بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق، نانوذرات گارنت ایتریوم-آهن با جانشانی وانادیوم و کلسیم با فرمول استوکیومتری 0/2 - ، 0/1، 0/2 & y=0، 0/1، - Y3-xCaxFe5-yVyO12 ; x=0 به روش سل- ژل احتراقی ساخته شدند. نانوذرات ساخته شده با استفاده از دستگاههای الگوی پراش پرتوی ایکس - XRD - ، میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی - FESEM - ، مغناطیسسنج شیب نیروی متناوب - AGFM - مشخصهیابی شدند. الگوهای XRD نشان داد که نانوپودرها دارای ساختار بلوری مکعبی هستند و فاز مورد انتظار گارنت در دمای 1200˚C به طور کامل تشکیل شده است.
میانگین اندازه بلورکها با استفاده از دادههای XRD و فرمول شرر به دست آمد. تصاویر FESEM نیز نشان میدهد که پس از پخت اندازه ذرات از حد نانو بزرگتر شده و با حضور عناصر جانشانی شده دمای پخت کاهش یافته است. منحنی مغناطش نمونهها نیز نشان داد که جانشانی کلسیم و وانادیوم در ساختار گارنت موجب کاهش مغناطش میشود. زیرا جایگاههای چهاروجهی 24d توسط وانادیوم اشغال میشود که موجب میشود Jad اندرکنش غالب درون شبکهای در زیر شبکهها باشد. همچنین حضور اتمهای Fe در جایگاههای چهاروجهی هم موجب کاهش مغناطش یونهای همسایه میشود.
مقدمه
میانی قرن بیستم ناشناخته بود. در سال 1956 با ساخته شدن تک گارنت طبیعی از قدیم به عنوان مادهای تقریباً قیمتی شناخته بلور گارنت ایتریوم-آهن - YIG - توسط گلر به ویژگیهای شده بود. ویژگیهای مغناطیسی این ترکیب تا سالهای پایانی دهه مغناطیسی این ماده پیبرده شد. ساختار بلوری YIG دارای تقارن مکعبی است. یک سلول واحد YIG شامل هشت واحد فرمولی و دارای ثابت شبکه 12/376 Åاست. ساختار این ماده نسبتاً باز بوده و حجم آن در هر واحد فرمولی برابر 236/9Å3 است.
این نوع ساختار دارای مزایای زیادی است. به طوری که امکان تجمع بسیاری از کاتیونها در ساختار گارنت وجود دارد. بنابراین به آسانی امکان ایجاد خواص مغناطیسی متفاوت در سامانه ساختاری گارنت وجود دارد .[1] از زمان کشف فازهای اکسیدی آهن با ساختار گارنت مکعبی، این مواد باعث اختراعات فراوانی بودهاند. ویژگیهای مغناطیسی، مغناطواپتیکی، گرمایی، الکتریکی و مکانیکی این اکسیدها بسیار نزدیک به ویژگیهای فریمغناطیسها است. این ویژگی گارنتهای آهن را گزینه مناسبی برای کاربرد در بسیاری از قطعات شامل مواد مغناطیسی، حسگرها، لیزرها، ابزارهای میکروموجی و الکتروشیمیایی کرده است.
[2] ویژگیهای مغناطیسی این گارنتها از جمله مغناطش اشباع، وادارندگی، پسماند و غیره به شدت وابسته به ساختار بلورین و روش تهیه آنها است و انحراف از استوکیومتری تأثیر زیادی بر ویژگیهای مغناطیسی آنها دارد .[1] روشهای مختلفی برای تهیه گارنت YIG جانشانی شده با عناصر مختلف گزارش شده است که عبارتند از روش سل-ژل، همرسوبی، میکروامولسیون و روش متداول سرامیکی .[3] در این پژوهش با استفاده از روش سل-ژل خود احتراقی که روشی کارامد در به دست آوردن محصولات تک فاز با همگنی بیشتر در دماهای پخت پایین است؛ به تهیه گارنت YIG با جانشانی وانادیوم و کلسیم و بررسی مطالعات ساختاری و مغناطیسی نمونهها پرداختیم.
کارهای آزمایشگاهی
مقادیر مناسبی از نیترات آهن و نیترات ایتریم را توزین و پس از انحلال در آب مقطر در حضور حجم مناسبی از اسید سیتریک با نسبت اسیدسیتریک به مواد اولیه فلزی برابر با 1/5 با هم مخلوط کرده و روی همزن مغناطیسی در دمای 85 C و pH=2 قرار میدهیم. برای تنظیم pH از آمونیوم استفاده شد. محلول به مدت یک ساعت در این دما هم زده شد و سپس عمل احتراق صورت پذیرفت. پودر به دست آمده درون هاون دستی آسیاب شده تا کاملاً نرم شود. سپس ماده درون کوره الکتریکی با قابلیت برنامهریزی گذاشته شده تا کلسینه شود. به طوری که ابتدا به مدت
2 ساعت در دمای 800 C، سپس به مدت 2 ساعت در دمای 1000 C و در نهایت 2 ساعت در دمای 1200 C میماند.
با مقادیر مناسبی از نیترات آهن، نیترات ایتریم، نیترات کلسیم و اکسید وانادیوم در حضور اسید سیتریک تهیه شد. برای شناسایی ساختار بلوری، اطلاع از فاز تشکیل شده و مشاهده میزان تراکم نانوذرات، آزمایشات پراش پرتو ایکس - XRD - و میکروسکوپ الکترونی گسیل میدانی - FESEM - روی نمونهها انجام شد. همچنین برای بررسی ویژگیهای مغناطیسی نمونهها، اندازهگیری مغناطیسسنج شیب نیروی متناوب - AGFM - و دمای کوری انجام شد.
بحث و نتایج
شکل1 الگوی XRD گارنت ایتریم آهن تهیه شده به روش سل-ژل احتراقی را نشان میدهد. همانطور که در شکل1 مشاهده میشود، گارنت ایتریمآهن تهیه شده کاملاً تک فاز میباشد و همه پیکهای موجود در شکل که اندیسگذاری شدهاند دلالت بر تشکیل ساختار مکعبی تک فاز دارد. آنالیز فازی با تطابق دادن با کارت استاندارد PDF شماره 01-070-0953 به دست آمده است. همچنین پیکهای بلند و باریک با پهنای کم دلالت بر این دارد که نمونهها از گسترهای از ذرات تشکیل شدهاند که ذرات با چگالی بیشتر دارای نسبت سطح به حجم کمتر هستند .[4]
