Projeto
Estudos de Materiais Magnéticos e Multiferróicos utilizando Isótopos Radioactivos no ISOLDE-CERN
Refª: CERN/FP/109357/2009
Orçamento (Total/UTAD): (35.000,00 €;3.600,00 €)
Data de início: 02-01-2010
Data de conclusão: 01-01-2011
Programa: CERN
Investigador responsável: Vitor Brás de Sequeira Amaral (Univ. de Aveiro)
Equipa da UTAD: Pedro Manuel de Melo Bandeira Tavares
Resumo:
Este projecto visa o apoio em 2010 aos trabalhos de dois projectos no ISOLDE-CERN: IS487 “Study of Local
Correlations of Magnetic and Multiferroic Compounds”, continuando o IS390 “Studies of Colossal Magnetoresistive
Oxides with Radioactive Isotopes”, já apoiado por projectos FCT/CERN, e uma nova área de aplicação de isótopos
radioactivos a estudos ambientais: LOI81 “Radioactive probe studies of coordination mechanisms of heavy metal
ions from natural waters to functionalized magnetic nanoparticles”. O IS487 envolve laboratórios europeus e
japoneses especializados em áreas complementares: materiais (cerâmicos, monocristais e filmes finos),
propriedades físicas e técnicas nucleares. A colaboração pretende estudar várias problemáticas de materiais
magnéticos e multiferróicos implantando-os com isótopos radioactivos adequados para a utilização das técnicas de
sonda local disponíveis no ISOLDE, nomeadamente Correlações Angulares Perturbadas (PAC) e Canalização por
Emissão de Electrões. Pretende-se obter informação local dos mecanismos estruturais, electrónicos e magnéticos,
em complemento a técnicas convencionais de física do Estado Sólido. Os temas científicos abordados são
relacionados com a) distorções locais, correlações e dinâmica de polarões b) distorções relacionadas com ordem de
carga e orbital, separação de fases, formação de nanoclusters de carga e spin c) mecanismos estáticos ou
dinâmicos de acoplamentos magnetoeléctrico e magnetoelástico. O estudo experimental será acompanhado da
análise teórica e cálculo dos parâmetros hiperfinos utilizando métodos ab initio de estrutura electrónica (FLAPWcódigo WIEN) bem como a modelização das propriedades físicas relevantes.
O projecto abarca também a preparação e caracterização de amostras de composição seleccionada bem como a
caracterização de amostras fornecidas por parceiros: estudo estrutural e de fases e sua relação com as condições
de processamento, nomeadamente os tratamentos térmicos em diferentes atmosferas semelhantes aos efectuados
no ISOLDE antes e após a implantação dos isótopos radioactivos. O estudo das propriedades eléctricas e
magnéticas permitirá a determinação dos parâmetros e características macroscópicas das amostras. Os estudos de
espectroscopia de fotoluminescência e de EPR permitem caracterizar defeitos e impurezas. Este trabalho é
complementado por estudos detalhados usando difracção de raios-x, microscopia electrónica de transmissão em
função da temperatura e microscopia de varrimento de ponta. No LOI81 usamos PAC para estudar o ambiente
local de coordenação de iões pesados radioactivos (como Hg2+ e Cd2+) nas várias etapas de absorção dos catiões
por nanopartículas de magnetite, modificadas na superfície com SiO2 amorfo e funcionalizadas por acoplamento de
grupos ditiocarbamato à superfície das partículas. O estudo de nanopartículas com diferentes tamanhos, (300 a ~
10 nm) é também de interesse, uma vez que altera a concentração / dispersão de espécies funcionais. Pouco se
sabe sobre o modo como a natureza da superfície das nanopartículas influencia o processo global. Um
conhecimento mais profundo das superfícies das nanopartículas e os sítios de coordenação local dos metais
pesados, tornaria possível aumentar a eficácia destas partículas, fornecendo a base para o desenvolvimento de
novos sistemas nanodispersos funcionalizados em reabilitação ambiental e processos terapêuticos e toxicológicos.
Outro objectivo a realçar é a formação de jovens investigadores, num ambiente de trabalho multidisciplinar,
criando condições para trabalhos de teses de pós-graduação e a consolidação de colaborações na investigação de
materiais avançados. Há actualmente várias co-supervisões de estudantes entre membros da equipa,
incrementando a qualificação e interdisciplinaridade do trabalho. O financiamento requerido envolve bolsas para
um estudante e um mestre em formação e a desenvolver investigação em Portugal e no CERN.
Abstract:
This project is dedicated to afford in 2010 the execution of two projects at ISOLDE-CERN, both approved in 2009:IS487 “Study of Local Correlations of Magnetic and Multiferroic Compounds”, that now follows IS390 “Studies of
Colossal Magnetoresistive Oxides with Radioactive Isotopes”, supported by previous FCT/CERN projects, and the
new line of application of local radioactive isotopes to environmental issues: LOI81 “Radioactive probe studies of
coordination mechanisms of heavy metal ions from natural waters to functionalized magnetic nanoparticles”. IS
487 is a collaboration of European and Japanese laboratories, with complementary expertise in materials
(ceramics, single crystals, thin films), physical properties and nuclear techniques. The collaboration performs local
probe studies on relevant problems of magnetic and multiferroic materials, mainly oxides, by implanting these with
suitable radioactive isotopes for Perturbed Angular Correlations and Emission Channeling. Our aim is to provide
local and element selective information on some of the structural, electronic and magnetic mechanisms, in a
complementary way to the use of conventional characterisation solid state techniques.
The addressed scientific issues are those of the main CERN project i.e.: a) local environment studies in multiferroic
(MF) compounds: a consistent and global study is enabled by the possibility of probing local electric ordering and
magnetic hyperfine field. The sensitivity to static atomic displacements and its fluctuations allows a detailed study
of the paraelectric to (anti)ferroelectric phase transitions. Multiferroic compounds associated with distinct
magneto-structural-electric coupling mechanisms will be studied, such as charge-order induced MF or MF where
magnetism and ferroelectricity have distinct origins, either with lattice distortion providing the coupling to the spin
system through magnetostriction or p electron lone pairs. b) Concurrence or competition between charge (CO) and
orbital (OO) order-related effects, with phase separation, formation of nanoclusters of charge and spin order. c)
Local distortions, polaron correlations and dynamics of magnetostructural effects near magnetic phase transitions.
The experimental studies are accompanied by the theoretical analysis and calculation of the hyperfine parameters
using ab initio FLAP_WIEN code methods for electronic structure as well as the modeling of the relevant physical
properties.
Besides the support of experiments done at CERN, the work program of the present project involves sample
preparation and characterization: phase and structural studies, and the relation with the processing conditions,
mainly heat treatments in controlled atmosphere done at CERN. Characterization of magnetic and electrical
properties
are
used
to
access
basic
characteristics
and
parameters.
Studies
of
optical
properties
(photoluminescence spectroscopy) and EPR are performed to characterize defects and dopants.The work is
complemented by detailed studies using temperature dependent X-ray and electron diffraction, High Resolution
Transmission Electron Microscopy and Scanning Probe Microscopy.
In LOI81 we use PAC to study the local environment of coordinated heavy ion radioactive ionic species (as Hg2+ or
Cd2+) in the several steps of the cations uptake by magnetite nanoparticles, modified at the surface with
amorphous SiO2 and functionalized by grafting dithiocarbamate groups to the particles surface. The study of
different nanoparticle sizes, that can be made to range from ~300 to ~10 nm, is also of interest, since it modifies
the concentration/dispersion of functional species.
Little is known on how the nature of the nanoparticles surface influences the overall process. A deeper knowledge
of the nanoparticles surfaces and their local coordination sites to heavy metals, would make possible to increase
the efficiency of these particles and would form the basis for development of new functionalized nanodispersed
systems for environmental remediation, therapeutic and toxicological processes.
Other goals are the formation of young researchers in a multidisciplinary environment, the creation of conditions
for Ph.D. researchers to perform autonomous research and to consolidate collaborations in advanced materials.
There are currently several co-supervisions of students between the team members, fostering a qualified and
multi-variate environment human resource formation.The requested funding is expected to cover scholarships for
one graduation student and one young researcher to work in Portugal and CERN.