بخشی از مقاله
چكيده
در اين مقاله، اثر اعمال ميدان مغناطيسي در حين فرايند بازپخت بر روي ويژگي هاي ساختاري و مغناطيسي نمونههاي فريت نيكل, NiFe2-xO4 ٥/٠x= و ٠x= داراي تهيجاي آهن بررسي شده است. اعمال ميدان مغناطيسي در حين بازپخت موجب افزايش پارامتر شبكه شد . نتايج مغناطش نشان ني دهد كه اعمال ميدان مغناطيسي در حين بازپخت نمونه ٠x= موجب افزايش مغناطش اشباع و در نمونه ٥/٠x= باعث كاهش مغناطش اشباع شده است. تغييرات ويژگيهاي ساختاري و مغناطيسي نمونه ها به نحوهي توزيع كاتيون در جايگاههاي اسپينلي نسبت داده شده است.
مقدمه
فريتها ازجمله موادي هستند كه به علت ويژگيهاي الكتريكي و مغناطيسي منحصر به فرد به طور گسترده مورد مطالعه قرار مي-گيرند. فرمول كلي فريتهاي اسپينلي MeFe2O4 است كه Me يون دوظرفيتي - - Me= CO, Mn, Mg, Ni,… ميباشد. در ساختار اسپينلي كاتيونها در دو جايگاه چهاروجهي - - A و هشت-وجهي - - B قرار ميگيرند.
همسايه هاي اول هر كاتيون در جايگاه چهاروجهي داراي چهار و در جايگاه هشتوجهي داراي شش يون اكسيژن ميباشد]١.[ بسته به نحوهي اشغال كاتيونها در جايگاههاي اسپينلي سه نوع ساختار اسپينل معمولي، معكوس و آميخته وجود دارد. در اسپينل معمولي يون Me2+ در جايگاه A و يون Fe3+ در جايگاه B قرار ميگيرد. اگر يون فلزي دو ظرفيتي Me2+ در جايگاه B قرار گيرد و يونهاي آهن به ميزان مساوي بين دو جايگاه A و B تقسيم شوند، ساختار را اسپينل معكوس مي-نامند
در ميان فريتها، فريت نيكل - - NiFe2O4 به دليل ويژگيهاي الكتريكي و مغناطيسي مناسب، بسيار مورد توجه قرار ميگيرد. اين ماده ساختار اسپينل معكوس دارد
ويژگيهاي فيزيكي فريتها به عوامل مختلفي از جمله روش ساخت، تركيبات شيميايي، دماي ساخت، نحوهي توزيع كاتيون در جايگاههاي اسپينلي و ... وابسته است
اخيرا اعمال ميدان مغناطيسي خارجي در حين ساخت و يا در مرحله بازپخت ]٨[نانوذرات فريت مورد توجه قرار گرفته است، به طوري كه پيش بيني ميشود ويژگيهاي ساختاري و مغناطيسي نانوذرات فريت تحت تاثير ميدان مغناطيسي تغيير كند. هدف ما در اين پژوهش علاوه بر بازپخت نانوذرات فريت نيكل در حضور ميدان مغناطيسي خارجي، تغيير ويژگيهاي فيزيكي با ايجاد تهيجا در اين مواد است.
روشهاي تجربي
در اين تحقيق مواد شيميايي شامل نيترات آهن، نيترات نيكل، نيترات روي، اسيدسيتريك و EDTA - جهت جلوگيري از رشد و انباشتگي ذرات - ، همگي با درصد خلوص بالاي٩/٩٩ درصد از شركت مرك استفاده شد. براي ساخت نمونهها بعد از توزين دقيق مواد اوليه با نسبت استوكيومتري مناسب، تمامي نيتراتهاي فلزي با مقدار مناسبي آب دوبار يونيزه شده در بشر شماره ١ ريخته شدند. سپس EDTA پس از توزين با نسبت يك به سه نسبت به مول هاي فلزي در بشر شماره ٢ ريخته شد و در ادامه، محلول نيتراتهاي فلزي قطره قطره به محلول EDTA اضافه شد. پس از آن محلول اسيدسيتريك - اسيدسيتريك با نسبت يك به سه نسبت به مولهاي فلزي توزين شدند - به مدت ٥/١ ساعت روي همزن مغناطيسي قرار داده شد.
در انتها محلول همگن اسيدسيتريك به محلول حاصل از نيتراتها و EDTA اضافه شد. پس از تنظيم PH روي ٧، با تداوم افزايش فرايند، خوداحتراقي صورت پذيرفت و ماده كاملا خشك و پودر قهوه اي رنگي حاصل شد. نانورذرات حاصل NiFe2-xO4 ٥/٠x= و ٠x= در دماي ٥٠٠ درجه سانتي گراد و به مدت ١ ساعت حرارتدهي شد. سپس بخشي از نانوذرات فريت نيكل NiFe2-xO4 ٥/٠x= و ٠x= در حضور ميدان مغناطيسي خارجي با شدت KOe١٠ به مدت ده ساعت در دمايC̊ ٤٠٠ بازپخت شدند. براي اين منظور كوره الكتريكي كوچكي طراحي شد كه در فضاي بين دو قطب الكترومگنت قرار مي- گرفت.
نتايج و بحث
به منظور تعيين فاز نمونههاي ساخته شده طيف پراش پرتوي ايكس گرفته شد - شكل١ - . طيف بيانگر تشكيل ساختار فريت نيكل، بدون هيچگونه ناخالصي است. صفحات تشكيل شده با كارت استاندارد JCPDS-10-0325 تطبيق داده شد. طيفها از طريق برنامه Fullprof كه براساس روش ريتولد ميباشد، تحليل شدند. همهي نمونهها ساختار مكعبي با گروه فضايي Fd-3m دارند. با توجه به تحليل انجام شده پارامترهاي شبكه براي چهار نمونه به دست آمد - جدول١ - .
جدول١: ثابت شبكه تجربي به دست آمده از تحليل ريتولد
در نمونهي ٥/٠x=، ثابت شبكه نسبت به نمونههاي ٠x=، كاهش يافته است. ثابت شبكه نمونههايي كه تحت ميدان بازپخت شدهاند اندكي افزايش يافته است. در شكل ٢ تصوير نوعي ميكروسوپ الكتروني نمونه ٠ x= نمايش داده شده است. اندازه متوسط ذرات براي اين نمونه حدود ٤٥ نانومتر براورد مي شود.
شكل١: طيف پراش پرتوي ايكس نمونهها
اندازه ذرات در نمونه هاي ديگر هم تغيير چنداني نداشته است.
شكل٢: تصوير ميكروسكوپ الكتروني روبشي نمونه ٠.x=
طيف FT_IR فريت اسپينلي شامل دو ناحيه جذبي در محدودهي طول موجهاي cm-1٣٨٠ -٤٠٠ - v1 - و cm-1 -٧٠٠ ٥٠٠ - v2 - ميباشد، ناحيه اول - - v1 به ارتعاشات كششي - Fe-O, Me-O - در جايگاه هشتوجهي و ناحيه دوم - v2 - به ارتعاشات كششي در جايگاه چهاروجهي مربوط ميشود.
شكل ٣ طيف FT-IR نمونهها را در محدوده طول موجهاي cm-1١٠٠٠-٤٠٠ نشان ميدهد. ايجاد تهيجاي آهن در ساختار اسپينلي، محل ايجاد قله-هاي مربوط به ارتعاشات دو جايگاه چهاروجهي و هشتوجهي را اندكي تغيير ميدهد. اعمال ميدان مغناطيسي در حين فرايند بازپخت در نمونه٥/٠x= موجب جابهجايي بيشتري در محل ايجاد قلههاي مربوط به جايگاههاي اسپينلي ميشود
طبق مطالعات صورت گرفته، اين جابهجايي در محل تشكيل قلهها را به تغيير توزيع كاتيون در جايگاههاي اسپينلي نسبت ميدهند
جدول٢: فركانس ارتعاشي برهمكنش Fe-O و Ni-O در جايگاههاي اسپينلي
شكل٣: طيف FT-IR نمونهها
حلقه پسماند نمونهها با استفاده از مغناطش سنج ارتعاشي - VSM - در دماي اتاق و تا ميدان kOe ١٠ اندازهگيري شد - شكل٤ - . در نمونه ٠x= با اعمال ميدان مغناطيسي در حين بازپخت، مغناطش اشباع افزايش يافته است. اما در نمونه ٥/٠x= اعمال ميدان مغناطيسي در حين فرايند بازپخت موجب كاهش مغناطش شده است. يكي از عوامل تغيير مغناطش، تغيير توزيع كاتيون در جايگاههاي اسپينلي ميباشد.
طبق مدل ميدان مولكولي نيل، برهمكنش ابرتبادلي بين دوجايگاه A-B بر برهمكنش درون جايگاهي A-A و B-B غلبه دارد. بنابراين ممان مغناطيسي خالص از تفاضل ممان مغناطيسي جايگاه A و B به دست ميآيد. ممان مغناطيسي محاسباتي از رابطه ١ به دست ميآيد
