Ab initio analýza nanočástic oxidů železa

Bc. Valentína Berecová

Master's thesis

Ab initio analysis of the nanoparticles of iron oxides

Abstract:

Tato diplomová práce je zaměřená na kvantově mechanické modelování strukturních, magnetických a termodynamických vlastností dvou nanočástic oxidů železa Fe45O116 (NPtetra) a Fe41O104 (NPtrunc-tetra) v porovnání s bulk materiály Fe3O4 a γ-Fe2O3. Bylo zjištěno, že rovnovážný objem na atom pro obě nanočástice je dvakrát menší než pro bulk materiály. Atomy tvořící povrchovou vrstvu nanočástice vykazují kratší vazby a méně sousedů ve srovnání s atomy v Fe3O4 a γ-Fe2O3. Kyslíkové atomy tvořící stěny nanočástice jsou koordinovány dvěma nebo třemi atomy železa. Kyslíkové atomy tvořící hrany nanočástice jsou koordinovány pouze jedním atomem železa, což vede k ještě kratším vazbám. Magnetické vlastnosti obou nanočástic (jako je překlopení spinu) jsou značně ovlivněny povrchovými efekty. Celkové magnetické momenty nanočástic jsou menší než celkové magnetické momenty výpočtových buněk bulk materiálů. Tvorné teplo nanočástic je v obou případech méně negativní než tvorné teplo Fe3O4 a γ-Fe2O3.

Abstract:

This master thesis is focused on quantum mechanical modelling of the structural, magnetic and thermodynamic properties of two iron oxide nanoparticles Fe45O116 (NPtetra) and Fe41O104 (NPtrunc-tetra) in comparison to Fe3O4 and γ-Fe2O3 bulk materials. It was found, that the equilibrium volume per atom for both nanoparticles is twice smaller than for the bulk materials. Atoms comprising the surface layer of the nanoparticle exhibit shorter bonds and fewer neighbours compared to atoms in the Fe3O4 and γ-Fe2O3. Oxygen atoms forming the facets of the nanoparticle are coordinated by two or three iron atoms. Oxygen atoms forming the edges of the nanoparticle are coordinated by only one iron atom, resulting in even shorter bonds. The magnetic properties of both nanoparticles (such as spin flipping) are significantly influenced by surface effects. The total magnetic moments of the nanoparticles are smaller than the total magnetic moments of the unit cells of bulk materials. The heat of formation of the nanoparticles is in both cases less negative than that of Fe3O4 and γ-Fe2O3.

Keywords

program VASP, DFT, ab initio výpočty, nanočástice oxidů železa, magnetismus, magnetit, maghemit, meziatomární vzdálenosti, tvorné teplo, VASP code, ab initio calculations, iron oxide nanoparticles, magnetism, magnetite, maghemite, interatomic distances, heat of formation

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 16. 5. 2024

Thesis defence

• Date of defence: 24. 6. 2024
• Supervisor: doc. Mgr. Jana Pavlů, Ph.D.
• Reader: Ing. Petr Šesták, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / field:
Chemistry / Material Chemistry