بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق کامپوزیتهای باریم استرانسیوم تیتانات / فریت کبالت-روی که از دو فاز مغناطیسی متفاوت تشکیل شدهاند را مورد بررسی قرار دادیم. فاز پیروالکتریک شامل ذرات باریم استرانسیوم تیتانات با اندازهی در حدود 150 نانومتر و فاز مغناطیسی نرم شامل نانوذرات فریت کبالت-روی با اندازهی ذرات در حدود 30 نانومتراست؟ هر دو فاز به کمک روش×سل- ژل و هر یک با استوکیومتری بهخصوصی تهیه شدهاند. آنالیز پراش پرتو X نشان میدهد که فاز خالصی از فازهای مغناطیسی مورد نظر شکل گرفته است. بررسی گذردهی الکتریکی، تراوایی مغناطیسی و اتلاف بازتابی نمونهها در محدوده فرکانسی 1-18 GHz چگونگی پاسخ امواج الکترومغناطیسی به این نمونهها را در این محدودهی فرکانسی نشان میدهد.
مقدمه
در سالهای اخیر استفاده از مواد فروالکتریک برای کاربرد در ناحیهی فرکانسی مایکروویو موردتوجه قرار گرفته است. وابستگی دمای کوری به ترکیب و ساختار مواد فروالکتریک و رفتار غیرخطی پذیرفتاری دیالکتریک نسبت به میدان خارجی اعمالی، مواد فروالکتریک ازجمله باریم استرانسیوم تیتانات - BST - را نامزد مناسبی برای کاربرد در قطعات مایکروویو کوکپذیر کرده است. ازجمله این قطعات میتوان به تغییردهندهی فاز برای کاربردهای توان بالا، فیلترهای کوکپذیر و نوسانسازهای ولتاژ و... اشاره کرد.
در تغییردهندههای فاز که در آنها ازBST استفاده شده است، علاوه بر اینکه دارای کوکپذیری بالایی هستند، اتلاف در آنها نیز کم بوده و بنابراین میتوان از آنها برای توانهای بالا که دارای کاربردهای نظامی نیز هست، بهره گرفت. بهعلاوه از نانوکامپوزیتهای حاصل از این مواد با فریتها بهویژه فریتهای نرم میتوان بهعنوان مواد جاذب امواج در فرکانسهای مایکروویو استفاده کرد 1] و .[2 فریت کبالت-روی بهعنوان یک مادهی مغناطیسی نرم، مغناطش اشباعی بزرگ و حد اسنوک بالایی داشته و درنتیجه دارای تراوایی مغناطیسی مختلط بزرگ، روی یک ناحیهی فرکانسی گسترده است. این خاصیت، فریت کبالت-روی را بهعنوان یک مادهی جاذب با ضخامت کم، در محدودهی فرکانسهای بالا، مطرح میسازد 3] و .[4
تهیه نمونهها
در این تحقیق از باریم استرانسیوم تیتانات - BST - با فرمول شیمیایی Ba0.7Sr0.3TiO3 بهعنوان فاز پیروالکتریک و نانوذرات فریت کبالت-روی - CZF - با فرمول Co0.6Zn0.4Fe2O4 بهعنوان فاز مغناطیسی نرم برای تهیهی کامپوزیتها استفاده شد. هر یک از این دو ماده بر اساس روش سل- ژل و با استفاده از نیتراتهای مواد اولیهی مورد نظر در هر ترکیب تهیه شدهاند. پسازاینکه فازهای مغناطیسی تهیه شدند و از خلوص فازهای مورد نظر اطمینان حاصل شد، این دو فاز به نسبت درصدهای وزنی مورد نظر با یکدیگر مخلوط شده و به مدت نیم ساعت توسط آسیاب دستی، آسیاب شدند و سپس پودرهای حاصله را در داخل کوره در دمای 900 C به مدت 3 ساعت قرار دادیم تا فاز کامپوزیتی مورد نظر شکل گیرد.
نتایج و بحث
برای بررسی و آنالیز ساختاری نمونهها از پراش پرتو ایکس - XRD - و میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی - FESEM - و برای بررسی خاصیت جذب امواج الکترومغناطیسی در محدودهی فرکانسی 1-18 GHz از تحلیلکننده شبکه - VNA - استفاده شد. شکل 1 طیف XRD که توسط تابش CuK 1 و با آهنگ روبش 0/05 deg/s تهیهشده را نشان میدهد. در ساختار کامپوزیتها، دو فاز تشکیلشدهی مربوط به فاز اسپینلی فریت کبالت-روی و فاز پروسکایتی باریم استرانسیوم تیتانات در کنار یکدیگر قرار میگیرند و یک ساختار دوفازی را تشکیل میدهند.
با افزایش درصد فریت کبالت-روی و کاهش درصد باریم استرانسیوم تیتانات از شدت قلههای مربوط به فریت کاسته شده و بر شدت قلههای مربوط به باریم استرانسیوم تیتانات افزوده میشود. همچنین در حد دقت دستگاه XRD ، هیچگونه قلهی اضافی در طیفها مشاهده نمیشود که نشانگر تشکیل کامپوزیت بدون وجود ناخالصی ساختاری در دمای تکلیس 900 C میباشد. با افزایش درصد فریت کبالت-روی در ساختار کامپوزیت، به دلیل افزایش تعداد نانوذرات فریت با اندازههای خیلی کوچک، پهنای قلهها در نصف بیشینه افزایش مییابند
بهمنظور بررسی ریزساختار نمونهها از FESEM در میدان 20 kV و در مقیاس 500 nm استفاده شده است. تصاویر 2 به ترتیب مربوط به فریت کبالت-روی، باریم استرانسیوم تیتانات و کامپوزیت با نسبت درصد فریت کبالت-روی به باریم استرانسیوم تیتانات بهصورت 50/50 هستند. در تمام نمونهها اندازهی دانهها متغیر بوده و با افزایش درصد فریت کبالت-روی در درون ساختار، بر تعداد دانههای کوچک که اندازهی دانههای آنها در زیر 50 nm بوده و بهصورت کپهای در کنار یکدیگر قرار دارند افزوده میشود.
بنابراین احتمال میرود که این ذرات مربوط به فاز فریت کبالت- روی باشند، ولی برای بررسی دقیقتر آنالیزهای دیگری نظیر EDX موردنیاز است. اندازهی متغیر دانهها در محدودهی زیاد و حضور دو گروه از ذرات با اندازههای کاملاً متفاوت در کنار یکدیگر، تا حدودی دوفازی بودن ساختارهای این کامپوزیتها را تأیید میکنند. شکل دانهها بهصورت کاتورهای بوده و تقریباً شکلی شبه کروی دارند. در کامپوزیتها گذردهی الکتریکی و تراوایی مغناطیسی تعیینکنندهی مشخصههای جذب این مواد هستند. در این تحقیق، اندازهگیریهای مربوط به اتلاف بازتابی در محدودهی فرکانسی 1-18 GHz بر اساس نظریهی عبور خطی انجام شده است.
چگونگی پاسخ کامپوزیتهای باریم استرانسیوم تیتانات/ فریت کبالت-روی در محیط پارافین در شکلهای 3 تا 5 نشان داده شده است. در نمونههای با درصد پارافین ثابت 10 یا 20، با افزایش درصد باریم استرانسیوم تیتانات در ساختار کامپوزیت، به دلیل افزایش خاصیت دیالکتریکی ماده، قسمتهای موهومی گذردهی الکتریکی کامپوزیت افزایش مییابند، بهطوریکه کامپوزیت با نسبت وزنی فریت کبالت-روی به باریم استرانسیوم تیتانات بهصورت 5/95 و 20 درصد پارافین، بیشترین مقدار موهومی گذردهی را دارد.
بر طبق شکل 3 تغییرات قسمتهای موهومی گذردهی الکتریکی نمونههای با درصدهای متفاوت پارافین و مادهی مغناطیسی، در محدودهی 0-2 تغییر میکنند. قلهی اصلی قسمت موهومی گذردهی نمونهها در حوالی 15 GHz و در بازهی فرکانسی 13-17/5 GHz قرار دارد و در سه مورد از نمونهها یک قلهی فرعی در حوالی 9، 12 و 18 GHz قرار میگیرد. بنابراین انتظار میرود که برخی از قلههای جذب در حوالی 15 GHz قرار گیرند و در این نواحی مؤلفهی میدان الکتریکی موج مایکروویو تضعیف شود.
بر طبق شکل 4 قسمتهای موهومی تراوایی مغناطیسی نمونههای با درصد پارافین مختلف، رفتاری متفاوت داشته و پس از آنکه در فرکانس نزدیک به 3 GHz به مقدار بیشینهی خود می- رسند، بهصورت نمایی کاهش یافته و به سمت مقدار صفر که مربوط به مادهی غیرمغناطیسی است، میل میکنند. بالاترین بیشینه مربوط به نمونهی با نسبت 80/20 و درصد پارافین 10 است که مقدار 0/95 را دارد. با افزایش درصد پارافین، فرکانس مربوط به مقدار بیشینه جابجایی فرکانسی کوچکی دارد.
