Σας ευχαριστούμε που επισκεφθήκατε τη Φύση. Η έκδοση του προγράμματος περιήγησης που χρησιμοποιείτε έχει περιορισμένη υποστήριξη για CSS. Για την καλύτερη εμπειρία, συνιστούμε να χρησιμοποιήσετε μια νεότερη έκδοση του προγράμματος περιήγησης (ή να απενεργοποιήσετε τη λειτουργία συμβατότητας στον Internet Explorer). Ταυτόχρονα, για να διασφαλίσουμε τη συνεχή υποστήριξη, θα εμφανίζουμε ιστότοπους χωρίς στυλ και JavaScript.
Οι μαγνητικές ιδιότητες του σκληρού εξαφερρίτη SrFe12O19 (SFO) ελέγχονται από τη σύνθετη σχέση της μικροδομής του, η οποία καθορίζει τη συνάφειά τους με τις εφαρμογές μόνιμου μαγνήτη. Επιλέξτε μια ομάδα νανοσωματιδίων SFO που λαμβάνονται με σύνθεση αυθόρμητης καύσης sol-gel και εκτελέστε σε βάθος δομικό χαρακτηρισμό περίθλασης σκόνης ακτίνων Χ (XRPD) με ανάλυση προφίλ γραμμής G(L). Η λαμβανόμενη κατανομή μεγέθους κρυσταλλίτη αποκαλύπτει την προφανή εξάρτηση του μεγέθους κατά μήκος της διεύθυνσης [001] από τη μέθοδο σύνθεσης, οδηγώντας στον σχηματισμό νιφάδων κρυσταλλίτη. Επιπλέον, το μέγεθος των νανοσωματιδίων SFO προσδιορίστηκε με ανάλυση ηλεκτρονιακής μικροσκοπίας μετάδοσης (TEM) και υπολογίστηκε ο μέσος αριθμός κρυσταλλιτών στα σωματίδια. Αυτά τα αποτελέσματα έχουν αξιολογηθεί για να απεικονίσουν τον σχηματισμό καταστάσεων μεμονωμένων περιοχών κάτω από την κρίσιμη τιμή και ο όγκος ενεργοποίησης προέρχεται από μετρήσεις μαγνήτισης που εξαρτώνται από το χρόνο, με στόχο την αποσαφήνιση της διαδικασίας αντίστροφης μαγνήτισης σκληρών μαγνητικών υλικών.
Τα μαγνητικά υλικά νανοκλίμακας έχουν μεγάλη επιστημονική και τεχνολογική σημασία, επειδή οι μαγνητικές τους ιδιότητες παρουσιάζουν σημαντικά διαφορετικές συμπεριφορές σε σύγκριση με το μέγεθος όγκου τους, γεγονός που φέρνει νέες προοπτικές και εφαρμογές1,2,3,4. Μεταξύ των νανοδομημένων υλικών, ο εξαφερρίτης τύπου M SrFe12O19 (SFO) έχει γίνει ένας ελκυστικός υποψήφιος για εφαρμογές μόνιμου μαγνήτη5. Στην πραγματικότητα, τα τελευταία χρόνια, έχει γίνει πολλή ερευνητική δουλειά για την προσαρμογή υλικών που βασίζονται σε SFO στη νανοκλίμακα μέσω μιας ποικιλίας μεθόδων σύνθεσης και επεξεργασίας για τη βελτιστοποίηση του μεγέθους, της μορφολογίας και των μαγνητικών ιδιοτήτων6,7,8. Επιπλέον, έχει λάβει μεγάλη προσοχή στην έρευνα και ανάπτυξη συστημάτων σύζευξης ανταλλαγής9,10. Η υψηλή του μαγνητοκρυσταλλική ανισοτροπία (K = 0,35 MJ/m3) προσανατολισμένη κατά μήκος του άξονα c του εξαγωνικού πλέγματος 11,12 είναι άμεσο αποτέλεσμα της πολύπλοκης συσχέτισης μεταξύ μαγνητισμού και κρυσταλλικής δομής, κρυσταλλιτών και μεγέθους κόκκων, μορφολογίας και υφής. Επομένως, ο έλεγχος των παραπάνω χαρακτηριστικών αποτελεί τη βάση για την ικανοποίηση συγκεκριμένων απαιτήσεων. Το σχήμα 1 απεικονίζει την τυπική εξαγωνική ομάδα χώρου P63/mmc του SFO13 και το επίπεδο που αντιστοιχεί στην ανάκλαση της μελέτης ανάλυσης προφίλ γραμμής.
Μεταξύ των σχετικών χαρακτηριστικών της μείωσης του μεγέθους των σιδηρομαγνητικών σωματιδίων, ο σχηματισμός μιας κατάστασης ενός τομέα κάτω από την κρίσιμη τιμή οδηγεί σε αύξηση της μαγνητικής ανισοτροπίας (λόγω υψηλότερης αναλογίας επιφάνειας προς όγκο), η οποία οδηγεί σε ένα πεδίο καταναγκασμού14,15. Η ευρεία περιοχή κάτω από την κρίσιμη διάσταση (DC) σε σκληρά υλικά (η τυπική τιμή είναι περίπου 1 μm) και ορίζεται από το λεγόμενο συνεκτικό μέγεθος (DCOH)16: αναφέρεται στη μέθοδο του μικρότερου όγκου για απομαγνήτιση στο συνεκτικό μέγεθος (DCOH), Εκφράζεται ως όγκος ενεργοποίησης (VACT) 14. Ωστόσο, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2, αν και το μέγεθος του κρυστάλλου είναι μικρότερο από το DC, η διαδικασία αναστροφής μπορεί να είναι ασυνεπής. Στα συστατικά των νανοσωματιδίων (NP), ο κρίσιμος όγκος αντιστροφής εξαρτάται από το μαγνητικό ιξώδες (S) και η εξάρτησή του από το μαγνητικό πεδίο παρέχει σημαντικές πληροφορίες σχετικά με τη διαδικασία μεταγωγής της μαγνήτισης NP17,18.
Επάνω: Σχηματικό διάγραμμα της εξέλιξης του πεδίου καταναγκασμού με μέγεθος σωματιδίου, που δείχνει την αντίστοιχη διαδικασία αντιστροφής μαγνήτισης (προσαρμογή από 15). Τα SPS, SD και MD σημαίνουν υπερπαραμαγνητική κατάσταση, μεμονωμένο πεδίο και πολυτομέα, αντίστοιχα. Το DCOH και το DC χρησιμοποιούνται για διάμετρο συνοχής και κρίσιμη διάμετρο, αντίστοιχα. Κάτω: Σκίτσα σωματιδίων διαφορετικών μεγεθών, που δείχνουν την ανάπτυξη κρυσταλλιτών από μονοκρύσταλλο σε πολυκρυσταλλικό.
Ωστόσο, στη νανοκλίμακα, έχουν επίσης εισαχθεί νέες σύνθετες πτυχές, όπως η ισχυρή μαγνητική αλληλεπίδραση μεταξύ των σωματιδίων, η κατανομή μεγέθους, το σχήμα των σωματιδίων, η διαταραχή της επιφάνειας και η κατεύθυνση του εύκολου άξονα μαγνήτισης, τα οποία καθιστούν την ανάλυση πιο προκλητική19. 20 . Αυτά τα στοιχεία επηρεάζουν σημαντικά την κατανομή του ενεργειακού φραγμού και αξίζουν προσεκτικής εξέτασης, επηρεάζοντας έτσι τη λειτουργία αντιστροφής μαγνήτισης. Σε αυτή τη βάση, είναι ιδιαίτερα σημαντικό να κατανοήσουμε σωστά τη συσχέτιση μεταξύ του μαγνητικού όγκου και του φυσικού νανοδομημένου εξαφερρίτη τύπου M SrFe12O19. Ως εκ τούτου, ως μοντέλο συστήματος, χρησιμοποιήσαμε ένα σύνολο SFOs που παρασκευάστηκαν με μια μέθοδο sol-gel από κάτω προς τα πάνω και πραγματοποιήσαμε πρόσφατα έρευνα. Τα προηγούμενα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι το μέγεθος των κρυσταλλιτών είναι στην περιοχή νανομέτρων και, μαζί με το σχήμα των κρυσταλλίτη, εξαρτάται από τη θερμική επεξεργασία που χρησιμοποιείται. Επιπλέον, η κρυσταλλικότητα τέτοιων δειγμάτων εξαρτάται από τη μέθοδο σύνθεσης και απαιτείται πιο λεπτομερής ανάλυση για να αποσαφηνιστεί η σχέση μεταξύ κρυσταλλιτών και μεγέθους σωματιδίων. Προκειμένου να αποκαλυφθεί αυτή η σχέση, μέσω ανάλυσης με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μετάδοσης (TEM) σε συνδυασμό με τη μέθοδο Rietveld και ανάλυση προφίλ γραμμής υψηλής στατιστικής περίθλασης σκόνης ακτίνων Χ, αναλύθηκαν προσεκτικά οι παράμετροι κρυσταλλικής μικροδομής (δηλ. κρυσταλλίτες και μέγεθος σωματιδίων, σχήμα). . λειτουργία XRPD). Ο δομικός χαρακτηρισμός στοχεύει στον προσδιορισμό των ανισότροπων χαρακτηριστικών των ληφθέντων νανοκρυσταλλιδίων και στην απόδειξη της σκοπιμότητας της ανάλυσης προφίλ γραμμής ως μια ισχυρή τεχνική για τον χαρακτηρισμό της διεύρυνσης κορυφής στο εύρος νανοκλίμακας των υλικών (φερρίτης). Βρέθηκε ότι η κατανομή μεγέθους κρυσταλλίτη G(L) με στάθμιση όγκου εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την κρυσταλλογραφική κατεύθυνση. Σε αυτή την εργασία, δείχνουμε ότι χρειάζονται πράγματι συμπληρωματικές τεχνικές για την ακριβή εξαγωγή παραμέτρων που σχετίζονται με το μέγεθος για την ακριβή περιγραφή της δομής και των μαγνητικών χαρακτηριστικών τέτοιων δειγμάτων σκόνης. Η διαδικασία της αντίστροφης μαγνήτισης μελετήθηκε επίσης για να διευκρινιστεί η σχέση μεταξύ των χαρακτηριστικών της μορφολογικής δομής και της μαγνητικής συμπεριφοράς.
Η ανάλυση Rietveld των δεδομένων περίθλασης σκόνης ακτίνων Χ (XRPD) δείχνει ότι το μέγεθος του κρυσταλλίτη κατά μήκος του άξονα c μπορεί να ρυθμιστεί με κατάλληλη θερμική επεξεργασία. Δείχνει συγκεκριμένα ότι η μέγιστη διεύρυνση που παρατηρήθηκε στο δείγμα μας είναι πιθανό να οφείλεται στο ανισότροπο σχήμα του κρυσταλλίτη. Επιπλέον, η συνέπεια μεταξύ της μέσης διαμέτρου που αναλύθηκε από τον Rietveld και το διάγραμμα Williamson-Hall (
Οι εικόνες TEM φωτεινού πεδίου των (α) SFOA, (β) SFOB και (γ) SFOC δείχνουν ότι αποτελούνται από σωματίδια με σχήμα πλάκας. Οι αντίστοιχες κατανομές μεγέθους φαίνονται στο ιστόγραμμα του πίνακα (df).
Όπως έχουμε επίσης παρατηρήσει στην προηγούμενη ανάλυση, οι κρυσταλλίτες στο πραγματικό δείγμα σκόνης σχηματίζουν ένα σύστημα πολυδιασποράς. Δεδομένου ότι η μέθοδος ακτίνων Χ είναι πολύ ευαίσθητη στο συνεκτικό μπλοκ σκέδασης, απαιτείται μια λεπτομερής ανάλυση των δεδομένων περίθλασης σκόνης για την περιγραφή των λεπτών νανοδομών. Εδώ, το μέγεθος των κρυσταλλίτη συζητείται μέσω του χαρακτηρισμού της συνάρτησης κατανομής μεγέθους κρυσταλλίτη με στάθμιση όγκου G(L)23, η οποία μπορεί να ερμηνευθεί ως η πυκνότητα πιθανότητας εύρεσης κρυσταλλίτη υποτιθέμενου σχήματος και μεγέθους και το βάρος της είναι ανάλογο με το. Όγκος, στο δείγμα που αναλύθηκε. Με ένα πρισματικό σχήμα κρυσταλλίτη, μπορεί να υπολογιστεί το μέσο μέγεθος κρυσταλλίτη με στάθμιση όγκου (μέσο μήκος πλευράς στις κατευθύνσεις [100], [110] και [001]). Επομένως, επιλέξαμε και τα τρία δείγματα SFO με διαφορετικά μεγέθη σωματιδίων με τη μορφή ανισότροπων νιφάδων (βλ. Αναφορά 6) για να αξιολογήσουμε την αποτελεσματικότητα αυτής της διαδικασίας για να λάβουμε ακριβή κατανομή μεγέθους κρυσταλλίτη υλικών νανοκλίμακας. Προκειμένου να αξιολογηθεί ο ανισότροπος προσανατολισμός των κρυσταλλιτών φερρίτη, πραγματοποιήθηκε ανάλυση προφίλ γραμμής στα δεδομένα XRPD των επιλεγμένων κορυφών. Τα δείγματα SFO που δοκιμάστηκαν δεν περιείχαν βολική (καθαρή) υψηλότερης τάξης περίθλαση από το ίδιο σύνολο κρυσταλλικών επιπέδων, επομένως ήταν αδύνατο να διαχωριστεί η συμβολή διεύρυνσης γραμμής από το μέγεθος και την παραμόρφωση. Ταυτόχρονα, η παρατηρούμενη διεύρυνση των γραμμών περίθλασης είναι πιο πιθανό να οφείλεται στο φαινόμενο μεγέθους και το μέσο σχήμα κρυσταλλίτη επαληθεύεται μέσω της ανάλυσης πολλών γραμμών. Το Σχήμα 4 συγκρίνει τη συνάρτηση κατανομής μεγέθους κρυσταλλίτη με στάθμιση όγκου G(L) κατά μήκος της καθορισμένης κρυσταλλογραφικής κατεύθυνσης. Η τυπική μορφή κατανομής μεγέθους κρυσταλλίτη είναι η λογαριθμική κατανομή. Ένα χαρακτηριστικό όλων των λαμβανόμενων κατανομών μεγέθους είναι η μονοτροπικότητα τους. Στις περισσότερες περιπτώσεις, αυτή η κατανομή μπορεί να αποδοθεί σε κάποια καθορισμένη διαδικασία σχηματισμού σωματιδίων. Η διαφορά μεταξύ του μέσου υπολογισμένου μεγέθους της επιλεγμένης κορυφής και της τιμής που εξάγεται από τη βελτίωση του Rietveld είναι εντός αποδεκτού εύρους (λαμβάνοντας υπόψη ότι οι διαδικασίες βαθμονόμησης του οργάνου είναι διαφορετικές μεταξύ αυτών των μεθόδων) και είναι η ίδια με εκείνη από το αντίστοιχο σύνολο επιπέδων από Debye Το μέσο μέγεθος που προκύπτει είναι συνεπές με την εξίσωση Scherrer, όπως φαίνεται στον Πίνακα 2. Η τάση του μέσου όγκου μεγέθους κρυσταλλίτη των δύο διαφορετικών τεχνικών μοντελοποίησης είναι πολύ παρόμοια και η απόκλιση του απόλυτου μεγέθους είναι πολύ μικρή. Αν και μπορεί να υπάρχουν διαφωνίες με τον Rietveld, για παράδειγμα, στην περίπτωση της ανάκλασης (110) του SFOB, μπορεί να σχετίζεται με τον σωστό προσδιορισμό του φόντου και στις δύο πλευρές της επιλεγμένης ανάκλασης σε απόσταση 1 μοίρας 2θ σε κάθε κατεύθυνση. Ωστόσο, η εξαιρετική συμφωνία μεταξύ των δύο τεχνολογιών επιβεβαιώνει τη συνάφεια της μεθόδου. Από την ανάλυση της διεύρυνσης κορυφής, είναι προφανές ότι το μέγεθος κατά μήκος του [001] έχει μια συγκεκριμένη εξάρτηση από τη μέθοδο σύνθεσης, με αποτέλεσμα τον σχηματισμό νιφάδων κρυσταλλιτών στο SFO6,21 που συντίθεται με κολλοειδές πήκτωμα. Αυτό το χαρακτηριστικό ανοίγει το δρόμο για τη χρήση αυτής της μεθόδου για το σχεδιασμό νανοκρυστάλλων με προτιμώμενα σχήματα. Όπως όλοι γνωρίζουμε, η σύνθετη κρυσταλλική δομή του SFO (όπως φαίνεται στο σχήμα 1) είναι ο πυρήνας της σιδηρομαγνητικής συμπεριφοράς του SFO12, επομένως τα χαρακτηριστικά σχήματος και μεγέθους μπορούν να προσαρμοστούν για να βελτιστοποιηθεί ο σχεδιασμός του δείγματος για εφαρμογές (όπως μόνιμες που σχετίζονται με μαγνήτη). Επισημαίνουμε ότι η ανάλυση μεγέθους κρυσταλλίτη είναι ένας ισχυρός τρόπος για να περιγραφεί η ανισοτροπία των σχημάτων κρυσταλλίτη και ενισχύει περαιτέρω τα αποτελέσματα που ελήφθησαν προηγουμένως.
(α) SFOA, (β) SFOB, (γ) SFOC επιλεγμένη ανάκλαση (100), (110), (004) στάθμιση όγκου κατανομή μεγέθους κρυσταλλίτη G(L).
Προκειμένου να αξιολογηθεί η αποτελεσματικότητα της διαδικασίας για τη λήψη της ακριβούς κατανομής μεγέθους κρυσταλλίτη των υλικών νανοσκόνης και την εφαρμογή της σε πολύπλοκες νανοδομές, όπως φαίνεται στο σχήμα 5, επαληθεύσαμε ότι αυτή η μέθοδος είναι αποτελεσματική σε νανοσύνθετα υλικά (ονομαστικές τιμές). Η ακρίβεια της θήκης αποτελείται από SrFe12O19/CoFe2O4 40/60 w/w %). Αυτά τα αποτελέσματα είναι πλήρως συνεπή με την ανάλυση Rietveld (δείτε τη λεζάντα του Σχήματος 5 για σύγκριση) και σε σύγκριση με το μονοφασικό σύστημα, οι νανοκρύσταλλοι SFO μπορούν να τονίσουν μια μορφολογία που μοιάζει με πλάκα. Αυτά τα αποτελέσματα αναμένεται να εφαρμόσουν αυτήν την ανάλυση προφίλ γραμμής σε πιο πολύπλοκα συστήματα στα οποία πολλές διαφορετικές κρυσταλλικές φάσεις μπορούν να επικαλύπτονται χωρίς να χάνονται πληροφορίες σχετικά με τις αντίστοιχες δομές τους.
Η σταθμισμένη ως προς τον όγκο κατανομή μεγέθους κρυσταλλίτη G(L) επιλεγμένων ανακλάσεων του SFO ((100), (004)) και του CFO (111) σε νανοσύνθετα υλικά. Για σύγκριση, οι αντίστοιχες τιμές ανάλυσης Rietveld είναι 70(7), 45(6) και 67(5) nm6.
Όπως φαίνεται στο Σχήμα 2, ο προσδιορισμός του μεγέθους της μαγνητικής περιοχής και η σωστή εκτίμηση του φυσικού όγκου αποτελούν τη βάση για την περιγραφή τέτοιων πολύπλοκων συστημάτων και για μια σαφή κατανόηση της αλληλεπίδρασης και της δομικής τάξης μεταξύ των μαγνητικών σωματιδίων. Πρόσφατα, η μαγνητική συμπεριφορά των δειγμάτων SFO έχει μελετηθεί διεξοδικά, με ιδιαίτερη προσοχή στη διαδικασία αντιστροφής της μαγνήτισης, προκειμένου να μελετηθεί η μη αναστρέψιμη συνιστώσα της μαγνητικής επιδεκτικότητας (χirr) (Το σχήμα S3 είναι ένα παράδειγμα SFOC)6. Προκειμένου να αποκτήσουμε μια βαθύτερη κατανόηση του μηχανισμού αντιστροφής της μαγνήτισης σε αυτό το νανοσύστημα που βασίζεται σε φερρίτη, πραγματοποιήσαμε μια μέτρηση μαγνητικής χαλάρωσης στο αντίστροφο πεδίο (HREV) μετά τον κορεσμό σε μια δεδομένη κατεύθυνση. Σκεφτείτε το \(M\left(t\right)\proptoSln\left(t\right)\) (βλ. Εικόνα 6 και συμπληρωματικό υλικό για περισσότερες λεπτομέρειες) και, στη συνέχεια, λάβετε τον όγκο ενεργοποίησης (VACT). Δεδομένου ότι μπορεί να οριστεί ως ο μικρότερος όγκος υλικού που μπορεί να αντιστραφεί με συνέπεια σε ένα συμβάν, αυτή η παράμετρος αντιπροσωπεύει τον «μαγνητικό» όγκο που εμπλέκεται στη διαδικασία αντιστροφής. Η τιμή VACT μας (βλ. Πίνακα S3) αντιστοιχεί σε μια σφαίρα με διάμετρο περίπου 30 nm, που ορίζεται ως η συνεκτική διάμετρος (DCOH), η οποία περιγράφει το ανώτερο όριο της αντιστροφής της μαγνήτισης του συστήματος με συνεκτική περιστροφή. Αν και υπάρχει τεράστια διαφορά στον φυσικό όγκο των σωματιδίων (το SFOA είναι 10 φορές μεγαλύτερο από το SFOC), αυτές οι τιμές είναι αρκετά σταθερές και μικρές, υποδεικνύοντας ότι ο μηχανισμός αντιστροφής μαγνήτισης όλων των συστημάτων παραμένει ο ίδιος (σύμφωνα με αυτό που ισχυριζόμαστε είναι το σύστημα ενός τομέα) 24 . Τελικά, το VACT έχει πολύ μικρότερο φυσικό όγκο από την ανάλυση XRPD και TEM (VXRD και VTEM στον Πίνακα S3). Επομένως, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι η διαδικασία μεταγωγής δεν συμβαίνει μόνο μέσω συνεκτικής περιστροφής. Σημειώστε ότι τα αποτελέσματα που λαμβάνονται με τη χρήση διαφορετικών μαγνητομέτρων (Σχήμα S4) δίνουν αρκετά παρόμοιες τιμές DCOH. Από αυτή την άποψη, είναι πολύ σημαντικό να καθοριστεί η κρίσιμη διάμετρος ενός σωματιδίου ενός τομέα (DC) προκειμένου να προσδιοριστεί η πιο λογική διαδικασία αντιστροφής. Σύμφωνα με την ανάλυσή μας (βλ. συμπληρωματικό υλικό), μπορούμε να συμπεράνουμε ότι το λαμβανόμενο VACT περιλαμβάνει έναν ασυνάρτητο μηχανισμό περιστροφής, επειδή το DC (~0,8 μm) απέχει πολύ από το συνεχές ρεύμα (~0,8 μm) των σωματιδίων μας, δηλαδή το ο σχηματισμός τοίχων τομέα δεν είναι Στη συνέχεια έλαβε ισχυρή υποστήριξη και έλαβε μια διαμόρφωση ενιαίου τομέα. Αυτό το αποτέλεσμα μπορεί να εξηγηθεί από το σχηματισμό της περιοχής αλληλεπίδρασης25, 26. Υποθέτουμε ότι ένας απλός κρυσταλλίτης συμμετέχει σε μια περιοχή αλληλεπίδρασης, η οποία εκτείνεται σε διασυνδεδεμένα σωματίδια λόγω της ετερογενούς μικροδομής αυτών των υλικών27,28. Αν και οι μέθοδοι ακτίνων Χ είναι ευαίσθητες μόνο στη λεπτή μικροδομή των περιοχών (μικροκρύσταλλοι), οι μετρήσεις μαγνητικής χαλάρωσης παρέχουν στοιχεία περίπλοκων φαινομένων που μπορεί να εμφανιστούν σε νανοδομημένα SFO. Επομένως, βελτιστοποιώντας το μέγεθος νανομέτρων των κόκκων SFO, είναι δυνατό να αποτραπεί η μετάβαση στη διαδικασία αντιστροφής πολλών τομέων, διατηρώντας έτσι την υψηλή καταναγκαστική ικανότητα αυτών των υλικών.
(α) Η χρονικά εξαρτώμενη καμπύλη μαγνήτισης του SFOC που μετράται σε διαφορετικές τιμές HREV αντίστροφου πεδίου μετά από κορεσμό στους -5 T και 300 K (που υποδεικνύεται δίπλα στα πειραματικά δεδομένα) (η μαγνήτιση κανονικοποιείται ανάλογα με το βάρος του δείγματος). Για λόγους σαφήνειας, Το ένθετο δείχνει τα πειραματικά δεδομένα του πεδίου 0,65 T (μαύρος κύκλος), το οποίο έχει την καλύτερη προσαρμογή (κόκκινη γραμμή) (η μαγνήτιση κανονικοποιείται στην αρχική τιμή M0 = M(t0)). (β) το αντίστοιχο μαγνητικό ιξώδες (S) είναι το αντίστροφο της SFOC A συνάρτηση του πεδίου (η γραμμή είναι οδηγός για το μάτι). (γ) ένα σχήμα μηχανισμού ενεργοποίησης με λεπτομέρειες φυσικής/μαγνητικής κλίμακας.
Σε γενικές γραμμές, η αντιστροφή της μαγνήτισης μπορεί να συμβεί μέσω μιας σειράς τοπικών διεργασιών, όπως η πυρήνωση του τοιχώματος τομέα, η διάδοση και το καρφίτσωμα και ξεκαρφίτσωμα. Στην περίπτωση των σωματιδίων φερρίτη ενός τομέα, ο μηχανισμός ενεργοποίησης προκαλείται από πυρήνωση και ενεργοποιείται από μια αλλαγή μαγνήτισης μικρότερη από τον συνολικό όγκο μαγνητικής αναστροφής (όπως φαίνεται στο Σχήμα 6γ)29.
Το χάσμα μεταξύ του κρίσιμου μαγνητισμού και της φυσικής διαμέτρου υποδηλώνει ότι η ασυνάρτητη λειτουργία είναι ένα συνακόλουθο γεγονός αντιστροφής του μαγνητικού πεδίου, το οποίο μπορεί να οφείλεται σε ανομοιογένειες υλικών και ανομοιομορφίες επιφάνειας, οι οποίες συσχετίζονται όταν το μέγεθος σωματιδίων αυξάνεται κατά 25, με αποτέλεσμα απόκλιση από ομοιόμορφη κατάσταση μαγνήτισης.
Ως εκ τούτου, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι σε αυτό το σύστημα, η διαδικασία αντιστροφής της μαγνήτισης είναι πολύ περίπλοκη και οι προσπάθειες για μείωση του μεγέθους στην κλίμακα νανομέτρων διαδραματίζουν βασικό ρόλο στην αλληλεπίδραση μεταξύ της μικροδομής του φερρίτη και του μαγνητισμού. .
Η κατανόηση της πολύπλοκης σχέσης μεταξύ δομής, μορφής και μαγνητισμού είναι η βάση για το σχεδιασμό και την ανάπτυξη μελλοντικών εφαρμογών. Η ανάλυση προφίλ γραμμής του επιλεγμένου σχεδίου XRPD του SrFe12O19 επιβεβαίωσε το ανισότροπο σχήμα των νανοκρυστάλλων που ελήφθησαν με τη μέθοδο σύνθεσης μας. Σε συνδυασμό με την ανάλυση TEM, αποδείχθηκε η πολυκρυσταλλική φύση αυτού του σωματιδίου και στη συνέχεια επιβεβαιώθηκε ότι το μέγεθος του SFO που εξερευνήθηκε σε αυτή την εργασία ήταν χαμηλότερο από την κρίσιμη διάμετρο ενός τομέα, παρά τα στοιχεία ανάπτυξης κρυσταλλίτη. Σε αυτή τη βάση, προτείνουμε μια μη αναστρέψιμη διαδικασία μαγνήτισης που βασίζεται στο σχηματισμό μιας περιοχής αλληλεπίδρασης που αποτελείται από διασυνδεδεμένους κρυσταλλίτες. Τα αποτελέσματά μας αποδεικνύουν τη στενή συσχέτιση μεταξύ της μορφολογίας των σωματιδίων, της κρυσταλλικής δομής και του μεγέθους του κρυσταλλίτη που υπάρχει σε επίπεδο νανομέτρων. Αυτή η μελέτη στοχεύει να αποσαφηνίσει τη διαδικασία αντιστροφής μαγνήτισης των σκληρών νανοδομημένων μαγνητικών υλικών και να καθορίσει το ρόλο των χαρακτηριστικών μικροδομής στην προκύπτουσα μαγνητική συμπεριφορά.
Τα δείγματα συντέθηκαν χρησιμοποιώντας κιτρικό οξύ ως χηλικό παράγοντα/καύσιμο σύμφωνα με τη μέθοδο αυθόρμητης καύσης sol-gel, που αναφέρεται στην αναφορά 6. Οι συνθήκες σύνθεσης βελτιστοποιήθηκαν για να ληφθούν τρία διαφορετικά μεγέθη δειγμάτων (SFOA, SFOB, SFOC), τα οποία ήταν που λαμβάνονται με κατάλληλες επεξεργασίες ανόπτησης σε διαφορετικές θερμοκρασίες (1000, 900 και 800°C, αντίστοιχα). Ο Πίνακας S1 συνοψίζει τις μαγνητικές ιδιότητες και διαπιστώνει ότι είναι σχετικά παρόμοιες. Το νανοσύνθετο SrFe12O19/CoFe2O4 40/60 w/w% παρασκευάστηκε επίσης με παρόμοιο τρόπο.
Το σχέδιο περίθλασης μετρήθηκε χρησιμοποιώντας ακτινοβολία CuKa (λ = 1,5418 Α) στο περιθλασίμετρο σκόνης Bruker D8, και το πλάτος της σχισμής του ανιχνευτή ορίστηκε στα 0,2 mm. Χρησιμοποιήστε έναν μετρητή VANTEC για να συλλέξετε δεδομένα στην περιοχή 2θ 10-140°. Η θερμοκρασία κατά την καταγραφή δεδομένων διατηρήθηκε στους 23 ± 1 °C. Η ανάκλαση μετράται με τεχνολογία step-and-scan και το μήκος βήματος όλων των δειγμάτων δοκιμής είναι 0,013° (2θήτα). η μέγιστη τιμή κορυφής της απόστασης μέτρησης είναι -2,5 και + 2,5° (2θήτα). Για κάθε κορυφή υπολογίζονται συνολικά 106 κβάντα, ενώ για την ουρά περίπου 3000 κβάντα. Επιλέχθηκαν αρκετές πειραματικές κορυφές (χωρισμένες ή μερικώς επικαλυπτόμενες) για περαιτέρω ταυτόχρονη ανάλυση: (100), (110) και (004), οι οποίες εμφανίστηκαν στη γωνία Bragg κοντά στη γωνία Bragg της γραμμής εγγραφής SFO. Η πειραματική ένταση διορθώθηκε για τον παράγοντα πόλωσης Lorentz και το φόντο αφαιρέθηκε με μια υποτιθέμενη γραμμική αλλαγή. Το πρότυπο NIST LaB6 (NIST 660b) χρησιμοποιήθηκε για τη βαθμονόμηση του οργάνου και τη φασματική διεύρυνση. Χρησιμοποιήστε τη μέθοδο αποσυνέλιξης LWL (Louer-Weigel-Louboutin) 30,31 για να λάβετε καθαρές γραμμές περίθλασης. Αυτή η μέθοδος εφαρμόζεται στο πρόγραμμα ανάλυσης προφίλ PROFIT-software32. Από την προσαρμογή των δεδομένων μετρούμενης έντασης του δείγματος και του προτύπου με την ψευδοσυνάρτηση Voigt, εξάγεται το αντίστοιχο σωστό περίγραμμα γραμμής f(x). Η συνάρτηση κατανομής μεγέθους G(L) προσδιορίζεται από το f(x) ακολουθώντας τη διαδικασία που παρουσιάζεται στην Αναφορά 23. Για περισσότερες λεπτομέρειες, ανατρέξτε στο συμπληρωματικό υλικό. Ως συμπλήρωμα της ανάλυσης προφίλ γραμμής, το πρόγραμμα FULLPROF χρησιμοποιείται για την εκτέλεση ανάλυσης Rietveld σε δεδομένα XRPD (λεπτομέρειες μπορείτε να βρείτε στο Maltoni et al. 6). Εν ολίγοις, στο μοντέλο Rietveld, οι κορυφές περίθλασης περιγράφονται από την τροποποιημένη ψευδοσυνάρτηση Voigt Thompson-Cox-Hastings. Η βελτίωση των δεδομένων LeBail πραγματοποιήθηκε στο πρότυπο NIST LaB6 660b για να καταδειχθεί η συμβολή του οργάνου στη διεύρυνση της κορυφής. Σύμφωνα με το υπολογισμένο FWHM (πλήρες πλάτος στο μισό της έντασης κορυφής), η εξίσωση Debye-Scherrer μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό του σταθμισμένου κατά όγκο μέσου μεγέθους του συνεκτικού κρυσταλλικού τομέα σκέδασης:
Όπου λ είναι το μήκος κύματος ακτινοβολίας ακτίνων Χ, K είναι ο παράγοντας σχήματος (0,8-1,2, συνήθως ίσος με 0,9) και θ είναι η γωνία Bragg. Αυτό ισχύει για: την επιλεγμένη ανάκλαση, το αντίστοιχο σύνολο επιπέδων και ολόκληρο το σχέδιο (10-90°).
Επιπλέον, ένα μικροσκόπιο Philips CM200 που λειτουργεί στα 200 kV και είναι εξοπλισμένο με ένα νήμα LaB6 χρησιμοποιήθηκε για ανάλυση TEM για τη λήψη πληροφοριών σχετικά με τη μορφολογία των σωματιδίων και την κατανομή μεγέθους.
Η μέτρηση χαλάρωσης μαγνήτισης εκτελείται από δύο διαφορετικά όργανα: Σύστημα μέτρησης φυσικής ιδιότητας (PPMS) από Quantum Design-Vibrating Sample Magnetometer (VSM), εξοπλισμένο με υπεραγώγιμο μαγνήτη 9 Τ και MicroSense Model 10 VSM με ηλεκτρομαγνήτη. Το πεδίο είναι 2 T, το δείγμα είναι κορεσμένο στο πεδίο (μ0HMAX:-5 T και 2 T, αντίστοιχα για κάθε όργανο) και στη συνέχεια εφαρμόζεται το αντίστροφο πεδίο (HREV) για να φέρει το δείγμα στην περιοχή μεταγωγής (κοντά στο HC ), και στη συνέχεια η αποσύνθεση της μαγνήτισης καταγράφεται ως συνάρτηση του χρόνου σε διάστημα 60 λεπτών. Η μέτρηση πραγματοποιείται στους 300 K. Ο αντίστοιχος όγκος ενεργοποίησης αξιολογείται με βάση τις μετρούμενες τιμές που περιγράφονται στο συμπληρωματικό υλικό.
Muscas, G., Yaacoub, N. & Peddis, D. Μαγνητικές διαταραχές σε νανοδομημένα υλικά. Στη νέα μαγνητική νανοδομή 127-163 (Elsevier, 2018). https://doi.org/10.1016/B978-0-12-813594-5.00004-7.
Mathieu, R. and Nordblad, P. Συλλογική μαγνητική συμπεριφορά. Στη νέα τάση του μαγνητισμού νανοσωματιδίων, σελίδες 65-84 (2021). https://doi.org/10.1007/978-3-030-60473-8_3.
Dormann, JL, Fiorani, D. & Tronc, E. Μαγνητική χαλάρωση σε συστήματα λεπτών σωματιδίων. Progress in Chemical Physics, σελ. 283-494 (2007). https://doi.org/10.1002/9780470141571.ch4.
Sellmyer, DJ, κ.λπ. Η νέα δομή και φυσική των νανομαγνητών (προσκεκλημένος). J. Application Physics 117, 172 (2015).
de Julian Fernandez, C. κ.λπ. Θεματική ανασκόπηση: η πρόοδος και οι προοπτικές των εφαρμογών μόνιμου μαγνήτη σκληρού εξαφερρίτη. J. Φυσική. Δ. Αίτηση για Φυσική (2020).
Maltoni, P. κ.λπ. Με τη βελτιστοποίηση της σύνθεσης και των μαγνητικών ιδιοτήτων των νανοκρυστάλλων SrFe12O19, τα διπλά μαγνητικά νανοσύνθετα χρησιμοποιούνται ως μόνιμοι μαγνήτες. J. Φυσική. Δ. Αίτηση για Φυσική 54, 124004 (2021).
Saura-Múzquiz, M. κ.λπ. Αποσαφήνιση της σχέσης μεταξύ της μορφολογίας των νανοσωματιδίων, της πυρηνικής/μαγνητικής δομής και των μαγνητικών ιδιοτήτων των συντηγμένων μαγνητών SrFe12O19. Nano 12, 9481–9494 (2020).
Petrecca, M. κ.λπ. Βελτιστοποιήστε τις μαγνητικές ιδιότητες σκληρών και μαλακών υλικών για την παραγωγή μόνιμων μαγνητών ελατηρίου ανταλλαγής. J. Φυσική. Δ. Αίτηση για Φυσική 54, 134003 (2021).
Maltoni, P. κ.λπ. Προσαρμόστε τις μαγνητικές ιδιότητες των σκληρών-μαλακών νανοδομών SrFe12O19/CoFe2O4 μέσω της σύζευξης σύνθεσης/φάσης. J. Φυσική. Chemistry C 125, 5927–5936 (2021).
Maltoni, P. κλπ. Εξερευνήστε τη μαγνητική και μαγνητική σύζευξη των νανοσύνθετων SrFe12O19/Co1-xZnxFe2O4. J. Mag. Mag. alma mater. 535, 168095 (2021).
Pullar, RC Εξαγωνικοί φερρίτες: Μια επισκόπηση της σύνθεσης, της απόδοσης και της εφαρμογής των κεραμικών εξαφερρίτη. Εκδίδω. alma mater. επιστήμη. 57, 1191–1334 (2012).
Momma, K. & Izumi, F. VESTA: Σύστημα απεικόνισης 3D για ηλεκτρονική και δομική ανάλυση. J. Applied Process Crystallography 41, 653–658 (2008).
Peddis, D., Jönsson, PE, Laureti, S. & Varvaro, G. Magnetic interaction. Frontiers in Nanoscience, σελ. 129-188 (2014). https://doi.org/10.1016/B978-0-08-098353-0.00004-X.
Li, Q. κ.λπ. Η συσχέτιση μεταξύ της δομής μεγέθους/περιοχής νανοσωματιδίων υψηλής κρυσταλλικής Fe3O4 και μαγνητικών ιδιοτήτων. επιστήμη. Αντιπρόσωπος 7, 9894 (2017).
Coey, JMD Μαγνητικά και μαγνητικά υλικά. (Cambridge University Press, 2001). https://doi.org/10.1017/CBO9780511845000.
Lauretti, S. et al. Μαγνητική αλληλεπίδραση σε επικαλυμμένα με πυρίτιο νανοπορώδη συστατικά των νανοσωματιδίων CoFe2O4 με κυβική μαγνητική ανισοτροπία. Nanotechnology 21, 315701 (2010).
O'Grady, K. & Laidler, H. Limitations of magnetic recording-mediationsations. J. Mag. Mag. alma mater. 200, 616-633 (1999).
Lavorato, GC κ.λπ. Η μαγνητική αλληλεπίδραση και το ενεργειακό φράγμα σε διπλά μαγνητικά νανοσωματίδια πυρήνα/κέλυφος ενισχύονται. J. Φυσική. Chemistry C 119, 15755–15762 (2015).
Peddis, D., Cannas, C., Musinu, A. & Piccaluga, G. Μαγνητικές ιδιότητες των νανοσωματιδίων: πέρα από την επίδραση του μεγέθους των σωματιδίων. Χημεία ένα ευρώ. J. 15, 7822–7829 (2009).
Eikeland, AZ, Stingaciu, M., Mamakhel, AH, Saura-Múzquiz, M. & Christensen, M. Ενισχύστε τις μαγνητικές ιδιότητες ελέγχοντας τη μορφολογία των νανοκρυστάλλων SrFe12O19. επιστήμη. Αντιπρόσωπος 8, 7325 (2018).
Schneider, C., Rasband, W. and Eliceiri, K. NIH Image to ImageJ: 25 χρόνια ανάλυσης εικόνας. Α. Νατ. Μέθοδος 9, 676-682 (2012).
Le Bail, A. & Louër, D. Ομαλή και εγκυρότητα κατανομής μεγέθους κρυσταλλίτη στην ανάλυση προφίλ ακτίνων Χ. J. Applied Process Crystallography 11, 50-55 (1978).
Gonzalez, JM, κ.λπ. Μαγνητικό ιξώδες και μικροδομή: εξάρτηση από το μέγεθος των σωματιδίων του όγκου ενεργοποίησης. J. Applied Physics 79, 5955 (1996).
Vavaro, G., Agostinelli, E., Testa, AM, Peddis, D. and Laureti, S. σε μαγνητική καταγραφή εξαιρετικά υψηλής πυκνότητας. (Jenny Stanford Press, 2016). https://doi.org/10.1201/b20044.
Hu, G., Thomson, T., Rettner, CT, Raoux, S. & Terris, BD Co∕Pd νανοδομές και αντιστροφή φιλμ μαγνήτισης. J. Application Physics 97, 10J702 (2005).
Khlopkov, Κ., Gutfleisch, Ο., Hinz, D., Müller, Κ.-Η. & Schultz, L. Εξέλιξη του τομέα αλληλεπίδρασης σε έναν λεπτόκοκκο μαγνήτη Nd2Fe14B με υφή. J. Application Physics 102, 023912 (2007).
Mohapatra, J., Xing, M., Elkins, J., Beatty, J. & Liu, JP Μαγνητική σκλήρυνση εξαρτώμενη από το μέγεθος σε νανοσωματίδια CoFe2O4: η επίδραση της κλίσης της επιφανειακής περιστροφής. J. Φυσική. Δ. Αίτηση για Φυσική 53, 504004 (2020).
Ώρα δημοσίευσης: Δεκ-11-2021
