SUPERVISOR
Mehdi Ranjbar,Hadi Salamati mashhad,Parviz Kameli
مهدی رنجبر (استاد راهنما) هادی سلامتی مشهد (استاد مشاور) پرویز کاملی (استاد راهنما)
STUDENT
Mozhdeh Rahimi chermahini
مژده رحیمی چرمهینی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده فیزیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389
TITLE
The effect of zinc doping, temperature annealing and polyvinyl alcohol (PVA) coating on structural and magnetic properties of Ni1-xZnxFe2O4 ferrite nanoparticles
Thespinelferritenanoparticlesdue tocharacteristicssuch ashigh permeabilityandlow coercivity,have beenwidely usedinindustryand medicine.But, a simple,reproducibleand low cost fabrication method by whichmagnetic nanoparticlesaresynthesizedwithhighhomogeneity andpurityhasalwaysbeen aconcern ofresearchers. Therefore,inthis study, nanocrystallineNi x Zn 1-x Fe 2 O 4 ferrites,themost commonly usedmagneticmaterials among the spinel ferrites, have been synthesized via sol–gel auto-combustion method usingEDTA as a complexion agent, thatpreventsoxidationand interaction ofmetal cationswiththesurroundingions and causes the formation of finer particles. Thisstudyconsists of threeparts. In thefirst part,we have investigated the effect of Znsubstitutiononstructureand magneticpropertiesof nickelferrite and in the second part,the effect of sinteringtemperatureand thenin thethird part, the effect of polyvinyl alcohol (PVA) coating on structural, magnetic properties and spin dynamics of Ni 0.3 Zn 0.7 Fe 2 O 4 ferrite nanoparticles have been studied usinganalysissuch asX-ray diffraction(XRD),Furier Transform Infrared(FTIR),microscopic imaging(FE-SEM)and(TEM),vibrating sample magnetometer (VSM)andac susceptibility measurements. The XRD patterns indicated that the crystalline structure is single phase cubic spinel for all samples and the MAUD results indicate that the synthesized nickel ferrite (NiFe 2 O 4 ) and the zinc ferrite (ZnFe 2 O 4 ) nanocrystals have inverse and normal spinel structure, respectively. Ni 1-x Zn x Fe 2 O 4 ferrites (0 x 1) have a mixed spinel structure. TheVSM data showed that by increasing Zn doping level up to x = 0.3, the magnetization was increased and it was decreased by further increase in x ,due to the weakening of the superexchange interaction at the octahedral sites.The magnetocrystalline anisotropy constant of Ni ferrite is larger than that of Zn ferrite. Therefore, the magnetocrystalline anisotropy constant decreases with the replacement of Zn 2+ ion by Ni 2+ ion, which implies an decrease in H c .The XRD patterns of the samplesannealedat different temperatures350-1200 °C,showed the peaks width reduces by increasing sintering temperature indicating the crystallite size enhancement during sintering process at elevated temperatures. Saturation magnetization ( M s )increaseswith increasingsinteringtemperature andcanbecaused due tothree reasons: (1)In the larger nanoparticles, high crystallinity and a low amount of microstructure defects allow domain walls to move easily in the magnetization process, (2) In the Core-shell morphology, the higher core/shell ratio of large particles leads to eliminations of surface effects and consequently enhancement of M s and (3) by increasing the sintering temperature, the extra Fe 3+ ions in the A sites, start distributing into the B sites and hence the number of Fe 3+ ions at A site is reduced. Consequently, the n B increases with increasing sintering temperature due to a decrease in fraction of magnetic moment of A site and an increase in the net magnetic moment of B sites. Of course, thethirdreason was confirmed byfitting ofXRDpatterns using theMAUDsoftware. XRDpatterns oftwo samples withand withoutPVAannealedat 375°Cindicated that the crystalline structure is single phase cubic spinel and in which the spinel structure is retained after PVA coating and the increase in M s after PVA coating could be attributed partly to the nanoparticle’s crystal growth after polymer coating. The analysis of acsusceptibilitycurveswith critical slowing down model showed that, the interparticle interaction leads to the superspin glass-likebehavior in these nanoparticle samples. Key words: Spinel ferrites, Sol-gel, EDTA, Znsubstitution effect, Temperature effect, Cation distribution, Core-shell model, Critical size, PVA.
نانوذرات فریت های اسپینلی به سبب دارا بودن ویژگی هایی همچون نفوذپذیری بالا، وادارندگی در حدود چند اورستد و ...، کاربرد گسترده ای در عرصه های صنعت و پزشکی یافته اند. اما یافتن روش ساخت ساده، تکرارپذیر و مقرون به صرفه که در طی آن نانوذرات مغناطیسی با همگنی و خلوص بالا ساخته شوند، همواره از دغدغه های محققان بوده است. بنابراین در این تحقیق، نانوذرات فریت نیکل- روی که از جمله پرکاربردترین مواد مغناطیسی است به روش سل-ژل خود احتراقی با بهره گیری از کمپلکس ساز EDTA که با احاطه ی کاتیون های فلزی مانع از اکسید شدن و برهم کنش یون ها شده و سبب ایجاد ذرات ریزتری می شود، ساخته شدند. این تحقیق متشکل از سه بخش است. در بخش اول اثر جانشانی Zn بر ویژگی های ساختاری و مغناطیسی فریت نیکل و در بخش دوم اثر دمای بازپخت و در ادامه در بخش سوم اثر افزودن پلیمر زیست سازگار PVA بر ویژگی های ساختاری و مغناطیسی نانوذرات فریت Ni 0.3 Zn 0.7 Fe 2 O 4 با استفاده از تحلیل هایی هم چون وزن سنجی حرارتی (TG)، پراش پرتوی ایکس (XRD)، تحلیل فوریه ی طیف مادون قرمز (FTIR)، تصویربرداری میکروسکوپی(FE-SEM)و (TEM)، مغناطش سنج نمونه ی ارتعاشی (VSM) و پذیرفتاری مغناطیسی acمطالعه شدند. با توجه به الگوهای XRD،ساختار تمامی نمونه ها اسپینلی تشخیص داده شد و در نتیجه ی برازش نمونه ها با نرم افزار MAUD ساختار اسپینلی معکوس برای فریت نیکل، اسپینلی عادی برای فریت روی و ساختار اسپینلی آمیخته برای فریت نیکل-روی، تأیید شد. بررسی منحنی های پسماند نمونه ها نشان داد که مغناطش بیشینه با افزایش میزان جانشانی روی تا حد بهینه ی 3/0 x = افزایش و با افزایش بیشتر میزان آلایش، مغناطش به علت تضعیف برهم کنش ابر تبادلی در جایگاه 8 وجهی، کاهش می یابد. وادارندگی نمونه ها نیز به علت ثابت ناهمسانگردی کمتر فریت روی در مقابل فریت نیکل با افزایش آلایش کاهش می یابد. در نمونه های بازپخت شده در دماهای مختلف 350 تا C° 1200،کاهش پهنای قله های الگوهای XRD با افزایش دمای بازپخت، نشان دهنده ی افزایش اندازه بلورک ها است. افزایش مغناطش اشباع با افزایش دمای بازپخت می تواند در اثر سه عامل باشد: ا- کاهش نقص ها و ناکاملی های شبکه و در نتیجه جابه جایی راحت تر دیواره ها در نانوذرات بزرگتر 2- مورفولوژی هسته-پوسته که در آن، با افزایش دمای بازپخت نسبت هسته (یک قسمت مرکزی با نظم مغناطیسی) به پوسته (یک لایه ی سطحی بی نظم) افزایش یافته و اثرات سطحی حذف می شوند و مغناطش افزایش می یابد. 3- با افزایش دمای بازپخت، افت و خیزهای گرمایی کمک به مهاجرت یون های اضافی آهن از جایگاه 4 وجهی به جایگاه 8 وجهی کرده و در نتیجه منجر به افزایش گشتاور مغناطیسی این جایگاه و در نهایت افزایش مغناطش کل (n B ) می شود. البته علت سوم با برازش الگوهای XRD با نرم افزار MAUD تأیید شد.الگوهای XRD دو نمونه با و بدون PVAعدم تغییر ساختار اسپینلی را با افزودن PVA و منحنی های پسماند این دو نمونه افزایش مغناطش نمونه با PVA را به علت رشد بلوری نانوذرات بعد از پوشش دهی، نشان دادند. برازش منحنی های پذیرفتاری حقیقی با مدل توان دینامیکی بحرانی نشان داد که وجود برهم کنش های بین ذره ای منجر به ایجاد رفتار شبه شیشه ابراسپینی بین نانوذرات می شود. واژه های کلیدی: فریت های اسپینلی، سل-ژل، EDTA، اثر جانشانی Zn، اثر دما، بازتوزیع کاتیون ها، مدل مغزه-پوسته، اندازه ی بحرانی، PVA