بخشی از مقاله
چکیده
نانوذرات فریت کبالت آلاییده با نیکل NixCo1-xFe2O4 با مقادیرآلایش - x=0, 0 .2, 0.4, 0.6 ,0.8, 1 - به روش سل- ژل تهیه شدند. تحلیل پراش اشعه - XRD - X آنها نشان می دهد که تمام نمونه ها داراي ساختار مکعبی اسپینلی معکوس با گروه فضایی Fd3m می باشند و اندازه بلورك ها توسط رابطه شرر در گستره 10-24 نانومتر بدست آمد. تحلیل ساختاري ، توزیع کاتیونی و تعیین ثابت شبکه نمونه ها با استفاده از نرم افزارMAUD و براساس تحلیل ریتولد، با استفاده ازطیفXRD آنها مورد بررسی قرار گرفت و مشاهده شد که ثابت شبکه با افزایش میزان آلایشNi2+ کاهش می یابد و تقارن ساختاري آن نیز تأیید گردید.
اندازه گیري خواص مغناطیسی نمونه ها توسط مغناطیس سنج - - VSM انجام شد. مقدار مغناطش اشباع - - Ms و نیروي وادارنده مغناطیسی - - Hc با افزایش میزان آلایش Ni2+ رفتار کاهشی از خود نشان داد که با استفاده از توزیع کاتیونی بدست آمده از ازنرم افزارMAUD براساس داده هايXRD و نظریه نیل مطابقت دارند. نمونه NiFe2O4 رفتار سوپرپارامغناطیسی نشان می دهد که اندازه گیريVSM ، مقدار نزدیک به صفر وادارندگی مغناطیسی - - Hc را براي آن تایید می کند.
مقدمه:
فریتهاي اسپینلی داراي فرمول کلی MFe2O4 هستند که M کاتیونهاي دوظرفیتی - - M=Fe, Ni, Zn, Co,… می باشد وکاربرد وسیع این مواد مغناطیسی در صنایع میکروامواج، سیالاتمغناطیسی، نوارها و دیسک هاي ضبط کنندهسرعتمغناطیسیبالا و دارو رسانی هدفمند، سبب توجه فراوان فیزیکدانان در این زمینه شده است. [1,2] در ساختار اسپینل نرمال ،M2+ موقعیتهاي چهارگانه - تتراهدرال - Fe3+ موقعیت هاي هشت گانه - اکتاهدرال - شبکه بلوري رااشغال می کنند و درساختار اسپینلی معکوس تمام یونهاي M2+ و نیمی از یونهايFe3+ درموقعیتهاي هشت گانه و
باقیمانده یون هايFe3+، موقعیتهاي چهارگانه شبکه بلوري را اشغال می کنند.
سلول واحد فریتهاياکسیژناسپینلی از 32 یون که به صورت تنگ پکیده مکعبی قرار گرفتند وکاتیونها که در 8بخش تتراهدرال و 16 بخش اکتاهدرال توزیع می شوند، آرایش یافته اند. [3] توزیع کاتیونی روي خواص مغناطیسی تأثیربسزایی دارد چنانچه مقدار مغناطش اشباع - Ms - و نیروي وادارنده مغناطیس c - که - Hبا استفاده از اندازه گیري خواص مغناطیسی نمونه ها توسطمغناطیس سنج - - VSM انجام گیرد، تاثیر میزان آلایشNi2+برخواص مغناطیسی و همچنین تغییر ثابت باشبکه را میتواناستفاده از توزیع کاتیونی بدست آمده از نرم افزارMAUD تحقبق و توجیه کرد. در این مقاله سنتز نانو بلور هاي فریت کبالت آلاییده با نیکل رابه روش سل- ژل انجام داده و تحلیل ساختاري و مغناطیسی آنهارا با استفاده از نرم افزار مذکور با آلایش هاي مختلف طی فرآیند نانویی شدن بررسی می کنیم.
آزمایش هاي تجربی:
براي ساخت نانوذرات فریت کبالت آلاییده با نیکل از روش سل-ژل استفاده شد. براساس علم وزن سنجی، نیتراتمقادیرمعینیکبالت Co - NO3 - 2.6H2O، اسید سیتریک C6H8O7 ، نیترات آهنFe - NO3 - 3.9H2O و نیترات نیکلNi - NO3 - 2.6H2O را به طور جداگانه درآب غیر یونی حل کرده تا محلول هایی با غلظت نیم مولار از هر کدام به دست آید. نسبت مولی نیترات ها به اسید سیتریک را 1:1 درنظر می گیریم. محلول هاي نیترات آهن، نیترات نیکل و نیترات کبالت را قطره قطره با قطره چکان به محلول نیم مولار اسید سیتریک اضافه کرده و بطور مرتب هم می زنیم. بااضافه کردن چند قطره اتیلن دي آمین یا اسیدنیتریک بهمحلول، pH آنرا روي یک تنظیممحلولمی کنیم.
حاصل را براي ژل شدن ، روي گرمکن در دماي 70 درجه سانتیگراد، مرتب هم زدیم تا ژل قهوه اي رنگی به دست آمد، سپس ژل بدست آمدهرا جهت فرایند خشک شدن در دماي 135 درجه سانتیگراد داخل کوره به مدت 24 ساعت قرار دادیم. سپس محصول بدست آمدهرا ساییده و پودر نرم حاصله را به مدت 4 ساعت در دماي بین 300-600 درجه سانتیگراد به ازاي آلایش هاي مختلفNi2+، جهت کلسینه شدن قرار می دهیم. براي مشخصه یابی ساختاري نمونه ها از طیف پراش اشعه - XRD - X، درمقیاس2θ، 4-90درجه، با تابش - CuKα - به طول موج λ=1.54056Å استفادهشد. اندازه گیري خواص مغناطیسی نمونه ها توسط مغناطیس سنج - - VSM، ساخت شرکت - مغناطیس دقیق کویرکاشان - باحداکثر میدان مغناطیسی 9000Oe دردماي اتاق انجام شد.
بحث و بررسی نتایج ساختاري:
از ترکیب NixCo1-xFe2O4 شش نمونه بر اساس آلایش هايمختلف ساخته شده است : نمونه - x=0 - 1، نمونه - x=0/2 - 2، نمونه - x=0/4 - 3، نمونه - x=0/6 - 4، نمونه - x=0/8 - 5 و نمونه6 . - x=1 - تحلیل XRD نمونه ها مشخصه هاي بلوري از جمله:ثابت شبکه، اندازه بلورك، حجم سلول واحد، عددتوزیعاشغال وکاتیونی را به دست می دهد. براي بررسی فازهاي بلوري نمونه ها
تحلیل XRD روي آنها صورت گرفت، شکل1الگوينشاندهنده پراش اشعهX نمونه ها می باشد. حضور صفحات - 220 - ، - 311 - ، - 222 - ، - 400 - ، - 422 - ، - 511 - و - - 440 در الگوي پراش نمونه ها موید پیدایش ساختار مکعبی اسپینلی با گروه فضایی Fd3m است که با مقادیر ثبت شده در کارت هاي استاندار JCPDS همخوانی دارد. نمونه ها به صورت تک فازي می باشند به طوري که هیچ پیک اضافه که نشاندهنده ناخالصیدیدهدر نمونه ها باشد نمی شود.
اندازه بلورك هاي فریت کبالت آلاییده با نیکل را می توان توسطالگوي پراش اشعهXو مشخصات پیک - - 311 با استفاده از معادله1که به معادله شرر معروف است، محاسبه نمود:که Dhkl اندازه بلورك ها، K ثابت شرر - 0.9 درنظر گرفته شده، - λ طول موج اشعه X ، β پهناي کامل پیک اصلی در نصف ارتفاع وθ زاویه پراش براگ است و براي تعیین ثابت شبکه نمونه ها a می توان از رابطه a=d - h2+k2+l2 - ½ استفاده نمود که d فاصله بین دو صفحه براگ است. طبق شکل1 با افزایش مقدار آلایشNi، پهناي پیک هاي نمونه ها و در نهایت اندازه بلورکها با توجهبه رابطه شرر کاهش یافته است. ثابت شبکه نیز کاهش می یابدزیرا یونهاي نیکل Ni - 0 .069 nm - با شعاع کوچکتر جانشین یونهاي کبالت Co - 0 .078 nm - با شعاع بزرگتر می شوند.جدول1 مقادیر اندازه بلورك و ثابت شبکه را به ازاي آلایش هايمختلف Ni با استفاده از روابط بالا نشان می دهد.
حال بااستفاده از ظریف سازي و برازش طیف XRD نانوبلورهاي فریت نیکل آلاییده با کبالت با کمک نرم افزارMAUDثابت،شبکه، توزیع کاتیونی و چگونگی اشغال بخشهاي تتراهدرال و اکتاهدرال توسط یون هاي آهن و نیکل و کبالت را بدست می آوریم. براي این منظور، مکان یونها، عدد اشغال و تعداد یونراها در هر سلول واحد با برازش داده هايXRD محاسبه نمودیم که تشکیل ساختار مکعبی با تقارن Fd3m نمونه ها را تایید می کنند. علاوه بر این، براساس نتایج بدست آمده مشاهده ننمونهدیم که ها داراي ساختار اسپینلی معکوس بوده که در آن نیمی از یونهاي آهن و تمام یون هاي نیکل و کبالت سامانه هاي اکتاهدرال وباقیمانده یون هاي آهن تمام سامانه هاي تتراهدرال را اشغال میکنند.
طبق توزیع کاتیونی بدست آمده یون هاي نیکل با شعاعکوچکتر تمایل به جانشینی یونهاي کبالت با شعاع بزرگتر دارند وثابت شبکه کاهش می یابد. توزیع کاتیونی وهمچنین مقادیر بهدست آمده ثابت شبکه که با مقادیر گزارش شده درکارت هاي استاندارد JCPDS براي ترکیبات وCoFe2O4 - a=8.39Ǻ - توافق خوبی دارند که در جداول 1 و 2
نشان داده شده است.شکل2 الگوي پراش اشعه X محاسبه شده با نرم افزارMAUDوطیف تجربی واختلاف این دو را براي نمونه 1 نشان می دهد.
بحث و بررسی نتایج مغناطیسی:
درساختاراسپینلی طبق نظریه فري مغناطیس Neel، کاتیون ها در زیر شبکه هاي مختلف - بخش هاي اکتاهدرال وتتراهدرال - داراي ممانهاي مغناطیسی هم راستا ولی در خلاف جهت هم می باشند.
بنابراین براساس این نظریه مقادیر گشتاوربرحسبمغناطیسی nB،مگنتون بوهر - - μB را می توان با قراردادن توزیع کاتیونی بدستآمده نمونه ها از نرم افزار MAUDجاگذاريدرجدول 2 وممانهاي مغناطیسی یونی Fe3+، Ni2+ و Co2+ که به ترتیب برابر با 5 μB، 2μB و 3μB می باشند، با توجه به فرمول 2 بدست آورد .
