بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، تأثیر دمای کلسینه کردن بر اندازه ذرات و خواص مغناطیسی نانو ذرات فریت بیسموت - BiFeO3 - بررسیشده و ارتباط بین اندازه ذرات و ویژگیهای مغناطیسی موردسنجش قرارگرفته است. برای این کار، نانو ذرات فریت بیسموت با استفاده از روش همرسوبی شیمیایی در دمای محیط سنتز گردید و از آمونیاک بهعنوان رسوبدهنده استفاده شد.
تحلیل فازی، بررسی خواص ساختاری و مغناطیسی و اندازه نانو پودر تولیدشده با استفاده از پراش سنجی پرتوایکس - XRD - ، طیفسنجی تبدیل فوریه مادونقرمز - FT-IR - و دستگاه مغناطیسسنج نمونه نوسانی - VSM - صورت گرفته است. مطالعه ساختاری نانو ذرات تولیدشده نشان داد که با افزایش دمای کلسینه، اندازه ذرات افزایش مییابد. کاهش اندازه ذرات، باعث بهبود خواص مغناطیسی نانو ذرات فریت بیسموت گردید، که اصلیترین دلیل آن برهم خوردن ساختار مارپیچی اسپینها در این نوع فریت میباشد.
مقدمه
نظم فرومغناطیس و فروالکتریکی با دمای نیل643 درجه کلوین و مولتی فروییکها موادی هستند که بهطور همزمان میتوانند دو یا دمای کوری فروالکتریکی 1103 درجه کلوین میباشد. این فریت چند نظم فروییکی شامل - آنتی - فرومغناطیس، - آنتی - فروالکتریک بهدلیل دارا بودن دو نظم فروالکتریکی و فر.مغناطیسی بهطور
و فروالاستیک را از خود نشان دهند .
فریت بیسموت یکی ازهمزمان دارای کاربردهای فراوانی میباشد که از جملهی آنها مواد شناختهشده در شاخهی مولتی فروییکها است که دارای دو میتوان به ذخیره اطلاعات، حسگرها، ارتباطات ماهوارهای، حافظه های مگنتو الکتریک و آهنرباهای دائمی قابل اشاره نمود.
ساختار کریستالی BFO یک ساختار اعوجاج یافته رومبوهدرال میباشد که اتمهای آن دارای شبکه فضایی R3C میباشند.
خواص فروالکتریکی و خواص مغناطیسی در فریت بیسموت به ترتیب وابسته به وجود کاتیونهای بیسموت و آهن در شبکه کریستالی BFO میباشد. روشهای مختلفی برای سنتز نانو ذرات فریت بیسموت به کار میرود که از آن جمله میتوان به روش سل ژل، هیدروترمال، همرسوبی و همچنین روش احتراقی اشاره نمود .[2]
روش آزمایش
نانو ذرات فریت بیسموت با فرمول عمومی BiFeO3 - BFO - به روش همرسوبی در دمای محیط تهیه گردید. بهمنظور تولید نانو ذرات فریت بیسموت، ابتدا بر اساس وزن سنجی مناسب با نسبت مولی کاتیونها برابر Fe:Bi=1:1/03 مقادیری از نیترات آهن1 و نیترات بیسموت2 بهدقت وزن شدند. سپس مقادیر موردنظر در بشرهای جداگانه در آب دیونیزه تحت همزن مغناطیسی برای به دست آمدن محلولهایی شفاف در دمای اتاق حل گردیدند.
نیترات بیسموت در آب دیونیزه بهراحتی حل نمیشود، برای به-دست آمدن محلول شفاف و حل شدن کامل بیسموت در آب دیونیزه مقداری اسید نیتریک را قطره قطره به محلول اضافه کرده تا جایی که محلول شفاف بهدست آید. بعد از انحلال کامل، نیتراتها در یک بشر ریخته شده به مدت 20 دقیقه تحت همزن مغناطیسی قرار گرفتند. سپس محلول آمونیاک 2/5 مولار بهعنوان عامل رسوبدهنده همحجم با محلول نیتراتها تهیه گردید. این دو محلول را در دو بورت جداگانه قرار داده و بهصورت قطرهقطره در یک بشر تحت همزن مغناطیسی ریخته شدند. استفاده از این روش نسبت به روش سنتی تشکیل رسوب همگن را تضمین میکند.
باگذشت زمان و اضافه شدن محلولها باهم، رسوب قهوهای رنگی تشکیل گردید. pH مناسب برای تهیه این نانو ذرات 9/3 در نظر گرفته شد که بایستی در طول فرآیند ثابت نگه داشته شود. در پایان رسوب تهنشین شده توسط آب دو بار تقطیر چندین نوبت شستشو داده شد و در دمای 100 درجه سانتیگراد برای 5 ساعت خشک گردید. پودر خشکشده را در هاون کاملا ساییده و سپس در دمای 550 درجه سانتیگراد به مدت 1/5 ساعت کلسینه شد
پودرهای بهدست آمده بعد از کلسینه کردن با محلول 0/2 مولار اسید نیتریک شستشو داده شده است .[4] با توجه به نتایج مطلوب، مقایسه و بررسی دمای کلسینه برای نانو بلورهای فریت بیسموت در سه دمای متفاوت دیگر مورد مطالعه قرار گرفت. برای این منظور تمام نمونهها با عامل رسوبدهنده آمونیاک و pH=9/3 در دمای اتاق تهیه گردید.
نانو ذرات در دماهای 450،650،850 درجه سانتیگراد به مدت 1/5 ساعت کلسینه شدند. بهمنظور شناسایی و تجزیهوتحلیل ساختاری و فاز فریت تهیه شده، آزمون پراش سنجی پرتوایکس توسط دستگاه - XRD - در دمای اتاق انجام گرفت. همچنین به-منظور تأیید تشکیل ساختار پروسکایت، آنالیز طیفسنجی تبدیل فوریه مادون قرمز - FT-IR - انجام گرفت. با استفاده از دستگاه - VSM - نیز خواص مغناطیسی نمونههای فریت بیسموت اندازهگیری شد.
نتایج وبحث
الگوی پراش پرتوایکس برای BiFeO3 در دمای 550 درجه سانتیگراد در شکل - 1 - آمده است. بهمنظور تجزیهوتحلیل الگوی پراش اشعه ایکس با استفاده از نرمافزار Xpert High Score تشکیل فاز موردنظر تائید شد. بررسی پیکهای پراش حاصله نشان داد که BiFeO3 دارای ساختار اعوجاج یافته رومبوهدرال پروسکایت با گروه فضایی R3C میباشد و باکارت استاندارد - JCPDS:01-071-2494 - بهخوبی مطابقت دارد. صفحات مربوط به هر پراش در شکل - 1 - بالانویسی شده است.
شکل :1 الگوی پراش پرتو ایکس نانوبلورهای فریت بیسموت کلسینه شده در دمای 550 درجه سانتیگراد به مدت 1/5 ساعت سپس با استفاده از رابطه شرر3 اندازه بلورک محاسبه شد:
که در آن D اندازهی نانو ذرات، k یک عدد ثابت - 0/94 - ، طولموج پرتوایکس 1/54076 - آنگستروم - و پهنا و عرض قله پراش در نصف ماکزیمم برای زاویه 2 است. متوسط اندازه بلورک ها 38 نانومتر بدست آمده است.
شکل - 2 - طیف FT-IR نانو پودرهای فریت بیسموت سنتز شده را در بازه 400-4000 cm 1 نشان میدهد. آنالیز FT-IR تأییدی بر ایجاد ساختار پروسکایت در نمونه میباشد. دو قله با عدد موجهای 556/10 cm 1 و 449/58 cm 1 مشاهده شده است که به ترتیب مربوط به ارتعاشات کششی Fe-O و ارتعاشات خمشی O-Fe-O هستند که از مشخصات هشتوجهی گروه FeO6 در سیستمهای پروسکایت میباشند
شکل :2 طیف تبدیل فوریه مادونقرمز نانو ذرات فریت بیسموت کلسینه شده در دمای 550 درجه سانتیگراد به مدت 1/5 ساعت به طورکلی فریت بیسموت یک مادهی پادفرومغناطیس از نوع Gمیباشد، یعنی هر یون Fe 3 با اسپین مشخص توسط شش یون دیگر Fe با اسپین غیر موازی محصور شده است. درواقع این اسپینهاکاملاً پادموازی نیستند و بهصورت یک ساختار مارپیچی اسپینی با دوره تناوب 62 تا 64 نانومتر منظم میشوند که منجر به صفرشدن مغناطش کل ماده میشود. در نانو ذرات فریت بیسموت ازآنجایی که اندازهی ذرات از دورهی تناوب یادشده کوچکتر است، این ساختار شکسته و مادهی موردنظر خواص فرومغناطیس ضعیفی از خود نشان میدهد
شکل :3 حلقه پسماند مغناطیسی نانو ذرات فریت بیسموت کلسینه شده در دمای 550 درجه سانتیگراد به مدت 1/5 ساعتدر مرحله بعد، اثر دمای کلسینه بر اندازه و خواص نانو بلورهای فریت بیسموت مورد مطالعه قرار گرفت. اندازه متوسط نانو ذرات محاسبهشده در دماهای متفاوت در جدول - 1 - ذکرشده و همچنین مقایسه الگوی پراش پرتو ایکس آنها در شکل - 4 - نشان داده شده است.
با توجه به شکل -4 - الف - روشن است که در دمای کلسینهی 450 درجه سانتیگراد فاز خالص فریت بیسموت تشکیل نشده است. با افزایش دمای کلسینه، افزایش اندازه ذرات قابل مشاهده است. در محدودهی 2 =27- 30 پیکهایی مربوط به فازهای ثانویه قابل مشاهده میباشند که با افزایش دمای کلسینه نمایانتر میشوند. این پیکها به تشکیل فازهای ثانویه Bi25FeO40 ، Bi25FeO39 و Bi2Fe4O9 مربوط میباشد
جدول :1 متوسط اندازه ذرات فریت بیسموت در دماهای کلسینه متفاوت
