بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش، نانوذرات فریت استرانسیوم جانشانی شده با La و Ni با فرمول شیمیایی Sr0.8La0.2Ni0.2Fe11.8O19 به روش همرسوبی در دماهاي واکنش و کلسینه به ترتیب 80 oc و 1200 oc تهیه شده اند. نمودارهاي پراش پرتو ایکس - XRD - وجود ساختار شش گوشی تک فاز نوع M را تأیید می کند. میانگین اندازه بلورك هاي نانوذرات با استفاده از تحلیل XRD در حدود 43 nm به دست آمده است. ویژگی هاي مغناطیسی به دست آمده از نمودار حلقه پسماند در دماي اتاق تا یک میدان مغناطیسی 12 kOe بیانگر تاثیر pH و ملاریته مواد اولیه استفاده شده در واکنش بر ویژگی هاي مغناطیسی ماده است، که رفتار مغناطش به ماهیت مغناطیسی فازهاي تشکیل شده و کج شدگی اسپینی و تغییرات میدان نیروي وادارندگی به برهمکنش تبادلی بین حوزه هاي تشکیل شده در نانوذرات مغناطیسی نسبت داده شده است.
مقدمه
امروزه توجه ویژه اي به توسعه مواد جدید با ویژگی هاي بهبود یافته براي کاربردهاي مختلف می شود. در دهه هاي اخیر، از مقیاس حجمی - بیش از یک میکرومتر - به سمت مقادیر نانو می رود، به دلیل افزایش نسبت تعداد اتم هاي سطحی به اتم هاي داخلی تر دریک ذره موجب بروز ویژگی هاي جدیدي در ماده می شود که ممکن است مطلوب و یا ناخواسته باشند 4]،.[3 یکی از این مواد، فریت استرانسیوم شش گوش نوع M است که با کنترل ویژگی هاي مغناطیسی آن کاربردهاي گوناگونی همچون استفاده در آهنرباهاي دائمی، حافظه هاي مغناطیسی، جاذب هاي امواج رادار و ادوات مایکروویو براي آن گزارش شده است .[7- 5] در سلول واحد فریت هاي شش گوش نوع M، جهت گیري اسپین هاي کاتیون ها در جایگاه ها ي بلوري و یا زیرشبکه تحت تأثیر برهمکنش ابر تبادلی با یون هاي O2- می باشد 10]،9،[6، همانگونه که در گزارش هاي گذشته براي نمونه هاي جانشانی شده با کاتیون هاي مختلف مانند [3] Mn-Ni–Ti، La-Ti-Zn[2]، [11] Mn–Ti-Sn، [12] La-Zn، [13] Ni–Ti-Zn ، Mn-[14 ] Zn و غیره [17-15] تأیید شده است. مسئله ي تأثیر پذیري ویژگی هاي اساسی نانوذرات از اثرات سطحی به خوبی شناخته شده است. همچنین اثبات شده است تفاوت در مغناطش نانوذرات مغناطیسی در مقایسه با نمونه هاي بالک آن ها براساس مدل نیز هسته-پوسته قابل فهم است 18]،4،[3، که هر ذره مغناطیسی از یک هسته ي نظم یافته ي مغناطیسی و یک پوسته ي اسپین-شیشه اي با ضخامت ثابت و مغناطش کل صفر تشکیل شده است .[4]
تا کنون روش هاي مختلفی همچون فرایند مکانوشیمیایی 19]،3،[2، واکنش حالت جامد [20]، سل-ژل [17]، هیدروترمال [7]، احتراق [21] و همرسوبی [22] براي تهیه نانوذرات استفاده شده اند.
در این تحقیق، نانوذرات فریت شش گوش استرانسیوم جانشانی شده با La3+ و Ni2+ به ترتیب به جاي یون هاي Sr2+ و Fe3+ به صورت ترکیب شیمیایی Sr0.8La0.2Ni0.2Fe11.8O19 به روش همرسوبی تهیه شده است. جانشانی چنین یون هایی در مواد نانومقیاس با اندازه هاي مختلف در شرایط متفاوت کنترل مقدار مغناطش را براي کاربردهاي گوناگون در اختیار می گیرد. مغناطش و وادارندگی نسبت به شرایط مختلف واکنش بررسی شده اند و مغناطش با مقادیر گزارش هاي گذشته مقایسه شده است.
روش هاي تجربی
از کلرید آهن - FeCl3.6H2O - ، کلرید استرانسیوم - SrCl2.6H2O - ، کلرید نیکل - NiCl2.6H2O - ، کلرید لانتانیوم - LaCl3.7H2O - و سود - NaOH - براي تولید نانوذرات Sr0.8La0.2Ni0.2Fe11.8O19 به روش همرسوبی استفاده شد .[22] مقادیر استوکیومتري کلریدهاي استرانسیوم و لانتانیوم کاملا در آب دوباریونیزه خالص براي ساخت محلول I حل شدند. کلریدهاي آهن و نیکل نیز به همین صورت به شکل محلول II در آمدند. مقدار کافی از سود نیز به همین روش براي ساخت محلول III با ملاریته 0/7 استفاده شد. براي تعیین شرایط بهینه براي شکل گیري ساختار تک فاز، سه نوع محلول با ملاریته و pH مختلف تهیه شدند. در نوع اول، مخلوطی از محلول هاي I و II به ترتیب با ملاریته هاي 0/1 و 0/5 به محلول III با نسبت حجمی ۶/٢ - III - / - I + II - = در دماي 80oC و pH واکنش برابر 7 اضافه شدند. در نوع دوم، محلول هاي I و II به ترتیب با ملاریته هاي 0/1 و 1 با هم مخلوط شدند و محصول به محلول III با نسبت حجمی ۶/٢ - III - / - I + II - = در دماي 80oC و pH واکنش برابر 7 اضافه شد. در نوع سوم، محلول هاي I و II به ترتیب با ملاریته هاي 0/1 و 1 با هم مخلوط شدند و نتیجه به محلول III با نسبت حجمی ٢/۵ - III - / - I + II - = در دماي 80oC و pH واکنش برابر 13 اضافه شد. محلول هاي سوسپانسیونی از تمام نمونه ها به مدت 2 ساعت هم زده شدند تا یکنواختی شیمیایی حاصل شود. پس از آن، ذرات فریت قهوه اي رنگ رسوب کرده از این مخلوط ها با سه بار آب خالص شسته شدند تا NaCl و NaOH موجود از ذرات زدوده شود و نمونه ها بعد از خشک شدن در دماي 100oC در هوا، دماي 1200oC در هوا به مدت 6 ساعت کلسینه شده و آسیاب شدند. از تحلیل پراش پرتو ایکس - XRD - مدل PANalytical - MPD - با لامپ CuKα - k=1.5406 Å - براي بررسی ساختار شکل گرفته استفاده شد. میانگین اندازه بلورك ها با کمک تمام پهنا در نیم بیشینه - FWHM - از سه قلهي بلندتر با فرمول شرر محاسبه شد.[2] در آخر، اندازه گیري هاي مغناطیسی در دماي اتاق با استفاده از یک مغناطیس سنج شیب نیروي متناوب - AGFM - با میدان بیشینه ي 12 kOe انجام شد. است.
نتایج و بحث
نمودارهاي XRD مربوط به فریت هاي استرانسیوم جانشانی شده با La3+ و Ni2+ با فرمول Sr0.8La0.2Ni0.2Fe11.8O19 به دست آمده از محلولهایی با pH و ملاریته FeCl3+NiCl2 متفاوت در شکل هاي 1، 2 و 3 نشان داده شده اند. شکل 1 الگوي پراش ایکس نمونهي به دست آمده از pH=7 و ملاریته 0/5 است.
حضور قله هاي اصلی فریت شش گوش نوع M است، اما چند قله ي مربوط به فاز ثانویه در تطابق با فریت استرانسیوم نیستند. اهمیت در نظر گرفتن فازهاي ثانویه در این است که موجب کج شدگی اسپینی در زیر شبکه ها شده و مغناطش نمونه ها را تحت تأثیر قرار می دهند.[14]
شکل 3 الگوي پراش ایکس نمونه در pH=13 و ملاریته 1
شکل -1 الگوي XRD نمونه Sr0.8La0.2Ni0.2Fe11.8O19 با pH=7 و ملاریته کلرید آهن-نیکل 0/5
اگرچه قلهي 2θ=32/35º با بازتاب از صفحات 107 فریت استرانسیوم استاندارد - PDF no.98-002-9030 - مطابقت دارد، اما بیشتر قله ها مربوط به فاز هماتایت α-Fe2O3 است .[23] این بدان معنی است که فریت استرانسیوم خالص با pH=7 و ملاریته 0/5 شکل نگرفته است، که علت آن می تواند سرعت بالاتر آبکافت یون هاي Fe3+ نسبت به Sr2+، La3+ و Ni2+ در این pH و درنتیجه رسوب هیدروکسیدهاي آهن باشد. پس، فاز Fe2O3 و در نتیجه هماتایت تولید شده است.
شکل -2الگوي XRD نمونه Sr0.8La0.2Ni0.2Fe11.8O19 با pH=7 و ملاریته کلرید آهن-نیکل 1
شکل 2 الگوي پراش ایکس نمونه در pH=7 و ملاریته 1 است. مقایسه شکل 1 و 2 با نمونه استاندارد فریت استرانسیوم، بیانگر
شکل -3 الگوي XRD نمونه Sr0.8La0.2Ni0.2Fe11.8O19 با pH=13 و ملاریته کلرید آهن-نیکل 1
میتوان دید که قله هاي اصلی مطابق نمونه استاندارد فریت استرانسیوم یاد شده هستند. همچنین فاز دیگري قابل مشاهده نیست، این بدان معنی است که یون هاي La3+ و Ni2+ در ساختار جاي گرفته اند 12]، .[24 میتوان نتیجه گرفت که pH=13 و ملاریته - FeCl3+NiCl2 - 1، شرایط بهینه براي تشکیل ساختار تک فاز این نوع فریت به روش همرسوبی است. در pH=13، همه ي کاتیون همزمان آبکافت شده و هیدروکسید آن ها رسوب کرده و واکنش رخ می دهد. سپس با عملیات حرارتی فاز فریت شش گوش نوع M تشکیل می شود. میانگین اندازه بلورك هاي نمونه ي تک فاز با استفاده از فرمول شرر در حدود 43nm محاسبه شد. مقایسهي شکل 3 با الگوهاي پراش پرتو ایکس نمونه هاي بالک فریت استرانسیوم 5] و [13 نشان می دهد که قله ها نسبت به نمونه هاي بالک پهن تر شده اند که بیانگر اندازه ذرات کوچکتر است 2] ، 3 و .[14 حلقه هاي پسماند نمونه ها با pH و ملاریته متفاوت در شکل 4 آمده است. قابل مشاهده است که مغناطش بیشینه نمونهي نوع اول با pH=7 و ملاریته - σ= 4emu/gr - 0/5 در میدان اعمالی 8 kOe کمتر از نمونهي نوع دوم با همان pH و ملاریته - σ= 18emu/gr - 1 و نمونهي نوع سوم با pH=13 و ملاریته - σ= 45emu/gr - 1 است. میدان وادارندگی مربوط به
