بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق تأثیر آلایش کروم بر ویژگیهای ساختاری و مغناطیسی نانوذرات فریت منگنز با فرمول 0/5 - MnFe2-xCrxO4 و 0/25 ، - x=0 بررسی شده است. با بررسی نتایج حاصل از XRD، ساختار فریت اسپینلی و نیز تشکیل فاز فریت منگنز تأیید شد. با استفاده از معادلهی شرر اندازه بلورکها در حدود 4 نانومتر بدست آمد. تصاویر FESEM نشان دهنده این مطلب است که اندازه ذرات بیشتر از 50 نانومتر پس از بررسی نتایج VSM مشخص شد مغناطش نانوذرات با افزایش میزان آلایش کروم، کاهش داشته است. اندازهگیری پذیرفتاری مغناطیسی متناوب نمونهها نشان میدهد پاسخ سیستم به فرکانس اعمالی وابسته است و پس از محاسبات و برازش دادهها، نوع برهمکنشهای نمونههای ساخته شده شیشه ابر اسپینی با برهمکنش قوی تشخیص داده شد.
مقدمه
نانوذرات فریتهای مغناطیسی به دلیل ویژگیهای غیر معمول مانند ابرپارامغناطیسی شدن، بسیار مورد توجه قرار گرفتهاند. مواد ابرپارامغناطیسی هیچگونه پسماندی در غیاب میدان خارجی ندارند. این ویژگی نانوذرات مغناطیسی سبب کاربرد گسترده آنها در ذخیره سازی دادهها با حجم بالا، افزایش وضوح تصاویر در MRI، دارو رسانی هدفمند و... شده است. از مهمترین مشخصههای نانوذرات اندازهی ذرات، توزیع اندازه و هندسهی ذرات و کیفیت ساختار بلوری ذرات است
در این میان یکی از مهمترین و پرکاربردترین مواد مغناطیسی، نانوذرات فریت منگنز است. فریت منگنز دارای ساختار اسپینلی مکعبی میباشد، اما به دلیل توزیع کاتیونی جزیی معکوس خود پیچیدگی خاصی دارد. مغناطش اشباع این ماده در دمای 300 K در حدود 83 emu/g است که در میان فریتهای اسپینلی از مقادیر متوسطبه بالا محسوب میشود. پایینترین دمای کوری - حدود 573 کلوین - در میان فریتهای اسپینلی متعلق به فریت منگنز میباشد.
به دلیل پایداری شیمیایی بالای فریت منگنز در دمای اتاق K - - 300 است که استفاده از آن در صنایع الکترونیکی ممکن شده است. در دماهای بالاتر از 1000 K - یعنی حدود 750 درجه سانتیگراد - فریت منگنز به فازهای اکسید آهن و اکسید منگنز تجزیه شده و در دمای بالاتر از 1200 K دوباره ساختار اسپینلی تشکیل میشود
در این پژوهش به بررسی اثر برهمکنشهای مغناطیسی رویدینامیک اسپینی نانوذرات فریت منگنز آلایش یافته با کروم میپردازیم.
آماده سازی و تهیه نمونهها
نانوذرات فریت 0/5 - و 0/25 ،MnFe2-xCrxO4 - x =0 بر پایهی تجزیهی گرمایی نیتراتها به روش آسیابکاری سیارهای ساخته شد. ابتدا مواد اولیه نیترات آهن، نیترات منگنز و استات کروم را با نسبت مولی 1 به 3 نسبت به اسید سیتریک توزین کرده و پس از مخلوط کردن داخل کاپهای دستگاه آسیاب ریخته شدند. پس از 1 ساعت آسیاب مواد اولیه، نمونههای پودری حاصل به مدت 250 دقیقه در دمای 335 درجهسانتیگراد باز پخت شدند. سپس به مدت 60 دقیقه در همان دما باقی ماند.
برای کدگذاری نمونهها با توجه به فرمول MnFe2-xCrxO4، نمونهی خالص H1 - x= 0 - ، نمونهی H2 - x= 0/25 - و نمونهی H3 - x= 0/5 - نامیده شدند. ویژگیهای ساختاری و بلوری نانوذرات با بهرهگیری از دستگاه پراش پرتوی ایکس - XRD - با طول موج 1/5406 Å و چشمه Cu-. مورد ارزیابی قرار گرفت. از دستگاه FE-SEM ساخت شرکت Hitachi با مدل S-4160 به منظور مشاهده میزان تراکم نانوذرات استفاده شد. مطالعه خواص مغناطیسی نمونهها با کمک دستگاه مغناطشسنج نمونهی ارتعاشی - VSM - و پذیرفتاریسنج مغناطیسی مدل 7000 ساخت شرکت Lake-Shore انجام شد.
بحث و نتایج
شکل 1 الگوی پراش پرتو ایکس نمونهها را نشان میدهد. مطابق نتایج بدست آمده وجود فاز اسپینلی با گروه فضایی Fd-3m در همهی نمونهها تایید شد. همهی قلههای بازتاب نمونهها مشخص و اندیس گذاری شدند که به خوبی با کارت استاندارد به شماره - 73-1964 - توافق دارد
شکل .1 الگوی پراش پرتو ایکس نمونههای بازپخت شده در دمای 335 oC
نتایج محاسبه اندازهی ذرات با استفاده از رابطهی شرر [4] و نیز محاسبهی ثابت شبکه و حجم سلول واحد با استفاده از رابطهی 1 در جدول 1 آورده شده است.
جدول :1 مقادیر میانگین بلورکها، ثابت شبکه و حجم سلول هر سه نمونه
نتایج بدست آمده نشاندهندهی افزایش کم اندازهی بلورکها با افزایش میزان آلایش با در نظر گرفتن خطای رابطه شرر است. همچنین ثابت شبکه نیز با افزایش میزان آلایش، روندی کاهش داشته است که به طبع آن حجم سلول واحد ساختار اسپینلی نیز روندی کاهشی را دنبال کرده است.
کاهش حجم سلول واحد و ثابت شبکه با افزایش میزان آلایش را میتوان بهدلیل کوچکتر بودن شعاع یونی یونهای کروم - Cr+3: 0.615 Å - نسبت به یونهای آهن - Fe+3: 0.64 Å - و یونهای منگنز - Mn+2: 0.9 Å - و نیز قرار گرفتن کسر جزئی از کروم در جایگاههای هشت وجهی - B - دانست
شکل .2 تصاویر FESEM نمونههای H1 و H2
در شکل 2 تصاویر FESEM نمونههای H1 و H2 مشاهده میشود. مطابق تصاویر FESEM نمونهها شامل دانههایی متشکل از چندین نانوذره بهم چسبیدهاند. بههم چسبیدن ذرات که در تحقیقات مشابه نیز به همین صورت مشاهده شده است به نظر میرسد به دلیل روش ساخت - آسیاب سیارهای - و وجود برهمکنش بین ذرات، ایجاد شده باشد.
منحنیهای پسماند - M-H - نمونههای H1، H2 و H3 در شکل 3 نشان داده شده است.
شکل .3 منحنی پسماند مغناطیسی نمونههای H1، H2 و H3 همانطور که در شکل پیداست مغناطش نمونهها با افزایش میزان آلایش کروم، کاهش داشته است. در واقع با ورود یون غیر مغناطیسی کروم و قرارگیری این یونها به جای یونهای آهن در ساختار نمونهها مغناطش نمونهها کاهش خواهد یافت. همچنین با بررسی منحنی پسماند نمونهها مشخص شد که تمامی نمونهها هیچ گونه پسماندی ندارند که از ویژگی مواد در حالت ابرپارامغناطیس
است.
شکل .4 منحنی پذیرفتاری مغناطیسی بر حسب دما در فرکانس 333 Hz برای هر سه نمونهی H1، H2 و H3
ارزیابی دینامیک اسپینی نمونهها با استفاده از بررسی منحنیهای پذیرفتاری مغناطیسی ac نانوذرات بر حسب دما از
موثرترین روشها است. منحنی پذیرفتاری حقیقی نمونههای H1، H2 و H3 در فرکانس 333 هرتز در شکل 4 و در بازهی 33 تا 1000 هرتز در شکل 5 نمایش داده شده است.
