mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2018-4-207-215mateltech-403Research ArticleНаноматериалы и нанотехнологииNANOMATERIALS AND NANOTECHNOLOGYИсследования структуры, морфологии и диэлектрических свойств наночастиц Co1-xZrxFe2O4Structural, morphological and dielectric studies of zirconium substituted CoFe2O4 nanoparticlesАнандС.AnandS.АмалияА. П.AmaliyaA. P.АсисиМ.AsisiM.ПолинДж. С.PaulineJ. S.Колледж ЛойолаИндияDepartment of Physics, Loyola CollegeIndia201825012021214207215Copyright © Ананд С., Амалия А.П., Асиси М., Полин Д.С., 20192019Ананд С., Амалия А.П., Асиси М., Полин Д.С.Anand S., Amaliya A.P., Asisi M., Pauline J.S.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/403

Магнитные наночастицы привлекают внимание исследователей благодаря широкому спектру их возможных применений в современных технологиях, включая магнитные носители информации с высокой плотностью данных, микроволновые устройства, сенсоры высокой чувствительности, биомедицину. Наночастицы феррита кобальта (CoFe2O4) обладают уникальными свойствами: высокая магнитокристаллическая анизотропия, средняя намагниченности насыщения, высокая коэрцитивная сила и высокий магнитострикцонный коэффициент при комнатной температуре. Эти свойства, наряду с отличной физической и химической стабильностью, делают наночастицы CoFe2O4 перспективным материалом для создания магнитных носителей информации — аудио и видео пленки и цифровых магнитных дисков с высокой плотностью данных. Для улучшения свойств наночастиц феррита кобальта используют различные замещающие элементы магнитной и немагнитной природы, например Ni, Zn и Al. Однако существует очень мало работ по замещению наночастиц феррита кобальта цирконием. Исследовано влияние замещения цирконием кобальта в кубическом нанокристаллическом CoFe2O4 со структурой шпинели на структуру, морфологию и диэлектрические свойства. Наночастицы феррита кобальта Co1-xZrxFe2O4 (x = 0,7) с замещением кобальта цирконием выращивались золь-гель методом. Проведены структурные и морфологические исследования с использованием порошковой рентгеновской дифрактометрии и сканирующей электронной микроскопии высокого разрешения. Для определения размеров кристаллитов и деформации решетки в образцах использовались методы Шеррера и Вильямсона—Холла. Высокая чистота химического состава образцов была подтверждена методом энергодисперсионной рентгеновской спектрометрии. Осцилляционные моды атомов в синтезированных наночастицах определялись при помощи ИК-Фурье-спектроскопии. Также исследована температурная зависимость диэлектрических свойств наночастиц Co1-xZrxFe2O4 (x = 0,7). Относительную диэлектрическую пропускную способность, тангенс потерь и электропроводность при постоянном токе измеряли в диапазоне частот от 50 до 5 МГц при температурах от 323 до 473 К. Диэлектрическая проницаемость и величина диэлектрических потерь образцов уменьшались при увеличении частоты приложенного сигнала.

In this work, the influence of zirconium substitution in cubic spinel nanocrystalline CoFe2O4 on the structural, morphological and dielectric properties are reported. Zirconium substituted cobalt ferrite Co1-xZrxFe2O4 (x = 0.7) nanoparticles were synthesized by sol-gel route. The structural and morphological investigations using powder X-ray diffraction and high resolution scanning electron microscope (HRSEM) analysis are reported. Scherrer plot, Williamson–Hall analysis and Size-strain plot method were used to calculate the crystallite size and lattice strain of the samples. High purity chemical composition of the sample was confirmed by energy dispersive X-ray analysis. The atoms vibration modes of as synthesized nanoparticles were recorded using Fourier transform infrared (FTIR) spectrometer in the range of 4000–400 cm-1. The temperature-dependent dielectric properties of zirconium substituted cobalt ferrite nanoparticles were also carried out. Relative dielectric permittivity, loss tangent and AC conductivity were measured in the frequency range 50 Hz to 5 MHz at temperatures between 323 and 473 K. The dielectric constant and dielectric loss values of the sample decreased with increasing in the frequency of the applied signal.

золь-гельрентгеновская дифрактометриязависимость между размером зерен и деформациейHRSEMисследование диэлектрических свойствsol-gelXRDsize-strain analysisHRSEMdielectric studiesАвторы выражают признательность SAIF, IITM (Чиннаи) за проведение анализа HRSEM.The authors are grateful to SAIF, IITM, Chennai for providing HRSEM analysis.ReferencesSharifi I., Shokrollahi H., Mahdi Doroodmand M., Safi R. Magnetic and structural studies on CoFe2O4 nanoparticles synthesized by co-precipitation, normal micelles and reverse micelles methods // J. Magn. Magn. Mater. 2012. V. 324, N 10. P. 1854—1861. DOI: 10.1016/j.jmmm.2012.01.015Sharifi I., Shokrollahi H., Mahdi Doroodmand M., Safi R. Magnetic and structural studies on CoFe2O4 nanoparticles synthesized by co-precipitation, normal micelles and reverse micelles methods. J. Magn. Magn. Mater., 2012, vol. 324, no. 10, pp. 1854—1861. DOI: 10.1016/j.jmmm.2012.01.015Paulsen J. A., Ring A. P., Lo C. C. H., Snyder J. E., Jiles D. C. Manganese-substituted cobalt ferrite magnetostrictive materials for magnetic stress sensor applications // J. Appl. Phys. 2005. V. 97, N 4. P. 044502. DOI: 10.1063/1.1839633Paulsen J. A., Ring A. P., Lo C. C. H., Snyder J. E., Jiles D. C. Manganese-substituted cobalt ferrite magnetostrictive materials for magnetic stress sensor applications. J. Appl. Phys., 2005, vol. 97, no. 4, p. 044502. DOI: 10.1063/1.1839633Rus S. F., Vlazan P., Herklotz A. Synthesis and characterization of Zirconium substituted Cobalt Ferrite nanopowders. J. Nanosci. Nanotechnol., 2016. V. 16, N 1. P. 851—855. DOI: 10.1166/jnn.2016.11775Rus S. F., Vlazan P., Herklotz A. Synthesis and characterization of Zirconium substituted Cobalt Ferrite nanopowders. J. Nanosci. Nanotechnol., 2016, vol. 16, no. 1, pp. 851—855. DOI: 10.1166/jnn.2016.11775Pallai V., Shah D. O. Synthesis of high-coercivity cobalt ferrite particles using water-in-oil microemulsions // J. Magn. Magn. Mater. 1996. V. 163, N 1–2. P. 243—248. DOI: 10.1016/S0304-8853(96)00280-6Pallai V., Shah D. O. Synthesis of high-coercivity cobalt ferrite particles using water-in-oil microemulsions. J. Magn. Magn. Mater., 1996, vol. 163, no. 1–2, pp. 243—248. DOI: 10.1016/S0304-8853(96)00280-6Skomski R. Nanomagnetics // J. Phys.: Condens. Matter. 2003. V. 15, N 20. P. R841. DOI: 10.1088/0953-8984/15/20/202Skomski R. Nanomagnetics. J. Phys.: Condens. Matter., 2003, vol. 15, no. 20, p. R841. DOI: 10.1088/0953-8984/15/20/202Bappi Paul, Debraj Dhar Purkayastha, Siddhartha Sankar Dhar. One-pot hydrothermal synthesis and characterization of CoFe2O4 nanoparticles and its application as magnetically recoverable catalyst in oxidation of alcohols by periodic acid // Mater. Chem. Phys. 2016. V. 181. P. 99—105. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2016.06.039Bappi Paul, Debraj Dhar Purkayastha, Siddhartha Sankar Dhar. One-pot hydrothermal synthesis and characterization of CoFe2O4 nanoparticles and its application as magnetically recoverable catalyst in oxidation of alcohols by periodic acid. Mater. Chem. Phys., 2016, vol. 181, pp. 99—105. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2016.06.039Ayyappan S., Mahadevan S., Chandramohan P., Srinivasan M. P., Philip John, Raj Baldev. Influence of Co2+ ion concentration on the size, magnetic properties, and purity of CoFe2O4 spinel ferrite nanoparticles // J. Phys. Chem. C, 2010. V. 114, N 14. P. 6334—6341. DOI: 10.1021/jp911966pAyyappan S., Mahadevan S., Chandramohan P., Srinivasan M. P., Philip John, Raj Baldev. Influence of Co2+ ion concentration on the size, magnetic properties, and purity of CoFe2O4 spinel ferrite nanoparticles. J. Phys. Chem. C, 2010, vol. 114, no. 14, pp. 6334—6341. DOI: 10.1021/jp911966pShirsath S. E., Mane M. L., Yasukawa Y., Liu X., Morisako A. Chemical tuning of structure formation and combustion process in CoDy0.1Fe1.9O4 nanoparticles: influence@pH // J. Nanopart. Res. 2013. V. 15. P. 1976—1988. DOI: 10.1007/s11051-013-1976-8Shirsath S. E., Mane M. L., Yasukawa Y., Liu X., Morisako A. Chemical tuning of structure formation and combustion process in CoDy0.1Fe1.9O4 nanoparticles: influence@pH. J. Nanopart. Res., 2013, vol. 15, pp. 1976—1988. DOI: 10.1007/s11051-013-1976-8Rashad M. M., Mohamed R. M., El-Shall H. Magnetic properties of nanocrystalline Sm-substituted CoFe2O4 synthesized by citrate precursor method // J. Mater. Process. Technol. 2008. V. 198, N 1–3. P. 139—146. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2007.07.012Rashad M. M., Mohamed R. M., El-Shall H. Magnetic properties of nanocrystalline Sm-substituted CoFe2O4 synthesized by citrate precursor method. J. Mater. Process. Technol., 2008, vol. 198, no. 1–3, pp. 139—146. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2007.07.012Herrera A. P., Polo-Corrales L., Chavez E., Cabarcas-Bolivar J., Uwakweh O. N. C., Rinaldi C. Influence of aging time of oleate precursor on the magnetic relaxation of cobalt ferrite nanoparticles synthesized by the thermal decomposition method // J. Magn. Magn. Mater. 2013. V. 328. P. 41—52. DOI: 10.1016/j.jmmm.2012.09.069Herrera A. P., Polo-Corrales L., Chavez E., Cabarcas-Bolivar J., Uwakweh O. N. C., Rinaldi C. Influence of aging time of oleate precursor on the magnetic relaxation of cobalt ferrite nanoparticles synthesized by the thermal decomposition method. J. Magn. Magn. Mater., 2013, vol. 328, pp. 41—52. DOI: 10.1016/j.jmmm.2012.09.069Zhigang Jia, Daping Ren, Qiuze Wang, Lixin Xu, Rongsun Zhu. Structural and magnetic properties of Co1-xZnxFe2O4 nanorods prepared by the solvothermal annealing method // Ceramics International. 2013. V. 39, N 6. P. 6113—6118. DOI: 10.1016/j.ceramint.2013.01.029Zhigang Jia, Daping Ren, Qiuze Wang, Lixin Xu, Rongsun Zhu. Structural and magnetic properties of Co1-xZnxFe2O4 nanorods prepared by the solvothermal annealing method. Ceramics International, 2013, vol. 39, no. 6, pp. 6113—6118. DOI: 10.1016/j.ceramint.2013.01.029Srivastava M., Chaubey S., Animesh K. O. Investigation on size dependent structural and magnetic behavior of nickel ferrite nanoparticles prepared by sol-gel and hydrothermal methods // Mater. Chem. Phys. 2009. V. 118, N 1. P. 174—180. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2009.07.023Srivastava M., Chaubey S., Animesh K. O. Investigation on size dependent structural and magnetic behavior of nickel ferrite nanoparticles prepared by sol-gel and hydrothermal methods. Mater. Chem. Phys., 2009, vol. 118, no. 1, pp. 174—180. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2009.07.023Madani S. S., Mahmoudzadeh G., Khorrami S. A. Influence of pH on the characteristics of cobalt ferrite powder prepared by a combination of sol-gel auto-combustion and ultrasonic irradiation techniques // J. Ceram. Process. Res. 2012. V. 13, N 2. P. 123—126.Madani S. S., Mahmoudzadeh G., Khorrami S. A. Influence of pH on the characteristics of cobalt ferrite powder prepared by a combination of sol-gel auto-combustion and ultrasonic irradiation techniques. J. Ceram. Process. Res., 2012, vol. 13, no. 2, pp. 123—126.Gyergyek S., Makovec D., Kodre A., Arčon I., Jagodič M., Drofenik M. Influence of synthesis method on structural and magnetic properties of cobalt ferrite nanoparticles // J. Nanopart. Res. 2010. V. 12, N 4. P. 1263—1273. DOI: 10.1007/s11051-009-9833-5Gyergyek S., Makovec D., Kodre A., Arčon I., Jagodič M., Drofenik M. Influence of synthesis method on structural and magnetic properties of cobalt ferrite nanoparticles. J. Nanopart. Res., 2010, vol. 12, no. 4, pp. 1263—1273. DOI: 10.1007/s11051-009-9833-5Reddy M. V., Das D. Influence of Zr doping on the structural, magnetic and magnetoelastic properties of cobalt-ferrites // J. Alloy. Compd. 2015. V. 634. P. 99—103. DOI: 10.1016/j.jallcom.2015.02.084Reddy M. V., Das D. Influence of Zr doping on the structural, magnetic and magnetoelastic properties of cobalt-ferrites. J. Alloy. Compd., 2015, vol. 634, pp. 99—103. DOI: 10.1016/j.jallcom.2015.02.084Jinhui Tong, Qingqing Jiang, Zhenpan Chen, Zongxuan Jiang, Can Li. Two-step thermochemical cycles for CO2 splitting on Zr-doped cobalt ferrite supported on silica // Solar Energy. 2015. V. 116. P. 133—143. DOI: 10.1016/j.solener.2015.04.007Jinhui Tong, Qingqing Jiang, Zhenpan Chen, Zongxuan Jiang, Can Li. Two-step thermochemical cycles for CO2 splitting on Zr-doped cobalt ferrite supported on silica. Solar Energy, 2015, vol. 116, pp. 133—143. DOI: 10.1016/j.solener.2015.04.007Persis Amaliya A., Anand S., Pauline S. CTAB assisted synthesis of cobalt ferrite nanoparticles and its characterizations // J. Nanosci. Tech., 2016. V. 2, N 4. P. 186—188.Persis Amaliya A., Anand S., Pauline S. CTAB assisted synthesis of cobalt ferrite nanoparticles and its characterizations. J. Nanosci. Tech., 2016, vol. 2, no. 4, pp. 186—188.Makinson J. D., Lee J. S., Magner S. H., De Angelis R. J., Weins W. N., Hieronymus A. S. X-ray diffraction signatures of defects in nanocrystalline materials // Adv. X Ray Anal. 2000. V. 42. P. 407—411.Makinson J. D., Lee J. S., Magner S. H., De Angelis R. J., Weins W. N., Hieronymus A. S. X-ray diffraction signatures of defects in nanocrystalline materials. Adv. X Ray Anal., 2000, vol. 42, pp. 407—411.Senthilkumar V., Vickraman P., Jayachandran M., Sanjeeviraja C. Structural and electrical studies of nano structured Sn1-xSbxO2 (x = 0.0, 1, 2.5, 4.5 and 7 at.%) prepared by co-precipitation method // J. Mater. Sci.: Mater. Electron. 2010. V. 21, N 4. P. 343—348. DOI: 10.1007/s10854-009-9918-zSenthilkumar V., Vickraman P., Jayachandran M., Sanjeeviraja C. Structural and electrical studies of nano structured Sn1-xSbxO2 (x = 0.0, 1, 2.5, 4.5 and 7 at.%) prepared by co-precipitation method. J. Mater. Sci.: Mater. Electron., 2010, vol. 21, no. 4, pp. 343—348. DOI: 10.1007/s10854-009-9918-zVadivel M., Ramesh Babu R., Sethuraman K., Ramamurthi K., Arivanandhan M. Synthesis, structural, dielectric, magnetic and optical properties of Cr substituted CoFe2O4 nanoparticles by co-precipitation method. J. Magn. Magn. Mater., 2014. V. 362. P. 122—129. DOI: 10.1016/j.jmmm.2014.03.016Vadivel M., Ramesh Babu R., Sethuraman K., Ramamurthi K., Arivanandhan M. Synthesis, structural, dielectric, magnetic and optical properties of Cr substituted CoFe2O4 nanoparticles by co-precipitation method. J. Magn. Magn. Mater., 2014, vol. 362, pp. 122—129. DOI: 10.1016/j.jmmm.2014.03.016Mote V. D., Purushotham Y., Dole B. N. Structural, morphological, physical and dielectric properties of Mn doped ZnO nanocrystals synthesized by sol-gel method // Materials & Design. 2016. V. 96. P. 99—105. DOI: 10.1016/j.matdes.2016.02.016Mote V. D., Purushotham Y., Dole B. N. Structural, morphological, physical and dielectric properties of Mn doped ZnO nanocrystals synthesized by sol-gel method. Materials & Design, 2016, vol. 96, pp. 99—105. DOI: 10.1016/j.matdes.2016.02.016Vasundhara K., Achary S. N., Deshpande S. K., Babu P. D., Meena S. S., Tyagi A. K. Size dependent magnetic and dielectric properties of nano CoFe2O4 prepared by a salt assisted gel-combustion method // J. Appl. Phys. 2013. V. 113, N 19. P. 194101. DOI: 10.1063/1.4804946Vasundhara K., Achary S. N., Deshpande S. K., Babu P. D., Meena S. S., Tyagi A. K. Size dependent magnetic and dielectric properties of nano CoFe2O4 prepared by a salt assisted gel-combustion method. J. Appl. Phys., 2013, vol. 113, no. 19, p. 194101. DOI: 10.1063/1.4804946

The authors declare that there are no conflicts of interest present.