Influencia del parámetro de ajuste de pH para la modificación sol-gel en las propiedades estructurales, microestructura y magnéticas de la ferrita de estroncio nanocristalina

Resumen

Síntesis de ferrita de estroncio nanocristalina (SrFe ₁₂ O ₁₉ ) vía sol-gel es sensible a sus parámetros de modificación. Por lo tanto, en este estudio, un intento de regular el pH como un parámetro de modificación sol-gel durante la preparación de SrFe ₁₂ O ₁₉ Se han presentado nanopartículas sinterizadas a una baja temperatura de sinterización de 900 ° C. La relación de la variación del pH (pH de 0 a 8) en los comportamientos estructurales, microestructuras y magnéticas de SrFe ₁₂ O ₁₉ Las nanopartículas se caracterizaron por difracción de rayos X (XRD), microscopio de barrido de emisión de campo (FESEM) y magnetómetro de muestra vibrante (VSM). La variación del pH del precursor mostró un fuerte efecto sobre la densidad sinterizada, la estructura cristalina y las propiedades magnéticas del SrFe ₁₂ O ₁₉ nanopartículas. Como el pH es 0, el SrFe ₁₂ O ₁₉ produjo una densidad relativamente mayor, magnetización de saturación, M _s y coercitividad, H _c , a una temperatura de sinterización baja de 900 ° C. El tamaño de grano de SrFe ₁₂ O ₁₉ se obtiene en el rango de 73,6 a 133,3 nm. La porosidad de la muestra afectó la densidad y las propiedades magnéticas del SrFe ₁₂ O ₁₉ ferrito. Se sugiere que el SrFe ₁₂ sinterizado a baja temperatura O ₁₉ a pH 0 se muestra M _s de 44,19 emu / gy H _c de 6403,6 Oe, que posee un potencial significativo para su aplicación en imanes permanentes de cerámica cocidos a baja temperatura.

Resaltado

Síntesis de ferrita de estroncio (SrFe ₁₂ O ₁₉ ) nanopartículas que utilizan la técnica de autocombustión sol-gel.
El SrFe ₁₂ O ₁₉ La fase de nanoferrita se obtuvo a una temperatura de sinterización baja, 900 ° C.
Parámetro magnético de magnetización de saturación M _s , remanente M _r y coercitividad H _c disminuir a medida que aumenta el pH.

Antecedentes

Ferrita de estroncio (SrFe ₁₂ O ₁₉ ) ha sido ampliamente estudiado por sus posibles aplicaciones en dispositivos de microondas, grabación magnética de alta densidad, dispositivos electrónicos e imanes permanentes. Las ferritas de imán permanente se utilizan ampliamente en la industria de fabricación eléctrica debido a sus diversas ventajas [1] y propiedades impresionantes como alta resistividad eléctrica [2], gran pérdida por histéresis y alta coercitividad intrínseca [3]. Es mejor conocido por su buena resistencia al calor y a la corrosión y es útil para muchas aplicaciones. La ferrita de estroncio ha atraído más estudios científicos en los últimos años debido a su alta anisotropía magnética, que es responsable de la alta coercitividad de la estructura cristalina [4, 5] y, por lo tanto, puede garantizar una alta coercitividad incluso cuando el tamaño de las partículas se reduce a nanoescala. con estructura de dominio único. El ferromagnetismo exhibido por SrFe ₁₂ O ₁₉ se atribuye al Fe ³⁺ subredes de iones presentes en la estructura. Se distribuyen en tres octaédricos (12 k, 2a, 4f ₂ ), un tetraédrico (4f ₁ ) y uno bipiramidal (2b). De estos sitios, 12 k, 2a y 2b se representan como estados de alto giro y 4f ₁ y 4f ₂ se consideran como los estados de giro bajo [6, 7]. Los momentos magnéticos del Fe ³⁺ Los iones se acoplan entre sí mediante interacciones de superintercambio mediadas por O ²⁻ iones. El Sr ²⁺ El ion es responsable de la gran anisotropía uniaxial magnética, ya que provoca una perturbación de la red cristalina [8]. Hexaferrita de estroncio (SrFe ₁₂ O ₁₉ ) las nanopartículas tienen un tamaño medio de partícula inferior a 0,1 µm y están compuestas por una distribución homogénea del tamaño de partícula [9]. El tamaño de partícula más pequeño produce una gran área de superficie, lo que mejora significativamente el SrFe ₁₂ O ₁₉ propiedades de las nanopartículas, como sus propiedades químicas, físicas, mecánicas y magnéticas, lo que resulta en propiedades interesantes para aplicaciones de nanoferrita.

El método de estado sólido de cerámica convencional es difícil para obtener nanopartículas y partículas de tamaño único [4, 5]. Tiene limitaciones tales como un programa de calentamiento prolongado a una temperatura de sinterización alta de aproximadamente 1300 ° C, mayor tamaño de grano / partícula obtenido y mayor consumo de tiempo. Las condiciones experimentales involucradas en la fabricación de las nanopartículas de ferrita juegan un papel clave en las propiedades resultantes, así como en el tamaño de partícula de las nanopartículas de ferrita. Para lograr SrFe ₁₂ altamente homogéneo O ₁₉ nanopartículas que consisten en una estructura de dominio único a baja temperatura de sinterización o calcinación, se han introducido varios métodos para evitar una amplia distribución de tamaño de grano con crecimiento de grano anómalo promovido durante la sinterización. Los métodos incluyen coprecipitación [9, 10], método de fusión de sal [11], hidrotermal [12, 13], microemulsión [14] y proceso sol-gel [1, 4, 15]. Entre estos métodos, la ruta sol-gel es un método de bajo costo, simple y confiable para controlar la estequiometría y producir ferrita nanocristalina. El proceso sol-gel produce un óxido mixto homogéneo que puede reducir la temperatura de calcinación y producir un tamaño de cristalito más pequeño [3]. La optimización de la relación molar de Fe a Sr (Fe / Sr) es muy importante para producir una muestra de una sola fase, partículas ultrafinas y temperaturas de calcinación más bajas [1]. Esta relación varía con el cambio en las materias primas y con el cambio en el método de producción [1]. A alta temperatura de calcinación, aumentan tanto el tamaño de grano como el acoplamiento de intercambio. Estos serán desfavorables para obtener una buena calidad de imán permanente [16]. En general, los alcóxidos metálicos se utilizan a menudo como materias primas en el proceso sol-gel, pero muchos de los alcóxidos son muy difíciles de obtener y tratar debido a la alta sensibilidad a la humedad atmosférica. Además, no es fácil controlar la velocidad de hidrólisis del alcóxido cuando se van a preparar cerámicas de múltiples componentes. En este estudio se emplean sales metálicas porque son muy útiles, más baratas y más fáciles de manipular. Además, las sales metálicas se pueden disolver en muchos tipos de disolventes orgánicos, formando así complejos metálicos al quelar los iones metálicos con ligandos orgánicos [17]. Se han informado varios procesos de modificación sol-gel, como el ajuste del pH [1, 18], el agente básico [3], el tensioactivo [1], el ácido carboxílico [2] y las sales metálicas de partida [3], para reducir la temperatura final de calcinación, tamaño de cristalito [2] y alta anisotropía de SrFe ₁₂ O ₁₉ nanopartículas [12]. En los métodos sol-gel, la capacidad de formar hidróxidos y / u óxidos depende en gran medida del pH de la solución y de la relación carga / radio del catión metálico [17]. Además, el pH del sol controla la cantidad de H ⁺ o OH ^- iones en el sol que efectivamente determina la polimerización de los enlaces metal-oxígeno. Además, se sabe que durante el proceso sol-gel, el proceso de complejación con ácido cítrico es sensible a los valores de pH [19, 20]. Por tanto, la homogeneidad del sol, que es esencial para la formación de fases, vendría determinada por el pH de la solución. Es bien sabido que las propiedades magnéticas de SrFe ₁₂ O ₁₉ dependen en gran medida de su morfología, tamaño de partícula / grano, forma, orientación y configuraciones de dominio mediante la modificación de los parámetros de síntesis. Por lo tanto, en este trabajo pretendemos regular el pH de la solución como parámetro de modificación sol-gel para producir ferrita nanocristalina con valores considerables de propiedades magnéticas a una temperatura de calcinación más baja.

Métodos

Las secuencias experimentales de este estudio consistieron en dos etapas principales que fueron la síntesis de nanopartículas de ferrita de estroncio a través del método sol-gel (la sección "Síntesis de nanopartículas de ferrita de estroncio") y fueron seguidas por las caracterizaciones de propiedades estructurales, microestructura y magnéticas de ferrita de estroncio preparada (la sección "Caracterizaciones de ferrita de estroncio").

Síntesis de nanopartículas de ferrita de estroncio

Las nanopartículas de ferrita de estroncio se han sintetizado mediante el método sol-gel. En este método, el nitrato de estroncio anhidro granular Sr (NO ₃ ) ₂ (98%, Alfa Aeser), nitrato de hierro (III) Fe (NO ₃ ) ₃ (99%, HmbG), ácido cítrico C ₃ H ₄ (OH) (COOH) ₃ (99%, Alfa Aeser), amoniaco NH ₄ Se utilizaron OH (25%, SYSTERM) y agua desionizada como materiales de partida para la preparación de la muestra. Cantidades apropiadas de Sr (NO ₃ ) ₂ y Fe (NO ₃ ) ₃ se disuelven en 100 ml de agua desionizada durante unos minutos a 60 ° C con una rotación constante del agitador de 250 rpm para hacer una solución acuosa. Se añadió ácido cítrico como agente quelante con una relación molar de citrato a nitrato (C / N =0,75) y la temperatura se elevó a 80ºC. Las mezclas se agitaron continuamente y NH ₄ Se añadió OH para variar el pH desde pH 0 a pH 8. El pH se midió con un medidor de pH / ORP HI2211 (instrumentos HANNA). Las soluciones se agitaron y calentaron continuamente durante varias horas a 90ºC y la solución se convirtió lentamente en un gel pegajoso de color verde. Tras la formación de un gel denso y pegajoso, la temperatura de la placa caliente se aumenta hasta 200 ° C y se queman los geles durante una hora para el proceso de deshidratación. Los polvos obtenidos se calcinaron a 900 ° C durante 6 h con una velocidad de calentamiento de 5 ° C / min. Una descripción paso a paso del procedimiento de síntesis de SrFe ₁₂ O ₁₉ nanopartículas se muestra en la Fig. 1.

Diagrama de flujo para preparar SrFe ₁₂ O ₁₉ Polvos de nanopartículas por el método sol-gel

Caracterizaciones de ferrita de estroncio

La medición de caracterización de la ferrita de estroncio se ha realizado en términos de sus propiedades estructurales, microestructura y magnéticas. La explicación detallada se muestra en las siguientes subsecciones.

Propiedades estructurales

La caracterización estructural de las muestras se caracterizó mediante la técnica de difracción de rayos X (XRD) utilizando un difractómetro de rayos X Philips X'pert Modelo 7602 EA Almelo con radiación Cu Kα a 1,5418 Å. El rango de ángulo de difracción utilizado es de 20 ° a 80 ° a temperatura ambiente. La corriente de aceleración y la tensión de trabajo fueron 35 mA y 4,0 kV respectivamente. Los datos se analizaron utilizando un software X’Pert High Score Plus.

La caracterización de infrarrojos por transformada de Fourier (FTIR) se llevó a cabo mediante un espectrómetro de infrarrojos por transformada de Fourier de Perkin Elmer modelo 1650 para determinar el espectro infrarrojo de las bandas de absorción y emisión de la muestra. Se realizó entre espectros infrarrojos de 280 a 4000 cm ⁻¹ .

Propiedades de microestructura

La observación microestructural se realizó mediante un microscopio electrónico de barrido de emisión de campo (FESEM) utilizando una máquina FEI Nova NanoSEM 230. La distribución de la imagen del tamaño de grano se fijó con un aumento de 100 kx con un voltaje de aceleración de 5,0 kV. Las distribuciones de los tamaños de grano se obtuvieron tomando 200 imágenes de grano diferentes para la muestra y estimando los diámetros medios de los granos individuales utilizando el software imageJ. La distribución del tamaño de grano se midió mediante un método de intersección lineal media.

Densidad

La densidad se midió usando un densitómetro Hildebrand Modelo H-300 S. La densidad del gránulo sinterizado se obtuvo usando el principio de Arquímedes con agua como medio fluido mediante la Ec. 1,

$$ {\ rho} _ {\ mathrm {exp}} =\ left (\ frac {W _ {\ mathrm {aire}} - {W} _ {\ mathrm {agua}}} {W _ {\ mathrm {agua} }} \ right) \ times {\ rho} _w $$ (1)

ρ _exp es la densidad de la muestra medida, ρ _w es la densidad del agua, W _aire es el peso de la muestra en el aire y W _agua es el peso de la muestra en agua.

Propiedades magnéticas

Las propiedades magnéticas de las muestras se midieron mediante un magnetómetro de muestra vibrante (VSM) Modelo 7404 LakeShore. La medición se realizó a temperatura ambiente. El campo externo de 12 kOe se aplicó en paralelo a la muestra.

Resultados y discusión

Análisis estructural

La Figura 2 muestra los espectros de difracción de rayos X (XRD) de SrFe ₁₂ O ₁₉ nanocristalino variando el pH. La estructura de los picos de XRD se refirió al estándar SrFe ₁₂ O ₁₉ con el código de referencia JCPDS de 98-004-3603. Los picos característicos y los índices de miller de SrFe ₁₂ O ₁₉ también se muestran en la figura. La intensidad más alta se puede observar a 2θ (34,218 °) con índices de Miller de [1 1 4]. La formación de SrFe ₁₂ monofásico O ₁₉ se obtuvo a una temperatura de calcinación relativamente baja de 900 ° C. No se observaron picos correspondientes a algunos de los precursores de los reactivos u otras fases secundarias y productos intermedios, a excepción de la muestra preparada a pH 8 donde una pequeña cantidad de hematites Fe ₂ O ₃ se detectó la fase y todas las muestras tienen una buena cristalinidad como se muestra en la figura. La formación de Fe ₂ secundario O ₃ La fase observada para la muestra preparada a pH 8 había reducido la pureza de SrFe ₁₂ O ₁₉ al 87,8%. El Fe ₂ O ₃ los patrones se indexaron al código de referencia ICSD 98-004-1067. La presencia de Fe ₂ O ₃ La fase se debe a una temperatura de calcinación insuficiente para la muestra preparada a pH 8 [21]. Se encontró que una alta acidez en una solución media de pH 0 a 3 favorecía la formación de SrFe ₁₂ de alta cristalinidad. O ₁₉ fase. El aumento del pH del sol ayudó a la formación de geles de hierro cargados negativamente y a la adsorción de iones Sr cargados positivamente en geles de hierro. En consecuencia, se obtuvo una solución más homogénea y da como resultado la fácil formación de SrFe ₁₂ O ₁₉ fase [3] _. Aunque la formación de SrFe ₁₂ O ₁₉ Es más fácil con un pH elevado, se podrían formar agregados cerámicos heterogéneos debido a cambios localizados en la vecindad inmediata del complejo sometido a polimerización [22]. Por lo tanto, el crecimiento cristalino podría inhibirse, reduciendo así la cristalinidad a partir de pH 4. Esto se demostró por el aumento de la intensidad máxima de XRD por la mejora de la cristalinidad de SrFe ₁₂ O ₁₉ preparado usando pH 1 a pH 3, sin embargo disminuyó lentamente con valores de pH aumentados de 4 a 8. La formación de SrFe cristalino ₁₂ O ₁₉ después de ser calcinado a 900 ° C se atribuye al mayor grado de homogeneidad de la composición, así como al mayor calor generado por la reacción exotérmica de los nitratos y el ácido cítrico [21].

Los espectros de difracción de rayos X de SrFe ₁₂ O ₁₉ para pH 0 a pH 8, sinterizado a 900 ° C

El parámetro de celosía a y c Los valores observados no fueron muy diferentes en comparación con el valor teórico de SrFe ₁₂ O ₁₉ constante de celosía donde a =5.8820 Å y c =23,0230 Å [23] (figura 3). El a y c Los parámetros observados son similares a los de Masoudpanah et al. [3] y Dang et al. [12]. La celda de volumen V _celda y densidad de XRD ρ _xrd utilizados en este estudio dependen del parámetro cristalográfico que tiene un sistema de cristal hexagonal con grupo espacial de P63 / mmc . La V _celda se calcularon usando la Ec. (2);

$$ {V} _ {\ mathrm {celda}} =\ frac {\ sqrt {3}} {2} {a} ^ 2c $$ (2)

donde a y c son la constante de celosía. La densidad teórica ρ _teoría de muestra se calculó usando la Ec. (3),

$$ {\ rho} _ {\ mathrm {teoría}} =\ frac {2M} {N_AV} $$ (3)

donde M es el peso molecular de SrFe ₁₂ O ₁₉ lo que equivale a 1061,765 g. El peso de dos moléculas en una celda unitaria es 2 × 1061,765 =2123,53 g; N _A es el número de Avogadro (6.022 × 10 ²³ mol ⁻¹ ).

Los parámetros de celosía a y c de SrFe ₁₂ O ₁₉ nanopartículas para pH 0 a pH 8, sinterizadas a 900 ° C. Las líneas discontinuas son los valores de referencia de los parámetros de celosía a y c

La porosidad P de las muestras se puede calcular usando la Ec. (4);

$$ P =\ izquierda (\ frac {1 - {\ rho} _ {\ mathrm {exp}}} {\ rho _ {\ mathrm {teoría}}} \ derecha) \ veces 100 \% $$ (4)

A medida que aumentaba el valor del pH, la densidad experimental de las muestras ρ _exp disminuyó excepto por algunas fluctuaciones observadas para muestras preparadas a pH 4, 6 y 7 con valor óptimo de densidad experimental y menor porosidad obtenida para muestra preparada a pH 4. La densidad y porosidad óptimas se registraron como 4.693 g / cm ³ y 8.15% respectivamente (Fig. 4, Tabla 1). La densidad de rayos X que se muestra en la Tabla 1 es mayor que la densidad experimental que puede deberse a la presencia de poros creados durante el proceso de sinterización. La característica porosa de los aglomerados también se atribuye a la liberación de una gran cantidad de gas como NH ₃ durante el proceso de combustión [24].

Densidad experimental de SrFe ₁₂ O ₁₉ nanopartículas para pH 0 a pH 8, sinterizadas a 900 ° C

Los espectros FTIR de SrFe ₁₂ sinterizado O ₁₉ a pH variable de pH 0 a pH 8 se muestran en la Fig. 5. Los espectros FTIR de un precursor aparecieron notablemente en el rango de 430, 583, 904 y 1446 cm ^-1 de bandas características IR. La banda de absorción a 436 cm ⁻¹ se indicó como una banda de estiramiento de CH ₂ , lo que demuestra la presencia del compuesto saturado de CH [25]. Bandas a 583 cm ^‑1 muestran la vibración característica del oxígeno metálico Sr – O Fe – O [20]. Las bandas de absorción del rango 443–600 cm ⁻¹ se atribuyeron a la formación de ferrita de estroncio como vibración de estiramiento del enlace metal-oxígeno [26,27,28,29]. Esto confirma que el SrFe ₁₂ O ₁₉ se formó a una temperatura de sinterización de 900 ° C. Las bandas relativamente fuertes y anchas en los picos 904 cm ⁻¹ reveló que había un grupo funcional amina para la vibración N – H debido a la descomposición de NH ₃ . Mientras tanto, Pereira et al. [29] también afirmó que una amplia vibración del estiramiento de Sr – O indica la formación de nanoferrita de estroncio. La banda de absorción a 1446 cm ⁻¹ indica las bandas vibratorias de las bandas de Fe-O-Fe debido a la descomposición del metal con la banda de óxidos [25].

Los espectros FTIR de SrFe ₁₂ O ₁₉ para pH 0 a pH 8, sinterizado a 900 ° C

Análisis microestructural

Las imágenes de microestructura de SrFe ₁₂ a granel O ₁₉ y los espectros EDX se muestran en la Fig. 6, mientras que las distribuciones de tamaño de grano de las muestras se muestran en la Fig. 7. Los tamaños de grano promedio se encontraron en el rango de 73,6 a 133,3 nm. El tamaño de grano promedio de las muestras no muestra una gran variación excepto para muestras con pH 4 y pH 8. Los tamaños de grano se aglomeraron a medida que aumentaba el valor de pH. Se observó un tamaño de grano relativamente pequeño y compacto con un promedio de 73.6 nm y una distribución de tamaño de grano más estrecha entre todos para pH 0. El tamaño de grano aumentó con valores de pH aumentados de pH 0 a pH 3, disminuyó a pH 4 y aumentó aún más hasta que pH 8. Los resultados están de acuerdo con los espectros XRD como se muestra en la Fig. 2 que el grado de cristalinidad se redujo para la muestra a pH 4. De la Fig. 6e, para la muestra preparada a pH 4, muestra que los granos no son homogéneos distribuidos y no formados uniformemente.

Las micrografías FESEM de muestras sinterizadas a 900 ° C variando el pH: a pH 0, b pH 1, c pH 2, d pH 3, e pH 4, f pH 5, g pH 6, h pH 7 y i pH 8

Distribución del tamaño de grano para SrFe ₁₂ O ₁₉ calcinado a 900 ° C variando el pH: a pH 0, b pH 1, c pH 2, d pH 3, e pH 4, f pH 5, g pH 6, h pH 7 y i pH 8

El tamaño de grano más fino exhibió el mayor M _s , M _r y H _c . Los granos de las muestras que tenían pH 0 tenían forma esférica y estaban en contacto con otro grano para formar una estructura de cuello. El contacto fue obvio con el aumento de los valores de pH, mostrando así una estructura de grano más alargada. Las distribuciones de tamaño / forma de grano se hicieron más grandes y no uniformes a medida que aumentaban los valores de pH. El histograma de la distribución del tamaño de grano cambió de tamaños de grano pequeños a exhibir tamaños de grano más grandes. El aumento de la velocidad de combustión y el calor liberado por la reacción también pueden aumentar el tamaño de los cristalitos [30]. Las líneas de puntos rojas en el histograma (Fig. 7) marcaron el tamaño de grano promedio de la muestra. La microestructura mostró que algunas de las muestras exhibían una gran porosidad debido a la presencia de alcohol polivinílico durante la preparación de SrFe ₁₂ a granel. O ₁₉ nanoferrita en forma de gránulos, así como la liberación de gas durante la preparación de la muestra.

Comportamientos magnéticos

El desarrollo de M - H El bucle de histéresis a varios pH se ilustra en la Fig. 8. Una confirmación adicional de esta evolución se puede ver en la variación de la magnetización de saturación, M _s , remanencia, M _r , relación de cuadratura, M _r / M _s y coercitividad, H _c , en función del pH tabulado en la Tabla 1. La magnetización por unidad de masa no está directamente relacionada con la microestructura de la muestra; por lo tanto, la magnetización por unidad de volumen se ha calculado multiplicando la magnetización por unidad de masa con la densidad experimental, ρ _exp . La M _s , M _r y H _c generalmente disminuyen al aumentar el pH mediante la adición de amoníaco en un precursor sol-gel. La disminución de los parámetros magnéticos a medida que aumenta el pH podría deberse a la existencia de una gran cantidad de fases diamagnéticas de amoniaco NH ₃ . Parece que el efecto principal del NH ₃ diamagnético son para aislar nanopartículas de ferrita Sr entre sí, reduciendo así la interacción de intercambio entre ellas y se sabe que tienen un efecto perjudicial en M _s y M _r . Como se vio anteriormente en la sección "Análisis microestructural", la microestructura de SrFe ₁₂ O ₁₉ se vio afectado por el aumento del valor de pH. Esto está de acuerdo con los hallazgos reportados por Yang et al. [31], donde las partículas se hicieron más grandes [32] con el aumento del pH de 5 a 11. Las partículas más grandes se vieron muy afectadas por una fuerte interacción magnética entre los átomos magnéticos de Fe en los granos [33].

La M - H bucles de histéresis de SrFe ₁₂ O ₁₉ para un pH 0 a pH 8 y b gráfico de primer plano, pH variable sinterizado a 900 ° C

La M - H Se han examinado los bucles de histéresis en la figura 8, y se pudieron observar tres grupos significativos de bucles de histéresis caracterizados por las formas y valores del grupo diferenciado. El primer grupo consistió en la mayoría de las muestras preparadas que son muestras preparadas usando pH 1, 3, 4, 5, 7 y 8. Este grupo correspondía a las propiedades ferromagnéticas débiles con valores bajos de M _s y M _r . Se sabe que M _s depende particularmente de la cristalinidad de la muestra. Esto se pudo observar en las muestras preparadas con pH 4, 5, 7 y 8, donde se redujo la cristalinidad de las muestras, mostrando así valores más bajos de M _s . Además, la presencia de 28,2% de α-Fe ₂ O ₃ Se detectó impureza como fase secundaria en la muestra preparada usando pH 8, reduciendo la cristalinidad de la muestra y consecuentemente reduciendo el M _s valor. A pesar de que los espectros XRD observados en la Fig.2 mostraban un alto grado de cristalinidad para las muestras preparadas con pH 3, los valores bajos de propiedades magnéticas resultantes podrían estar sujetos a una disminución en la densidad (ver Tabla 1) debido a la presencia de poros, lo que afecta la coercitividad en la muestra. Desde M _s está relacionado con H _c como se muestra en la ecuación. (5) [34], el M _s disminuyó cuando el H _c aumentado.

$$ {H} _c =\ frac {2 {K} _1} {M_s} $$ (5)

También se sabe que la porosidad afecta el proceso de magnetización porque los poros funcionan como un generador de campo desmagnetizante [35].

Se nota que pH 2 y pH 6 cayeron en el segundo grupo en el que las muestras tienen parámetros de histéresis moderados (Fig. 8). Las muestras de este grupo exhibieron una forma similar de bucle de histéresis con el primer grupo pero con valores ligeramente más altos de M _s y M _r . El H _c Los valores registrados para las muestras preparadas con pH 2 y pH 6 fueron 6005,8 y 5377,0 Oe respectivamente. La M _s Los valores de pH 2 y pH 6 se observaron como 7,8 emu / g (226,2 emu / cm ³ ) y 7,0 emu / g (35,8 emu / cm ³ ), respectivamente, mientras que M _r los valores para pH 2 y pH 6 se dieron como 4,9 emu / gy 4,4 emu / g, respectivamente. Si bien las muestras tenían un tamaño de grano mayor, los valores registrados aún eran bajos ya que se detectó la presencia de granos alargados (ver los círculos de puntos rojos en la Fig. 6c, g) en las muestras preparadas con pH 2 y 6. Dado que Se sabe que la barrera de energía de anisotropía total depende del volumen y las densidades de energía de anisotropía de la superficie, por lo que para un volumen dado de una partícula, el área de la superficie es más para partículas de forma alargada. Por lo tanto, la mayor contribución de la superficie a la anisotropía efectiva y un aumento en H _c también se espera en partículas alargadas [36], reduciendo así el M _s .

El tercer grupo se detectó en una única muestra preparada con pH 0. Se observó una brecha significativa entre el segundo y el tercer grupo, lo que indica las propiedades cambiantes en las muestras dentro de este grupo, particularmente en el M _s valores. El bucle de histéresis para pH 0 tiene el M más grande _s , M _r y H _c con los valores significativos de 44,19 emu / g (226,2 emu / cm ³ ), 27,59 emu / gy 6403,6 Oe respectivamente. Generalmente, el M _s valores para SrFe ₁₂ O ₁₉ podría oscilar entre 74 y 92 emu / g, que a menudo se miden en una forma de cristal único [8]. El valor de M _s para la muestra preparada usando pH 0 fue relativamente más bajo que los valores dados y también con estudios previamente reportados que fueron 56 emu / g [37] y 53 emu / g [38], ambos sintetizados mediante el método sol-gel. Se espera que el valor de M _s en este estudio se incrementaría con un incremento adicional de las temperaturas de sinterización. Sin embargo, el H _c valor mostró un valor relativamente más alto que los estudios anteriores que fueron 5000 Oe [37] y 5200 Oe [38], y según Pullar [8], no se da un valor preciso para H _c ya que varía demasiado con los métodos de procesamiento y el tamaño de grano. Mientras tanto, ninguna diferencia significativa de M _r fue visto como se ha informado anteriormente que fue de 30 emu / g [38]. Se pudo observar un obvio bucles de histéresis erectos, más grandes y bien definidos. Se debe al fuerte comportamiento ferromagnético, resultante de la formación de una fracción de gran volumen del SrFe cristalino completo ₁₂ O ₁₉ fase como se ve en la Fig. 2. Por lo tanto, se produjo una fuerte interacción de momentos magnéticos dentro de los dominios debido a las fuerzas de intercambio. Este fenómeno observado se puede considerar como un magnetismo ordenado en la muestra. De hecho, para obtener un magnetismo ordenado y un M bien formado - H bucle de histéresis, debe existir una formación de dominio significativa, un campo de anisotropía suficientemente fuerte, H _a y contribuciones de adición opcionales que provienen de defectos tales como límites de grano y poros [39]. Es interesante notar que los bucles anchos en este grupo significan un almacenamiento magnético sustancial; por tanto, las muestras poseen características que pueden ser útiles para aplicaciones prácticas [40].

El H _c variación en las Figs. 9a y 10 deberían merecer una mención:la H _c se observa que generalmente se reduce a medida que aumenta el pH. La disminución de H _c con el aumento del pH se puede atribuir a la disminución de la anisotropía magnetocristalina con Fe anisotrópico ²⁺ iones localizados en un sitio 2a y el agrandamiento del tamaño de grano y es evidente en las micrografías de FESEM (Fig. 6). Además, a pH 8, la coercitividad H _c que es 5117.7 Oe se registró debido a la presencia de 28.2% de α-Fe ₂ O ₃ impureza (Fig. 2). La disminución de H _c se debió a la presencia de impureza α-Fe ₂ O ₃ que afectó el límite cristalino y del grano, ya que se ha informado que el H _c podrían verse afectados por parámetros importantes como el tamaño de partícula, la sustitución de iones, la morfología, la estructura de la interfaz, los defectos de los cristales, la anisotropía magnetocristalina y la cepa [41]. La relación de cuadratura, M _r / M _s , se calcula a partir de los datos magnéticos y se tabula en la Tabla 1. Generalmente, una gran M _r / M _s El valor se prefiere en muchas aplicaciones, como soportes de grabación magnéticos de alta densidad e imanes permanentes [42]. El M calculado _r / M _s en este estudio se encontró que estaba en el rango de 0,63 a 0,65, lo que indica que todas las muestras están predominantemente en una estructura de dominio magnético único [43]. M _r / M _s igual o superior a 0,5 indica que las partículas están en el dominio magnético único y por debajo de 0,5 puede atribuirse a la formación de una estructura multidominio [43, 44].

un H _c y b M _s de SrFe ₁₂ O ₁₉ a pH variado sinterizado a 900 ° C

Relación de H _c y tamaño de grano de SrFe ₁₂ O ₁₉ a pH variado sinterizado a 900 ° C

Conclusiones

Nanopartículas monofásicas de SrFe ₂ O ₁₉ preparados con diferentes pH se sintetizaron con éxito mediante el método sol-gel. Los efectos del comportamiento estructural, microestructural y magnético de SrFe ₂ O ₁₉ se estudiaron modificando los valores de pH a la temperatura fija de sinterización de 900 ° C. A partir de este estudio, se puede concluir que los valores de pH juegan un papel importante en la formación de SrFe ₁₂ monofásico O ₁₉ que requirió pH no más de 7 y, al aumentar el pH de 0 a 3, la formación de SrFe ₁₂ O ₁₉ se favorece. Las micrografías SEM mostraron un tipo de cristal circular de SrFe ₂ O ₁₉ con un tamaño de grano medio en el rango de 73 a 133 nm. El SrFe ₂ monofásico O ₁₉ con propiedades magnéticas óptimas se observan en la muestra preparada a pH 0 que mostró la mejor magnetización de saturación en el plano de 44,188 emu / gy una magnetización remanente de 27,593 emu / gy con alta coercitividad de 6403,6 Oe.

Abreviaturas

ρ _exp :: Densidad de la muestra medida
ρ _teoría :: Densidad teórica
ρ _w :: Densidad del agua
ρ _xrd :: Densidad de XRD
a :: Parámetro de celosía
C:: Carbono
c :: Parámetro de celosía
C / N:: Citrato a nitrato
C ₃ H ₄ (OH) (COOH) ₃ :: Ácido cítrico
EDX:: Rayos X de energía dispersiva
Fe:: Hierro
Fe (NO ₃ ) ₃ :: Nitrato de hierro (III)
Fe ₂ O ₃ :: Hematita
FESEM:: Microscopio de barrido de emisión de campo
FTIR:: Infrarrojos por transformada de Fourier
H:: Hidrógeno
H _a :: Campo de anisotropía
H _c :: Coercitividad
IR:: Infrarrojos
K ₁ :: Constante de anisotropía
M :: Peso molecular
M _r :: Remanencia
M _r / M _s :: Relación de cuadratura
M _s :: Magnetización de saturación
N:: Nitrógeno
N _A :: Número de Avogadro
NH ₃ :: Amoníaco
NH ₄ OH:: Amoníaco
O:: Oxígeno
P :: Porosidad
Sr:: Estroncio
Sr (NO ₃ ) ₂ :: Granulado anhidro de nitrato de estroncio
SrFe ₁₂ O ₁₉ :: Ferrita de estroncio
V _celda :: Celda de volumen
VSM:: Magnetómetro de muestra vibrante
W _aire :: Peso de la muestra en el aire
W _agua :: Peso de la muestra en agua
XRD:: Difracción de rayos X

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