بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق رفتار مغناطیسی نانوذرات فرومغناطیس و آنتی فرومغناطیس - x=0.05, 0.33 - La1-xSrxMnO3 که به روش سل- ژل ساخته شده اند،بررسی می شود. خواص ساختاري و اندازه متوسط ذرات توسط طرح پراش پرتو X و تصویر TEM تعیین شده است. خواص مغناطیسی نیز با اندازه گیري پذیرفتاري مغناطیسی ac برحسب دما ودر فرکانسهاي مختلف، و مغناطش بر حسب میدان مغناطیسی در دماي اتاق و K10 بررسی شده است. نتایج حاصل از این اندازه گیریها نشان می دهد که نانو ذرات فرومغناطیس و آنتی فرومغناطیس LSMO رفتار ابرپارامغناطیس برهمکنشی از خود نشان می دهند.
مقدمه
نانوذرات مغناطیسی به دلیل تحقیقات پایه اي و کاربردهاي مختلف از قبیل حافظه هاي مغناطیسی، سنسورهاي مغناطیسی،فروسیالها و کاربردهاي پزشکی مورد توجه زیادي قرار گرفته
اند.[1-4] منگنایتهاي پروسکایتی با مغناطومقاومت بزرگCMR وبا فرمول شیمایی La1-xAxMnO3 بطور گسترده اي مورد مطالعه قرار گرفته اند.[5-7] هنگامی که اندازه ذرات این مواد در مقیاس نانومترباشد، خواص کم نظیري مانند مغناطومقاومت بین دانه اي بزرگ، اسپین- شیشه سطحی و خاصیت ابرپارامغناطیس نسبت به نمونه هاي لایه نازك و تک بلور از خود نشان می دهند.[8-12]
ترکیب - LSMO - La1-xSrxMnO3 در بین منگنایتها به خاطر اینکه داراي بالاترین دماي کوري است، از اهمیت خاصی برخوردار است. خواص فیزیکی این منگنایت بستگی زیادي به مقدارآلایش Srدارد.
تک بلورمنگنایتLSMO درآلایشهاي خیلی کم،0 ≤ x ≤ 0.1 ،رفتار عایق گونه آنتی فرومغناطیسی دارد درحالیکه درآلایشهاي 0.1 ≤ x ≤ 0.17رفتار عایق گونه فرومغناطیسی و درآلایشهاي0.18 ≤ x ≤ 0.5 رفتار فلزگونه فرومغناطیسی دارد.[7-5] همچنین در برخی موارد حالتهاي با جدایی فاز ، نظم بار و نظم اربیتالی در این ترکیب مشاهداینهمی شود. در حالت چند فاز الکتریکی و یا مغناطیسی مجزا از هم بطور همزمان وجود دارند6] و.[5 نانوذرات LSMO براي کاربردهاي پزشکی مانند درمان سرطان به روشhyperthermia، دارو رسانی وکنتراست تصویر در MRI بسیار مناسب می باشند.[13-16] در این تحقیق خواص مغناطیسی نانوذرات La1-xSrxMnO3 در دو حالت فرومغناطیس و آنتی فرومغناطیس با اندازه گیري پذیرفتاري مغناطیسیac بر حسب دما و در فرکانسهاي مختلف و مغناطش برحسب میدان اعمالی در دماي اتاق و دماي 10 Kبررسی می شود.
آزمایش
نانوذرات مغناطیسی منگنایت La0.95Sr0.05MnO3 - نمونه - S1 وLa0.67Sr0.33MnO3 - نمونه - S2 به روش سل-ژل ساخته شده اند[17] و خواص ساختاري آنها با استفاده از طرح پراش پرتو X - XRD - مورد بررسی قرار گرفته است. اندازه ذرات با استفاده ازتصویر TEM و رابطه شرر تعیین شده است. خواص مغناطیسی بااستفاده از اندازه گیري پذیرفتاري مغناطیسیac برحسب دما و مغناطش بر حسب میدان مغناطیسی اندازه گیري شده است.پذیرفتاري مغناطیسیac توسط دستگاه پذیرفتاري سنج شرکت Lake Shore مدل 7000 و مغناطش توسط دستگاهاسکوئید اندازه گیري شده است.
نتایج و بحث
در شکل 1 طرح XRD نمونهS1 نشان داده شده است. از شکل1 دیده می شود که ساختار پروسکایتی نمونه S1تقریباً بصورت تک فاز تشکیل شده است. بررسی نتایجXRD نمونه S2 نیز نشان می دهد که ساختار بلوري آن به صورت تک فاز تشکیلاستشده.[17] با استفاده از رابطه شرر اندازه متوسط نانوذرات نمونه هايS1 وS2 به ترتیب 16/5 nm و15/5 nm بدست آمد. در شکل2تصویر TEM نمونهS2 نشان داده شده استمی.از شکل 2 دیده شود اندازه متوسط ذرات حدود 15 nm است که در توافق با نتایج بدست آمده از رابطه شرر است.پذیرفتاري مغناطیسی ac یکی از روشهاي استاندارد براي بررسی دینامیک مغناطیسی نانوذرات مغناطیسی است.[18] در شکل – 3 الف و -3 ب قسمتهاي حقیقی و موهومی پذیرفتاري مغناطیسی ac نمونه S1 بر حسب دما و در فرکانسهاي مختلف نشان داده شده است.
همانگونه که از شکل -3 ب دیده می شود، در منحنی پذیرفتاري مغناطیسی نمونه S1 بر حسب دما قله اي مشاهده می شود که مربوط به دماي بلوکه شدن نانو ذرات این نمونه است. با افزایش فرکانس ومیدان اعمالی، این دما به ترتیب افزایش و کاهش می یابد.[18] این ویژگی در نمونه هاي بالک مواد مغناطیسی که داراي چندین حوزه و دیواره مغناطیسی هستند دیده نمی شود. انرژي مگنتواستاتیک ذرات متناسب با حجم و انرژي دیواره ها متناسب با سطح دیواره هاي مغناطیسی است. باکاهش اندازه ذرات حجم ذرات کاهش و انرژي مگنتواستاتیککاهش و انرژي دیواره ها افزایش می یابد. بنابراین در یک شعاع خاص، افزایش انرژي سطحی دیواره ها بیش از کاهش انرژي مگنتواستاتیک خواهد بود و حالت پایدارتر حالتی است که ذرات مغناطیسی به صورت تک حوزه مغناطیسیدوقطبیباشند.[18]
مغناطیسی چنین ذراتی در اثر تحریک گرمایی از راستاي ناهمسانگردي مغناطیسی - راستاي سخت - گذشته و در بین جهتهاي راستاي آسان نوسان می کنند. در این حالت گفته می شودکه نانوذرات مغناطیسی در حالت ابرپارامغناطیس هستند. آنسامبلی از نانوذرات مغناطیسی در حالت ابرپارامغناطیس مانند یک پارامغناطیس معمولی رفتار می کند با این تفاوت که بجاي یک یون مغناطیسی، یک ابراسپین قرار می گیرد. با کاهش دما، انرژي گرمایی کاهش یافته و نمی تواند بر انرژي ناهمسانگردي مغناطیسی غلبه کند. در این حالت گفته می شود که نانوذرات مغناطیسی درحالت بلوکه شده قرار دارند. دمایی که درآن انرژي گرمایی برانرژي ناهمسانگردي غلبه می کند به دماي بلوکه شدن معروف است.
در دماهاي بالاتر از این دما - و کمتر از نظم مغناطیسی، - سیستم مغناطیسی در حالت ابرپارامغناطیس است و در دماهاي پایینتر از آن سیستم در حالت بلوکه شده قرار دارد. دماي بلوکه شدن به پارامترهاي ذاتی نانو ذرات مانند ثابت ناهمسانگرديمغناطیسی، حجم ذرات و به پارامترهاي خارجی مانند دما،فرکانس، شدت میدان اعمالی و برهم کنشو بین ذرات - دو قطبی یا تبادلی - بستگی دارد .[18]
فاز مغناطیسی تک بلور منگنایت
LSMO در x=0.05 در دماي 135 K از حالت پارامغناطیس به انتی فرومغناطیس گذار فاز می کند[19] در حالیکه براي نانوذراتآن همانگونه که در شکل3 نیز دیده می شود گذار فاز
فرومغناطیسی در دماي حدود 230K رخ می دهد. این تغییر حالت مغناطیسی براي نانوذرات LSMO می تواند به دلایل زیر باشد:یکی جبران نشدن مغناطش اسپینهاي سطحی یکی از زیر شبکه هاي اسپینی در سطح نانوذرات و دیگري تغییر حالت مغناطیسی از حالت با جدایی فاز، که در آن دو فاز آنتی فرومغناطیس و فرومغناطیس با هم وجود دارند، به حالتی کهفازدر آن تنها فرومغناطیس وجود دارد. [19-21]
به عبارت دیگر با کاهش اندازه ذرات در ترکیب La0.95Sr0.05MnO3 که آنتی فرومغناطیس چرخیده است[20]، فاز فرومغناطیسی غالب می شود و آنسامبلی از این نانوذرات خاصیت ابرپارامغناطیس از خود نشان می دردهند.شکل -4 الف منحنی مغناطش نمونه S2 بر حسب میدان مغناطیسی در دماي 300K نشان داده شده است. از این شکل دیده می شود که در دماي 300K در منحنی M-H پسماند مغناطیسی وجود ندارد. به عبارت دیگر میدان وادارنده، Hc و مغناطش بازمانده، Mrتقریباً صفر می باشند. علاوه بر این مغناطش نمونهS2 با اعمال میدان مغناطیسی تا 2 تسلا نیز به حالت اشباع نرسیده است. این نتایج از مشخصه هاي سیستمهاي ابرپارامغناطیس می باشند. بنابراین نانوذرات نمونه S2 در دماي اتاق در حالت ابرپارامغناطیس قرار دارند.
این نتیجه در توافق با نتایج بدست آمده از اندازه گیري پذیرفتاري مغناطیسیac این نمونه است.[17] در شکل -4 ب منحنی مغناطش نمونه S2 بر حسب میدان مغناطیسی در دماي 10 K نشان داده شده است. از شکل -4 ب دیده می شودکه در منحنی M-H حلقه پسماند مغناطیسی وجودبرايدارد ومیدان وادارنده، مغناطش بازمانده و مغناطش اشباع به ترتیب مقادیر 317 Oe،26 emu/g و 71/5 emu/g بدست می آید. براي بررسی بیشتر خواص مغناطیسی نمونه S2 از منحنی ABK - رسم M2 برحسب - H/M استفاده می کنیم. این منحنی در قسمت داخلی 4نشان داده شده است. از منحنی ABK می توان اطلاعاتی در مورد
