بخشی از مقاله
چكيده
در اين تحقيق به بررسي ويژگيهاي ساختاري و مغناطيسي فريت كبالت CoFe2O4 تهيه شده با درصدهاي مختلف اوره پرداخته شده است. نمونهها با استفاده از روش هيدروترمال تهيه شدند و اثر تغييرات درصد اوره بر ويژگيهاي ساختاري و مغناطيسي نمونههاي تهيه شده مورد بررسي قرار گرفت. به منظور بررسي ويژگيهاي ساختاري و مغناطيسي نمونههاي تهيه شده آناليزهاي مختلفي از قبيل پراش پرتو ايكس، طيف سنجي تبديل فوريه مادون قرمز و مغناطيس سنج ارتعاشي روي نمونهها انجام شد. آناليز پراش پرتو ايكس نمونههاي تهيه شده نشان داد كه افزايش درصد اوره تا ميزان مشخصي منجر به توليد نمونههاي تكفاز ميشود و افزايش بيش از آن باعث ايجاد ناخالصي در نمونهها ميشود. ويژگيهاي مغناطيسي نمونهها نيز نشان داد كه مغناطش اشباع نمونهها در اثر افزايش اوره افزايش يافته و سپس كاهش مييابد.
مقدمه
فريت ها به دستهاي از مواد مغناطيسي اطلاق ميشود كه جزء اصلي تشكيل دهندهي آنها اكسيد آهن است. يونهاي فلزي در دو زيرشبكهي مجزا به صورت پادموازي منظم شدهاند. از نظر ساختار بلوري فريتها به دو دستهي كلي فريتهاي مكعبي و فريتهاي هگزاگونال طبقهبندي ميشوند. فريتهاي مكعبي داراي ساختار اسپينلي هستند و فرمول شيميايي آنها به صورت MFe2O4 ميباشد كه M يون مغناطيسي دوظرفيتي از قبيل Co؛ Zn؛ Mn و ... است ]١-٣.[
فريت كبالت با فرمول شيميايي CoFe2O4 از نوع فريتهاي مكعبي با ساختار اسپينلي است. در اين نوع از فريتها دو جايگاه چهاروجهي و هشتوجهي وجود دارد كه بسته به قرارگيري كاتيونهاي فلزي دو يا سه ظرفيتي در اين جايگاهها، سه نوع ساختار اسپينلي متفاوت طبيعي، معكوس و آميخته ايجاد ميشود. فريت كبالت يك اكسيد فريمغناطيس با ساختار اسپينلي معكوس است. دماي كوري اين فريت ٥٢٠ درجهي سانتيگراد است و داراي ناهمسانگردي مغناطوبلوري بالايي است. همچنين اين فريت از ميدان وادارندگي و مغناطش اشباع بالايي برخوردار است و در پزشكي، فيلترهاي صوتي، هدهاي مغناطيسي و ... كاربردهاي وسيعي دارد ]٤-٥.[ از اين رو در سالهاي اخير فريت كبالت مورد علاقه محققان قرار گرفته است.
ويژگيهاي مغناطيسي اين ماده به شدت به روش ساخت، اندازهي ذرات، دماي بازپخت و توزيع كاتيونها در جايگاه چهاروجهي و هشتوجهي وابسته است. براي ساخت اين فريت روشهاي متفاوتي وجود دارد كه از آن جمله ميتوان به روش سل- ژل، همرسوبي، حالت جامد و هيدروترمال اشاره كرد ]٦-٨.[ در اين تحقيق براي ساخت نانوذرات فريت كبالت از روش هيدروترمال استفاده شده است. از مزاياي اين روش ميتوان به خلوص و همگني بالاي محصولات به دليل انجام فرايند در يك محيط بسته و كم مصرف بودن انرژي اشاره كرد. تحقيق حاضر به بررسي تغييرات ايجاد شده بر ويژگيهاي ساختاري و مغناطيسي فريت كبالت به ازاي درصدهاي مختلف اوره پرداخته است.
روش ساخت
در اين تحقيق از روش هيدروترمال براي ساخت نانوذرات فريت كبالت استفاده شد. براي اين منظور كلريد آهن - FeCl3.6H2O - ، كلريد كبالت - CoCl2.6H2O - ، آسكوربيك اسيد - C6H8O6 - ، اوره - Co - NH2 - 2 - ، و آب يون زدايي شده به عنوان مواد اوليه انتخاب شدند. به عنوان مثال براي ساخت فريت كبالت با ٥/١ درصد اوره ميزان گرم اوره ٥/١ برابر مجموع يون فلزي انتخاب شد. بر اين اساس ٥٣٥/٢ گرم كلريد كبالت، ٢٣٦/٤ گرم كلريد آهن، ٨٧٩/٢ گرم اوره و ٢ گرم آسكوربيك اسيد وزن و در ٧٠ ميليليتر آب يونزدايي شده حل شد. سپس محلول حاصل به مدت ٣٠ دقيقه روي همزن مغناطيسي قرار گرفت تا پودرهاي اوليه كاملا حل شوند. محلول همگن به دست آمده درون اتوكلاو ريخته شد و اتوكلاو به مدت ١٠ ساعت درون كوره قرار داده شد. بعد از خروج اتوكلاو از كوره، نمونه با اتانول و آب چندين مرتبه شستشو داده شد و سپس روي هيتر قرار داده شد تا خشك شود. در نهايت نيز نمونه به مدت ٤ ساعت در دماي ٨٠٠ درجهي سانتيگراد درون كوره بازپخت شد.
به منظور بررسي ويژگيهاي ساختاري و مغناطيسي نمونههاي تهيه شده، مشخصهيابي هاي مختلفي روي نمونهها انجام شد. طيف XRD نمونهها با استفاده از دستگاه پراش پرتو ايكس تهيه شد. براي اندازهگيري طيف FT-IR نمونهها از دستگاهي كه قابليت اندازهگيري در گسترهي فركانسي ٤٠٠ تا cm-1 ٤٠٠٠ است؛ استفاده شد. در ضمن مغناطش نمونهها با استفاده از دستگاه VSM با قابليت اعمال حداكثر ميدان Oe١٥٠٠٠ اندازهگيري شد.
نتايج و بحث :
تشكيل فريت كبالت در اثر افزودن اوره و اسيد آسكوربيك به نيتراتهاي فلزي با واكنشهاي شيميايي زير قابل توصيف است: شكل - ١ - طيف پراش پرتو ايكس نمونههاي فريت كبالت تهيه شده به ازاي درصدهاي مختلف اوره را نشان ميدهد. نمونهها با كارت استاندارد به شماره - ٢٢-١٠٨٦ - تطبيق داده شدند. با توجه به شكل مشاهده ميشود كه نمونهي بدون اوره داراي فاز ناخالصي است. افزايش اوره تا ١درصد همانطور كه در شكل نشان داده شده است بهبود فاز ساختاري نمونه را به همراه دارد. نتايج حاكي از آن است كه افزايش بيش از حد اوره - به ازاي مقادير بيشتر از ١ درصد - در تركيب، نه تنها بهبود ساختار بلوري را به دنبال ندارد بلكه باعث بروز ناخالصي در ساختار فريت كبالت ميشود. تطبيق طيف پراش پرتو ايكس نمونهي تهيه شده با ٥/١ درصد اوره با كارت استاندارد به شماره ٠٦٦٤-٣٣، نشان دهندهي فاز ناخالصي Fe2O3 در اين نمونه است. از اين رو ميتوان نتيجه گرفت كه براي تهيهي فريت كبالت به روش هيدروترمال و با استفاده از اوره، حد بهينهي وجود دارد و افزايش بيش از حد بهينه باعث بروز ناخالصي در تركيب ميشود.
با توجه به نتايج حاصل از پراش پرتو ايكس نمونهها، متوسط اندازهي بلوركها بر طبق رابطهي ويليام سون- هال - β cosθ = 2ε sinθ+ - به دست آمد. در اين رابطه β پهناي قله در نصف ماكزيمم بر حسب راديان، θ زاويهي پراش، k مقدار ثابت كه براي ذرات كروي شكل برابر ٩/٠ و ε معرف تنش است. براي اين منظور قلههاي عمده در طيف پراش انتخاب شدند و مورد برازش گوسي قرار گرفتند و مقادير β و θ مربوط به هر قله به دست آمد. سپس نمودار β cosθ بر حسب 2 sinθ رسم و از عرض از مبدا نمودار رسم شده اندازهي بلورك مربوط به قلهي انتخابي به دست آمد. با انجام اين كار براي ساير قلهها و ميانگينگيري از نتايج به دست آمده اندازهي بلوركها براي نمونهي مورد بررسي تعيين شد. نتايج اين محاسبات در شكل - ٢ - نشان داده شده است. نتايج حاكي از آن است كه اندازهي بلوركها ابتدا كاهش مييابد و به كمترين مقدار خود به ازاي نمونهي ٥/٠ درصد ميرسد و سپس افزايش مييابد.
با توجه به اينكه طيف سنجي مادون قرمز - FTIR - روشي مناسب براي تعيين ساختار و شناسايي تركيبات آلي موجود در نمونه است بنابراين براي شناسايي گروههاي عاملي و پيوندهاي موجود در نمونههاي تهيه شده، آناليز FTIR بر روي پودرهاي حاصل انجام شد. نتايج حاصل از اين آناليز در شكل - ٣ - نشان داده شده است. در حالت كلي در طيف FTIR فريتها دو محدوده جذب مربوط به جايگاه هاي A و B وجود دارد كه به ترتيب در محدودهي Cm-1٨٠٠- ٥٠٠ و Cm-1٤٥٠- ٣٠٠ قرار دارند. اين قلهها مربوط به ارتعاشات ذاتي كاتيونها در مكانهاي A و B است. بسته به جرم كاتيون و قدرت پيوند بين كاتيون و اكسيژن، در يكي از موقعيتهاي اين محدودهي فركانسي جذب صورت ميگيرد. مدهاي موجود در بسامدهاي Cm-1١٦٢٦ و Cm-1٣٤٤٧ هرتز نيز به گروه هيدروك سيل مربوط مي شود. بر اين ا ساس قلهي م شاهده شده در فركانس Cm-1٥٨٠ مربوط به پيوندهاي Fe - O و Co- O در مكانهاي چهاروجهي و هشتوجهي ميباشد. همچنين قلهي موجود در فر كانس Cm-1٣٤٤٩ نشانده نده گروه هاي عاملي هيدروكسيل در نمونهها است ] ٩.[ با تغيير ميزان اوره در قله موجود در Cm-1٥٨٠ جابه جايي اندكي مشاهده ميشود كه به نظر ميرسد مربوط به حذف و يا شكلگيري ناخالصي در نمونهها است.
