بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق خواص مغناطیسی نانوذراتLa0.67Sr0.33MnO3 با ساختار هسته-پوسته مغناطیسی ذاتی بررسی شده است. خواص ساختاری نمونه توسط طرح پراش پرتو X و اندازه ذرات و ضخامت لایه سطحی توسط تصاویر TEM و HRTEM تعیین شده است. بررسی خواص مغناطیسی با اندازه گیری مغناطش بر حسب دما و میدان مغناطیسی اعمالی توسط دستگاه اسکوئید انجام شده است.
نتایج به دست آمده نشان می دهند که یک لایه مرده مغناطیسی به ضخامت تقریبی 1/4 نانومتر در سطح نانوذرات وجود دارد که باعث کاهش مغناطش ذرات می شود . در این لایه همچنین اسپینهای بی نظم، در دماهای پائین یخ می زنند و حالت شیشه ایپینی سطحی را ایجاد می نمایند. برهمکنش دوقطبی-دوقطبی باعث افزایش دمای بلوکه شدن این نانوذرات تا دمای اتاق شده است.
مقدمه
هنگامی که اندازه مواد در مقیاس نانومتر قرار می گیری، آثار سطحی به شدت تأثیر گذار بوده و خواص شیمیایی و فیزیکی آنها تغییر می کند
در مواد مغناطیسی نظم مغناطیسی در سطح ذرات تغییر می کند و خواص مغناطیسی از قبیل مغناطش اشباع، دمای گذار فاز و ناهمسانگردی مغناطیسی تغییر می کنند
در نانوذرات و لایه نازک مواد فرومغناطیس، اسپینهای سطحی با وجود برهمکنش تبادلی از نوع فرومغناطیسی و پادفرومغناطیسی، در حالت بی نظم قرار می گیرند و باعث کاهش مغناطش ذرات می شوند. به این لایه سطحی، لایه مرده مغناطیسی گفته می شود و در نانوساختارهای منگنایتها نیز دیده شده است
این لایه نقش مهمی در تغییر خواص الکترونی منگنایتها نیز دارد و باعث افزایش مقاومت الکتریکی در بین مرزدانه ها می شود.
در این تحقیق جزئیات مربوط به بررسی اثر لایه سطحی در خواص مغناطیسینانوذرات - LSMO - La0.67Sr0.33MnO3 با اندازه 16 نانومتر بررسی شده است. بررسی ها بر اساس اندازه گیری مغناطش در حالت استاتیک بر حسب میدان و دما صورت گرفته است. نتایج به دست آمده نشان می دهند که در نانوذرات LSMO، شعاع هسته فرومغناطیسی6/6 و ضخامت لایه مرده مغناطیسی حدود 1/4 نانومتر است که در توافق با تصاویر HRTEM می باشند. همچنین وجود برهمکنش دو قطبی-دوقطبی در بین ذرات باعث افزایش دمای بلوکه شدن تا دمای اتاق شده است.
آزمایش
در این تحقیق نانوذرات - LSMO - La0.67Sr 0.33MnO3 به روش سل-ژل ساخته شده اند.[8] از آنالیز XRD و تصاویر TEM و HRTEM برای تعیین ساختار بلوری، اندازه ذرات، کیفیت بلوری و تعییت لایه آمورف سطحی استفاده شده است. جزئیات بیشتر مربوط به روش ساخت و آنالیز ساختاری را می توان در مرجع [8] مشاهده کرد. خواص مغناطیسی در دماهای مختلف با اندازه گیری مغناطش بر حسب دما و حلقه پسماند مغناطیسی بر حسب میدان اعمالی توسط دستگاه اسکوئید اندازه گیری شده است.
نتایج و بحث
بررسی آنالیز XRD نمونه نشان می دهد که نانوذراتLSMO به صورت تک فاز تشکیل شده اند.[8] در شکل1 تصویر TEM از نمونه پودری و تصویر HRTEM از یک نانوذره نشان داده شده است. از شکل1 دیده می شود که اندازه ذرات حدود 16 nm است و یک لایه سطحی تقریباً آمورف با ضخامت تقریبی 2 nm در اطراف نانوذرات وجود دارد.
از شکل2 پیداست که دمای کوری این نمونه در حدود 350 K است و دمای بلوکه شدن آن نیز با افزایش میدان اعمالی به سمت دماهای پایین تر جابجا می شود دمای بلوکه شدن متناظر با ارتفاع سد پتانسیل است. اعمال میدان مغناطیسی ارتفاع سد را کاهش داده در نتیجه دمای بلوکه شدن نیز کاهش پیدا می کند. چند ویژگی مهم دیگر از منحنی های مغناطش بر حسب دما دیده می شود. اول اینکه مغناطش نمونه در مد FC در هر سه میدان اعمالی، در دماهای پایین تر از دمای بلوکه شدن، با کاهش دما افزایش می یابد.
این رفتار یکی از مشخصه های مربوط به نانوذرات ابرپارامغناطیسی است که در آن ذرات کوچکتر در دماهای پایین تر در راستای میدان اعمالی بلوکه می شوند.[10 ,9] به عبارت دیگر در دماهای پایینتر هنوز نانوذراتی وجود دارند که در حالت ابرپارامغناطیسی هستند و مغناطش آنها می تواند در راستای میدان اعمالی قرار بگیرد. به همین خاطر مغناطش با کاهش دما حالت افزایشی دارد. این رفتار یکی از روشهایی است که برای تمایز حالت ابرپارامغناطیسی از حالت ابر شیشه اسپینی در نانوذرات مغناطیسی استفاده می شود.
شکل1 تصویر TEM از نانوذرات .LSMO شکل داخلی: تصویر HRTEM از یک نانوذره.
خواص دینامیکی مغناطیسی این ترکیب قبلاً با استفاده از پذیرفتاری مغناطیسیac بصورت مفصل بررسی شده است.[8] دمای کوری این نانوذرات حدود 350K است و در دمای اتاق و بالاتر از آن، در حالت ابرپارامغناطیس قرار دارند و دمای بلوکه شدن آنها در میدان 800 A/m و فرکانس 40 Hz، حدود 290K است. در ادامه به بررسی بیشتر رفتار مغناطیسی نانوذرات LSMO با استفاده از اندازه گیریهای مغناطش می پردازیم. منحنی مغناطش نمونه بر حسب دما در دو مد ZFC و FC در حضور چند میدان اعمالی در شکل2 نشان داده شده است
شکل 2 مغناطش نانوذرات LSMO بر حسب دما در مدهای ZFC و FC ، در میدان اعمالی 1 mT ، 5 mT و.50 mT
نکته دیگری که از شکل2 دیده می شود این است که در دماهای کمتر از 200 K قله هایی در منحنیهای مغناطش مد ZFC در میدانهای1 mT و5 mT دیده می شود که می تواند مربوط به یخ زدن اسپینهای سطحی در نانوذرات LSMO باشد.
در محل این قله ها، در مغناطش نمونه در مد FC نیز تغییر واضحی دیده می شود. در میدان اعمالی 50 mT دمای بلوکه شدن چنان به سمت دماهای پایین تر جابجا شده است که ممکن است دمای این قله با دمای قله مربوط به بلوکه شدن مغناطش ذرات همپوشانی داشته باشد. در نتیجه این قله به طور واضح دیده نمی شود. یخ زدن اسپینهای سطحی در نانوذرات LSMOو سایر منگنایتها در دماهای نسبتاً پایین تری نیز گزارش شده است. طبق مدل هسته-پوسته نانوذرات فرومغناطیسی دارای یک هسته فرومغناطیسی هستند که رفتار مغناطیسی آن مشابه رفتار نمونه های کپه ای است در حالی که رفتار لایه سطحی می تواند خیلی متفاوت باشد.
به خاطر وجود پیوندهای شکسته شده در لایه سطحی و ناهمگنیهای شیمیایی زیاد در سطح نانوذرات، امکان وجود برهمکنشهای تبادلی فرومغناطیسی - برهمکنش تبادلی دوگانه - و پادفرومغناطیسی - برهمکنش ابرتبادلی - وجود دارد. در این حالت که هر دو برهمکنش به طور کاتوره ای وجود دارند، شرایطی فراهم می شود که حالت پایه در لایه سطحی مانند شیشه های اسپینی باشد.
با کاهش دما اسپینهای سطحی می توانند یخ بزنند و حالت شیشه اسپینی سطحی را به وجود آورند. بنابراین قله اولی مشاهده شده در منحنیهای مغناطش نمونه LSMO بر حسب دما، مربوط به دمای بلوکه شدن مغناطش هسته نانوذرات است درحالی که قله مشاهده شده در دماهای پایین تر مربوط به یخ زدن اسپینهای لایه سطحی است. ناهمسانگردی ایجاد شده توسط اسپینهای سطحی یکی از دلایل افزایش دمای بلوکه شدن در نانوذرات LSMO است.
ممان مغناطیسی ناشی از اسپینهای یونهای مغناطیسی را می توان به صورت نظری محاسبه کرد. در ترکیب La1-xSrxMnO3 نسبت یونهای Mn3+ وMn4+ به صورت 1-xوx و اسپین آنها به ترتیب S1=2 وS2=3/2 است. بنابراین در حالت فرومغناطیسی، ممان مغناطیسی میانگین هر یون به صورت زیر خواهد بود.
ممان مغناطیسی خودبخودی نانوذرات با استفاده از رابطه زیر، از مغناطش نمونه در میدانهای مغناطیسی بزرگ حساب می نماییم.
قسمت مغناطش در میدانهای بزرگ را با این رابطه خطی برازش می دهیم. از محل برخورد آن خط با محور مغناطش، مغناطش خودبخودی حساب می شود. با دانستن جرم مولی ترکیب می توان ممان مغناطیسی آن را بر حسب مگنتون بوهر B به دست آورد.
مغناطش نمونه بر حسب میدان اعمالی تا میدانهای اعمالی 5 تسلا در چند دما اندازه گیری شده است. از این اندازه گیری می توان ممان مغناطیسی مؤثر بر واحد یونهای مغناطیسی، حجم فاز فرومغناطیسی، ضخامت لایه غیر مغناطیسی سطحی و همچنین انرژی برهمکنش دو قطبی-دوقطبی در بین نانوذرات را حساب کرد.
مغناطش نمونه در دماهای مختلف همراه با برازش یافته آنها با رابطه لانژوین اصلاح شده در دماهای بالا، در شکل 3 آورده شده اند. در دمای5 Kشیب منحنی مغناطش در میدانهای قوی نسبتاً کمتر شده است. با این حال مغناطش نمونه به اشباع نرسیده است. این مطلب نشان می دهد که آثار سطحی به طور قوی در نانوذراتLSMO وجود دارند. با برون یابی خطی مغناطش از قسمت میدانهای قوی به میدان اعمالی صفر، طبق رابطه 2، می توان ممان مغناطیسی خودبخودی بر واحد یونهای مغناطیسی را حساب کرد. در دماهای 330، 300، 200 و 5 کلوین، به ترتیب مقادیر0/16، 0/36، 1/1 و 2/1 B / Mn برای ممان مغناطیسی خودبخودی به دست می آید.
بنابراین، سهم فاز فرومغناطیسی در نانوذراتLSMO در دمای 5 K حدود % 57 مقدار نظری است. با فرض این که هسته نانوذرات فرومغناطیسی باشد، می توان ضخامت لایه سطحی غیر فرومغناطیسی را حساب کرد. برای این کار، ابتدا از رابطه می توان حجم معادل فاز فرومغناطیسی را محاسبه کرد. از تصویر TEM دیدیم که قطر ذرات حدود 16 nm است .[8] در نتیجه شعاع هسته با فاز فرومغناطیسی حدود 6/6 nm و ضخامت لایه غیر فرو مغناطیسی 1/4 nmاست
