Einfluss des pH-Anpassungsparameters für die Sol-Gel-Modifikation auf die strukturellen, mikrostrukturellen und magnetischen Eigenschaften von nanokristallinem Strontiumferrit

Highlight

• Synthese von Strontiumferrit (SrFe₁₂ .) O₁₉ ) Nanopartikel mit Sol-Gel-Autoverbrennungstechnik.

• Das SrFe₁₂ O₁₉ Die Nanoferritphase wurde bei einer niedrigen Sintertemperatur von 900 °C erhalten.

• Magnetischer Parameter der Sättigungsmagnetisierung M _s , Rest M _r , und Koerzitivfeldstärke H _c sinken, wenn der pH-Wert ansteigt.

Hintergrund

Strontiumferrit (SrFe₁₂ .) O₁₉ ) wurde eingehend auf ihre potentiellen Anwendungen in Mikrowellengeräten, hochdichten Magnetaufzeichnungen, elektronischen Geräten und Permanentmagneten untersucht. Permanentmagnet-Ferrite werden aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile [1] und beeindruckenden Eigenschaften wie hoher spezifischer elektrischer Widerstand [2], großer Hystereseverlust und hohe intrinsische Koerzitivfeldstärke häufig in der Elektroindustrie eingesetzt [3]. Es ist am besten als gute Hitzebeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit bekannt und für viele Anwendungen nützlich. Strontiumferrit hat in den letzten Jahren aufgrund seiner hohen magnetischen Anisotropie, die für die hohe Koerzitivfeldstärke der kristallinen Struktur verantwortlich ist [4, 5], mehr wissenschaftliche Studien angezogen und kann somit eine hohe Koerzitivfeldstärke auch bei einer Verkleinerung der Partikel in den Nanobereich gewährleisten mit Single-Domain-Struktur. Der Ferromagnetismus von SrFe₁₂ O₁₉ wird dem Fe ³⁺ . zugeschrieben Ionenuntergitter, die in der Struktur vorhanden sind. Sie sind in drei Oktaeder verteilt (12 k, 2a, 4f₂ .). ), ein Tetraeder (4f₁ ) und eine bipyramidale Stelle (2b). Von diesen Stellen werden 12 k, 2a und 2b als High-Spin-Zustände und 4f₁ . dargestellt und 4f₂ werden als Low-Spin-Zustände angesehen [6, 7]. Die magnetischen Momente des Fe ³⁺ Ionen werden durch Superaustausch-Wechselwirkungen, die durch O ²⁻ . vermittelt werden, aneinander gekoppelt Ionen. Die Sr ²⁺ Ion ist für die große magnetische uniaxiale Anisotropie verantwortlich, da es eine Störung des Kristallgitters verursacht [8]. Strontiumhexaferrit (SrFe₁₂ .) O₁₉ ) Nanopartikel haben eine mittlere Partikelgröße von weniger als 0,1 μm und bestehen aus einer homogenen Partikelgrößenverteilung [9]. Die kleinere Partikelgröße erzeugt eine große Oberfläche, wodurch das SrFe₁₂ . deutlich verbessert wird O₁₉ Nanopartikel-Eigenschaften, wie seine chemischen, physikalischen, mechanischen und magnetischen Eigenschaften, was zu interessanten Eigenschaften für Nanoferrit-Anwendungen führt.

Das konventionelle keramische Festkörperverfahren ist schwierig, Nanopartikel und Partikel mit einheitlicher Größe zu erhalten [4, 5]. Es hat Einschränkungen wie einen langen Heizplan bei einer hohen Sintertemperatur von etwa 1300 °C, eine höhere Korn-/Partikelgröße und einen höheren Zeitaufwand. Die experimentellen Bedingungen bei der Herstellung der Ferrit-Nanopartikel spielen eine Schlüsselrolle für die resultierenden Eigenschaften sowie die Partikelgröße der Ferrit-Nanopartikel. Um ein sehr homogenes SrFe₁₂ . zu erreichen O₁₉ Nanopartikel, die aus einer Einzeldomänenstruktur bei niedriger Sinter- oder Kalzinierungstemperatur bestehen, wurden verschiedene Methoden eingeführt, um eine breite Korngrößenverteilung mit anomem Kornwachstum während des Sinterns zu vermeiden. Die Methoden umfassen Co-Präzipitation [9, 10], Salz-Schmelz-Verfahren [11], Hydrothermal [12, 13], Mikroemulsion [14] und Sol-Gel-Verfahren [1, 4, 15]. Unter diesen Methoden ist die Sol-Gel-Route eine kostengünstige, einfache und zuverlässige Methode zur Kontrolle der Stöchiometrie und zur Herstellung von nanokristallinem Ferrit. Der Sol-Gel-Prozess erzeugt ein homogenes Mischoxid, das die Kalzinierungstemperatur senken und eine kleinere Kristallitgröße erzeugen kann [3]. Die Optimierung des Molverhältnisses von Fe zu Sr (Fe/Sr) ist sehr wichtig, um eine einphasige Probe, ultrafeine Partikel und niedrigere Kalzinierungstemperaturen herzustellen [1]. Dieses Verhältnis variiert mit der Änderung der Ausgangsmaterialien und mit der Änderung des Herstellungsverfahrens [1]. Bei hoher Kalzinierungstemperatur nehmen sowohl die Korngröße als auch die Austauschkopplung zu. Diese sind ungünstig, um eine gute Qualität von Permanentmagneten zu erhalten [16]. Im Allgemeinen werden Metallalkoxide häufig als Rohstoffe in Sol-Gel-Prozessen verwendet, aber viele der Alkoxide sind aufgrund der hohen Empfindlichkeit gegenüber Luftfeuchtigkeit sehr schwer erhältlich und zu handhaben. Darüber hinaus ist es nicht einfach, die Geschwindigkeit der Alkoxidhydrolyse zu kontrollieren, wenn Mehrkomponentenkeramiken hergestellt werden sollen. Metallsalze werden in dieser Studie verwendet, da sie sehr nützlich, billiger und einfacher zu handhaben sind. Außerdem können Metallsalze in vielen Arten organischer Lösungsmittel gelöst werden, wodurch Metallkomplexe durch Chelatisierung der Metallionen mit organischen Liganden gebildet werden [17]. Es wurde über mehrere Sol-Gel-Modifikationsverfahren berichtet, wie pH-Einstellung [1, 18], basisches Mittel [3], Tensid [1], Carbonsäure [2] und Ausgangsmetallsalze [3], um die Endkalzinierungstemperatur, Kristallitgröße [2] und hohe Anisotropie von SrFe₁₂ O₁₉ Nanopartikel [12]. Bei Sol-Gel-Methoden hängt die Fähigkeit zur Bildung von Hydroxiden und/oder Oxiden stark vom pH-Wert der Lösung und dem Verhältnis Ladung/Radius des Metallkations ab [17]. Darüber hinaus steuert der pH-Wert des Sols die Menge an H ⁺ oder OH ⁻ Ionen im Sol, die effektiv die Polymerisation der Metall-Sauerstoff-Bindungen bestimmen. Außerdem ist bekannt, dass die Komplexbildung mit Zitronensäure während des Sol-Gel-Prozesses pH-empfindlich ist [19, 20]. Daher würde die für die Phasenbildung wesentliche Homogenität des Sols durch den pH-Wert der Lösung bestimmt. Es ist bekannt, dass die magnetischen Eigenschaften von SrFe₁₂ O₁₉ hängen stark von seiner Morphologie, Partikel-/Korngröße, Form, Orientierung und Domänenkonfigurationen durch Modifizieren der Syntheseparameter ab. Daher beabsichtigen wir in dieser Arbeit, den pH-Wert der Lösung als Sol-Gel-Modifikationsparameter zu regulieren, um nanokristallinen Ferrit mit beträchtlichen magnetischen Eigenschaften bei einer niedrigeren Kalzinierungstemperatur herzustellen.

Methoden

Die experimentellen Abläufe dieser Studie bestanden aus zwei Hauptschritten, nämlich der Synthese von Strontiumferrit-Nanopartikeln über die Sol-Gel-Methode (Abschnitt „Synthese von Strontiumferrit-Nanopartikeln“) und gefolgt von der Charakterisierung von Struktur-, Mikrostruktur- und magnetischen Eigenschaften von präpariertem Strontiumferrit (Abschnitt „Charakterisierungen von Strontiumferrit“).

Synthese von Strontiumferrit-Nanopartikeln

Strontiumferrit-Nanopartikel wurden über die Sol-Gel-Methode synthetisiert. Bei dieser Methode wird Strontiumnitrat wasserfreies körniges Sr(NO₃ )₂ (98%, Alfa Aeser), Eisen(III)-nitrat Fe(NO₃ )₃ (99%, HmbG), Zitronensäure C₃ H₄ (OH)(COOH)₃ (99%, Alfa Aeser), Ammoniak NH₄ Als Ausgangsmaterialien für die Probenvorbereitung wurden OH (25%, SYSTERM) und entionisiertes Wasser verwendet. Angemessene Mengen an Sr(NO₃ )₂ und Fe(NO₃ )₃ werden in 100 ml entionisiertem Wasser einige Minuten bei 60 °C mit einer konstanten Rührerdrehzahl von 250 U/min gelöst, um eine wässrige Lösung herzustellen. Zitronensäure wurde als Chelatbildner mit einem Molverhältnis von Citrat zu Nitrat (C/N  =  0,75) zugegeben und die Temperatur wurde auf 80 °C erhöht. Die Mischungen wurden kontinuierlich gerührt und NH₄ OH wurde zugegeben, um den pH von pH 0 bis pH 8 zu variieren. Der pH wurde mit einem HI2211 pH/ORP-Meter (HANNA-Instrumente) gemessen. Die Lösungen wurden kontinuierlich gerührt und mehrere Stunden auf 90 °C erhitzt, und die Lösung verwandelte sich langsam in ein grünes klebriges Gel. Bei Bildung eines dichten klebrigen Gels wird die Temperatur der Heizplatte dann auf 200 °C erhöht und die Gele für den Dehydrationsprozess eine Stunde lang verbrannt. Die erhaltenen Pulver wurden bei 900 °C für 6 h mit einer Heizrate von 5 °C/min kalziniert. Eine schrittweise Beschreibung des Syntheseverfahrens von SrFe₁₂ O₁₉ Nanopartikel ist in Abb. 1 dargestellt.

Flussdiagramm zur Herstellung von SrFe₁₂ O₁₉ Nanopartikel-Pulver nach Sol-Gel-Methode

Charakterisierungen von Strontiumferrit

Charakterisierungsmessungen von Strontiumferrit wurden hinsichtlich seiner strukturellen, mikrostrukturellen und magnetischen Eigenschaften durchgeführt. Die detaillierte Erklärung finden Sie in den folgenden Unterabschnitten.

Strukturelle Eigenschaften

Die strukturelle Charakterisierung der Proben wurde durch Röntgenbeugungstechnik (XRD) unter Verwendung eines Philips X’pert Röntgendiffraktometers Modell 7602 EA Almelo mit Cu Kα-Strahlung bei 1,5418 Å charakterisiert. Der verwendete Beugungswinkelbereich reicht von 20° bis 80° bei Raumtemperatur. Der Beschleunigungsstrom und die Arbeitsspannung betrugen 35 mA bzw. 4,0 kV. Die Daten wurden mit einer X’Pert High Score Plus Software analysiert.

Eine Fourier-Transformations-Infrarot-(FTIR)-Charakterisierung wurde mit einem Perkin Elmer Fourier-Transformations-Infrarotspektrometer Modell 1650 durchgeführt, um das Infrarotspektrum der Absorptions- und Emissionsbanden der Probe zu bestimmen. Es wurde zwischen Infrarotspektren von 280–4000 cm ⁻¹ . durchgeführt .

Mikrostruktureigenschaften

Die Mikrostrukturbeobachtung wurde mit einem Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop (FESEM) unter Verwendung einer FEI Nova NanoSEM 230-Maschine durchgeführt. Die Verteilung des Korngrößenbildes wurde auf eine Vergrößerung von 100 kx mit einer Beschleunigungsspannung von 5,0 kV festgelegt. Die Korngrößenverteilungen wurden erhalten, indem 200 verschiedene Kornbilder für die Probe aufgenommen wurden und die mittleren Durchmesser der einzelnen Körner unter Verwendung der ImageJ-Software geschätzt wurden. Die Korngrößenverteilung wurde durch eine Methode des mittleren linearen Abschnitts gemessen.

Dichte

Die Dichte wurde mit einem Hildebrand Densitometer Modell H-300 S gemessen. Die Dichte des gesinterten Pellets wurde nach dem Archimedes-Prinzip mit Wasser als flüssigem Medium nach Gl. 1,

ρ _exp ist die Dichte der gemessenen Probe, ρ _w ist die Dichte von Wasser, W _Luft das Gewicht der Probe in Luft ist und W _Wasser ist das Gewicht der Probe in Wasser.

Magnetische Eigenschaften

Die magnetischen Eigenschaften der Proben wurden mit einem Vibrationsprobenmagnetometer (VSM) Modell 7404 LakeShore gemessen. Die Messung wurde bei Raumtemperatur durchgeführt. Das externe 12 kOe-Feld wurde parallel zur Probe angelegt.

Ergebnisse und Diskussion

Strukturanalyse

Abbildung 2 zeigt die Röntgenbeugungsspektren (XRD) von SrFe₁₂ O₁₉ nanokristallin durch Variation des pH-Wertes. Die Struktur der XRD-Peaks wurde auf das Standard-SrFe₁₂ . bezogen O₁₉ mit JCPDS-Referenzcode 98-004-3603. Die charakteristischen Peaks und Miller-Indizes von SrFe₁₂ O₁₉ sind ebenfalls in der Abbildung dargestellt. Die höchste Intensität ist bei 2θ (34,218°) mit Miller-Indizes von [1 1 4] zu beobachten. Die Bildung von einphasigem SrFe₁₂ O₁₉ wurde bei einer relativ niedrigen Kalzinierungstemperatur von 900 °C erhalten. Es wurden keine Peaks beobachtet, die einigen der Reagenzvorläufer oder anderen Sekundärphasen und Zwischenprodukten entsprachen, außer bei der bei pH 8 hergestellten Probe, bei der eine winzige Menge Hämatit Fe₂ O₃ Phase wurde nachgewiesen und alle Proben weisen eine gute Kristallinität auf, wie in der Abbildung gezeigt. Die Bildung von sekundärem Fe₂ O₃ Phase, die für eine bei pH 8 hergestellte Probe beobachtet wurde, hatte die Reinheit von SrFe₁₂ . verringert O₁₉ auf 87,8%. Das Fe₂ O₃ Muster wurden auf den ICSD-Referenzcode 98-004-1067 indiziert. Das Vorhandensein von Fe₂ O₃ Phase ist auf eine unzureichende Kalzinierungstemperatur für die bei pH 8 vorbereitete Probe zurückzuführen [21]. Es wurde festgestellt, dass eine hohe Acidität in mittlerer Lösung von pH 0 bis 3 die Bildung von SrFe₁₂ . mit hoher Kristallinität begünstigt O₁₉ Phase. Der steigende pH-Wert des Sols unterstützte die Bildung negativ geladener Eisengele und die Adsorption positiv geladener Sr-Ionen an Eisengelen. Folglich wurde eine homogenere Lösung erhalten, und dies führt zur leichten Bildung von SrFe₁₂ O₁₉ Phase [3]_. Auch wenn die Bildung von SrFe₁₂ O₁₉ mit erhöhtem pH-Wert einfacher ist, könnten sich heterogene Keramikaggregate aufgrund lokalisierter Verschiebungen in unmittelbarer Nähe des polymerisierenden Komplexes bilden [22]. Daher könnte das Kristallwachstum gehemmt werden, wodurch die Kristallinität ab pH 4 verringert wird. Dies wurde durch die Zunahme der XRD-Peakintensität durch die Verbesserung der Kristallinität von SrFe₁₂ . gezeigt O₁₉ hergestellt mit pH 1 bis pH 3, sinkt jedoch langsam mit steigenden pH-Werten von 4 auf 8. Bildung von kristallinem SrFe₁₂ O₁₉ nach der Kalzinierung bei 900 °C wird auf den höheren Grad an Homogenität der Zusammensetzung sowie auf die größere Wärmeentwicklung durch die exotherme Reaktion von Nitraten und Zitronensäure zurückgeführt [21].

Die Röntgenbeugungsspektren von SrFe₁₂ O₁₉ für pH 0 bis pH 8, gesintert bei 900 °C

Der Gitterparameter a und c Der beobachtete Wert unterschied sich kaum vom theoretischen SrFe₁₂ O₁₉ Gitterkonstante wobei a = 5.8820 Å und c = 23,0230 Å [23] (Abb. 3). Die a und c Die beobachteten Parameter ähneln denen von Masoupanah et al. [3] und Dang et al. [12]. Die Volumenzelle V _Zelle und Dichte von XRD ρ _xrd die in dieser Studie verwendet werden, hängen von den kristallographischen Parametern ab, die ein hexagonales Kristallsystem mit der Raumgruppe P63/mmc . aufweisen . Das V _Zelle wurden nach Gl. (2);

wo a und c sind die Gitterkonstanten. Die theoretische Dichte ρ _Theorie der Probe wurde unter Verwendung von Gl. (3),

wo M ist das Molekulargewicht von SrFe₁₂ O₁₉ das entspricht 1061.765 g. Das Gewicht von zwei Molekülen in einer Elementarzelle beträgt 2 × 1061.765 = 2123.53 g; N _A ist die Zahl des Avogadro (6.022 × 10 ²³ mol ⁻¹ ).

Die Gitterparameter a und c von SrFe₁₂ O₁₉ Nanopartikel für pH 0 bis pH 8, gesintert bei 900 °C. Die gestrichelten Linien sind die Referenzwerte der Gitterparameter a und c

Die Porosität P der Proben kann mit Gl. (4);

Mit steigendem pH-Wert wurde die experimentelle Dichte der Proben ρ _exp wurde verringert, mit Ausnahme einiger Schwankungen, die bei Proben, die bei pH 4, 6 und 7 hergestellt wurden, beobachtet wurden, wobei der optimale Wert der experimentellen Dichte und eine geringere Porosität bei der bei pH 4 hergestellten Probe erhalten wurden. Die optimale Dichte und Porosität wurden mit 4,693 g/cm ^{. aufgezeichnet 3} bzw. 8,15 % (Abb. 4, Tabelle 1). Die in Tabelle 1 gezeigte Röntgendichte ist größer als die experimentelle Dichte, was auf das Vorhandensein von Poren zurückzuführen sein kann, die während des Sinterprozesses erzeugt wurden. Die poröse Eigenschaft von Agglomeraten wird auch auf die Freisetzung großer Gasmengen wie NH₃ . zurückgeführt während des Verbrennungsprozesses [24].

Experimentelle Dichte von SrFe₁₂ O₁₉ Nanopartikel für pH 0 bis pH 8, gesintert bei 900 °C

Die FTIR-Spektren von gesintertem SrFe₁₂ O₁₉ bei variierendem pH von pH 0 bis pH 8 sind in Abb. 5 dargestellt. Die FTIR-Spektren einer Vorstufe erschienen merklich im Bereich von 430, 583, 904 und 1446 cm ⁻¹ . von IR-charakteristischen Bändern. Die Absorptionsbande bei 436 cm ⁻¹ wurde als Dehnungsband von CH₂ . angezeigt , was die Anwesenheit einer CH-gesättigten Verbindung beweist [25]. Bänder bei 583 cm ^-1 zeigen die charakteristische Metallsauerstoffschwingung Sr–O Fe–O [20]. Die Absorptionsbanden im Bereich von 443–600 cm ⁻¹ wurden der Bildung von Strontiumferrit als Streckschwingung der Metall-Sauerstoff-Bindung zugeschrieben [26,27,28,29]. Dies bestätigt, dass das SrFe₁₂ O₁₉ wurde bei einer Sintertemperatur von 900 °C gebildet. Die relativ starken und breiten Bänder an den Spitzen 904 cm ⁻¹ zeigten, dass es aufgrund der Zersetzung von NH₃ . eine funktionelle Amingruppe für die N-H-Schwingung gibt . Inzwischen haben Pereira et al. [29] stellten auch fest, dass eine breite Schwingung der Sr-O-Streckung auf die Bildung von Strontium-Nanoferrit hinweist. Die Absorptionsbande bei 1446 cm ⁻¹ zeigt die schwingenden Bänder der Fe-O-Fe-Banden aufgrund der Zersetzung von Metall mit Oxidbande an [25].

Die FTIR-Spektren von SrFe₁₂ O₁₉ für pH 0 bis pH 8, gesintert bei 900 °C

Mikrostrukturanalyse

Die Mikrostrukturbilder von Bulk-SrFe₁₂ O₁₉ und die EDX-Spektren sind in Abb. 6 gezeigt, während die Korngrößenverteilungen der Proben in Abb. 7 gezeigt sind. Die durchschnittlichen Korngrößen wurden im Bereich von 73,6 bis 133,3 nm gefunden. Die durchschnittliche Korngröße der Proben weist keine großen Schwankungen auf, außer bei Proben mit pH 4 und pH 8. Die Korngrößen wurden als pH-Wert-Erhöhung agglomeriert. Bei pH 0 wurde eine relativ kleine und gepackte Korngröße mit durchschnittlich 73,6 nm und der engsten Korngrößenverteilung von allen beobachtet. Die Korngröße nahm mit steigenden pH-Werten von pH 0 auf pH 3 zu, nahm bei pH 4 ab und stieg weiter bis pH 8 verteilt und nicht gleichmäßig gebildet.

Die FESEM-Aufnahmen von Proben, die bei 900 °C durch variierenden pH-Wert gesintert wurden:a pH 0, b pH 1, c pH 2, d pH 3, e pH 4, f pH 5, g pH 6, h pH 7 und i pH 8

Korngrößenverteilung für SrFe₁₂ O₁₉ kalziniert bei 900 °C durch Variation des pH-Werts:a pH 0, b pH 1, c pH 2, d pH 3, e pH 4, f pH 5, g pH 6, h pH 7 und i pH 8

Die feinste Korngröße zeigte den höchsten M _s , M _r , und H _c . Die Körner für Proben mit einem pH-Wert von 0 waren kugelförmig und in Kontakt mit einem anderen Korn, um eine Einschnürungsstruktur zu bilden. Der Kontakt wurde mit steigenden pH-Werten deutlich und zeigte somit eine länglichere Kornstruktur. Die Korngrößen-/Formverteilungen wurden mit steigenden pH-Werten größer und ungleichmäßiger. Das Histogramm der Korngrößenverteilung hat sich von kleinen Korngrößen zu größeren Korngrößen verschoben. Die erhöhte Verbrennungsgeschwindigkeit und die bei der Reaktion freigesetzte Wärme können auch die Kristallitgröße erhöhen [30]. Die rot gepunkteten Linien im Histogramm (Abb. 7) markierten die durchschnittliche Korngröße der Probe. Die Mikrostruktur zeigte, dass einige der Proben aufgrund des Vorhandenseins von Polyvinylalkohol während der Herstellung von SrFe₁₂ . eine große Porosität aufwiesen O₁₉ Nanoferrit in Pelletform sowie die Gasfreisetzung bei der Probenvorbereitung.

Magnetisches Verhalten

Die Entwicklung von M –H Hystereseschleife bei verschiedenen pH-Werten ist in Abb. 8 dargestellt. Eine weitere Bestätigung dieser Entwicklung kann durch die Variation der Sättigungsmagnetisierung, M ., gesehen werden _s , Remanenz, M _r , Rechteckigkeitsverhältnis, M _r /M _s , und Koerzitivkraft, H _c , als Funktion des in Tabelle 1 aufgeführten pH-Werts. Die Magnetisierung pro Masseneinheit steht nicht in direktem Zusammenhang mit der Mikrostruktur der Probe; Daher wurde die Magnetisierung pro Volumeneinheit berechnet, indem die Magnetisierung pro Masseneinheit mit der experimentellen Dichte multipliziert wurde, ρ _exp . Die M _s , M _r , und H _c werden im Allgemeinen mit steigendem pH-Wert durch Zugabe von Ammoniak in einer Sol-Gel-Vorstufe verringert. Die Abnahme der magnetischen Parameter bei steigendem pH-Wert könnte auf die Existenz einer großen Menge diamagnetischer Phasen von Ammoniak NH₃ . zurückzuführen sein . Es scheint, dass der Haupteffekt des diamagnetischen NH₃ sollen Sr-Ferrit-Nanopartikel voneinander isolieren, wodurch die Austauschwechselwirkung zwischen ihnen verringert wird und bekanntermaßen einen schädlichen Einfluss auf M . haben _s und M _r . Wie bereits im Abschnitt „Mikrostrukturanalyse“ beschrieben, ist die Mikrostruktur von SrFe₁₂ O₁₉ wurde durch die Erhöhung des pH-Wertes beeinflusst. Dies steht im Einklang mit den von Yang et al. [31], wobei die Partikel größer wurden [32] mit dem Anstieg des pH-Werts von 5 auf 11. Die größeren Partikel wurden stark durch eine starke magnetische Wechselwirkung zwischen magnetischen Fe-Atomen in den Körnern beeinflusst [33].

Die M –H Hystereseschleifen von SrFe₁₂ O₁₉ für a pH 0 bis pH 8 und b Nahaufnahme, variierender pH-Wert, gesintert bei 900 °C

Die M –H Hystereseschleifen in Abb. 8 wurden untersucht, und es konnten drei signifikante Gruppen von Hystereseschleifen beobachtet werden, die durch die Formen und Werte der differenzierten Gruppe gekennzeichnet sind. Die erste Gruppe bestand aus den meisten vorbereiteten Proben, die mit pH 1, 3, 4, 5, 7 und 8 hergestellt wurden. Diese Gruppe entsprach den schwachen ferromagnetischen Eigenschaften mit niedrigen Werten von M _s und M _r . Es ist bekannt, dass M _s hängt insbesondere von der Kristallinität der Probe ab. Dies war bei den Proben zu sehen, die mit pH 4, 5, 7 und 8 hergestellt wurden, bei denen die Kristallinität für die Proben reduziert war und somit niedrigere Werte von M . angezeigt wurden _s . Darüber hinaus ist die Anwesenheit von 28,2% α-Fe₂ O₃ Verunreinigung als sekundäre Phase wurde in einer Probe nachgewiesen, die mit pH 8 hergestellt wurde, wodurch die Kristallinität der Probe und folglich das M . verringert wurde _s Wert. Obwohl die beobachteten XRD-Spektren in Abb. 2 einen hohen Kristallinitätsgrad für Proben zeigten, die mit pH 3 hergestellt wurden, könnten die resultierenden niedrigen magnetischen Eigenschaftswerte aufgrund des Vorhandenseins von Poren einer Abnahme der Dichte unterliegen (siehe Tabelle 1), was die Koerzitivfeldstärke in der Probe. Seit M _s ist verwandt mit H _c wie in Gl. (5) [34], die M _s verringert, wenn das H _c erhöht.

Es ist auch bekannt, dass Porosität den Magnetisierungsprozess beeinflusst, da Poren als Generator eines entmagnetisierenden Felds wirken [35].

Auffällig ist, dass pH 2 und pH 6 in der zweiten Gruppe fielen, in der die Proben moderate Hystereseparameter aufweisen (Abb. 8). Die Proben in dieser Gruppe zeigten eine ähnliche Form der Hystereseschleife wie die erste Gruppe, jedoch mit etwas höheren Werten von M _s und M _r . Das H _c Werte, die für die mit pH 2 und pH 6 hergestellten Proben aufgezeichnet wurden, waren 6005,8 bzw. 5377,0 Oe. Die M _s Werte für pH 2 und pH 6 wurden mit 7,8 emu/g (226,2 emu/cm ³ .) beobachtet ) und 7,0 emu/g (35,8 emu/cm ³ ), während das M _r Werte für pH 2 und pH 6 wurden mit 4,9 emu/g bzw. 4,4 emu/g angegeben. Obwohl in den Proben eine größere Korngröße vorlag, waren die aufgezeichneten Werte immer noch niedrig, da das Vorhandensein von länglichen Körnern (siehe die rot gepunkteten Kreise in Abb. 6c, g) in den mit pH 2 und 6 hergestellten Proben festgestellt wurde Es ist bekannt, dass die Gesamtanisotropie-Energiebarriere von der Volumen- und Oberflächenanisotropie-Energiedichte abhängt, so dass für ein gegebenes Volumen eines Partikels die Oberfläche für Partikel mit länglicher Form größer ist. Daher ist der Hauptbeitrag der Oberfläche zur effektiven Anisotropie und eine Erhöhung von H _c wird auch in länglichen Partikeln erwartet [36], wodurch die M _s .

Die dritte Gruppe wurde in einer einzigen Probe nachgewiesen, die mit pH 0 hergestellt wurde. Zwischen der zweiten und der dritten Gruppe wurde eine signifikante Lücke beobachtet, was auf die sich ändernden Eigenschaften in Proben innerhalb dieser Gruppe insbesondere im M . hinweist _s Werte. Hystereseschleife für pH 0 hat das größte M _s , M _r , und H _c mit den signifikanten Werten von 44,19 emu/g (226,2 emu/cm ³ .) ), 27,59 emu/g bzw. 6403,6 Oe. Im Allgemeinen ist das M _s Werte für SrFe₁₂ O₁₉ könnte im Bereich von 74 bis 92 emu/g liegen, die oft in Einkristallform gemessen werden [8]. Der Wert von M _s für eine mit pH 0 hergestellte Probe war relativ niedriger als die angegebenen Werte und auch mit früher berichteten Studien, die 56 emu/g [37] und 53 emu/g [38] betrugen, beide Synthesen über die Sol-Gel-Methode. Es wird erwartet, dass der Wert von M _s in dieser Studie würde mit weiterem Anstieg der Sintertemperaturen erhöht. Die H _c Wert zeigte einen relativ höheren Wert als frühere Studien mit 5000 Oe [37] und 5200 Oe [38], und nach Pullar [8] wird kein genauer Wert für H . angegeben _c da es je nach Verarbeitungsverfahren und Korngröße zu stark variiert. Inzwischen kein signifikanter Unterschied von M _r wurde, wie bereits berichtet, mit 30 emu/g gesehen [38]. Es konnte eine offensichtlich aufrechte, größere und gut definierte Hystereseschleife beobachtet werden. Dies ist auf das starke ferromagnetische Verhalten zurückzuführen, das aus der Bildung eines hohen Volumenanteils des vollständig kristallinen SrFe₁₂ . resultiert O₁₉ Phase wie in Abb. 2 zu sehen ist. Somit trat aufgrund von Austauschkräften eine starke Wechselwirkung magnetischer Momente innerhalb von Domänen auf. Dieses beobachtete Phänomen kann als geordneter Magnetismus in der Probe angesehen werden. Um einen geordneten Magnetismus und ein wohlgeformtes M . zu erhalten, –H Hystereseschleife, es muss eine signifikante Domänenbildung vorhanden sein, ein ausreichend starkes Anisotropiefeld, H _a , und optionale Additionsbeiträge, die von Defekten wie Korngrenzen und Poren stammen [39]. Es ist interessant festzustellen, dass die breiten Schleifen in dieser Gruppe eine beträchtliche magnetische Speicherung bedeuten; somit besitzen die Proben Eigenschaften, die für praktische Anwendungen nützlich sein können [40].

Das H _c Variation in den Abb. 9a und 10 sollten erwähnt werden:Das H _c wird beobachtet, dass sie mit steigendem pH-Wert im Allgemeinen abnimmt. Die Abnahme von H _c mit steigendem pH-Wert kann auf eine Abnahme der magnetokristallinen Anisotropie mit anisotropem Fe ²⁺ . zurückgeführt werden Ionen auf einer 2a-Stelle und die Vergrößerung der Korngröße und ist in FESEM-Aufnahmen ersichtlich (Abb. 6). Außerdem ist bei pH 8 die Koerzitivfeldstärke H _c was 5117,7 Oe entspricht, wurde aufgrund des Vorhandenseins von 28,2 % α-Fe₂ . aufgezeichnet O₃ Verunreinigung (Abb. 2). Die Abnahme von H _c war auf das Vorhandensein der Verunreinigung α-Fe₂ . zurückzuführen O₃ die die Kristall- und Korngrenze beeinflusste, da berichtet wurde, dass die H _c 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].

a H _c und b M _s of SrFe₁₂ O₁₉ at varied pH sintered at 900 °C

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

Schlussfolgerungen

Single-phase nanoparticles of SrFe₂ O₁₉ prepared using different pH were successfully synthesized by sol–gel method. The effects of structural, microstructural, and magnetic behavior of SrFe₂ O₁₉ were studied by modifying the pH values at the fix sintering temperature of 900 °C. From this study, it can be concluded that pH values play an important role in the formation of single-phase SrFe₁₂ O₁₉ which required pH not more than 7 and, by increasing pH from 0 to 3, the formation of SrFe₁₂ O₁₉ is favored. SEM micrographs exhibited a circular crystal type of SrFe₂ O₁₉ with average grain size in the range of 73 to 133 nm. The single-phase SrFe₂ O₁₉ with optimum magnetic properties are observed in sample prepared at pH 0 which displayed best in-plane saturation magnetization of 44.188 emu/g and remnant magnetization of 27.593 emu/g and with high coercivity of 6403.6 Oe.

Abkürzungen

ρ _exp :

Measured sample’s density

ρ _theory :

Theoretical density

ρ _w :

Density of water

ρ _xrd :

Density of XRD

a :

Lattice parameter

C:

Carbon

c :

Lattice parameter

C/N:

Citrate to nitrate

C₃ H₄ (OH)(COOH)₃ :

Citric acid

EDX:

Energiedispersive Röntgenstrahlung

Fe:

Iron

Fe(NO₃ )₃ :

Iron(III) nitrate

Fe₂ O₃ :

Hematite

FESEM:

Field emission scanning microscope

FTIR:

Fourier transform infrared

H:

Wasserstoff

H _a :

Anisotropy field

H_c :

Coercivity

IR:

Infrarot

K ₁ :

Anisotropy constant

M :

Molecular weight

M _r :

Remanence

M _r /M _s :

Squareness ratio

M_s :

Saturation magnetization

N:

Nitrogen

N _A :

Avogadro’s number

NH₃ :

Ammoniak

NH₄ OH:

Ammoniak

O:

Sauerstoff

P :

Porosity

Sr:

Strontium

Sr(NO₃ )₂ :

Strontium nitrate anhydrous granular

SrFe₁₂ O₁₉ :

Strontium ferrite

V _cell :

Volume cell

VSM:

Vibrationsprobenmagnetometer

W _Luft :

Sample’s weight in air

W _water :

Sample’s weight in water

XRD:

Röntgenbeugung