بخشی از مقاله
چکیده
نانوذرات فریت باریم شش گوشی جانشانی شده با کاتیون های Mn2+ وCo2+ با فرمول BaMnxCoxFe12-2xO19، که درآن x بزابز با مقدارهای 1،3/0،0/0و0/5 را است به روش هیدروترمال تهیه شد. الگوهای پراش پرتو ایکس نمونه ها ی تهیه شده تشکیل ساختار تک فاز فریت شش گوشی باریم را نشان می دهد. میانگین اندازه ی بلورک های نمونه ها که از فرمول شرر و داده های XRD به دست آمده اند حدود 32 نانومتر است. تصویرهای میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی ذرارتی با مورفولوژی های تقریبا یکسان و با محدوده اندازه ذرات 80 تا 90 نانومتر را نشان می دهد. نتایج اندازه گیری های حلقه های پسماند در دمای اتاق نشان می دهد که مقدار های مغناطش اشباع و نیروی وادارندگی تغییر کرده اند. این تغییرات به چگونگی توزیع کاتیونی در جایگاهای بلورین و تأثیر پذیری ناهمسانگردی های مغناطیسی در ترکیب نسبت داده شده است.
مقدمه
فریت شش گوشی باریم با فرمول مولکولی MFe12O19 که در آن M می تواند - Ba, Sr, Pb - باشد، به دلیل پایداری شیمیایی، مقاومت گرمایی، مقاومت الکتریکی زیاد و ویژگی های الکتریکی و مغناطیسی ویژه از جمله میدان ناهمسانگردی بلوری بزرگ،مغناطش اشباع بالا و نفوذپذیری مغناطیسی قابل ملاحظه؛ کاربردهای وسیعی در قطعات ضبط مغناطیسی، جاذب های مایکرویو، ارتباطات مخابراتی، قطعات مغناطونوری و کاربردهای آهن ربای دائم دارند .[1] جهت دستیابی به موادی با کیفیت بالا و دارای ویژگی های فوق، از فرایندهای مختلفی برای ساخت مواد مغناطیسی استفاده می شود .[2]
از جمله این روش ها می توان به روش آسیاب کاری مکانیکی [3]، روش همرسوبی [4]، روش خود احتراقی [5]، روش سل- ژل [6] و روش هیدروترمال [7] اشاره کرد. در فریت شش گوشی نوع M، یون های آهن می توانند در پنج جایگاه مختلف بلوری قرار بگیرند. این جایگاه ها شامل جایگاه های هشت وجهی 2a - ، 12k و - 4f2، جایگاه های چهار وجهی - 4f1 - و جایگاه های سه گوشی دو هرمی - 2b - می باشند. گشتاورهای مغناطیسی اسپینی زیر شبکه های هشت وجهی های 12k، 2a و سه گوش 2b اسپین بالا و گشتاورهای اسپینی زیر شبکه های چهار وجهی 4f1 و هشت وجهی 4f2 اسپین پایین آرایش یافته اند .[8]
این فریت ها توانایی پذیرش کاتیون های گوناگون را در ساختار خود داشته و این موضوع می تواند منجر به ایجاد تغییرات چشمگیری در ویژگی های مغناطیسی آنها شود. برای بهبود ویژگی های این فریت ها، کاتیون های فلزات واسطه مانندZn2+، Co2+، Ti4+، Mn2+، Ni2+، Ir4+ و غیره در ترکیب جانشانی می شوند .[9] در دهه های اخیر با پیشرفت فناوری نانو در حوزه های گوناگون، ویژگی های مغناطیسی نانو ذرات به دلیل رفتار متفاوتشان نسبت به نمونه های کپه ای خود، جایگاه ویژه ای را به خود اختصاص داده اند .[10] در این مطالعه اثر جانشانی همزمان کاتیون های کبالت و منگنز بر ساختار، آنالیز فازی و ویژگی های مغناطیسی فریت شش گوشی باریم نوع M تهیه شده به روش هیدروترمال مورد بررسی قرار گرفته است.
روش های تجربی
فریت شش گوشی باریم جانشانی شده در اندازه های نانومتری مطابق فرمول استوکیومتری BaMnxCoxFe12-2xO19 که درآن x برابر 0، 0/1، 0/3 و 0/5 است، با استفاده از تعیین نسبت های مولی مواد اولیه شامل BaCl2.6H2O، FeCl3.6H2O، MnCl2.6H2O و CoCl2.6H2O همگی از شرکت مرک به روش هیدروترمال در دمای تشکیل فاز 900 & و به مدت 2 ساعت ماندگاری در این دما تهیه شدند برای شناسایی فازهای تشکیل شده، الگوهای پراش پرتو ایکس نمونه ها با یک دستگاه پراش سنج پرتو 1 مدل D8 ADVANCED تهیه شد.پارامترهای شبکه از داده های الگوی پراش و میانگین اندازه ی بلورک ها از پهنای قله ی پراش در نیم بیشینه و فرمول شرر تعیین شدند. تصاویر میکروسکوپی الکترونی روبشی گسیل میدانی به وسیله دستگاه هیتاچی2 مدل S-4160 انجام شد. حلقه های پسماند مغناطیسی نمونه ها در دمای اتاق با یک دستگاه VSM و در یک میدان مغناطیسی با بیشینه حدود 10 kOe رسم شدند. پارامترهای مغناطیسی نمونه ها از روی این منحنی ها به دست آمد.
نتایج و بحث
الگوهای پراش پرتو ایکس نانوذرات فریت شش گوشی باریم خالص و نمونه های جانشانی شده با کاتیون های کبالت و منگنز در دمای اتاق در شکل - - 1 نشان داده شده است.بررسی الگوهای پراش پرتو ایکس این نمونه ها نشان می دهد که نانوذرات فریت شش گوشی باریم خالص تشکیل و به صورت تک فاز در آمده است. قله های پراش این نمونه که تمامی قله های پراش آن شناسایی و صفحات بلوری مختص آنها نامگذاری شده است با خط های پراش نمونه ی استاندارد فریت باریم با کارت مرجع شماره01-074-1121 سازگار است. همچنین مقایسه الگوهای پراش پرتو X نمونه های جانشانی شده با کارت مرجع مذکور نشان می دهد که تمامی قله های تشکیل شده به استثنای یک قله باشدت بسیار ناچیز در نمونهx= 0/1 در زاویه 26/85 و در نمونه های با مقدارهای x دیگر در زاویه 33/10، که مربوط به فاز هماتیت -Fe2O3 - - است، همگی مربوط به فریت باریم نوعM می باشند.
قله های پراش پرتو ایکس نمونه های جانشانی شده دچار تغییرات ناچیزی شده اند که این موضوع می تواند به دلیل ایجاد اعوجاج در شبکه، ناشی از حضور کاتیون های جانشانی شده باشد. میانگین اندازه ی بلورک ها از روی الگوهای پراش پرتو ایکس محاسبه و در حدود 32 نانومتر به دست آمد. همچنین تغییرات پارامترهای شبکه a و c نسبت به غلظت کاتیون های جانشانی شده - x - که از داده های الگوهای پراش تعیین شده اند، در جدول 1 آمده است.همان گونه که از این جدول دیده می شود، پارامترهای شبکه با افزایش x، تغییر می یابند، اما گستره ی تغییرات پارامتر a نسبت به پارامترc کمتر است. تغییرات پارامترهای شبکه به اندازه شعاع کاتیون های Mn2+ - 0/81 c - و - Co2+ - 0/74 c در مقایسه با شعاع کاتیون Fe3+ - 0/64 c - مربوط است 6]،.[5 این تغییرات می تواند منجر به ایجاد اعوجاج در ساختار فریت شود. تصویر های میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی نمونه های تهیه شده در شکل - 2 - نشان داده شده است.
با توجه به تصویر های میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی مشخص است که ذرات دارای مورفولوژی های تقریبا یکسانی بوده و ذراتی با مورفولوژی های صفحه ای، شش گوشی و شبه کروی مشاهده می شود. تهیه نانو ذرات با روش هیدروترمال توانایی دستیابی به ذراتی با مورفولوژی یکسان را می تواند فراهم کند. همچنین محدوده اندازه ذرات برای این نمونه با تغییرات کمی همراه است و در بازه 80 تا 95 نانومتر است. بنابراین می توان گفت که جانشانی ها در ساختار فریت شش گوشی باریم تأثیر قابل ملاحظه ای بر روی اندازه ذرات نداشته است و ذرات دارای اندازه های تقریبا یکسانی در همه نمونه های جانشانی شده می باشند. شکل - 3 - حلقه های پسماند مغناطیسی اندازه گیری شده در دمای اتاق برای نمونه های مختلف جانشانی شده را به ازای مقادیر مختلف نشان می دهد.
همان گونه که در این شکل دیده می شود مقادیر مغناطش اشباع و نیروی وادارندگی برای نمونه خالص فریت باریم به ترتیب برابر با 41/7 emu/g و 3372 Oe می باشند. با جانشانی کاتیون ها در ساختار ترکیب، مقادیر مغناطش اشباع ابتدا کاهش و سپس افزایش یافت در حالی که نیروی وادارندگی با افزایش مقدار جانشانی
