Structure and magnetic properties of Fe nanoparticles in amorphous silica implanted with Fe ions and effect of subsequent energetic heavy ion irradiation

鉄イオンを注入したアモルファスシリカ中の鉄ナノ粒子の構造と磁気特性、およびその後の重イオン照射効果

岩瀬 彰宏*; 福田 健吾*; 斎藤 勇一*; 岡本 芳浩  ; 千星 聡*; 雨倉 宏*; 松井 利之*

Iwase, Akihiro*; Fukuda, Kengo*; Saito, Yuichi*; Okamoto, Yoshihiro; Semboshi, Satoshi*; Amekura, Hiroshi*; Matsui, Toshiyuki*

アモルファスSiO試料に380keVのFeイオンを室温で注入した。注入後、一部の試料に16MeVのAuイオンを照射した。SQUID磁束計を用いて磁気特性を調べ、透過型電子顕微鏡とX線吸収分光法(EXAFSとXANES)を用いてFe注入SiO試料のモルフォロジーを調べたところ、Feナノ粒子のサイズが大きくなっていることがわかった。Feナノ粒子の大きさは、Feの注入量の増加とともに大きくなった。Feナノ粒子の一部はFe酸化物からなり、Fe注入量の増加に伴い、Fe原子の価数や構造が金属-Feに近くなった。Feを注入したSiO試料では、室温での磁性が観測された。少量のFeを注入した試料の磁化-磁場曲線はLangevinの式で再現され、Feナノ粒子が超常磁性的な振る舞いをすることが示唆された。また、Feを多量に注入した場合、磁化-磁場曲線は強磁性状態を示している。このような磁気特性の結果は、X線吸収の結果と一致する。その後の16MeVのAu照射により、Feナノ粒子は破砕され、その結果、磁化は減少した。

Amorphous SiO samples were implanted with 380 keV Fe ions at room temperature. After implantation, some of the samples were irradiated with 16 MeV Au ions. magnetic properties were investigated using a SQUID magnetometer, and the morphology of the Fe-implanted SiO samples was examined using transmission electron microscopy and X-ray absorption spectroscopy (EXAFS and XANES), which showed that the size of Fe nanoparticles was increasing The size of Fe nanoparticles increased with increasing Fe implantation amount; some of the Fe nanoparticles consisted of Fe oxides, and the valence and structure of Fe atoms became closer to that of metallic -Fe with increasing Fe injection amount. The magnetization-field curve of the sample implanted with a small amount of Fe was reproduced by Langevin's equation, suggesting that the Fe nanoparticles behave in a superparamagnetic manner. In addition, when a large amount of Fe was implanted, the magnetization-magnetic field curve shows a ferromagnetic state. These magnetic property results are consistent with the X-ray absorption results. Subsequent 16 MeV Au irradiation crushed the Fe nanoparticles, resulting in a decrease in magnetization.