were obtained by sputtering at different deposition temperatures. Transmission electron microscopy measurements show that the nanoparticles have a complex structure which consists of a crystalline core having a hexagonal close-packed structure and an amorphous crust. Using an effective-medium approximation we have obtained the MO constants of the Co nanoparticles. These MO constants are different from those of continuous Co layers and depend on the size of the crystalline core. We associate these changes with the size effect of the intraband contribution to the MO constants, related to a reduction of the relaxation time of the electrons into the nanoparticles.

Magnetism of isolated Mn12 single-molecule magnets detected by magnetic circular dichroism: Observation of spin tunneling with a magneto-optical technique

We report magnetic and magneto-optical measurements of two Mn12 single-molecule magnet derivatives isolated in organic glasses. Field-dependent magnetic circular dichroism (MCD) intensity curves (hysteresis cycles) are found to be essentially identical to superconducting quantum interference device magnetization results and provide experimental evidence for the potential of the optical technique for magnetic characterization. Optical observation of magnetic tunneling has been achieved by studying the decay of the MCD signal at weak applied magnetic field

Nonlinear and magneto-optical transmission studies on magnetic nanofluids of non-interacting metallic nickel nanoparticles

Oxide free stable metallic nanofluids have the potential for various applications such as in thermal management and inkjet printing apart from being a candidate system for fundamental studies. A stable suspension of nickel nanoparticles of ∼5 nm size has been realized by a modified two-step synthesis route. Structural characterization by x-ray diffraction and transmission electron microscopy shows that the nanoparticles are metallic and are phase pure. The nanoparticles exhibited superparamagnetic properties. The magneto-optical transmission properties of the nickel nanofluid (Ni-F) were investigated by linear optical dichroism measurements. The magnetic field dependent light transmission studies exhibited a polarization dependent optical absorption, known as optical dichroism, indicating that the nanoparticles suspended in the fluid are non-interacting and superparamagnetic in nature. The nonlinear optical limiting properties of Ni-F under high input optical fluence were then analyzed by an open aperture z-scan technique. The Ni-F exhibits a saturable absorption at moderate laser intensities while effective two-photon absorption is evident at higher intensities. The Ni-F appears to be a unique material for various optical devices such as field modulated gratings and optical switches which can be controlled by an external magnetic field

Magnetic field-induced cluster formation and variation of magneto-optical signals in zinc-substituted ferrofluids

Fine magnetic particles (sizeffi100A ˚ ) belonging to the series ZnxFe1 xFe2O4 were synthesized by cold co-precipitation methods and their structural properties were evaluated using X-ray diffraction. Magnetization studies have been carried out using vibrating sample magnetometry (VSM) showing near-zero loss loop characteristics. Ferrofluids were then prepared employing these fine magnetic powders using oleic acid as surfactant and kerosene as carrier liquid by modifying the usually reported synthesis technique in order to induce anisotropy and enhance the magneto-optical signals. Liquid thin films of these fluids were prepared and field-induced laser transmission through these films was studied. The transmitted light intensity decreases at the centre with applied magnetic field in a linear fashion when subjected to low magnetic fields and saturate at higher fields. This is in accordance with the saturation in cluster formation. The pattern exhibited by these films in the presence of different magnetic fields was observed with the help of a CCD camera and was recorded photographically

Lead free heterogeneous multilayers with giant magneto electric coupling for microelectronics/microelectromechanical systems applications

Lead free magneto electrics with a strong sub resonant (broad frequency range) magneto electric coupling coefficient (MECC) is the goal of the day which can revolutionise the microelectronics and microelectromechanical systems (MEMS) industry. We report giant resonant MECC in lead free nanograined Barium Titanate–CoFe (Alloy)-Barium Titanate [BTO-CoFe-BTO] sandwiched thin films. The resonant MECC values obtained here are the highest values recorded in thin films/ multilayers. Sub-resonant MECC values are quite comparable to the highest MECC reported in 2-2 layered structures. MECC got enhanced by two orders at a low frequency resonance. The results show the potential of these thin films for transducer, magnetic field assisted energy harvesters, switching devices, and storage applications. Some possible device integration techniques are also discussed

Enhanced shape anisotropy and magneto-optical birefringence by high energy ball milling in NixFe1 xFe2O4 ferrofluids

Ferrofluids belonging to the series NixFe1 xFe2O4 were synthesised by two different procedures—one by standard co-precipitation techniques, the other by co-precipitation for synthesis of particles and dispersion aided by high-energy ball milling with a view to understand the effect of strain and size anisotropy on the magneto-optical properties of ferrofluids. The birefringence measurements were carried out using a standard ellipsometer. The birefringence signal obtained for chemically synthesised samples was satisfactorily fitted to the standard second Langevin function. The ball-milled ferrofluids showed a deviation and their birefringence was enhanced by an order. This large enhancement in the birefringence value cannot be attributed to the increase in grain size of the samples, considering that the grain sizes of sample synthesised by both modes are comparable; instead, it can be attributed to the lattice strain-induced shape anisotropy(oblation) arising from the high-energy ball-milling process. Thus magnetic-optical (MO) signals can be tuned by ball-milling process, which can find potential applications

Magnetische Kopplungen in magneto-optischen Speicherschichten

Im Rahmen dieser Arbeit wurden magneto-optische Speicherschichten und ihre Kopplungen untereinander untersucht. Hierzu wurden zum Einen die für die magneto-optische Speichertechnologie "klassischen" Schichten aus RE/TM-Legierungen verwendet, zum Anderen aber auch erfolgreich Granate integriert, die bisher nicht in diesem Anwendungsgebiet verwendet wurden. Einleitend werden die magneto-optischen Verfahren, die resultierenden Anforderungen an die dünnen Schichten und die entsprechenden physikalischen Grundlagen diskutiert. Außerdem wird auf das Hochfrequenz-Sputtern von RE/TM-Legierungen eingegangen und die verwendeten magneto-optischen Messverfahren werden erläutert [Kap. 2 & 3]. Die Untersuchungen an RE/TM-Schichten bestätigen die aus der Literatur bekannten Eigenschaften. Sie lassen sich effektiv, und für magneto-optische Anwendungen geeignet, über RF-Sputtern herstellen. Die unmittelbaren Schicht-Parameter, wie Schichtdicke und Terbium-Konzentration, lassen sich über einfache Zusammenhänge einstellen. Da die Terbium-Konzentration eine Änderung der Kompensationstemperatur bewirkt, lässt sich diese mit Messungen am Kerr-Magnetometer überprüfen. Die für die Anwendung interessante senkrechte magnetische Anisotropie konnte ebenfalls mit den Herstellungsbedingungen verknüpft werden. Bei der Herstellung der Schichten auf einer glatten Glas-Oberfläche (Floatglas) zeigt die RE/TM-Schicht bereits in den ersten Lagen ein Wachstumsverhalten, das eine senkrechte Anisotropie bewirkt. Auf einer Quarzglas- oder Keramik-Oberfläche wachsen die ersten Lagen in einer durch das Substrat induzierten Struktur auf, danach ändert sich das Wachstumsverhalten stetig, bis eine senkrechte Anisotropie erreicht wird. Dieses Verhalten kann auch durch verschiedene Pufferschichten (Aluminium und Siliziumnitrid) nur unwesentlich beeinflusst werden [Kap. 5 & Kap. 6]. Bei der direkten Aufbringung von Doppelschichten, bestehend aus einer Auslese-Schicht (GdFeCo) auf einer Speicherschicht (TbFeCo), wurde die Austausch-Kopplung demonstriert. Die Ausleseschicht zeigt unterhalb der Kompensationstemperatur keine Kopplung an die Speicherschicht, während oberhalb der Kompensationstemperatur eine direkte Kopplung der Untergitter stattfindet. Daraus ergibt sich das für den MSR-Effekt erwünschte Maskierungsverhalten. Die vorher aus den Einzelschichten gewonnen Ergebnisse zu Kompensationstemperatur und Wachstumsverhalten konnten in den Doppelschichten wiedergefunden werden. Als Idealfall erweist sich hier die einfachste Struktur. Man bringt die Speicherschicht auf Floatglas auf und bedeckt diese direkt mit der Ausleseschicht [Kap. 7]. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, den Faraday-Effekt einer Granatschicht als verstärkendes Element zu nutzen. Im anwendungstauglichen, integrierten Schichtsystem konnten die kostengünstig, mit dem Sol-Gel-Verfahren produzierten, Granate die strukturellen Anforderungen nicht erfüllen, da sich während der Herstellung Risse und Löcher gebildet haben. Bei der experimentellen Realisierung mit einer einkristallinen Granatschicht und einer RE/TM-Schicht konnte die prinzipielle Eignung des Schichtsystems demonstriert werden [Kap. 8].

Magneto-optische Oberflächenplasmonresonanzeffekte in austauschverschobenen Dünnschichtsystemen

Die Wechselwirkungen zwischen Biomolekülen spielen eine zentrale Rolle in der biochemischen und pharmazeutischen Forschung. In der biomolekularen Interaktionsanalyse sind dabei Biosensoren auf Basis des Oberflächenplasmonresonanzeffekts (SPR-Effekt) weitverbreitet. Seit Einführung der ersten kommerziellen SPR-Biosensoren Anfang der 1990er Jahre wurden verschiedenste Messanordnungen sowie Materialsysteme mit dem Ziel einer möglichst hohen Empfindlichkeit getestet. Eine Möglichkeit zur Steigerung der Empfindlichkeit klassischer SPR-Systeme bieten sogenannte magneto-optische SPR-Biosensoren (MOSPR-Biosensoren). Grundlage der Empfindlichkeitssteigerung ist die gleichzeitige Messung des SPR-Effekts und des transversalen magneto-optischen KERR-Effekts (tMOKE). Bisherige Untersuchungen haben sich meist auf den Einfluss der Magnetisierung freier ferromagnetischer Schichten beschränkt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden erstmals austauschverschobene Dünnschichtsysteme (EB-Systeme), eine Kombination aus Ferromagnet und Antiferromagnet, hinsichtlich ihrer Eignung für SPR- und MOSPR-basierte biosensorische Anwendungen untersucht. Aufgrund der remanenten Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht und ihrer magnetischen Strukturierbarkeit sind EB-Systeme eine hochinteressante Plattform zur Realisierung neuer Biosensorkonzepte. Zur Reduzierung der stark dämpfendenden Wirkung magnetischer Materialien wurde das hier betrachtete IrMn/Co EB-System zwischen zwei Goldschichten eingebettet. Eine Gegenüberstellung optimierter Au/ IrMn/Co/Au-Systeme mit einem reinen Au-System, wie es typischerweise in kommerziellen SPR-basierten Biosensoren eingesetzt wird, demonstriert, dass mit den entwickelten EB-Systemen vergleichbare Empfindlichkeiten in SPR-Sensor-Anwendungen erreicht werden können. Die magneto-optische Aktivität der untersuchten Dünnschichtsysteme liegt im Bereich der Literaturwerte für Au/Co/Au-Systeme, mit denen erhöhte Empfindlichkeiten gegenüber Standard-SPR-Biosensoren realisiert wurden. Auf Grundlage magnetisch strukturierter Au/IrMn/Co/Au-Systeme wurden neue Biosensorkonzepte entwickelt und getestet. Erste Experimente belegen, dass mit diesen Schichtsystemen eine gleichzeitige Detektion der magnetisierungsabhängigen Reflektivitäten in ortsauflösenden MOSPR-Messungen möglich ist. Eine solche Messanordnung profitiert von der erhöhten Empfindlichkeit MOSPR-basierter Biosensoren, hohen Messgeschwindigkeiten und einem verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis. Weiterhin wurde der domänenwandassistierte Transport (DOWMAT) superparamagnetischer Partikel über der Oberfläche eines exemplarischen EB-Systems, zur Sensorintegration von Misch-, Reinigungs- und Aufkonzentrationsfunktionen erfolgreich getestet. Die Ergebnisse demonstrieren, dass ein Transport von Partikelreihen mit hohen Geschwindigkeiten bei moderaten externen Magnetfeldern über den entwickelten Schichtsystemen möglich ist. Die Agglomeration der Partikel wird dabei intrinsisch vermieden. Diese Beobachtungen verdeutlichen die Vorzüge des DOWMAT-Mechanismus für biosensorische Anwendungen. Die präsentierten Untersuchungen bilden die Grundlage auf dem Weg zur Umsetzung neuer vielversprechender Biosensorkonzepte, die eine Schlüsselfunktion in der medizinischen point-of-care-Diagnostik bei der Detektion kleinster Konzentrationen krankheitsrelevanter Biomarker einnehmen können.

Syntheses, structural analyses, and magneto-structural correlations of three polymeric Fe(II) complexes with azide ligand

Three new metal-organic polymeric complexes, [Fe(N-3)(2)(bPP)(2)] (1), [Fe(N-3)(2)(bpe)] (2), and [Fe(N-3)(2)(phen)] (3) [bpp = (1,3-bis(4-pyridyl)-propane), bpe = (1,2-bis(4-pyridyl)-ethane), phen = 1,10-phenanthroline], have been synthesized and characterized by single-crystal X-ray diffraction studies and low-temperature magnetic measurements in the range 300-2 K. Complexes 1 and 2 crystallize in the monoclinic system, space group C2/c, with the following cell parameters: a = 19.355(4) Angstrom, b = 7.076(2) Angstrom, c = 22.549(4) Angstrom, beta = 119.50(3)degrees, Z = 4, and a = 10.007(14) Angstrom, b = 13.789(18) Angstrom, c = 10.377(14) Angstrom, beta = 103.50(1)degrees, Z = 4, respectively. Complex 3 crystallizes in the triclinic system, space group P (1) over bar, with a = 7.155(12) Angstrom, b = 10.066(14) Angstrom, c = 10.508(14) Angstrom, alpha = 109.57(1)degrees, beta = 104.57(1)degrees, gamma = 105.10(1)degrees, and Z = 2. All coordination polymers exhibit octahedral Fe(II) nodes. The structural determination of 1 reveals a parallel interpenetrated structure of 2D layers of (4,4) topology, formed by Fe(II) nodes linked through bpp ligands, while mono-coordinated azide anions are pendant from the corrugated sheet. Complex 2 has a 2D arrangement constructed through 1D double end-to-end azide bridged iron(11) chains interconnected through bpe ligands. Complex 3 shows a polymeric arrangement where the metal ions are interlinked through pairs of end-on and end-to-end azide ligands exhibiting a zigzag arrangement of metals (Fe-Fe-Fe angle of 111.18degrees) and an intermetallic separation of 3.347 Angstrom (through the EO azide) and of 5.229 Angstrom (EE azide). Variable-temperature magnetic susceptibility data suggest that there is no magnetic interaction between the metal centers in 1, whereas in 2 there is an antiferromagnetic interaction through the end-to-end azide bridge. Complex 3 shows ferro- as well as anti-ferromagnetic interactions between the metal centers generated through the alternating end-on and end-to-end azide bridges. Complex I has been modeled using the D parameter (considering distorted octahedral Fe(II) geometry and with any possible J value equal to zero) and complex 2 has been modeled as a one-dimensional system with classical and/or quantum spin where we have used two possible full diagonalization processes: without and with the D parameter, considering the important distortions of the Fe(II) ions. For complex 3, the alternating coupling model impedes a mathematical solution for the modeling as classical spins. With quantum spin, the modeling has been made as in 2.

Dynamic simulation studies of structural formation and transition in electro-magneto-rheological fluids

The computer simulation method has been used to study the structural formation and transition of electro-magneto-rheological (EMR) fluids under compatible electric and magnetic fields. When the fields are applied simultaneously and perpendicularly to each other, the particles rapidly arrange into two-dimensional close-packed layer structures parallel to both fields. The layers then combine together to form thicker sheet-like structures, which finally relax into three-dimensional close-packed structures with the help of the thermal fluctuations. On the other hand, if the electric field is applied firstly to induce the body-centered tetragonal (BCT) columns in the system, and then the magnetic field is applied in the perpendicular direction. the BCT to face-centered cubic (FCC) structure transition is observed in very short time. Following that. the structure keeps on evolving due to the demagnetization effect and finally form the three-dimensional close-packed structures.

MAGNETO-OPTICAL ABSORPTION AND PHOTOMAGNETISM IN EUROPIUM CHALCOGENIDES

The absorption threshold in EuTe and EuSe was investigated as a function of applied magnetic field in the Faraday geometry. A well-resolved doublet of sharp dichroic lines was observed when the magnetic field induced ferromagnetic alignment of the spins in the crystal lattice. In contrast, at zero magnetic field only a broad and featureless absorption onset is seen. These results are fully explained in terms of a model of electronic transitions between localized states at the Eu lattice site and a tight-binding conduction band, which incorporates the formation of spin domains. Based on this model, predictions are made concerning the possibility of inducing magnetization of the spin lattices by illuminating the material with circularly polarized light.