A cluster deposition method was used to produce films of loosely aggregated nanoclusters (NCs) of Fe core-Fe3O4 shell or fully oxidized Fe3O4. Films of these NC on Si(100) or MgO(100)/Fe3O4(100) were irradiated to 1016 Si2+/cm2 near room temperature using an ion accelerator. Ion irradiation creates structural change in the NC film with corresponding chemical and magnetic changes which depend on the initial oxidation state of the cluster. Films were characterized using magnetometry (hysteresis, first order reversal curves), microscopy (transmission electron, helium ion), and x-ray diffraction. In all cases, the particle sizes increased due to ion irradiation, and when a core of Fe is present, irradiation reduces the oxide shells to lower valent Fe species. These results show that ion irradiated behavior of the NC films depends strongly on the initial nanostructure and chemistry, but in general saturation magnetization decreases slightly.

1.
X. X.
Zhang
,
G. H.
Wen
,
S.
Huang
,
L.
Dai
,
R.
Gao
, and
Z. L.
Wang
,
J. Magn. Magn. Mater.
231
,
9
(
2001
).
2.
Z. K.
Wang
,
M. H.
Kuok
,
S. C.
Ng
,
D. J.
Lockwood
,
M. G.
Cottam
,
K.
Nielsch
,
R. B.
Wehrspohn
, and
U.
Gösele
,
Phys. Rev. Lett.
89
,
027201
(
2002
).
3.
J. I.
Martin
,
J.
Nogues
,
K.
Liu
,
J. L.
Vicent
, and
I. K.
Schuller
,
J. Magn. Magn. Mater.
256
,
449
(
2003
).
4.
J.
Park
,
E.
Kang
,
S. U.
Son
,
H. M.
Park
,
M. K.
Lee
,
J.
Kim
,
K. W.
Kim
,
H. J.
Noh
,
J. H.
Park
,
C. J.
Bae
,
J. G.
Park
, and
T.
Hyeon
,
Adv. Mater.
17
,
429
(
2005
).
5.
C.
Boeglin
,
E.
Beaurepaire
,
V.
Halte
,
V.
Lopez-Flores
,
C.
Stamm
,
N.
Pontius
,
H. A.
Durr
, and
J. Y.
Bigot
,
Nature
465
,
458
(
2010
).
6.
A. S.
Edelstein
and
R. C.
Cammarata
,
Nanomaterials: Synthesis, Properties and Applications
(
Taylor & Francis Group
,
New York
,
1996
).
7.
Y.
Zhao
,
C.
Ni
,
D.
Kruczynski
,
X.
Zhang
, and
J. Q.
Xiao
,
J. Phys. Chem. B
108
,
3691
(
2004
).
8.
H.
Zeng
,
S.
Sun
,
J.
Li
,
Z. L.
Wang
, and
J. P.
Liu
,
Appl. Phys. Lett.
85
,
792
(
2004
).
9.
A.
Sharma
,
Y.
Qiang
,
D.
Meyer
,
R.
Souza
,
A.
McConnaughoy
,
L.
Muldoon
, and
D.
Baer
,
J. Appl. Phys.
103
,
07A308
(
2008
).
10.
S. J.
Cho
,
J. C.
Idrobo
,
J.
Olamit
,
K.
Liu
,
N. D.
Browning
, and
S. M.
Kauzlarich
,
Chem. Mater.
17
,
3181
(
2005
).
11.
L.
Zhou
,
J.
Yuan
, and
Y.
Wei
,
J. Mater. Chem.
21
,
2823
(
2011
).
12.
R. M.
Wong
,
D. A.
Gilbert
,
K.
Liu
, and
A. Y.
Louie
,
ACS Nano
6
,
3461
(
2012
).
13.
S.
Talapatra
,
P. G.
Ganesan
,
T.
Kim
,
R.
Vajtai
,
M.
Huang
,
M.
Shima
,
G.
Ramanath
,
D.
Srivastava
,
S. C.
Deevi
, and
P. M.
Ajayan
,
Phys. Rev. Lett.
95
,
097201
(
2005
).
14.
P. K.
Kulriya
,
B. R.
Mehta
,
D. K.
Avasthi
,
D. C.
Agarwal
,
P.
Thakur
,
N. B.
Brookes
,
A. K.
Chawla
, and
R.
Chandra
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
053103
(
2010
).
15.
J. P.
Nozières
,
M.
Ghidini
,
N. M.
Dempsey
,
B.
Gervais
,
D.
Givord
,
G.
Suran
, and
J. M. D.
Coey
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B
146
,
250
(
1998
).
16.
J.
Ferré
,
C.
Chappert
,
H.
Bernas
,
J. P.
Jamet
,
P.
Meyer
,
O.
Kaitasov
,
S.
Lemerle
,
V.
Mathet
,
F.
Rousseaux
, and
H.
Launois
,
J. Magn. Magn. Mater.
198–199
,
191
(
1999
).
17.
J. Q.
Xiao
,
K.
Liu
,
C. L.
Chien
,
L. F.
Schelp
, and
J. E.
Schmidt
,
J. Appl. Phys.
76
,
6081
(
1994
).
18.
C.
D'Orléans
,
J. P.
Stoquert
,
C.
Estournès
,
J. J.
Grob
,
D.
Muller
,
J. L.
Guille
,
M.
Richard-Plouet
,
C.
Cerruti
, and
F.
Haas
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B
216
,
372
(
2004
).
19.
L. G.
Jacobsohn
,
J. D.
Thompson
,
Y.
Wang
,
A.
Misra
,
R. K.
Schulze
, and
M.
Nastasi
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B
250
,
201
(
2006
).
20.
H.
Kumar
,
S.
Ghosh
,
D. K.
Avasthi
,
D.
Kabiraj
,
A.
Mücklich
,
S.
Zhou
,
H.
Schmidt
, and
J.-P.
Stoquert
,
Nanoscale Res. Lett.
6
,
155
(
2011
).
21.
C.
Gavade
,
N. L.
Singh
,
D. K.
Avasthi
, and
A.
Banerjee
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B
268
,
3127
(
2010
).
22.
A.
Ishaq
,
A. R.
Sobia
, and
L.
Yan
,
J. Exp. Nanosci.
5
,
213
(
2010
).
23.
H. P.
Xu
,
Y.
Mao
,
J.
Wang
,
B. Y.
Xie
,
J. K.
Jin
,
J. Z.
Sun
,
W. Z.
Yuan
,
A.
Qin
,
M.
Wang
, and
B. Z.
Tang
,
J. Phys. Chem. C
113
,
14623
(
2009
).
24.
P.
Esquinazi
,
D.
Spemann
,
R.
Höhne
,
A.
Setzer
,
K. H.
Han
, and
T.
Butz
,
Phys. Rev. Lett.
91
,
227201
(
2003
).
25.
N.
Nita
,
R.
Schaeublin
, and
M.
Victoria
,
J. Nucl. Mater.
329–333
(Part B),
953
(
2004
).
26.
C. M.
Wang
,
D. R.
Baer
,
J. E.
Amonette
,
M. H.
Engelhard
,
J. J.
Antony
, and
Y.
Qiang
,
Ultramicroscopy
108
,
43
(
2007
).
27.
J. A.
Sundararajan
,
D. T.
Zhang
,
Y.
Qiang
,
W.
Jiang
, and
J. S.
McCloy
,
J. Appl. Phys.
109
,
07E324
(
2011
).
28.
W.
Jiang
,
J. S.
McCloy
,
A. S.
Lea
,
J. A.
Sundararajan
,
Q.
Yao
, and
Y.
Qiang
,
Phys. Rev. B
83
,
134435
(
2011
).
29.
J.
McCloy
,
W.
Jiang
,
J.
Sundararajan
,
Y.
Qiang
,
E.
Burks
, and
K.
Liu
,
AIP Conf. Proc.
1525
,
659
(
2013
).
30.
Y.
Qiang
,
J.
Antony
,
A.
Sharma
,
J.
Nutting
,
D.
Sikes
, and
D.
Meyer
,
J. Nanopart. Res.
8
,
489
(
2006
).
31.
M.
Kaur
,
J. S.
McCloy
, and
Y.
Qiang
,
J. Appl. Phys.
113
,
17D715
(
2013
).
32.
J. E.
Davies
,
O.
Hellwig
,
E. E.
Fullerton
,
G.
Denbeaux
,
J. B.
Kortright
, and
K.
Liu
,
Phys. Rev. B
70
,
224434
(
2004
).
33.
J. E.
Davies
,
J.
Wu
,
C.
Leighton
, and
K.
Liu
,
Phys. Rev. B
72
,
134419
(
2005
).
34.
R. K.
Dumas
,
K.
Liu
,
C.-P.
Li
,
I. V.
Roshchin
, and
I. K.
Schuller
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
202501
(
2007
).
35.
C. R.
Pike
,
A. P.
Roberts
, and
K. L.
Verosub
,
J. Appl. Phys.
85
,
6660
(
1999
).
36.
M.
Kaur
,
J. S.
McCloy
,
W.
Jiang
,
Q.
Yao
, and
Y.
Qiang
,
J. Phys. Chem. C
116
,
12875
(
2012
).
37.
X.
Kou
,
X.
Fan
,
R. K.
Dumas
,
Q.
Lu
,
Y.
Zhang
,
H.
Zhu
,
X.
Zhang
,
K.
Liu
, and
J. Q.
Xiao
,
Adv. Mater.
23
,
1393
(
2011
).
38.
T. C.
Droubay
,
C. I.
Pearce
,
E. S.
Ilton
,
M. H.
Engelhard
,
W.
Jiang
,
S. M.
Heald
,
E.
Arenholz
,
V.
Shutthanandan
, and
K. M.
Rosso
,
Phys. Rev. B
84
,
125443
(
2011
).
39.
J. F.
Ziegler
,
J. P.
Biersack
, and
U.
Littmark
,
The Stopping and Range of Ions in Solids
(
Pergamon
,
New York
,
1985
).
40.
L.
Machala
,
J.
Tuček
, and
R.
Zbořil
,
Chem. Mater.
23
,
3255
(
2011
).
41.
S.
Ono
,
T.
Kikegawa
, and
Y.
Ohishi
,
J. Phys. Chem. Solids
65
,
1527
(
2004
).
42.
S.
Ono
and
Y.
Ohishi
,
J. Phys. Chem. Solids
66
,
1714
(
2005
).
43.
G.
Ketteler
,
W.
Weiss
,
W.
Ranke
, and
R.
Schlogl
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
3
,
1114
(
2001
).
44.
F.
Lu
,
J.
Zhang
,
M.
Huang
,
F.
Namavar
,
R. C.
Ewing
, and
J.
Lian
,
J. Phys. Chem. C
115
,
7193
(
2011
).
45.
J.
Lian
,
J.
Zhang
,
F.
Namavar
,
Y.
Zhang
,
F.
Lu
,
H.
Haider
,
K.
Garvin
,
W. J.
Weber
, and
R. C.
Ewing
,
Nanotechnology
20
,
245303
(
2009
).
46.
Y.
Zhang
,
W.
Jiang
,
C.
Wang
,
F.
Namavar
,
P. D.
Edmondson
,
Z.
Zhu
,
F.
Gao
,
J.
Lian
, and
W. J.
Weber
,
Phys. Rev. B
82
,
184105
(
2010
).
47.
T.
Mohanty
,
S.
Dhounsi
,
P.
Kumar
,
A.
Tripathi
, and
D.
Kanjilal
,
Surf. Coat. Technol.
203
,
2410
(
2009
).
48.
W.
Jiang
,
L.
Jiao
, and
H.
Wang
,
J. Am. Ceram. Soc.
94
,
4127
(
2011
).
49.
J.
Antony
,
Y.
Qiang
,
D. R.
Baer
, and
C.
Wang
,
J. Nanosci. Nanotechnol.
6
,
568
(
2006
).
50.
C. M.
Wang
,
D. R.
Baer
,
J. E.
Amonette
,
M. H.
Engelhard
,
Y.
Qiang
, and
J.
Antony
,
Nanotechnology
18
,
255603
(
2007
).
51.
K.
Fauth
,
E.
Goering
,
G.
Schutz
, and
L. T.
Kuhn
,
J. Appl. Phys.
96
,
399
(
2004
).
52.
J.
Korecki
,
B.
Handke
,
N.
Spiridis
,
T.
Ślęzak
,
I.
Flis-Kabulska
, and
J.
Haber
,
Thin Solid Films
412
,
14
(
2002
).
53.
K.
Fauth
,
E.
Goering
, and
L.
Theil-Kuhn
,
Mod. Phys. Lett. B
21
,
1197
(
2007
).
54.
A.
Navrotsky
,
C.
Ma
,
K.
Lilova
, and
N.
Birkner
,
Science
330
,
199
(
2010
).
55.
R. A.
Fischer
,
A. J.
Campbell
,
G. A.
Shofner
,
O. T.
Lord
,
P.
Dera
, and
V. B.
Prakapenka
,
Earth Planet Sci. Lett.
304
,
496
(
2011
).
56.
A. V.
Smirnov
and
J. A.
Tarduno
,
J. Geophys. Res.
105
,
16457
, doi: (
2000
).
57.
G. S.
Was
,
Fundamentals of Radiation Materials Science
(
Springer
,
New York
,
2007
).
58.
E.
Casbeer
,
V. K.
Sharma
, and
X.-Z.
Li
,
Sep. Purif. Technol.
87
,
1
(
2012
).
59.
K.
Liu
,
L.
Zhao
,
P.
Klavins
,
F. E.
Osterloh
, and
H.
Hiramatsu
,
J. Appl. Phys.
93
,
7951
(
2003
).
60.
S.
Couet
,
K.
Schlage
,
R.
Rüffer
,
S.
Stankov
,
T.
Diederich
,
B.
Laenens
, and
R.
Röhlsberger
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
097201
(
2009
).
61.
S. J.
Cho
,
A. M.
Shahin
,
G. J.
Long
,
J. E.
Davies
,
K.
Liu
,
F.
Grandjean
, and
S. M.
Kauzlarich
,
Chem. Mater.
18
,
960
(
2006
).
62.
J.
Nogués
,
V.
Skumryev
,
J.
Sort
,
S.
Stoyanov
, and
D.
Givord
,
Phys. Rev. Lett.
97
,
157203
(
2006
).
63.
H. E.
Swanson
, “
Standard X-ray Diffraction Powder Patterns
,” National Bureau of Standards, Circular 539,
5
,
3
(
1955
); available at http://books.google.com/books?id=mDjQAAAAMAAJ.
64.
R.
Collongues
and
G.
Chaudron
,
C. R. Hebd. Seances Acad. Sci.
231
,
143
(
1950
).
65.
H. E.
Swanson
,
H. F.
McMurdie
,
M. C.
Morris
, and
E. H.
Evans
,
Natl. Bur. Stand.
25
,
31
(
1967
); available at http://digicoll.manoa.hawaii.edu/techreports/PDF/NBS25-5.pdf.
You do not currently have access to this content.