بخشی از مقاله
چکیده
نانو ذرات هگزا فریت باریم خالص - BaFe12O19 - و نانو ذرات هگزا فریت باریم آلاییده شده با کاتیونهای منگنز، منیزیم، تیتانیم و زیرکنیم با ترکیب شیمیایی BaFe10 - MnMgTiZr - 1/2O19 به روش همرسوبی تهیه شد. جهت مطالعه ویژگیهای ساختاری، مغناطیسی و مایکروویو نمونهها، از آزمونهای پراش پرتو ایکس، میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی، مغناطومتر نمونه نوسانی و تحلیلگر شبکه برداری استفاده گردید. نتایج آزمون پراش پرتو ایکس نشان میدهد که فاز مگنتوپلمبیت در هر دو نمونه تشکیل شده است. با توجه به تصاویر به دست آمده از میکروسکوپ الکترونی اندازه ذرات کمتر از 100 نانومتر است و با افزودن کاتیونهای آلاینده افزایش مییابد. نتایج آزمون مغناطومتر نمونه نوسانی نشان داد که با افزودن کاتیونهای آلاینده مغناطش اشباع از 32/29emu/g به 53/51emu/g افزایش و وادارندگی از 4/8 kOe به 1/3 kOe کاهش مییابد. بر اساس نتایج به دست آمده از اندازهگیریهای مایکروویو، نمونه آلاییده شده دارای بیشترین تلفات بازتاب است. پهنای باند قابل جذب نمونه آلاییده شده در محدودهی فرکانسی باند Ku برابر با 3/8 گیگا هرتز - در زیر - -20 dB به دست آمد. بیشترین تلفات بازتاب این نمونه در فرکانس 14/39 GHz و برابر با -28/29 dB است. بر اساس نتایج به دست آمده از اندازهگیریها، نانو ذرات هگزا فریت باریم جانشانی شده دارای قابلیت استفاده به عنوان ماده جاذب مایکروویو است.
مقدمه
کاربردهای متعدد امواج الکترومغناطیس سبب شده است که محیط پیرامون ما همواره در معرض تابش امواج الکترومغناطیس با فرکانسهای متفاوت باشد؛ به طوری که تابش این امواج میتواند باعث ایجاد اختلال در دستگاههای الکترونیکی و یا ایجاد صدماتی در بدن انسان شود. بنابراین ساخت و توسعه مواد جاذب امواج الکترومغناطیس مورد توجه خاصی قرار گرفته است. یک ماده جاذب امواج باید بتواند انرژی امواج الکترومغناطیس را در پهنای باند وسیعی از فرکانسها جذب و اتلاف نماید.
هرچند مواد جاذب مرسوم نظیر پودرهای فلزی، تلفات دی الکتریک یا تلفات مغناطیسی بزرگی را ایجاد میکنند، اما برخی از معایب از جمله دانسیته بالا، پایداری شیمیایی پایین و تلفات بازتاب نسبتاً پایین در ضخامتهای کم، کاربرد آنها را در زمینه جذب امواج الکترومغناطیس محدود نموده است. بنابراین هنوز پژوهشها در راستای دستیابی به یک ماده جاذب موج الکترومغناطیس ایدهال که دارای وزن پایین، ضخامت کم، عملکرد بالای جذب موج الکترومغناطیس، پهنای باند پوشش دهی و فرکانس جذب قابل تنظیم باشد، در حال انجام است. فریتها دستهای دیگر از ترکیبات آهن هستند که در این زمینه مورد توجه واقع شدهاند. فریتها از لحاظ مغناطیسی به دو دسته سخت و نرم تقسیم میشوند. فریتهای نرم در فرکانسهای کمتر از گیگا هرتز بعنوان جاذب عمل میکنند. از فریتهای سخت هگزاگونالی به علت دارا بودن ناهمسانگردی بالا میتوان در جاذبهای فرکانس بالا استفاده نمود زیرا تشدید طبیعی آنها در محدوده گیگا هرتز رخ میدهد. پرکاربردترین فریتهایی که به عنوان ماده جاذب در محدوده گیگا هرتز به کار میروند، فریتهای استرانسیم و باریم هستند که دارای فرکانس تشدید در حوالی 48 گیگاهرتز هستند .[1] این فرکانس بسیار بالاتر از محدوده فرکانسی رادارهای بلند برد است. بنابراین برای افزایش قابلیت جذب بایستی محدوده فرکانس تشدید را تا مقادیر مربوط به باندهای X و Ku کاهش داد.
با آلاییدن این فریتها توسط کاتیونهای دیگر به طوری که جانشین یونهای آهن در ساختار بلوری شوند، میتوان به این مهم دست یافت. در این راستا پژوهشهای گستردهای صورت پذیرفته است. در اکثر این پژوهشها اشاره شده اگر به جای یون سه ظرفیتی آهن در ساختار فریتهای هگزاگونالی نوع M، از یونهای دیگر استفاده شود، ثوابت ناهمسانگردی و میدان ناهمسانگردی بلوری کاهش یافته که دلیل اصلی کاهش فرکانس تشدید است .[2] در این کار پژوهشی نانو ذرات هگزا فریت باریم خالص و نانو ذرات هگزا فریت باریم جانشینی شده با منیزیم، منگنز، تیتانیم و زیرکنیم با استفاده از روش همرسوبی تهیه گردید. نتایج حاصل از اندازهگیریهای الکترومغناطیسی نشان داد نمونه آلاییده شده عملکرد مطلوبی در محدودهی مایکروویو از خود نشان میدهد و بنابراین میتواند انتخاب مناسبی به عنوان ماده جاذب امواج مایکروویو در محدودهی فرکانسی رادارهای بلند برد محسوب گردد.
فرآیندهای آزمایشی
در این پژوهش نانو ذرات هگزا فریت باریم خالص - BaFe12O19 - و آلاییده - BaFe10 - MnMgTiZr - 1/4O19 - با استفاده از روش همرسوبی تهیه شد. برای این منظور مقادیر استوکیومتری از کلریدهای آهن، باریم، منگنز، منیزیم، تیتانیم و زیرکنیم برای رسیدن به یک محلول کاملاً یکنواخت، در آب مقطر با دمای 70°C حل شد. آنگاه برای تنظیم pH محلول به حدود 13، محلول 1 مولار هیدروکسید سدیم به صورت قطره قطره به آن افزوده شد. رسوب به دست آمده چندین بار توسط آب مقطر شستشو داده شد تا ترکیبات نمکی آن حذف شده و pH آن نزدیک 7 برسد. محصول ژل مانند به دست آمده در دمای 100°C خشک گردید. در نهایت به منظور دستیابی به نانو ذرات فریت باریم، نمونه تحت عملیات حرارتی در دمای 900 درجه سانتیگراد به مدت زمان 2 ساعت قرار گرفت. ویژگیهای ساختاری، مغناطیسی و مایکروویو نمونهها با استفاده از آزمونهای پراش پرتو ایکس، میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی، مغناطومتر نمونه نوسانی و تحلیلگر شبکه برداری مورد مطالعه قرار گرفت.
نتایج و بحث
الگوهای پراش پرتو ایکس نانو ذرات هگزا فریت باریم خالص
شکل .1 الگوهای پراش پرتو ایکس مربوط به نانو ذرات - الف - BaFe12O19، - ب - .BaFe10 - MnMgTiZr - 1/2O19 - BaFe12O19 - و همچنین نانو ذرات هگزا فریت باریم آلائیده شده - BaFe10 - MnMgTiZr - 1/2O19 - در شکل 1 آمده است. همانطور که در شکل مشاهده میشود پیکهای ظاهر شده در زوایای - - 2 30/37o، 32/29o، 34/19o، 37/12o، 40/41o و 42/40o براساس کارت XRD به شماره ICSD 00-007 -0276 به ترتیب حاصل از پراش پرتو ایکس از صفحات - 110 - ، - 107 - ، - 114 - ، - 203 - ، - 205 - و - 206 - از ساختار مگنتوپلمبیت هگزا فریت باریم است. پیکهای تیز بلوری شدن تمامی نمونهها را نشان میدهد. ظاهر شدن پیکهایی در زوایای - 24/13o - 2، 33/15o، 35/61o و 49/48o بیانگر حضور یک فاز ناخالصی مطابق با کارت XRD به شماره ICSD 00-033 -0664 مربوط به فاز -Fe2O3 است که در طی فرآیند سنتز تشکیل شده است. میتوان گفت که حضور این فاز ناخالصی در نمونههای سنتز شده، به علت تبدیل کلرید آهن به هیدروکسید آهن - Fe - OH - 3 - و کلرید سدیم بوده که به دنبال آن در اثر حذف شدن آب به شکل -Fe2O3 در میآید.
تصاویر میکروسکوپی الکترونی روبشی نانو ذرات هگزا فریت باریم خالص - BaFe12O19 - و نانو ذرات هگزا فریت باریم آلاییده - BaFe10 - MnMgTiZr - 1/2O19 - تهیه شده به روش همرسوبی و کلسینه شده در دمای 900 °C به مدت 2 ساعت در شکل 2 نشان داده شده است. در این تصاویر میتوان مورفولوژی ذرات و روند تغییر اندازه آنها نسبت به افزودن کاتیونها را مشاهده نمود. همان طور که مشاهده میشود در تمامی نمونهها توزیع اندازه ذره تقریباً یکنواخت و متوسط اندازه ذرات کمتر از 100 نانومتر است، که بدان معنی است که جوانهزنی ذرات همزمان بوده و از رشد آنها
شکل .2 تصاویر میکروسکوپی الکترونی نانو ذرات - الف - BaFe12O19، - ب - .BaFe10 - MnMgTiZr - 1/2O19
ممانعت به عمل آمده است. همچنین ملاحظه میشود که به دلیل طبیعت مغناطیسی نانو ذرات فریت باریم و دمای سنتزنسبتاً بالا - 900 °C - ، ذرات در همه نمونهها به صورت آگلومره ظاهر شده-اند. با توجه به این تصاویر مشاهده میشود که با افزودن کاتیون-های آلاینده، اندازه ذرات افزایش یافته است. به عبارت دیگر رشد ذرات فریت باریم با افزایش کاتیونهای آلاینده افزایش یافته است.
منحنیهای پسماند مغناطیسی نانو ذرات هگزا فریت باریم خالص - BaFe12O19 - و آلاییده شده با کاتیونهای منگنز، منیزیم، زیرکنیم و تیتانیم - BaFe10 - MnMgTiZr - 1/2O19 - در شکل 3 آمده است. با استفاده از منحنیهای پسماند مغناطیسی مغناطش اشباع - MS - و نیروی وادارندگی - HC - نمونهها اندازهگیری شد.
همانطور که ملاحظه میشود با افزودن کاتیونهای آلاینده به هگزا فریت باریم، MS از 32/29 emu/g به 53/51 emu/g افزایش یافته است. همانگونه که میدانیم در ساختار بلوری هگزا فریت باریم - ساختار مگنتوپلمبیت - پنج مکان جانشینی وجود دارد. مکانهای 12k، 2a، و 2b دارای اسپین بالا و 4f1 و 4f2 دارای اسپین پایین هستند. بنابراین گشتاور مغناطیسی برای هر واحد فرمولی مگنتوپلمبیت هگزا فریت باریم را میتوان به صورت رابطه
1 در نظر گرفت:
- 1 - × کاتیونهای Ti4+، Zr4+ و Mg2+ نامغناطیسی هستند درحالیکه کاتیون Mn2+ دارای گشتاور مغناطیس برابر با 4 ʽB - کمتر از گشتاور مغناطیسی - Fe3+ است. مغناطش و ناهمسانگردی مغناطو بلوری به توزیع کاتیونها در پنج مکان بلوری ناهمارز در ساختار هگزاگونالی فریت باریم ارتباط بسیار زیادی دارد. از اینرو با قرارگیری این کاتیونها در مکانهای 4f1 و 4f2 از تعداد اسپینهای
