بخشی از مقاله
چکیده
در این مطالعه، نانوترکیبهای شامل BiFeO3 - BFO - و - ZnFe2O4 - ZFO به صورت ترکیب 1 - - 1-x - BiFeO3 -x ZnFe2O4 ، 0/5 ، - x=0 به دو روش سل-ژل و هیدروترمال ساخته شدند و اثرات روش ساخت بر روی ویژگیهای ساختاری و مغناطیسی بررسی شدند. نمونههای ساخته شده توسط پراش پرتو - XRD - X ، اسکن میکروسکوپ الکترونی - SEM - و مغناطیس سنج نمونه ارتعاشی - - VSM مشخصهیابی شدند. از الگوهای XRD فاز اسپینل مکعبی ZFO و فاز پروسکایت رمبوهدرال BFO تعیین شدند و اندازه بلوری با استفاده از معادله شرر محاسبه شد. ازتجزیه و تحلیل SEM مشخص شد که پودرها بسته به روش ساخت ساختاری متفاوت دارند و به یکدیگر چسبیدهاند و شکلی حجیم پیدا کردهاند. طیف VSM نشان داد که نانوذرات BFO فرومغناطیس ضعیفند و نانوذرات ZFO سوپرپارامغناطیسند و ترکیب BFO-ZFO مغناطیس پذیری بیشتری در مقایسه با BFO خالص به علت وجود ZFO دارد و نانوذرات حاصل با توجه به متفاوت بودن روش آماده سازیشان رفتار مغناطیسیکاملاً متفاوتی نیز از خود بروز میدهند.
مقدمه
چندفروئیکها موادی هستند که چندین نوع توالی گسترده را بروز میدهند، مانند فرومغناطیس، فروالکتریسیته و فروالاستیسیته.
در بسیاری از ترکیبها، مانند BiFeO3، اتصالی بین توالیهای الکتریکی و مغناطیسی وجود دارد، به گونهای که ویژگیهای مغناطیسی میتوانند با میدانهای الکتریکی کنترل شوند و برعکس.
فریت بیسموت یک فروالکتریک با دمای کوری 830℃ و یک پاد فرومغناطیس نوع G با دمای نیل 370℃ است که می تواند برای کاربردهای گستردهای از قبیل ساخت حافظههای کامپیوتری، ادوات اسپینترونیک و سلولهای فوتوولتائیک کاربرد داشته باشد.[1] فریت روی - ZnFe2O4 - نیز یک ساختار اسپینلی است که کاتیونهای Zn+2 در جایگاههای چهاروجهی قرار دارند. فریت روی از جمله مواد نیمه رسانا است که از نظر شیمیایی و گرمایی پایدار بوده و گزینه مناسبی برای کاربردهایی از قبیل مواد مغناطیسی، فوتوکاتالیستها، تصویربرداری تشدید مغناطیسی است .[2] روشهای مختلفی مانند روش حالت جامد، همرسوبی، سل-ژل، هیدروترمال برای ساخت نانوذرات فریت بیسموت و فریت روی وجود دارد که در این کار تحقیقاتی ما دو روش سل-ژل و هیدروترمال را انتخاب کرده و به ساخت نانوذرات فریت بیسموت و فریت روی و نانوترکیب این دو ماده و بررسی اثر روش ساخت برخواص ساختاری و مغناطیسی آنها میپردازیم.
کار تجربی
در این کار تحقیقاتی، نانوترکیبهای BiFeO3 -x ZnFe2O4 1 - - 1- x - ،0/5 ، - x=0 با دو روش سل-ژل و هیدروترمال ساخته شدهاند که هر کدام به طور جداگانه توضیح داده میشوند.
روش سل-ژل
در این روش مقادیر مناسب از آهن نیترات ، بیسموت نیترات و روی نیترات که همگی از شرکتهای مرک و سیگما آلدریچ تهیه شدهاند در 60ml اتیلنگلیکول و آب مقطر حل شدند و این ترکیب به مدت یک ساعت در دمای اتاق همزده شد و همزمان سیتریک اسید نیز به نسبت 1:1 با نمکهای نیترات در مقدار کمی آب مقطر حل شد. سپس ترکیب سیتریک اسید به محلول نمکها ،در حال همزدن، به صورت قطره قطره اضافه شد. بعد از حدود یک ساعت همزدن، پس از آنکه محلول شکلی همگن به خود گرفت به آن دمای 80℃ داده شد تا ژل چسبنده به دست آید. پس از آن به ژل در 110℃ حرارت داده شد تا خشک شود و نانوپودر حاصل شود. در آخر نانوپودرهای به دست آمده به مدت 2 ساعت
در 600℃ اکسید شدند.
روش هیدروترمال
در این روش، بیسموت نیترات ، فریت نیترات و روی نیترات با نسبت مولی مناسب وزن کشی شدند و به طور کامل در 10ml آب مقطر توسط همزن مغناطیسی حل شدند. سپس 30ml، KOH 4 مولار به محلول به صورت قطره قطره تحت همزدن ثابت اضافه شده و بعد از حدود 30 دقیقه همزدن، ترکیب را برای برهمکنش هیدروترمال در اوتوکلاو با ظرفیت 80 درصد حجمی ریخته و سپس در کوره با دمای 200℃ برای 12 ساعت قرار دادیم و پس از آن اجازه دادیم تا ترکیب به طور طبیعی تا دمای اتاق سرد شود.
پس از آن ذرات به دست آمده در چند مرحله توسط دستگاه گریز از مرکز با آب مقطر و اتانول شستشو داده شدند.
نتایج و بحث
بررسی ویژگیهای ساختاری
شکل - 1 - الگوی XRD نمونههای BiFeO3 - x ZnFe2O4 1 - - 1- x - ،0/5 ، - x=0 ساخته شده به روشهای سل-ژل و هیدروترمال را نشان میدهند. قلههای پراش BFO و ZFO خالص سازگاری خوبی با تقارن رمبوهدرال - گروه فضایی - R3c برای BFO و تقارن مکعب اسپینلی - گروه فضایی - fd3m برای ZFOدارند.[3] همانطور برای نمونههای 0/5ZFO-0/5BFO، الگوهای XRD با الگوی پراش ذرات BFO و ZFO خالص سازگارند و وجود هر دو فاز BFO وZFO را در 0/5ZFO-0/5BFO نشان میدهد اما در این نمونه شدت قلهها نسبت به نمونههای خالص BFO و ZFO کمتر است. تحلیل الگوها برای همه نانو ذرات نشان میدهند که شدت قلههای اصلی در نمونههای هیدروترمال کمی بیشتر از نمونههای مشابه ساخته شده به روش سل-ژل است.
اندازه ذرات با استفاده از فرمول شرر - رابطه - 1 قابل محاسبهاند:
شکل .1 الگوهای XRD نانوذرات BFO ، ZFO و 0/5ZFO-0/5BFO آماده شده به روش - الف - سل-ژل - ب - هیدروترمال
تحلیل ساختار شناسی
تصویر SEM نمونههای ZFO، BFO و نانوترکیب 0/5ZFO-0/5BFO ساخته شده به روش سل-ژل و هیدروترمال در شکلهای - 2الف - تا - و - نشان داده شدهاند. شکل - 2الف - نشان میدهد که نانوذرات BFO ساخته شده به روش سل-ژل ساختار نانوگل با تعدادی ذرات کروی دارند. از شکل - 2ج - ، واضح است که نانوذرات ZFO در روش سل-ژل شکلی میله مانند دارند در حالی که نانوموادهای 0/5ZFO-0/5BFO ساخته شده به روش سل-ژل - شکل - 2ب - - نشان میدهند که نانوگلهای BFO توسط نانومیله های ZFO خم شدهاند. از تصاویر SEM مشاهده شده است که تمامی نمونههای شامل ذرات نانو مقیاسی به یکدیگر چسبیدهاند و شکلی حجیم دارند اما ساختار پودرها وابسته به روش ساخت متفاوت است از این روی تصاویر SEM نمونههای هیدروترمال - شکلهای - 2د - تا - 2و - - شکلی متفاوت از تصاویر SEM نمونههای سل-ژل دارند.
شکل.2 تصاویری از اسکن میکروسکوپ الکترونی برای نمونههای - الف - BFO - ب - 0/5ZFO-0/5BFO - ج - ZFO آماده شده به روش سلژل - د - BFO - ه - 0/5ZFO-0/5BFO - و - ZFO آماده شده به روش هیدروترمال
بررسی خواص مغناطیسی مواد
شکل - 3 - حلقههای پسماند مغناطیسی نانو ذرات BFO، ZFO و 0/5ZFO-0/5BFO ساخته شده به روش سل-ژل و هیدروترمال را در دمای اتاق نشان میدهد. نانوذرات BFO خاصیت فرومغناطیس ضعیف به علت گسستگی ساختار آنتی- فرومغناطیس بلند برد در سطح ذره نشان میدهند [4] و نانوذرات ZFO سوپرپارامغناطیس میباشند و مغناطیسپذیری فریتهای روی اسپینلی در آنها از اختلاف در گشتاورهای مغناطیسی یونها در محلهای هشتوجهی و چهاروجهی شبکه نشأت میگیرد. در نانوترکیب 0/5ZFO-0/5BFO، برهمکنش متقابل به علت تبادل الکترونی بین یون Fe+3 نمونه BFO با یون Fe+3 نمونه ZFO در سطح مشترک صورت میگیرد که منجر به افزایش در تبادل انرژی به علت افزایش در مغناطش در مقایسه با BFO خالص میشود.
ویژگیهای مغناطیسی مواداساساً تحت تأثیر روش آماده سازی، توزیع کاتیون، اندازه ذره و شرایط ساخت قرار میگیرند که در این کار تحقیقاتی، روش ساخت مورد بررسی قرار گرفته است و همانطور که از جدول - 1الف - و - 1ب - مشخص است نمونههای سل-ژل مغناطش اشباع کمتری نسبت به نمونههای هیدروترمال دارند. همچنین برای نمونههای 0/5ZFO-0/5BFO، منحنی
پسماند نمونه سل-ژل شکلی خطی دارد بنابراین فرومغناطیس
