Исследования структуры, морфологии и диэлектрических свойств наночастиц Co1-xZrxFe2O4

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 Co_1-xZr_xFe₂O₄ (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 Co_1-xZr_xFe₂O₄ (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.

1. Sharifi 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.2012.01.015

2. Paulsen 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: 10.1063/1.1839633

3. Rus 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.2016.11775

4. Pallai 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)00280-6

5. Skomski R. Nanomagnetics // J. Phys.: Condens. Matter. 2003. V. 15, N 20. P. R841. DOI: 10.1088/0953-8984/15/20/202

6. Bappi 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.2016.06.039

7. Ayyappan 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/jp911966p

8. Shirsath 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/s11051-013-1976-8

9. Rashad 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.2007.07.012

10. Herrera 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.2012.09.069

11. Zhigang 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.2013.01.029

12. Srivastava 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.2009.07.023

13. 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. V. 13, N 2. P. 123—126.

14. 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/s11051-009-9833-5

15. Reddy 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.2015.02.084

16. Jinhui 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.2015.04.007

17. Persis 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.

18. 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.

19. 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-z

20. Vadivel 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.2014.03.016

21. Mote 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.2016.02.016

22. Vasundhara 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: 10.1063/1.4804946