بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش نانوذرات گارنت ایتریوم گادولینیوم آهن با فرمول شیمیایی - GdxY3-xFe5O12 - با مقادیر مختلف جانشانی 0/8 - و 0/4، - x = 0 به روش سل- ژل تهیه شد و سپس خواص ساختاری و مغناطیسی این نانو ذرات با استفاده از آنالیز پراش پرتو ایکس، بیناب سنج فروسرخ دور و مغناطیس سنج نمونه ارتعاشی مورد بحث و بررسی قرار گرفت. مشاهده الگوهای پراش پرتو ایکس تشکیل ساختار تک فاز گارنت را تأیید می کنند. نتایج پراش پرتو ایکس میانگین اندازه ریز بلورک ها را در بازه 36 تا 42 نانومتر و افزایش ثابت شبکه با افزایش جانشانی گادولینیوم را نشان می دهد. نتایج آنالیز بیناب سنج فروسرخ دور دو مد در محدوده 564-662 cm-1 وcm-1 332-359 را به دست می آورد که به ترتیب مربوط به جایگاه چهاروجهی و هشت وجهی گارنت می باشد. این نتایج همچنین برای همه نمونه ها یک جابه جایی کوچک در نوارهای جذب جایگاه های چهار وجهی و هشت وجهی با افزایش جانشانی را نشان میدهد. چرخه های پسماند به دست آمده از مغناطیس سنج نمونه ارتعاشی - VSM - ، نشان دهنده کاهش مغناطش اشباع با افزایش جانشانی گادولینیوم است. این تغییرات با استفاده از نظریه نیل و شکافتگی حاصل از کج شدگی اسپینی در هر یک از زیر شبکه های مغناطیسی پس از جانشانی یون گادولینیوم در ساختار گارنت ایتریوم آهن توضیح داده شد.
کلمات کلیدی: گارنت ، گادولینیوم، بیناب سنج فروسرخ دور، مغناطیس سنج نمونه ارتعاشی
مقدمه
بر مبنای آنالیزهای ساختاری منزر، گارنت ایتریوم آهن - YIG - یک فری مغناطیس با ساختار مکعبی است که هر یاخته آن شامل هشت فرمول شیمیایی Y3Fe5O12 است. این ماده که به گروه فضایی Ia3d - ℎ10 - تعلق دارد، شناخته شده ترین ترکیب میان گارنت های آهن است و توزیع کاتیونی آن به صورت {Y33+ }c[Fe23+] a - Fe33+ - dO12 نمایش داده می شود که در آن برای جایگاه های دوازده وجهی به وسیله یون های ایتریوم و جایگاه های چهاروجهی و هشت وجهی با یون های آهن اشغال شده اند. این ماده به دلیل داشتن ویژگی های مغناطیسی و مغناطواپتیکی، کاربرد فراوانی در تعدیل کننده های مغناطیسی و ابزارهای میکروموجی دارد .[1] سانچز و همکاران - 2002 - نشان دادند که اندازه نانوذرات گارنت ایتریوم آهن به ثابت شبکه وابسته است. نانوذرات گارنت ایتریوم آهن به روش های گوناگونی تهیه شده اند. از میان این روش ها سل ژل به دلیل برتری هایی همچون دمای سنتز پایین و اندازه ذرات کوچکتر، مورد توجه قرار گرفته است. تحقیقات گذشته روی Gd:YIGنشان می دهد که خواص مغناطیسی با افزایش جانشانی کاهش می یابد. مطالعات اخیر روی Gd:YIG، افزایش خواص الکتریکی و کاهش خواص مغناطیسی نمونهها با افزایش جانشانی گادولینیوم را تایید می کند.
روش آزمایش
در این پژوهش نانوذرات گارنت ایتریوم آهن جانشانی شده با گادولینیوم، با فرمول شیمیایی Y3-xGdxFe5O12 و با مقادیر متفاوت جانشانی - 0/8 و 0/4، - x = 0 به روش سل - ژل تهیه شدند. برای تهیه این نانوذرات محلول هایی از نیترات های آبدار ایتریوم - Merc, 99 - Y - NO3 - 3.6H2O، نیترات آهن - Merc, 99 - Fe - NO3 - 3.9H2O و نیترات گادولینیوم - Aldrich, 99.99 - Gd - NO3 - 3.H2O در آب یون زدایی تهیه و سپس محلول اسید سیتریک با فرمول C3H8O7.H2O به این محلول اضافه شد. در همه نمونه ها نسبت سیترات به یون نیترات های فلزی 3 : 1 انتخاب شد. پس از اضافه کردن آمونیاک و تنظیم PH = 2 ، محلول مورد نظر با یک همزن مغناطیسی در دمای
85 ℃ همزده شد تا سل حاصل به ژل تبدیل شود. سپس ژل به دست آمده در آون با دمای 115 ℃ به مدت 48 ساعت قرار گرفت تا کاملاً خشک شود. در نهایت پودر خشک شده به منظور کلیسینه شدن در دمای 700 ℃ به مدت 3 ساعت در کوره الکتریکی قرار گرفت. برای فازیابی نانوپودرها از پراش سنج پرتو ایکس مدل D8 - Advance با تابش Cu-K با طول موج - = 1/5406 - استفاده شد. الگوهای اسپکتروسکوپی دور توسط دستگاه مدل Perkin - Elmer در گستره 200 cm-1 تا 700 انجام گرفت. رفتار مغناطیسی نمونهها توسط مغناطشسنج ارتعاشی مدل - 14INCH - با بیشینه میدان 30000 گاؤس مورد تحلیل و بررسی قرار گرفت.
بحث وبررسی
الگوهای پراش پرتوایکس ذرات گارنت ایتریوم آهن جانشانی شده با گادولینیوم GdxY3-xFe5O12 با مقادیر متفاوت جانشانی 0/8 - و 0/4، - x = 0/0 در شکل 1 آورده شده اند. همه الگوهای پراش با کارت استاندارد - JPCDS 033-0639 - همخوانی داشته اند و تشکیل ساختار تک فاز گارنت را تأیید می کنند.
شکل :1 الگوهای پراش پرتوایکس نانوذرات گارنت GdxY3-xFe5O12
جهت محاسبه تغییرات اندازه ریزبلورک ها و ثابت شبکه بر اثر افزایش جانشانی گادولینیوم در ساختار YIG، از پهنای قله - 420 - قله های XRD و از رابطه دبای - شرر استفاده شد.[2]
در رابطه بالا D بر حسب نانومتر، طول موج پرتو ایکس - Cu - برابر با 0/15406 نانومتر - زاویه براگ، پهنای قله در نیم شدت بیشینه - بر حسب رادیان - است که از رابطه زیر به دست می آید.[3]
که در آن BS پهنای قله پراش وابسته به نمونه ای با اندازه بلورک های بزرگتر از یک میکرون که از واگرایی پرتو ایکس به دست می آید که پهن شدگی دستگاهی خوانده می شود. BM نیم قله پراش ماده اصلی است که برآمده از ریز بودن ذرات و واگرایی پرتوایکس XRD است.
اندازه ثابت شبکه نمونه ها با استفاده از رابطه زیر محاسبه شد:
که در آن a بر حسب انگستروم ، طول موج پرتو ایکس - Cu - برابر با 0/15406 نانومتر - ، زاویه براگ در قله - 420 -
است. جدول1 مقادیر میانگین اندازه ریزبلورک ها و ثابت شبکه با افزایش جانشانی گادولینیوم را نشان می دهد. نتایج به دست آمده افزایش میانگین اندازه ریزبلورک ها و ثابت شبکه به ازای
مقادیر متفاوت Gd3+ را نشان می دهد.
جدول :1 تغییرات میانگین اندازه ریزبلورکها و ثابت شبکه با جانشانی Gd3+
نتایج حاصل از جانشانی یون Gd3+ در ساختار گارنت ایتریوم آهن نشان می دهد مقادیر میانگین اندازه ریزبلورک ها در گارنت Y3-xGdxFe5O12 برای نمونه های 0/8 و x = 0/4 از YIG
خالص بیشتر است. این پدیده احتمالأ ناشی از بزرگ تر بودن
شعاع یونی - 0/938 - Gd3+ در مقایسه با - 0/893 - Y3+
است که منجر به انبساط شبکه و افزایش میانگین اندازه ریزبلورک
ها می شود.[4] با توجه به بزرگتر بودن شعاع یونی گادولینیوم نسبت به ایتریوم، جانشانی گادولینیوم در ساختار YIG باعث ایجاد آشفتگی در ساختار میکروسکوپیک می شود تغییر طول و زاویه پیوند های Fe-O این آشفتگی را نشان می دهد. با افزایش جانشانی طول پیوند Fe-O افزایش و برهمکنش تبادلی بین گروه های Fe-O و Fe-O-Fe کاهش می یابد. گارنت ایتریوم آهن دارای سه جایگاه دوازده وجهی، هشت وجهی و چهار وجهی میباشد در این تحقیق جایگاه دوازده وجهی ایتریوم توسط یون Gd3+ اشغال شد. در نتیجه جانشانی یون های Gd3+ ، منجر به انبساط شبکه و افزایش ثابت شبکه می شود. با توجه به شکل1 جابه جایی قله ها به سمت زاویه های کوچکتر با افزایش میزان
Gd3+ نشان دهنده نفوذ این یون در ساختار YIG می باشد.
برای بررسی ارتعاشات یون اکسیژن با کاتیون های موجود در ساختار YIG بیناب های تبدیل فوریه فروسرخ دور نمونه های GdxY3-xFe5O12 با مقادیر جانشانی 0/8 - و 0/4 ، - x = 0 با استفاده از Far-FTIR گرفته شد که در شکل 2 نشان داده شده اند. براساس نظریه گروه ، 17 مد ارتعاشی فعال در بیناب فروسرخ گارنت ها مورد انتظار است، که این 17 مد IR شامل، سه مد کششی نامتقارن جایگاه چهاروجهی 3 - d - ، سه مد خمشی نامتقارن و یک مد خمشی متقارن 2 - وa - 4 ، دو مد چرخشی R جایگاه چهاروجهی ، دو مد انتقالی چهاروجهی Td، سه مد انتقالی مربوط به کاتیون های جایگاه 12 وجهی T و سه مد انتقالی کاتیون های هشت وجهی TO است 6]و:[5
شکل:2 بیناب سنج فروسرخ دور نانوذرات به ازای مقادیر متفاوت x
