بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش اثر دمای تهیه و میزان آلایش منگنز بر ویژگیهای ساختاری و مغناطیسی فریت MnxFe3-xO4 بررسی شده است. تحلیل ریتولد نشان داد که نمونههای Fe3O4 ساختار اسپینلی معکوس و نمونههای آلایش یافته ساختار اسپینلی آمیخته دارند و نیز با افزایش میزان آلایش، پارامتر شبکه نمونهها افزایش مییابد. منحنیهای پسماند مغناطیسی نشان داد که تغییرات مغناطش اشباع با آلایش منگنز به دمای تهیه وابسته میباشد. منحنیهای پذیرفتاری مغناطیسی بر حسب دما نشان دادند که دمای قفل شدگی با افزایش میزان آلایش منگنز، کاهش مییابد.
مقدمه
در بین نانوذرات مختلف، فریتهای اسپینلی با فرمول عمومی - MxFe3-xO4 M=Mn, Fe, Co,… x=0-1 - به لحاظ کاربردی از جمله در صنعت و پزشکی بسیار حائز اهمیت هستند.
ساختار اسپینلی دارای دو جایگاه چهاروجهی - A - و هشتوجهی - B - است که یونهای فلزی در این دو جایگاه قرار میگیرند.
نانوذرات فریت آهن - Fe3O4 - قدیمیترین ماده مغناطیسی شناخته شده است .[1] با کنترل شرایط ساخت، نانوذرات Fe3O4 را میتوان در اندازههای مختلف تهیه کرد. هنگامیکه اندازهی نانو ذرات مغناطیسی از یک حد بحرانی کوچکتر شود، نانوذره تک حوزه نامیده میشود. برای نانوذرات تک حوزه، دمایی خاص معروف به دمای قفل شدگی - - وجود دارد که در این دما، انرژی گرمایی با انرژی ناهمسانگردی مغناطیسی نانوذره برابر میشود. اگر نانوذرات تک حوزه در دماهای بالاتر از TB قرار بگیرند، حالت ابرپارامغناطیس برای آنها رخ میدهد. آزمایش نشان می دهد که پاسخ مغناطیسی نانوذرات در حالت ابرپارامغناطیس به فرکانس اعمالی وابسته است. ویژگیهای مغناطیسی نانوذرات تک حوزهی فریتهای اسپینلی به شدت به شرایط ساخت و نوع یونهای فلزی حساس است. از آنجایی که یون Mn2+ دارای گشتاور دوقطبی مغناطیسی5 و یون Fe2+ دارای گشتاور دوقطبی مغناطیسی4 است، جانشینی یون منگنز به جای آهن در فریت Fe3O4 میتواند اثرهای جالبی بر ویژگیهای آن بگذارد . لذا در این مقاله به بررسی تأثیر دما و آلایش منگنز بر ویژگی های ساختاری و مغناطیسی فریت MnxFe3-xO4 پرداخته شده است.
ساخت و آزمایش
برای تهیهی ترکیب MnxFe3-xO4 - x=0-0.1 - از روش همرسوبی در دو دمای متفاوت - دمای اتاق و دمای - 70 C استفاده شد. به این صورت که مواد اولیه شاملFeCl3.6H2O، FeCl2.4H2O وMnCl2.4H2O استفاده شدند. برای تهیهی نمونهها با میزان آلایش x=0 و x=0.1 در دمای اتاق - 23 C - ، مواد اولیه با استوکیومتری مناسب در 100 cc آب دیونیزه حل شده سپس 20 cc از محلول سود غلیظ به محلول کلریدها افزوده شد.
پس از آن، محلول بهدست آمده به مدت 15 دقیقه تحت چرخش مستمر با همزن قرار گرفت. در ادامه، نانوذرات تشکیل شده با آب دیونیزه شسته و در دمای اتاق خشک شدند. این نمونهها L0 و L0.1 نامگذاری شدند. نمونههایی نیز با میزان آلایش x=0 و x=0.1 در دمای 70 C تهیه و بهصورت H0 و H0.1 نامگذاری شدند. روش تهیه، مشابه مورد قبلی بود با این تفاوت که دمای محلول در کل فرآیند، 70 C و ثابت نگه داشته شد. ویژگیهای ساختاری نمونهها توسط آنالیز XRD، تصویر میکروسکوپ الکترونی FESEM و آنالیز FTIR مورد بررسی قرار گرفت. برای بررسی ویژگیهای مغناطیسی از دستگاه مغناطش سنج ارتعاشی - VSM - و پذیرفتاری سنج مغناطیسی استفاده شد.
نتایج و بحث
در شکل 1 الگوی پراش پرتوی ایکس نمونهها نشان داده شده است. همانطور که مشخص است، نمونهها با فاز تقریبا خالص تشکیل شدهاند. فاز نمونه ها با الگوی استاندارد کارت ICDD card no 19-629 تطابق دارد. اندازه بلورکهای نمونهها - D - از رابطهی شرر محاسبه شده و در جدول 1 ارایه شده است. همانطور که در این جدول مشاهده میشود نمونههای ساخته شده در دمای بالاتر، اندازه بلورک بزرگتری نسبت به نمونههای تهیه شده در دمای اتاق دارند. در حقیقت انرژی گرمایی باعث رشد بلور منظمتری در نمونه میشود به این ترتیب مرزدانههای کمتری در نمونه ایجاد شده و اندازهی ذرات بزرگتر میشوند. از جمله دلایل دیگر میتوان به افزایش نرخ رشد بلور با افزایش دما اشاره کرد که منجر به افزایش اندازه ذرات میشود.
شکل: 1 الگوی پراش پرتو ایکس نمونههای تهیه شده.
تحلیل ریتولد نمونهها با نرم افزار MAUD انجام شد. شکل 2 تحلیل ریتولد نمونهی H0.1 را نشان میدهد.
شکل: 2 تحلیل ریتولد نمونهی .H0.1
نتایج، حاکی از آن است که نمونههای L0 وH0 ساختار اسپینلی معکوس و نمونه های L0.1 و H0.1 ساختار اسپینلی آمیخته با گروه فضایی Fd3m دارند. پارامتر شبکه نمونهها - a - بهدست آمده از تحلیل ریتولد در جدول 1 گزارش شده است.
نکتهی مهم دیگر در جدول 1 تخلخل کمتر نمونهی H0 نسبت به L0 و نمونهی H0.1 نسبت به L0.1 است . در واقع با افزایش دما، میزان منافذ و تهیجاها کم شده و در نتیجه تخلخل کاهش مییابد. شکل 3، تصویر FESEM نمونه L0.1 را نشان میدهد. همانطور که در تصویر مشخص است ذرات نمونه L0.1 تمایل زیادی به انباشتگی دارند و تودههای انباشتهی نانومتری را تشکیل دادهاند.
شکل :3 تصویر FESEM نمونه .L0.1
نتایج FTIR نمونهها در شکل 4 قابل مشاهده است. در این شکل، دره حدود 1329 cm-1 مربوط به ارتعاشات خمشی C=O است.
شکل :4 نتایج FTIR نمونهها.
منحنیهای مغناطش بر حسب میدان مغناطیسی در شکل 5 نشان داده شده است. میزان مغناطش اشباع - Ms - ، میدان وادارندگی - Hc - برای همهی نمونهها در جدول 1 گزارش شده است. مغناطش اشباع نمونههای تهیه شده در دمای اتاق، با آلایش منگنز کاهش یافته است. در حالی که در نمونههای تهیه شده در دمای 70 C رفتار متضادی مشاهده میشود. براساس مدل دو زیرشبکهی نیل میتوان بهراحتی نتیجه گرفت که توزیع کاتیونی بهطور مستقیم بر روی مغناطش زیرشبکهها و در نهایت بر روی مغناطش کل نمونه اثرگذار است. از آنجا که نمونههای دو سری در دو دمای مختلف تهیه شدهاند و دمای ساخت از جمله عوامل تأثیرگذار بر توزیع کاتیونی نمونههاست،
میتوان نتیجه گرفت که احتمالا توزیع کاتیونی نمونههایL0.1 و H0.1 با هم تفاوت دارد. تا کنون توزیع های کاتیونی متفاوتی برای فریت آهن آلائیده با منگنز گزارش شده است. برای مثال در پژوهشی ادعا شده است که با افزایش آلایش، تمام یونهای منگنز وارد جایگاه A شده و این توزیع کاتیونی موجب افزایش مغناطش در میزان آلایشهای کم میشود .[5] گروهی دیگر اینطور اذعان کردهاند که
