Synthesis of Magnetic Nanoparticles and nanoparticles and Strategies towards Magneto-Photonic Materials

Abstract

El proyecto propuso obtener un sistema óptico que responda a estímulos externos, en concreto, a campos magnéticos. Cristales fotónicos de dos y tres dimensiones fueron seleccionados como sistemas ópticos para ser funcionalizados con nanopartículas magnéticas para obtener cristales magneto-fotónicos (MPCs). La funcionalización de cristales fotónicos tuvo como objeto no solamente permitir los cambios en la posición espectral del bandgap utilizando un campo magnético externo, sino también permitir respuestas magneto-ópticas aumentadas a determinadas longitudes de onda debido a la interacción luz-materia. Previamente se ha demostrado que la respuesta magneto-óptica en un cristal fotònico 1D aumenta significativamente para frecuencias en el borde del bandgap. Sin embargo, lograr cristales 3D de alta calidad es mucho más complejo y, por lo tanto, conseguir una respuesta magneto-óptica óptima, comparable a la de los cristales magneto-fotónicos 1D, sigue siendo un tema difícil. Los cristales magneto-fotónicos tridimensionales con una respuesta magneto-óptica aumentada pueden ser una plataforma adecuada para el desarrollo, por ejemplo, de una nueva generación de aislantes ópticos rápidos y compactos para transmisión en comunicaciones ópticas, disminuyendo drásticamente su espesor y en consecuencia las pérdidas ópticas (la cual es ventajoso para la óptica integrada). Los objetivos de esta tesis doctoral han sido : 1) sintetizar nanopartículas magnéticas de alta cristalinidad (níquel, óxido de hierro y ferrita de manganeso) a través de métodos químicos, con el fin de controlar el tamaño de las nanopartículas a través de diversos parámetros experimentales y para estudiar la estabilidad de las soluciones coloidales magnéticas, 2) la fabricación de materiales magneto-fotònicos mediante: i) técnicas ¨bottom-up´´-para la incorporación de nanopartículas magnéticas en un cristal fotónico prefabricado (2D o 3D) y ii) métodos ¨top-down¨ -p.e., mediante técnicas litográficas (haz de electrones y litografía nanoimprint), 3) la caracterización estructural y morfológica de los materiales fotónicos preparados, 4) optimizar la fabricación de los cristales magneto-fotónicos para garantizar una respuesta magneto-óptica aumentada a longitudes de onda cerca del bandgap óptico. La presente tesis está dividida en seis capítulos El capítulo 1 incluye una introducción general a las nanopartículas magnéticas, los materiales cristales fotónicos convencionales y funcionalizados (magneto-fotónicos). Las nanopartículas magnéticas de tipo metálico (níquel) y de óxido metálico (óxido de hierro y manganeso de ferrita) se describen a través de sus propiedades, la síntesis, estabilidad de las soluciones coloidales y sus aplicaciones. Se presentan los materiales fotònicos y magneto-fotònicos con sus características estructurales y óptica y magneto-óptica. El capítulo 2 describe la síntesis química de nanopartículas magnéticas por tres vías diferentes: la descomposición térmica, calentamiento por microondas y la síntesis continua en etanol supercrítico. El control del tamaño de las nanopartícula y la estabilidad de las soluciones coloidales magnéticas son analizadas. También se aborda la caracterización estructural, morfológica y funcional de las nanopartículas preparadas. El capítulo 3 está enfocado a la fabricación de los cristales magneto-fotònicos bidimensionales por técnicas de ´´top-down´´ (haz de electrones y la litografía por nanoimprint) y bottom-up (depósito de partículas magnéticas asistida por microondas). Para ambas estrategias se describe el protocolo de fabricación desarrollado, junto con la caracterización estructural, morfológica y funcional de los materiales fabricados. El capítulo 4 describe la fabricación de los materiales magneto-fotónicos tridimensionales mediante técnicas bottom-up basadas en dos estrategias, utilizando: i) nanopartículas sintetizadas ex-situ (método de dip-coating asistido por motor paso a paso) y ii) nanopartículas sintetizadas in-situ (depósito asistido por microondas). En el capítulo 5 se enumeran las principales conclusiones de la tesis y se hacen sugerencias para trabajos futuros. El capítulo 6 incluye los anexos. El anexo i. presenta la lista de las publicaciones relacionadas con esta tesis. El anexo ii. incluye una breve descripción de las técnicas experimentales utilizadas y protocolos aplicados para la preparación de las muestras. Los anexos III. y IV contienen las tablas detalladas con las condiciones experimentales y los datos de fabricación de nanopartículas magnéticas y ópalos magnéticos, respectivamente.

The project aimed to obtain an optical system responding to an external stimulus (magnetic field). Photonic crystal materials (two and three dimensions) were selected as the optical systems to be further functionalized with magnetic nanoparticles, to obtain magneto-photonic crystals (MPCs). This functionalization not only would enable the tunability of photonic band gap spectral position using an external magnetic field, but also would enable an enhanced magneto-optical response near photonic band-edge frequencies due to light-matter interaction. It has previously been demonstrated that the magneto-optical response of one-dimensional (1D) MPCs is significantly enhanced at band-edge frequencies. The achievement of high-quality 3D-MPCs is much more complex and the attainment of an optimal magneto-optical response, comparable to that of 1D-MPCs, remains a challenging issue and the work of this thesis goes in this direction. Three dimensional magnetophotonic crystals with enhanced magneto-optical response can be a suitable platform for the development, for instance, of a new generation of fast and compact optical isolators for optical transmission, drastically reducing their thickness and optical losses (advantageous for integrated optics). The objectives of this PhD thesis have been: 1 ) to synthesize highly crystalline magnetic nanoparticles (nickel, iron oxide and manganese ferrite) via a chemical method, to tune the nanoparticles size by playing with various experimental parameters and to study the stability of the obtained liquid magnetic colloids; 2 ) to fabricate magnetophotonic materials by: i) bottom-up techniques – incorporating magnetic nanoparticles into a prefabricated photonic crystal (2D or 3D) and ii) top-down method – nanopatterning of magnetic composite material by lithographic techniques (electron beam and nanoimprint lithography); 3 ) to characterize the prepared photonic materials structurally and morphologically ; 4 ) and to optimize magneto-photonic materials fabrication to ensure appropriate magneto-optical response , namely enhanced magento-optical response near photonic band-edge frequencies. The PhD thesis report is divided into six chapters: Chapter 1 provides a general introduction to magnetic nanoparticles, conventional photonic crystal materials and functionalized magnetophotonic crystals. Magnetic nanoparticles such as metallic (nickel) and metal oxide (iron oxide and manganese ferrite) nanoparticles are discussed through their properties, synthesis, stabilization and applications. Photonic and magnetophotonic materials with their structural and optical/magneto-optical characteristics are presented. Chapter 2 describes the chemical synthesis of magnetic nanoparticles by three different pathways: thermal decomposition, microwave heating and continuous supercritical ethanol synthesis. The tunability of the nanoparticles size and stability of the magnetic colloids are studied. Structural, morphological and functional characterizations of the prepared nanoparticles are discussed. Chapter 3 deals with the fabrication of two-dimensional magneto-photonic materials by top-down (electron beam and nanoimprint lithography) and bottom-up (microwave-assisted deposition) approaches. For both strategies, an individual fabrication protocol was developed. Structural, morphological and functional characterizations of the fabricated materials are discussed. Chapter 4 describes the fabrication of three-dimensional magneto-photonic materials by bottom-up approaches using both ex-situ synthesized nanoparticles (vertical dip-casting deposition) and in-situ synthesized nanoparticles (microwave-assisted coating). Characterization and optimization of these materials are furthermore presented. Chapter 5 lists the main conclusions of the thesis and makes suggestions for future works. Chapter 6 includes the annexes. Annex i. lists the publication I have co-authored related to this thesis. Annex ii. includes a brief description of the experimental techniques used and protocols applied for samples preparation. Annex iii. and iv contains tables with detailed experimental conditions and measurements for magnetic nanoparticles and magnetic opals, respectively.