Badania własności strukturalnych, optycznych i magnetycznych nowych materiałów kompozytowych na bazie nanostruktur krzemionkowych

Abstract

dzisiejszych czasach nanomateriały kompozytowe szybko wkraczają do świata nauki i ze względu na swoją wielofunkcyjność (połączenie unikalnych właściwości każdego z nano-wymiarowych komponentów) znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach techniki i produkcji. Ta szybko rozwijająca się dziedzina badań wymaga jednak wyszukanych metod dla zaprojektowania i zsyntetyzowania nowych materiałów o założonych właściwościach oraz precyzyjnych technik eksperymentalnych do ich badania i interpretacji wyników. Głównym celem niniejszej rozprawy była synteza nowych materiałów kompozytowych na bazie nanostruktur krzemionkowych, analiza ich własności strukturalnych, magnetycznych i optycznych. Badany materiał to sferyczne nanocząstki krzemionkowe z zakotwiczonymi na ich powierzchni magnetykami molekularnymi Mn12-stearate. Takie molekuły posiadają unikalne własności magnetyczne na poziomie molekularnym a ich depozycja na powierzchni otwiera ogromne możliwości zastosowania takich układów do tworzenia pamięci magnetycznych o dużej gęstości, urządzeń spintronicznych i kwantowych. Opracowana metoda syntezy opierała się na chemicznym kotwiczeniu molekuł magnetycznych na powierzchni krzemionki za pomocą grup kwasu propylowo-węglowego. Dodatkowo, zastosowanie grup trimetylsilanowych pozwoliło na kontrolowaną separację magnetyków molekularnych na powierzchni. W celu potwierdzenia poprawności otrzymanych po syntezie materiałów zostały przeprowadzone badania ich morfologii i struktury oparte na połączeniu mikroskopii elektronowej (SEM, TEM), analizy elektrochemicznej (DPASV) oraz spektroskopii Ramana. Badania mikroskopowe wykazały obecność molekuł Mn12-stearate, zakotwiczonych na powierzchni podczas gdy badania spektroskopowe potwierdziły zachowanie ich struktury po depozycji. Co więcej, dokładna analiza obrazów TEM pozwoliła na oszacowanie rozmiaru pojedynczych molekuł oraz sposobu ich kotwiczenia do powierzchni. Badania własności magnetycznych za pomocą magnetometru SQUID potwierdziły zachowanie głównych charakterystyk magnetycznych (histerezy w krzywych M(H), powolnych relaksacji oraz obecność kwantowego tunelowania magnetyzacji). Dodatkowo, zbadano zmiany we właściwościach magnetycznych próbek w zależności od poziomu separacji molekuł i sposobu ich kotwiczenia do powierzchni. Właściwości optyczne materiałów kompozytowych były badane poprzez pomiar składowej harmonicznej światła drugiego i trzeciego rzędu. W ostatniej części pracy pokazano możliwości modyfikacji badanych nanomateriałów kompozytowych poprzez strukturalne zmiany w procesie dekompozycji termicznej. W wyniku czego uzyskano nowy materiał kompozytowy na bazie nanosfer krzemionkowych, posiadający zwiększone własności nieliniowo-optyczne.

Nowadays, nanocomposite materials rapidly enter the world of science and, due to their multifunctionality (combination of unique properties of each nanodimensional component), use in many fields of technology and production. However, this constantly growing field of research often requires sophisticated methods for designing and synthesizing new materials with tailored properties and precise experimental techniques for their study and interpretation of the results. The main aim of this dissertation was the synthesis of new composite materials based on silica nanostructures, as well as the analysis of their structural, magnetic and optical properties. The investigated materials are spherical silica nanoparticles possessing Mn12-stearate single-molecule magnets anchored to the surface. Such molecules possess unique magnetic properties at the molecular level. Their deposition on the surface opens up huge possibilities of using such nanocomposites to implement high-density magnetic storage, spintronic and quantum computing applications. The proposed synthesis procedure of such materials was based on the chemical anchoring of magnetic molecules to the silica surface with propyl-carbonic acid groups. Additionally, the use of trimethylsilane groups allowed for the controlled separation of single-molecule magnets on the surface. In order to confirm the correctness of the synthesis, the studies of materials morphology and structure were carried out based on the combination of electron microscopy (SEM, TEM), electrochemical analysis (DPASV), and Raman spectroscopy. Microscopy observations revealed the presence of Mn12-stearate molecules anchored to the surface, while spectroscopy investigation confirmed the preservation of their structure after deposition. Moreover, precise analysis of the TEM images allowed for the estimation of the size and shape of individual molecule-magnets and the way of their anchoring to the surface. The study of magnetic properties performed on a SQUID magnetometer confirmed the preservation of main magnetic characteristics (hysteresis in M(H) loops, slow magnetic relaxations and the presence of quantum tunneling of magnetization) in composite materials. In addition, changes in the magnetic properties of the samples depending on the level of separation of the molecules and the way of their anchoring to the surface were investigated. The optical properties of the composite materials were investigated by measuring the generation of second and third-order harmonic components of the light. Finally, the possibilities of structural modifications of the studied composite nanomaterials by the thermal decomposition process were shown. As a result, a novel spherical silica-based composite material possessing enhanced nonlinear optical properties was obtained.