بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش هگزافریت نانوساختار جانشین شده با کاتیونهای لانتانم و روی با ترکیب شیمیایی Sr2-xLaxNi2Fe12-xZnxO22 در مقادیر x = 0/4-0/9 به روش سل-ژل خود احتراقی به منظور بررسی خواص مغناطیسی و ریزساختاری تهیه گردید. با توجه به نتایج پراش پرتو ایکس - XRD - ، با افزایش مقدار جانشانی - x - پارامترهای شبکه a - و - c به ترتیب از 4/50 تا 5/50 c و 46/56 تا 43/99 c تغییر میکند. از طرف دیگر اندازه کریستالی در محدوده 31/4-36/2 nm قرار میگیرد. با توجه به نتایج میکروسکوپ الکترونی روبشی - FESEM - اندازه دانه پیوسته از 450 به 150nm کاهش مییابد و خواص نرم مغناطیسی بهبود مییابد. بر اساس نمودارهای هیسترزیس، مغناطش ابتدا تا x=0/7 افزایش مییابد و در ادامه کاهش مییابد همچنین وادارندگی به طور پیوسته از 1050 به Oe 569 کاهش مییابد. تغییرات خواص نرم مغناطیسی مشاهده شده در این هگزافریت را میتوان به مهاجرت کاتیونهای آهن از اسپین پایین به اسپین بالا، کرنشهای موضعی، انحراف راستای اسپینها و استحکام برهمکنشهای اَبرتبادلی نسبت داد.
کلمات کلیدی
هگزافریت نوع Y، جانشانی La-Zn، خواص مغناطیسی، سل-ژل خود احتراقی.
-1 مقدمه
از زمان کشف هگزافریتهای نوع Y توسط جانکر و همکارانش در سال 1956، به عنوان موادی بسیار مورد توجه در کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار گرفتهاند .[1] در حالت کلی هگزافریتها بر اساس ساختار به شش دسته اصلی [2] که عبارتند از: هگزافریت نوع M با ترکیب شیمیایی BaFe12O19، هگزافریت نوع Y با ترکیب شیمیایی Ba2Me2-xFe12O22، هگزافریت نوع W با ترکیب شیمیایی BaMe2-xFe16O27، هگزافریت نوع X با ترکیب شیمیایی Ba2Me2Fe28O46، هگزافریت نوع Z با ترکیب شیمیایی Ba3Me2Fe24O41 و هگزافریت نوع U با ترکیب شیمیایی Ba4Me2Fe36O60 دستهبندی میشوند. در تمامی این ترکیبها Me کاتیونهای دو ظرفیتی از ردیف اول فلزهای انتقالی مانند Ni، Zn، Cu و Co است. تمامی هگزافریتهای نوع Y فرومغناطیس هستند و خواص مغناطیسی آنها به شدت به ساختارهای کریستالی آنها وابسته است .[3]
هگزافریتهای نوع Y خواص مغناطیسی و پایداری شیمیایی عالی در فرکانسهای بالا در محدوده گیگاهرتز دارند .[4] این نوع مواد به روشهای مختلفی نظیر رسوب هم زمان شیمیایی، متبلورسازی شیشهای، ترکیبهای آلی، سل-ژل و فرآیند سرامیکی سنتز میشوند. خواص عمده مانند همگنی، شکل و اندازه ذرات و مشخصههای مغناطیسی پودرهای سنتز شده به شدت به فرآیند سنتز بستگی دارد. از میان روشهای شیمی تر، سل-ژل خود احتراقی روشی بسیار مناسب برای تولید این نوع از سرامیکهای مغناطیسی به شمار میرود .[13]-[8]
خواص مغناطیسی ذاتی هگزافریتها را میتوان با جانشانی جزیی کاتیونهای دو و سه ظرفیتی بهبود بخشید. مشخص شده است که مغناطش بهینه در هگزافریتهای باریم جانشین شده با کاتیونهای لانتانم و روی در مقدار x=0/6 ایجاد میگردد [14] به علاوه مشاهده شده است که حضور کاتیونهای La3+ در ترکیب شیمیایی هگزافریت خواص نرم مغناطیسی را بهبود میبخشد [11] و به عنوان ممانعت کننده از رشد دانه عمل میکند .[2] از طرف دیگر ذرات هگزافریت نوع Y جانشین شده با لانتانم به دلیل مقادیر کم وادارندگی در حد چند صد اورستد میتوانند کاندیدای مناسبی برای استفاده در کاربرد-هایی نظیر تجهیزات امنیتی، حسگرها، تجهیزات فرکانس بالا و مواد الکترومغناطیسی به شمار آیند .[3] بررسیهای انجام شده بر روی هگزافریت نوع Y جانشین شده با کاتیون [2] Zn نشان داده است که افزایش کاتیونهای Zn2+ به دلیل اشغال مناطق تتراهدرال و اکتاهدرال در زیرشبکه منجر به افزایش مغناطش اشباع میشود.
با اطلاع از تاثیر مناسب کاتیونهای روی و لانتانم بر روی خواص مغناطیسی هگزافریتها و با توجه به این که تاکنون بررسیهایی نسبت به تاثیر هم زمان جانشینی کاتیونهای روی و لانتانم بر روی هگزافریت نوع Y انجام نشده است، هدف اصلی این پژوهش یافتن مقادیر بهینه کاتیونهای جانشین شده برای هگزافریت Ni2Y تولید شده به کمک روش سل-ژل خود احتراقی است. در نهایت ریز ساختار و خواص مغناطیسی هگزافریت تولید شده مورد بررسی قرار گرفت.
-2 روش انجام آزمایش
-1-2 آمادهسازی نمونه
هگزافریت نوع Y با ترکیب شیمیایی Sr2-xLaxNi2Fe12-xZnxO22 0/9 - ، 0/8، 0/7، 0/6، 0/5 و - x=0/4 به کمک روش سل-ژل خود احتراقی تهیه شد. از نیتراتهای کاتیونهای اصلی با ترکیب شیمیایFe - NO3 - 3.9H2O، Sr - NO3 - 2، La - NO3 - 3.6H2O، Zn - NO3 - 2.6H2O، Ni - NO3 - 2.6H2O به عنوان مواد اولیه و از اسید سیتریک به عنوان عامل کیلیت ساز استفاده گردید. نیتراتهای فلزی با اسید سیتریک با نسبت 1 به 1/2 در 650 میلیلیتر آب مقطر حل شدند تا محلولی یکنواخت ایجاد گردد. در ادامه محلول آبی به طور پیوسته در دمای 60C به مدت 5 ساعت هم زده شد. به منظور کنترل بهتر pH، آمونیاک رقیق شده با آب مقطر در دمای محیط در حین همزدن پیوسته مغناطیسی اضافه گردید تا pH محلول مقدار خنثی 7 شود.
سل آماده شده در دمای 70C به مدت چندین ساعت نگه داشته شد تا 90 درصد آب باقی مانده تبخیر شود و ژل ویسکوز ایجاد گردد. در ادامه به دلیل حضور اسید سیتریک و نیتراتهای فلزات، احتراق انجام شد. به منظور تجزیه کامل اسید سیتزیک و ترکیبات آلی در پودرهای تهیه شده، نمونهها در دمای 450C به مدت 3 ساعت حرارت داده شدند و بلافاصله در دمای 1050C با نرخ حرارتدهی 4 C /min و زمان نگهداری 3 ساعت تحت اتمسفر هوا کلسینه گردیدند.
-2-2 مشخصهیابی
پودرهای تهیه شده به کمک روش پراش پرتو ایکس - XRD - در دمای محیط در محدوده زاویه پراش 70-20 درجه و اندازه گام 0/05 درجه بر ثانیه مورد بررسی قرار گرفتند. این آزمون با استفاده از پراشسنج بروکر مدل D5000 مجهز به منبع تشعشع کبالت - CoKα - با طول موج λ=1/7928c انجام شد. آنالیز اندازه کریستالیت - D - با استفاده از پیکهای حاصل از آنالیزو رابطه شِرر انجام گرفت. مرکز پژوهش های صنعتی و معدنی ایران
ℎ = - 1 - در رابطه - 1 - ، K ضریب شکلی - مقداری بین - 0-1، λ طول موج، β عرض کامل در نیم ارتفاع پیک بزرگ - FWHM - برای هر فاز و θ زاویه پراش است.
ریزساختار پودرهای سنتز شده با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی وضوح بالا - FESEM - در 10kV مورد بررسی قرار گرفت. خواص مغناطیسی تمام نمونهها به کمک مغناطیسسنج نمونه مرتعش - VSM - با حداکثر میدان مغناطیسی اعمالی 10kOe در دمای محیط بررسی شد.
تمام پیکها با کارت با شماره استاندارد JCPDS - 01-072-0749 - مقایسه شدند و نتایج نشان داد که پیکهای مربوط به هگزافریت نوع Y تک فاز با پیکهای ایجاد شده همخوانی دارند. همان طور که در قسمت مقدمه بیان شد حداکثر غلظت کاتیونهای روی و لانتانم برای ایجاد هگزافریت تک فاز باریم، x=0/6 است به طوری که با افزایش غلظت کاتیونهای جانشین شده، فازهای ناخالصی مانند LaFeO3 با کد استاندارد - 01-075-0439 - و ZnFe2O3 با کد استاندارد - 01-073-1963 - ظاهر میگردند .[18] به طور مشابه، در مطالعه حاضر انتظار میرود این چنین ناخالصیهایی با مغناطش ضعیفتر و وادارندگی کمتر در نمونهها با غلظت بالای کاتیونهای جانشین شده مشاهده شود اما به دلیل تطبیق بسیار زیاد زاویه پراش این ناخالصیها با پیکهای هگزافریت اصلی، امکان متمایز نمودن آنها از یکدیگر وجود ندارد.
در رابطههای - 2 - و - 3 - ، hkl اندیس میلر صفحات اتمی، طول موج و a و c پارامترهای شبکه هستند. تمام مقادیر محاسبه شده در جدول شماره - 1 - خلاصه شده است. تغییرات مشاهده شده در پارامترهای شبکه را میتوان به اختلاف بین شعاع اتمی کاتیونهای Fe3+ - 0/645c - ، La 3+ - 1/15c - ، Zn2+ - 0/83c - و - 1/130c - Sr2+ و برهمکنشهای بین عناصر نادر خاکی و یونهای اطراف آن برای اشغال مکانهای اکتاهدرال و تتراهدرال نسبت داد.
