Mössbauer effect studies of surface ions of ultrafine α-Fe2O3 particles

Abstract

Since in ultrafine particles a considerable fraction of the atoms is located near or at the surface the behaviour of these atoms is studied using the Mössbauer technique. The contribution to the spectra of the surface ions is selectively enlarged by enriching the surface layer in the isotope 57Fe and the magnetic hyperfine splitting, electric quadrupole splitting, and the recoilless fraction have been measured. For particles of a mean size of 500 Å hardly a difference is observed in behaviour of surface ions and interior ones while for smaller particles (≦ 70 Å) the behaviour of surface ions is quite different and dependent upon particle size. For these particles the relaxation time of the ionic spin of the surface ions is smaller, the electric field gradient at the nuclear site is larger, and the temperature dependence of the recoilless fraction is stronger than for the interior ions. Furthermore the angle between the axis of the electric field gradient and the easy direction of magnetization forms a random distribution for the surface atoms of these samples. In ultrakleinen Teilchen sitzen viele Atome entweder auf oder nahe der Kristalloberfläche (Oberflächenatome), deren Verhalten mit der Mößbauertechnik untersucht werden kann, wenn die Oberfläche mit dem Isotop 57Fe angereichert wird. Die magnetische Hyperfeinstrukturaufspaltung, die elektrische Quadrupolaufspaltung und der Debye-Waller-Faktor der Atomkerne der Oberflächenatome können damit im Mößbauerspektrum vom Beitrag der übrigen Atomkerne unterschieden werden. Für Teilchen mit einer mittleren Groöße von 500 Å gibt es keinen Unterschied zwischen den Oberflächenatomen und den übrigen Atomen, aber für kleinere Teilchen (≦ 70 Å) ist das Verhalten verschieden und abhängig von der Größe. Für diese Teilchen ist die Relaxationzeit des Ionenspins der Oberflächenatome wesentlich kleiner, die elektrische Quadrupolaufspaltung am Kernort größer und die Temperaturabhängigkeit des Debye-Waller-Faktors größer als es für die inneren Atome der Fall ist. Außerdem ist der Winkel zwischen dem Feldgradienten am Kernort und der Richtung der leichten Magnetisierung für die Oberflächenatome in diesen Präparaten unbestimmt.