나노결정질 스트론튬 페라이트의 구조적, 미세구조 및 자기적 특성에 대한 졸-겔 변형을 위한 pH 조정 매개변수의 영향

결과 및 토론

구조 분석

그림 2는 SrFe₁₂의 X선 회절(XRD) 스펙트럼을 보여줍니다. O₁₉ pH를 변화시켜 나노결정질. XRD 피크의 구조는 표준 SrFe₁₂를 참조했습니다. O₁₉ JCPDS 참조 코드 98-004-3603 사용. SrFe₁₂의 특징적인 피크와 밀러 지수 O₁₉ 도 그림으로 표시됩니다. 가장 높은 강도는 [1 1 4]의 밀러 지수로 2θ(34.218°)에서 관찰될 수 있습니다. 단상 SrFe₁₂의 형성 O₁₉ 900°C의 비교적 낮은 하소 온도에서 얻어졌습니다. 소량의 적철광 Fe2가 존재하는 pH 8에서 제조된 샘플을 제외하고 일부 시약 전구체 또는 기타 2차 상 및 중간 생성물에 해당하는 피크가 관찰되지 않았습니다. O₃ 상이 검출되었고 모든 샘플은 그림과 같이 좋은 결정성을 가지고 있습니다. 이차 Fe₂의 형성 O₃ pH 8에서 준비된 샘플에 대해 관찰된 상은 SrFe₁₂의 순도를 감소시켰습니다. O₁₉ 87.8%로 Fe₂ O₃ 패턴은 98-004-1067의 ICSD 참조 코드로 색인화되었습니다. Fe₂의 존재 O₃ 단계는 pH 8에서 준비된 샘플에 대한 불충분한 하소 온도 때문입니다[21]. pH 0에서 3까지의 중간 용액의 높은 산도는 높은 결정도의 SrFe₁₂ 형성을 선호하는 것으로 나타났습니다. O₁₉ 단계. 졸의 pH 증가는 음전하를 띤 철 겔의 형성과 철 겔에 양전하를 띤 Sr 이온의 흡착을 도왔습니다. 결과적으로 더 균질한 용액이 얻어지고 SrFe₁₂의 형성이 쉬워집니다. O₁₉ 단계 [3]_. SrFe₁₂의 형성에도 불구하고 O₁₉ pH가 증가하면 더 쉽게 중합이 진행되는 복합체의 바로 근처에서 국부적인 이동으로 인해 불균일한 세라믹 응집체가 형성될 수 있습니다[22]. 따라서 결정 성장이 억제되어 pH 4부터 결정도가 감소할 수 있습니다. 이는 SrFe₁₂의 결정도 개선에 의한 XRD 피크 강도의 증가로 나타났습니다. O₁₉ pH 1에서 pH 3을 사용하여 제조되지만 pH 값이 4에서 8로 증가함에 따라 천천히 감소합니다. 결정질 SrFe₁₂의 형성 O₁₉ 900°C에서 소성된 후에는 질산염과 시트르산의 발열 반응에서 생성되는 더 큰 열뿐만 아니라 더 높은 정도의 조성 균질성에 기인합니다[21].

SrFe₁₂의 X선 회절 스펙트럼 O₁₉ pH 0 ~ pH 8용, 900°C에서 소결

격자 매개변수 a 및 c 관찰된 값은 이론적인 SrFe₁₂와 크게 다르지 않았습니다. O₁₉ 여기서 a 격자 상수 =5.8820Å 및 c =23.0230Å[23](그림 3). 아 및 c 관찰된 매개변수는 Masoudpanah et al.의 매개변수와 유사합니다. [3] 및 Dang et al. [12]. 볼륨 셀 V _셀 및 XRD의 밀도 ρ _xrd 이 연구에서 사용된 결정학적 매개변수는 P63/mmc의 공간 그룹을 갖는 육각형 결정 시스템을 갖는 결정학적 매개변수에 따라 다릅니다. . V _셀 식을 사용하여 계산되었습니다. (2);

여기서 a 및 c 는 격자 상수입니다. 이론 밀도 ρ _이론 샘플의 수는 식을 사용하여 계산되었습니다. (3),

여기서 M SrFe₁₂의 분자량 O₁₉ 이는 1061.765g에 해당합니다. 한 단위 셀에 있는 두 분자의 무게는 2 × 1061.765 =2123.53 g입니다. 아니 _A 아보가드로 수(6.022 × 10 ²³ ) 몰 ⁻¹ ).

격자 매개변수 a 및 c SrFe₁₂ O₁₉ 900°C에서 소결된 pH 0 ~ pH 8용 나노입자. 대시 라인은 격자 매개변수 a의 참조 값입니다. 및 c

다공성 P 샘플의 수는 식을 사용하여 계산할 수 있습니다. (4);

pH 값이 증가함에 따라 샘플의 실험 밀도 ρ _exp pH 4, 6, 7에서 실험 밀도의 최적값을 가지고 준비한 샘플에서 관찰된 약간의 변동을 제외하고 감소했으며 pH 4에서 준비한 샘플에서 얻은 다공성이 더 적습니다. 최적 밀도와 다공성은 4.693g/cm로 기록되었습니다. 3 및 각각 8.15%(그림 4, 표 1). Table 1에 나타난 X-ray 밀도는 실험 밀도보다 높은데, 이는 소결 과정에서 생성된 기공의 존재로 인한 것일 수 있다. 덩어리의 다공성 특징은 NH₃와 같은 다량의 가스 방출에 기인합니다. 연소 과정에서 [24].

SrFe₁₂의 실험 밀도 O₁₉ 900°C에서 소결된 pH 0 ~ pH 8용 나노입자

소결된 SrFe₁₂의 FTIR 스펙트럼 O₁₉ pH 0에서 pH 8까지 다양한 pH에서의 변화가 그림 5에 나와 있습니다. 전구체의 FTIR 스펙트럼은 430, 583, 904 및 1446cm ^-1 범위에서 눈에 띄게 나타났습니다. IR 특성 밴드의. 436cm ⁻¹ 에서 흡수 밴드 CH₂의 신축 밴드로 표시되었습니다. , CH 포화 화합물의 존재 증명 [25]. 583cm의 밴드 ^‑1 특성 금속 산소 진동 Sr–O Fe–O를 보여줍니다[20]. 443~600cm 범위의 흡수 밴드 ⁻¹ 금속-산소 결합의 신축 진동으로 스트론튬 페라이트의 형성에 기인한다[26,27,28,29]. 이것은 SrFe₁₂ O₁₉ 900°C의 소결 온도에서 형성되었습니다. 피크 904cm ⁻¹ 에서 비교적 강하고 넓은 밴드 NH₃의 분해로 인한 NH 진동에 대한 아민 작용기가 있음을 밝혔습니다. . 한편, Pereira et al. [29] 또한 Sr-O 스트레칭의 넓은 진동은 스트론튬 나노페라이트의 형성을 나타냅니다. 1446cm ⁻¹ 에서 흡수 밴드 는 금속이 산화물 밴드로 분해되어 발생하는 Fe-O-Fe 밴드의 진동 밴드를 나타냅니다[25].

SrFe₁₂의 FTIR 스펙트럼 O₁₉ pH 0 ~ pH 8용, 900°C에서 소결

미세 구조 분석

벌크 SrFe₁₂의 미세구조 이미지 O₁₉ 및 EDX 스펙트럼은 그림 6에 표시되고 샘플의 입자 크기 분포는 그림 7에 표시됩니다. 평균 입자 크기는 73.6~133.3nm 범위에서 발견되었습니다. 시료의 평균 입자크기는 pH 4와 pH 8을 제외하고는 큰 변화를 보이지 않았다. pH 0에서 평균 73.6nm의 비교적 작고 패킹된 입자 크기와 가장 좁은 입자 크기 분포가 관찰되었습니다. 입자 크기는 pH 0에서 pH 3으로 증가함에 따라 증가하고 pH 4에서 감소하고 pH 8. 결과는 pH 4에서 시료의 결정화도가 감소한 그림 2와 같이 XRD 스펙트럼과 일치합니다. 그림 6e에서 pH 4에서 준비한 시료의 경우 결정립이 균일하지 않음을 보여줍니다. 분포되어 있으며 균일하게 형성되지 않습니다.

pH를 변화시켜 900°C에서 소결된 샘플의 FESEM 현미경 사진:a pH 0, b pH 1, c pH 2, d pH 3, e pH 4, f pH 5, g pH 6, h pH 7 및 i pH 8

SrFe₁₂의 입자 크기 분포 O₁₉ pH를 변화시켜 900°C에서 소성:a pH 0, b pH 1, c pH 2, d pH 3, e pH 4, f pH 5, g pH 6, h pH 7 및 i pH 8

가장 미세한 입자 크기는 가장 높은 M을 나타냈습니다. _s , 남 _r , 및 H _ㄷ . pH가 0인 시료의 Grain은 구형이고 다른 Grain과 접촉하여 Necking 구조를 형성하였다. pH 값이 증가함에 따라 접촉이 명확하여 더 긴 입자 구조를 보여줍니다. 입자 크기/모양 분포는 pH 값이 증가함에 따라 더 커지고 불균일해졌습니다. Grain 크기 분포의 히스토그램은 작은 Grain 크기에서 더 큰 Grain 크기로 이동했습니다. 증가된 연소 속도와 반응에서 방출되는 열은 또한 결정 크기를 증가시킬 수 있습니다[30]. 히스토그램(그림 7)의 빨간색 점선은 샘플의 평균 입자 크기를 표시했습니다. 미세 구조는 벌크 SrFe₁₂의 준비 동안 폴리비닐 알코올의 존재로 인해 일부 샘플이 큰 다공성을 나타냄을 보여주었습니다. O₁₉ 펠릿 형태의 나노페라이트와 샘플 준비 중 가스 방출

자기 행동

M의 발전 –안 다양한 pH에서의 히스테리시스 루프가 그림 8에 나와 있습니다. 이러한 진화에 대한 추가 확인은 포화 자화의 변화, M에서 볼 수 있습니다. _s , 잔존, M _r , 직각 비율, M _r /남 _s , 및 보자력, H _ㄷ , 표 1에 표로 정리된 pH의 함수입니다. 단위 질량당 자화는 샘플의 미세 구조와 직접적인 관련이 없습니다. 따라서 단위 부피당 자화는 단위 질량당 자화에 실험 밀도를 곱하여 계산되었습니다. ρ _exp . 엠 _s , 남 _r , 및 H _ㄷ 졸-겔 전구체에 암모니아를 첨가함으로써 pH가 증가함에 따라 일반적으로 감소하는 것으로 밝혀졌습니다. pH가 증가함에 따라 자기 매개변수가 감소하는 것은 암모니아 NH₃의 반자성 상이 많이 존재하기 때문일 수 있습니다. . 반자성 NH₃ Sr-ferrite 나노 입자를 서로 분리하여 이들 사이의 교환 상호 작용을 감소시키고 M에 해로운 영향을 미치는 것으로 알려져 있습니다. _s 그리고 M _r . 이전에 "미세 구조 분석" 섹션에서 보았듯이 SrFe₁₂의 미세 구조는 O₁₉ pH 값이 증가하면 영향을 받습니다. 이것은 Yang et al.에 의해 보고된 결과와 일치합니다. [31], 여기서 입자는 pH가 5에서 11로 증가함에 따라 더 커졌습니다. <그림>

엠 –안 SrFe₁₂의 히스테리시스 루프 O₁₉ a pH 0 ~ pH 8 및 b 클로즈업 그래프, 900°C에서 소결된 다양한 pH

엠 –안 그림 8의 히스테리시스 루프가 자세히 조사되었으며 차별화된 그룹의 모양과 값을 특징으로 하는 3개의 중요한 히스테리시스 루프 그룹이 관찰될 수 있습니다. 첫 번째 그룹은 pH 1, 3, 4, 5, 7, 8을 사용하여 준비된 샘플인 준비된 샘플의 대부분으로 구성되었습니다. 이 그룹은 M 값이 낮은 약한 강자성 특성에 해당합니다. _s 그리고 M _r . M _s 특히 샘플의 결정도에 따라 다릅니다. 이는 pH 4, 5, 7 및 8을 사용하여 제조된 샘플에서 볼 수 있으며, 여기서 샘플의 결정도가 감소하여 M의 더 낮은 값을 표시합니다. _s . 또한, 28.2% α-Fe₂의 존재 O₃ pH 8을 사용하여 제조한 시료에서 2차상으로 불순물이 검출되어 시료의 결정도가 감소하고 결과적으로 M _s 값. 그림 2에서 관찰된 XRD 스펙트럼은 pH 3을 사용하여 제조된 샘플에 대해 높은 수준의 결정도를 나타내었지만 결과적으로 낮은 자기 특성 값은 기공의 존재로 인해 밀도가 감소(표 1 참조)하여 영향을 미칠 수 있습니다. 샘플의 보자력. M 이후로 _s H와 관련이 있습니다. _ㄷ 식과 같이 (5) [34], M _s H일 때 감소 _ㄷ 증가했습니다.

또한 기공이 자기소거장의 생성기로 작용하기 때문에 기공이 자화 과정에 영향을 미치는 것으로 알려져 있습니다[35].

pH 2와 pH 6은 샘플이 중간 정도의 히스테리시스 매개변수를 갖는 두 번째 그룹에서 떨어졌다는 것이 눈에 띕니다(그림 8). 이 그룹의 샘플은 첫 번째 그룹과 유사한 모양의 히스테리시스 루프를 나타내었지만 M 값이 약간 더 높습니다. _s 그리고 M _r . 하 _ㄷ pH 2 및 pH 6을 사용하여 제조된 샘플에 대해 기록된 값은 각각 6005.8 및 5377.0 Oe였습니다. 엠 _s pH 2 및 pH 6의 값은 7.8 emu/g(226.2 emu/cm ³ )으로 관찰되었습니다. ) 및 7.0 emu/g(35.8 emu/cm ³ ) ), 각각 M _r pH 2 및 pH 6에 대한 값은 각각 4.9 emu/g 및 4.4 emu/g으로 제공되었습니다. 샘플에 더 큰 입자 크기가 존재했음에도 불구하고 pH 2 및 6을 사용하여 제조된 샘플에서 길쭉한 입자의 존재가 감지되었기 때문에 기록된 값은 여전히 ​​낮았습니다(그림 6c, g의 빨간색 점선 원 참조). 총 이방성 에너지 장벽은 체적 및 표면 이방성 에너지 밀도에 의존하므로 입자의 주어진 체적에 대해 표면적은 길쭉한 모양의 입자에 대해 더 많습니다. 따라서 유효 등방성과 H의 증가에 대한 표면의 주요 기여 _ㄷ 길쭉한 입자 [36]에서도 예상되므로 M _s .

세 번째 그룹은 pH 0을 사용하여 준비한 샘플에서만 검출되었습니다. 두 번째 그룹과 세 번째 그룹 사이에 상당한 간격이 관찰되었으며, 이는 특히 M에서 이 그룹 내 샘플의 특성 변화를 나타냅니다. _s 가치. pH 0에 대한 히스테리시스 루프는 가장 큰 M을 가집니다. _s , 남 _r , 및 H _ㄷ 44.19 emu/g(226.2 emu/cm ³ )의 중요한 값 ), 27.59 emu/g 및 6403.6 Oe입니다. 일반적으로 M _s SrFe₁₂ 값 O₁₉ 종종 단결정 형태로 측정되는 74 ~ 92 emu/g 범위일 수 있습니다[8]. M 값 _s pH 0을 사용하여 준비된 샘플의 경우 주어진 값보다 상대적으로 낮았으며 이전에 보고된 연구에서도 56 emu/g[37] 및 53 emu/g[38]이었으며 둘 다 졸-겔 방법을 통한 합성이었습니다. M의 값은 _s 이 연구에서 소결 온도의 추가 증가와 함께 증가할 것입니다. 그러나 H _ㄷ 값은 5000 Oe[37], 5200 Oe[38]인 이전 연구에 비해 상대적으로 높은 값을 나타내었으며, Pullar[8]에 따르면 H에 대한 정확한 값이 주어지지 않았습니다. _ㄷ 가공 방법과 입자 크기에 따라 너무 많이 다르기 때문입니다. 한편, M _r 이전에 보고된 바와 같이 30emu/g[38]이었습니다. 분명히 직립하고 더 크고 잘 정의된 히스테리시스 루프가 관찰될 수 있습니다. 이는 완전한 결정질 SrFe₁₂의 높은 부피 분율 형성으로 인한 강력한 강자성 거동 때문입니다. O₁₉ 따라서 도메인 내 자기 모멘트의 강한 상호 작용은 교환력으로 인해 발생했습니다. 이 관찰된 현상은 샘플에서 정렬된 자기로 간주될 수 있습니다. 사실, 질서정연한 자기와 잘 형성된 M을 얻기 위해서는 –안 히스테리시스 루프, 상당한 도메인 형성, 충분히 강한 이방성 필드, H가 있어야 합니다. _아 , 그리고 결정립계 및 기공과 같은 결함에서 오는 선택적 추가 기여 [39]. 이 그룹의 넓은 루프는 상당한 자기 저장을 의미한다는 점은 흥미롭습니다. 따라서 샘플은 실제 적용에 유용할 수 있는 특성을 가지고 있습니다[40].

하 _ㄷ 그림의 변형 9a와 10은 언급할 가치가 있습니다. H _ㄷ pH가 증가함에 따라 일반적으로 감소하는 것으로 관찰됩니다. H 감소 _ㄷ pH가 증가함에 따라 Fe ²⁺ 가 이방성인 자기결정 이방성이 감소하기 때문일 수 있습니다. 2a 사이트에 위치한 이온과 입자 크기의 확대는 FESEM 현미경 사진에서 분명합니다(그림 6). Furthermore, at pH 8, the coercivity H _c which is 5117.7 Oe was recorded due to the presence of 28.2% α-Fe₂ O₃ impurity (Fig. 2). The decrease in H _ㄷ was due to the presence of impurity α-Fe₂ O₃ which affected the crystalline and grain boundary since it has been reported that the H _ㄷ could be affected by important parameters such as particle size, ion substitution, morphology, interface structure, crystal defects, magnetocrystalline anisotropy, and strain [41]. The squareness ratio, M _r /M _s , is calculated from the magnetic data and tabulated in Table 1. Generally, a large M _r /M _s value is preferred in many applications such as magnetic recording media of high density and permanent magnet [42]. The calculated M _r /M _s in this study was found to be in the range of 0.63 to 0.65, indicating that all the samples are predominantly in single magnetic domain structure [43]. M _r /M _s equal to or above 0.5 indicates that the particles are in the single magnetic domain and below 0.5 may be attributed to the formation of multidomain structure [43, 44].

아 안 _ㄷ 그리고 b M _s of SrFe₁₂ O₁₉ at varied pH sintered at 900 °C

Relation of H _ㄷ and grain size of SrFe₁₂ O₁₉ at varied pH sintered at 900 °C