. Co1-xMexFe2O4 nanoparticles: interplay between particle size, cation distribution and magnetic properties

. Co1-xMexFe2O4 nanoparticles: interplay between particle size, cation distribution and magnetic properties

Author

.Al-Maashani, Mohammed Salim Ali

Publisher

Sultan Qaboos University

Gregorian

2019

Language

English

Subject

Physics

English abstract

The interplay between the cation distributions and magnetic properties has been demonstrated by studying the effect of cation-doping on the structure and magnetic properties of the cobalt ferrite (CoFe2O4) nanocrystalline system. Single-phased nanocrystalline MexCo1-xFe2O4 materials with (x = 0.0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0, and Me = Zn2+, Mn2+, Ni2+) have been prepared using sol-gel auto-combustion. The materials were synthesized and characterized using different structural and magnetic characterization techniques . The refinement analysis of X-ray diffraction patterns confirm all samples are crystallized in the (Fd3̅m) space group. The corresponding lattice constants increase with increasing Zn2+ and Mn2+ contents (x), while decrease with increasing Ni2+ content (x). The average crystallite size ranges between 19 and 28 nm for the samples doped with Zn2+ and Mn2+, but show somehow larger with Ni2+ up to 43 nm. Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDXS) shows that the weight percentages of the Co and Fe atoms are consistent within 3% accuracy. Transmission electron microscopy (TEM) shows that as Me2+ doping increases, the average particle size decreases. The 57Fe Mössbauer measurements at 295 K show two magnetic sextets superimposed on a paramagnetic doublet for the samples with high Zn2+ and Mn2+ concentrations; which decreases with decreasing the temperature to 78 K. The existence of the doublet for the samples with high Zn concentrations at 78 K suggests that the blocking temperature is still below 78 K. The doublet isomer shifts values for both dopant series show similar values to that measured for the octahedral sub-spectra. The hyperfine fields values for the octahedral and tetrahedral sites are decreased by doping. Mössbauer spectra of the samples doped with Ni2+ did not show any paramagnetic double even at 295 K; suggesting the blocking temperature is above 295 K. The magnetization measurements for the samples doped with Zn2+ and Ni2+ show similar decreasing trend for the saturation magnetization (Ms); while it fluctuates with Mn2+ concentration. The reduction in particle sizes for the samples with high Zn2+ concentration may cause the sharp decrease in Ms. The behavior of other magnetic parameters of all series and their relation with the magnetic super- exchange interactions will be discussed in details.

Member of

Theses and Dissertations

Resource URL

https://hdl.handle.net/20.500.12408/3094

Arabic abstract

تطرقت هذه الدراسة للتأثير المتبادل بين توزيع الأيونات الموجية ثنائية الشحنة (الكاتيونات) والخصائص المغناطيسية وذلك بدراسة التأثير المباشر للتطعيم بالأيونات الموجبة على الخصائص التركيبية والمغناطيسية للجسيمات الناونية لمادة الكوبالت فرایت (CoFe204) . تم تحضير الجسيمات النانومترية البلورية احادية الطور للمواد MexCoFe204 بتراكيز مختلفة x = 0. 2 , 0 . 0 , 0. 4, 0 . 6 ,0 . 8, وہ ,وMe = Zn2 + , Ni , Mn بالطريقة الإحتراق التلقائي وتم تحلیل خواصها التركيبية والمغناطيسية باستخدام عدد من الطرق التجريبية حيود الأشعة السينية لجميع العينات, بينت أنها تنتمي إلى المجموعة البلورية (Fd3m) وأن زيادة تركيز الخارصين والمنجنيز (x) تكون مصحوبة بنزايد في حجم وحدة الخلية بينما بزيادة تركيز النيكل فان حجم الخلية يتناقص. وجدنا بأن متوسط الحجم البلوري يتراوح بين 19 و 28 نانومتر لكل العينات المطعمة بالخارصين والمنجنيز, بينما لوحظ ازدياد في الحجم البلوري الى 43 نانومتر للعينات المطعمة بالنيكل. أوضح مطياف تبدد طاقة الأشعة السينية (EDXS) بأن النسبة المئوية لعنصري الكوبالت (Co), والحديد (Fe) ثابتة ومتوافقة مع النسب النظرية مع نسبة خطأ 3%. أظهر جهاز المجهر الإلكتروني (TEM) أن متوسط توزيع في أحجام الجسيمات النانوية يتناقص مع زيادة نسبة التركيزل Me. أظهرت نتائج مطياف المناسباور للنظير Fe عند درجات الحرارة 295 كلفن وجود تراكب بين اثنين من التفاعلات المغناطيسية فائقة الدقة بالإضافة إلى تفاعل بارامغناطيسي في العينات ذات التراكيز العالية لكل من الخارصين والمنجنيز الذي يقل مع إنخفاض درجة الحرارة. وجود التفاعل البارمغناطيسي للعينات المطعمة بالخارصين في درجات حرارة منخفضة يثبت أن درجة الحرارة المانعة لهذه المواد أقل من 78 كلفن. عن طريق حساب النسب المئوية لأيونات الحديد مع افتراض المواقع المفضلة لأيونات الخارصين والمنجنيز, تم الاستنتاج بأن هذا التفاعل البار مغناطيسي يمكن أن يعزى للموقع: الموقع ذي الثماني الأوجه (octahedral). هذه التفاعلات المغناطيسية فائقة الدقة تنخفض مع زيادة نسبة التطعيم للعينات المطعمة بالخارصين والمنجنيز. أما بالنسبة للعينات المطعمة بالنيكل فان نتائج مطياف الماسباور للنظير Fe" عند درجات الحرارة 295 كلفن لم تظهر أي تفاعل بارامغناطيسي في العينات, مما يثبت أن درجة الحرارة المانعة لهذه المواد أكثر من 295 كلفن. أظهرت القياسات المغناطيسية Ms عند درجة الحرارة 295 كلفن لكل من العينات المطحونة المطعمة بالخارصين والنيكل نفس السلوك في التناقص مع زيادة التركيز. بينما تتذبذب قيمتها للعينات المطعمة بالمنجنيز. إن إنخفاض التأثر بالمغناطيسية Ms للعينات ذات التراكيز العالية من الخارصين يعزى إلى تناقص في حجم الجسيمات السلوك للخصائص المغناطيسية الأخرى لكل العينات وعلاقتها بالتفاعل الخاص بين مواقع أيونات سوف تناقش بالتفصيل.