بخشی از مقاله
چکیده
پودر فریت هاي استرانسیوم جانشانی شده با فرمول SrFe9 - Mn0.5-xNixTi0.5 - 3O19، که درآن x شامل مقادیر 0، 0/1، 0/2، 0/3، 0/4، 0/5 می باشد با استفاده از مواد اولیه Fe2O3، SrCo3، MnCo3، NiO و TiO2 به روش سرامیکی متداول در دماي کلسینه ي 1250 ˚C تهیه شده است. پودرهاي حاصل با استفاده از آسیاب پر انرژي SPEX بعد از زمان یک ساعت آسیاب به اندازه هاي نانومتري تبدیل شده اند. بررسی الگوهاي پراش اشعه x پودرهاي حاصل نشان میدهد که ساختار فریت استرانسیوم هگزاگونال تک فاز تشکیل شده است. پارامترهاي شبکه نمونه ها با استفاده از داده هاي الگوهاي پراش اشعه X و متوسط اندازه ي ذرات آنها به وسیله ي فرمول شرر حدود 20 نانومتربه دست آمده اند.
منحنی حلقه هاي پسماند نمونه ها در دماي اتاق اندازه گیري وپارامترهاي مغناطیسی ازروي آنها تعین شده اند. نتایج اندازه گیریها نشان می دهد که مغناطش نمونه هاي نانومتري در مقایسه با نمونه هاي بالک کاهش یافته است. کاهش مغناطش براي نمونه هاي نانومتري به مدل پوسته-هسته نسبت داده شده است. علاوه براین مغناطش نمونه ها با تغییر غلظت جانشانیها - x - کاهش یافته است که علت کاهش به توزیع کاتیونی در جایگاهاي کریستالوگرافی نمونه ها مربوط است.
مقدمه
فریت استرانسیوم با ساختار هگزاگونال به عنوان یک ماده ي مغناطسی نه تنها از نقطه نظر علمی، بلکه از نظر کاربردي به ویژه در حافظه هاي ضبط مغناطیسی، و جاذب هاي مایکرویو موردتوجه بوده است. این فریت تغییرات قابل ملاحظه اي در ویژگیهاي مغناطیسی که در نتیجه ي انعطاف پذیري ساختار هگزاگونال دربرابر جانشانی کاتیونهاي مختلف می باشد، از خود نشان می دهد.
در دهه هاي اخیر با پیشرفت نانوتکنولوژي در حوزه هاي مختلف،ویژگیهاي مغناطیسی نانو ذرات فریت استرانسیوم به دلیل رفتارمتفاوتشان نسبت به نمونه هاي بالک خود، جایگاه ویژه اي را بهخود اختصاص داده استدر .[1] این راستا مجموعه گسترده اي ازپودرهاي نانومتري فریت ها با روشهاي مختلف همروسوبی،آسیاب پرانرژي و غیره تهیه و مطالعات روي ویژگیهاي مغناطییسی آنها انجام شده است .[2-4]
نتایج مطالعات نشان می دهد که مغناطش نمونه هاي نانومتري رفتار متفاوتی در مقایسه با نمونه هاي بالک خود دارند. بنابراین برخلاف گذشته که بشر تابع رفتار ویژگیهاي مواد بوده است، با ظهور نانوتکنولوژي و همچنین دستکاري در ترکیب مواد باجانشانی کاتیونهاي مختلف، بشرتوانسته است رفتار مواد را تحت کنترل خود درآورده وآنچه را که از قبل به عنوان هدف در نظر دارد، دست یابد.با توجه به اثرات جدید ذرات نانومتري به همراه تاثیر جانشانی بر روي ویژگیهاي مغناطیسی، تعدادي فریت استرانسیوم جانشانیشده با کاتیونهاي منگنز، نیکل و تیتانیوم با فرمول شیمیایی
SrFe9 - Mn0.5-xNixTi0.5 - 3O19 که درآن x شامل مقادیر 0، 0/1، 0/2، 0/3، 0/4، 0/5 می باشد، در اندزه هاي بالک و نانومتري تهیه وویژگیهاي مغناطیسی آنها در دماهايبررسیمختلف شده اند.
روشهاي تجربی
پودر فریت هاي استرانسیوم جانشانی شده با استفاده از مواداولیه Fe2O3، SrCo3، MnCo3، NiO و TiO2 به روش سرامیکیمتداول در دماي کلسینه ي 1250 ˚C تهیه شده است. پودرهاي حاصل با استفاده از آسیاب پر انرژي بعد از زمان یک ساعت آسیاب، به اندازه هاي نانومتري تبدیل شده اند. براي شناسایی ساختار و اطمینان از تشکیل فاز الگوهاي پراش نمونه ها از پراش
سنج اشعه x زیمنس استفاده شدهبلورکهاياست.متوسط اندازه ي پودرها از پهناي نصف ماگزیموم با استفاده از فرمول شرر تعیین شده است. از هر نمونه از پودرها قرص استوانه اي شکل با ابعاد
قطر 15/1، ارتفاع 7/2 میلی متر و جرم 4/1 گرم تهیه و حلقه هاي پسماند آنها در دماي اتاق با استفاده از پرمیامتر حساس در یکمیدان مغناطیسی قابل دسترس 15 kOe رسم شده اند. پارامترهاي مغناطیسی از روي این منحنی ها به دست آمده اند.
نتایج و بحث
الگوهاي پراش اشعه X اندازه گیري شده در دماي اتاق براي نمونه هاي نانومتري SrFe9 - Mn0.5-xNixTi0.5 - 3O19 در شکل 1 نشان داده شده است.همانطوریکه از شکل مشاهده می شود همه ماکزیممهاي براگ با نمونه ي استاندارد الگوهاي پراش فریت استرانسیوم سازگار است وهیچ گونه فاز اضافی مشاهده نمی شود. تک فاز شدن نمونه ها نشان می دهد که جانشانی کاتیونهاي Mn2+ ، Ni2+ و Ti4+ براي کاتیونهاي Fe3+ با موفقییت انجام شده است. متوسط اندازه ي بلورکهاي پودر نمونه ها از روي الگوهاي پراش اشعه X حدود 20 نانومتر به دستهمچنینآمده است. تغییرات پارامترهاي شبکه وa c نسبت به غلظت کاتیونهاي جانشانی شده - x - که از داده هاي الگوهاي پراش تعیین شده اند، در شکل 2 آمده است.
همانطوریکه از شکل مشاهده می شود، پارامترهاي شبکه با افزایش x، افزایش می یابند، اما گستره ي افزایش پارامتر a نسبت به پارامترc کمتر است. افزایش پارامترهاي شبکه به شعاع هاي
یونی بزرگتر کاتیونهاي Mn2+ ، Ni2+ و Ti4+ در مقایسه با شعاع یونی کاتیونهاي Fe3+ مربوط می باشد. در واقع یونهاي با شعاع یونی بزرگتر جانشین یونهاي با شعاع کوچکتر صورت گرفته است،که این جانشانی سبب افزایش پارامترهاي شبکه شده اند 5]،.[6افزایش پارامترهاي شبکه فاصله ي بین یونهاي موثر در بر هم کنش هاي ابر تبادلی را افزایش داده که به نوبه ي خود می تواندویژگیهاي مغناطیسی نمونه ها را تغییر دهد.[1]
ویژگیهاي مغناطیسی
مغن نمونه هاي بالک و نانومتري فریت استرانسیومجانشانی شده که از روي حلقه هاي پسماند در یک میدان ماگزیموم 15kOeدر دماي اتاق تعیین شده اند، در شکل3 آمده است. مقایسه منحنی نمونه هاي بالک و نانومتري نشان می دهد که منحنی نمونه ي نانومتري براي تمام غلظت یونهاي جانشانی شده به طرف پایین جابجا شده است. این جابجایی کوچک شدن مغناطش ذرات نانومتري نسبت به مغناطش بالک را بیان می کند.کوچک شدن مغناطش نمونه هاي نانومتري به وسیله مدل پوسته-هسته تفسیر می شود .[3] بر اساس این مدل هر ذره مغناطیسیشامل یک هسته با آرایش منظم مغناطیسی و یک پوسته به صورت اسپین شیشه اي - بدون مغناطش خالص - می باشد.
در این مدل پوسته با ضحامت ثابت و بدون نظم مغناطیسی به لایه ي مرده معروف است. هر چه ذره کوچکتر می شود اثر سطح که شامل لایه ي مرده ي مغناطیسی است نسبت به حجم ذره که داراي نظم مغناطیسی است بزرگتر شده، کهدر نتیجه مغناطش کوچک می شود. بنابراین نمونه هاي فریت استرانسیوم تهیه شده در این تحقیق از مدل پوسته-هسته پیروي می کند .[2]مغناطش نمونه هاي جانشانی شده بر حسب غلظت هاياي مختلف کاتیونه Mn2+ ، Ni2+ و Ti4+ در دماهاي باز پخت مختلف در شکل4 نشان داده شده است.شکل: 4 مغناطش فریت استرانسیوم جانشانی شده با کاتیونهاي Mn2+ ،Ni2+ و Ti براي اندازه هاي نانومتري در دماهاي بازپخت مختلفمطابق فرمول استوکیومتري SrFe9 - Mn0.5-xNixTi0.5 - 3O19 غلظکاتیونهاي Ti4+ ثابت و غلظت کاتیونهاي Mn2+تغییرو Ni2+ باx تغییر می کنند.
براي حالت x = 0، فقط کاتیونهاي Mn2+ Ti4+ در نمونه جانشانی شده اند. نتایج اندازه گیریها نشان می دهد مغناطش فریت استرانسیوم جانشانی شده با کاتیونهاي Mn2+ و Ti4+ در غلظتهاي پایین شبیه مغناطش فریت استراسیوم خالصاست.طیف سنجی موسبائر روي نمونهسیستمهاي مختلف این نشان داده است که دراثر جانشانی کاتیونهاي غیر مغناطیسی Ti4+با گشتاور مغناطیسی صفر، تقریبا نیمی از آن در جایگاهاي اسپین بالا و نیم دیگر در جایگاهاي با اسپین پایین جانشین کاتیونهاي مغناطیسی Fe3+ با گشتاور مغناطیسی غیر صفر می شوند. با این جانشانی گشتاورهاي مغناطیسی آهن به طور مساوي از هر دو جایگاه اسپین بالا و اسپین پایین کم شده که در نتیجه ي آن عملا هیچ تاثیري در مغناطش ندارد. از طرف دیگر جانشانی کاتیونهاي مغناطیسی Mn2+ به جاي Fe3+ با گشتاور مغناطتغییريسی برابر،
