Synthesising dispersed powders of CoZn ferrites for microwave absorption

Дмитрий Владимирович Ивашенко; Диана Александровна Урбанович; Илья Юрьевич Полын; Максим Владиславович Бушинский; Алексей Валентинович Труханов; Владимир Васильевич Паньков

doi:10.17308/kcmf.2023.25/10646

Дмитрий Владимирович Ивашенко Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, Минск 220030, Республика Беларусь https://orcid.org/0000-0002-9149-7213
Диана Александровна Урбанович Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, Минск 220030, Республика Беларусь https://orcid.org/0000-0002-5452-0277
Илья Юрьевич Полын Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, Минск 220030, Республика Беларусь https://orcid.org/0000-0002-1542-8427
Максим Владиславович Бушинский Государственное научно-производственное объединение «Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению» ул. П. Бровки, 19, Минск 220072, Республика Беларусь https://orcid.org/0000-0002-7234-6866
Алексей Валентинович Труханов Государственное научно-производственное объединение «Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению» ул. П. Бровки, 19, Минск 220072, Республика Беларусь https://orcid.org/0000-0002-4387-8214
Владимир Васильевич Паньков Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, Минск 220030, Республика Беларусь https://orcid.org/0000-0001-5478-0194

DOI: https://doi.org/10.17308/kcmf.2023.25/10646

Ключевые слова: феррит кобальта-цинка, микроволновое поглощение, золь-гель синтез, наночастицы

Аннотация

Важной задачей химического материаловедения является получение материалов с заданными параметрами и обоснованное предсказание их свойств. Современной актуальной задачей является разработка перспективных поглощающих покрытий на основе дисперсных магнитных материалов. С целью более эффективного использования дисперсных порошков кобальт цинкового феррита для наполнителей поглощения микроволнового излучения исследовано изменение их магнитных свойств и морфологии в зависимости от условий синтеза золь-гель методом.
В настоящем исследовании были синтезированы порошки ферритов состава Co0.65Zn0.35Fe2O4 с различной степенью дисперсности золь-гель методом. Образцы характеризовались рентгеновской дифрактометрией, микроструктура и морфология наночастиц была изучена методом сканирующей электронной микроскопии. Методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии определяли соотношение концентрации атомов металлов в порошках ферритов и особенности их распределения на поверхности частиц. Посредством магнитометрии проводилось исследование удельной намагниченности насыщения и коэрцитивной силы.
Показано, что основным фактором, влияющим на не очень высокие значения намагниченности насыщения наночастиц феррита кобальта, является образование «магнитомёртвого» слоя на их поверхности, возникающего за счёт ряда факторов: неколлинеарной ориентацией спинов, разупорядоченности катионов, дефектности, аморфного состояния, отличия состава из-за незавершенности процессов взаимной диффузии катионов и процессов образования шпинельной структуры, протекающих в ходе синтеза.
Найдены пути уменьшение доли поверхностного магнитонеактивного слоя за счёт управления параметрами золь-гель синтеза с целью поиска эффективных методов получения порошков ферритов с повышенной намагниченностью, степенью кристалличности, с промежуточным размером частиц, соответственно, между суперпарамагнитным и многодоменным состояниями. Такие материалы имеют перспективу применения в качестве наполнителей для покрытий, поглощающих микроволновое излучение.

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Дмитрий Владимирович Ивашенко, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, Минск 220030, Республика Беларусь

м. х. н., Белорусский государственный университет (Минск,
Республика Беларусь).

Диана Александровна Урбанович, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, Минск 220030, Республика Беларусь

Белорусский государственный университет (Минск, Республика
Беларусь).

Илья Юрьевич Полын, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, Минск 220030, Республика Беларусь

Белорусский государственный университет (Минск, Республика Беларусь).

Максим Владиславович Бушинский, Государственное научно-производственное объединение «Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению» ул. П. Бровки, 19, Минск 220072, Республика Беларусь

к. ф.-м. н., заведующий лаборатории неметаллических ферромагнетиков Государственного научно-производственного объединения «Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению» (Минск, Республика Беларусь).

Алексей Валентинович Труханов, Государственное научно-производственное объединение «Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению» ул. П. Бровки, 19, Минск 220072, Республика Беларусь

д. ф.-м. н., заместитель Генерального директора по научной и
инновационной работе Государственного научнопроизводственного объединения «Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению» (Минск, Республика
Беларусь).

Владимир Васильевич Паньков, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, Минск 220030, Республика Беларусь

д. х. н., профессор
кафедры физической химии Белорусского государственного университета (Минск, Республика Беларусь).

Литература

Houbi A., Aldashevich Z. A., Atassi Y., Telmanovna Z. B., Saule M., Kubanych K. Microwave absorbing properties of ferrites and their composites: A review. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2021;529: 167839. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2021.167839

Yin P., Zhang L., Feng X., Wang J., Dai J., Tang Y. Recent progress in ferrite microwave absorbing composites. Integrated Ferroelectrics. 2020;211(1): 82–101. https://doi.org/10.1080/10584587.2020.1803677

Kodama R. H., Berkowitz A. E., McNiff Jr E. J., Foner S. Surface spin disorder in ferrite nanoparticles. Journal of Applied Physics. 1997;81(8): 5552–5557. https://doi.org/10.1063/1.364659

Thakur P., Taneja S., Chahar D., Ravelo B., Thakur A. Recent advances on synthesis, characterization and high frequency applications of Ni-Zn ferrite nanoparticles. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2021;530: 167925. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2021.167925

Martinez B., Obradors X., Balcells L., Rouanet A., Monty C.. Low temperature surface spin-glass transition in g-Fe2O3 nanoparticles. Physical Review Letters. 1998;80(1): 181. https://doi.org/10.1103/PhysRev-Lett.80.181

Leite E. S., Coaquira J. A., Viali W. R., Sartoratto P. P., De Almeida R. L., Morais P. C., Malik S. K. Spinglass- like characteristics of extremely small g-Fe2O3 nanoparticles. Journal of Physics: Conference Series. 2010;200(7): 072060. https://doi.org/10.1088/1742-6596/200/7/072060

El-Sayed H. M., Ali I. A., Azzam A., Sattar A. A. Influence of the magnetic dead layer thickness of Mg- Zn ferrites nanoparticle on their magnetic properties. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2017;424: 226–232. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2016.10.049

Khah F. M., Arab A., Kiani E. The effect of thickness of the dead layer on the magnetization of Ni0. 5–CoxZn0.5Fe2O4 ferrite nanopowders and determination of optimal permeability. Journal of Superconductivity and Novel Magnetism. 2021;34: 2699–708. https://doi.org/10.1007/s10948-021-05976-x

Singh J. P., Dixit G., Srivastava R. C., Agrawal H. M., Reddy V. R., Gupta A. Observation of bulk like magnetic ordering below the blocking temperature in nanosized zinc ferrite. Journal of magnetism and magnetic materials. 2012;324(16): 2553–2559. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2012.03.045

Meidanchi A., Ansari H. Copper spinel ferrite superparamagnetic nanoparticles as a novel radiotherapy enhancer effect in cancer treatment. Journal of Cluster Science. 2021;32: 657–663. https://doi.org/10.1007/s10876-020-01832-5

Sharma R., Thakur P., Sharma P., Sharma V. Ferrimagnetic Ni2+ doped Mg-Zn spinel ferrite nanoparticles for high density information storage. Journal of Alloys and Compounds. 2017;704: 7–17. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.02.021

Harasawa T., Suzuki R., Shimizu O., Olcer S., Eleftheriou E. Barium-ferrite particulate media for high-recording-density tape storage systems. IEEE transactions on magnetics. 2010;46(6): 1894–1897. https://doi.org/10.1109/TMAG.2010.2042286

Nasrin S., Hoque S. M., Chowdhury F. U., Hossen M. M. Influence of Zn substitution on the structural and magnetic properties of Co1–xZnxFe2O4 nano-ferrites. IOSR Journal of Applied Physics. 2014;6(2): 58–65. https://doi.org/10.9790/4861-06235865

Vinosha P. A., Manikandan A., Ceicilia A. S., Dinesh A., Nirmala G. F., Preetha A. C., Slimani Y., Almessiere M. A., Baykal A., Xavier B. Review on recent advances of zinc substituted cobalt ferrite nanoparticles: Synthesis characterization and diverse applications. Ceramics International. 2021;47(8): 10512–10535. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.12.289

Kaur P., Chawla S. K., Meena S. S., Yusuf S. M., Pubby K., Narang S. B. Modulation of physico-chemical, magnetic, microwave and electromagnetic properties of nanocrystalline strontium hexaferrite by Co-Zr doping synthesized using citrate precursor sol-gel method. Ceramics International. 2017;43(1): 590–598. https://doi.org/10.1016/j.cera-mint.2016.09.199

Sajjia M., Oubaha M., Hasanuzzaman M., Olabi A. G. Developments of cobalt ferrite nanoparticles prepared by the sol–gel process. Ceramics International. 2014;40(1): 1147–1154. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2013.06.116

Sutka A., Mezinskis G. Sol-gel auto-combustion synthesis of spinel-type ferrite nanomaterials. Frontiers of Materials Science. 2012;6(2): 128–141. https://doi.org/10.1007/s11706-012-0167-3

Ashour A. H., El-Batal A. I., Maksoud M. A., El-Sayyad G. S., Labib S. H., Abdeltwab E., El-Okr M. M. Antimicrobial activity of metal-substituted cobalt ferrite nanoparticles synthesized by sol–gel technique. Particuology. 2018;40: 141–151. https://doi.org/10.1016/j.partic.2017.12.001

Karimi Z., Mohammadifar Y., Shokrollahi H., Asl S. K., Yousefi G., Karimi L. Magnetic and structural properties of nano sized Dy-doped cobalt ferrite synthesized by co-precipitation. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2014;361: 150–156. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2014.01.016

Shahbahrami B., Rabiee S. M., Shidpour R., Salimi-Kenari H. Influence of calcination parameters on the microstructure, magnetic and hyperthermia properties of Zn-Co ferrite nanoparticles. Journal of Electroceramics. 2022;48: 157–168. https://doi.org/10.1007/s10832-022-00281-y

Sakurai S., Nishino H, Futaba DN, Yasuda S, Yamada T, Maigne A, Matsuo Y, Nakamura E, Yumura M., Hata K. Role of subsurface diffusion and Ostwald ripening in catalyst formation for single-walled carbon nanotube forest growth. Journal of the American Chemical Society. 2012;134(4): 2148–2153. https://doi.org/10.1021/ja208706c

Rafeeq S. N., Ismail M. M., Sulaiman J. M. Magnetic and dielectric properties of CoFe2O4 and CoxZn1–xFe2O4 nanoparticles synthesized using sol-gel method. Journal of Magnetics. 2017;22(3): 406–413. https://doi.org/10.4283/JMAG.2017.22.3.406

Tables of physical quantities*. I. K. Kikoin (ed.). Moscow: Atomizdat Publ.; 1976. 1006 p. (In Russ.)

Karaagac O., Yildiz B. B., Köçkar H. The influence of synthesis parameters on one-step synthesized superparamagnetic cobalt ferrite nanoparticles with high saturation magnetization. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2019;473: 262–267. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2018.10.063

Frolov G. I., Bachina O. I., Zav’yalova M. M., Ravochkin S. I. Magnetic properties of nanoparticles of 3d metals. Technical Physics. 2008;53(8): 1059–1064. https://doi.org/10.1134/s1063784208080136

Chinnasamy C. N., Jeyadevan B., Shinoda K., Tohji K., Djayaprawira D. J., Takahashi M., Joseyphus R. J., Narayanasamy A. Unusually high coercivity and critical single-domain size of nearly monodispersed CoFe2O4 nanoparticles. Applied Physics Letters. 2003; 83(14): 2862–2864. https://doi.org/10.1063/1.1616655

Rao K. S., Nayakulu S. R., Varma M. C., Choudary G. S., Rao K. H. Controlled phase evolution and the occurrence of single domain CoFe2O4 nanoparticles synthesized by PVA assisted sol-gel method. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2018;451: 602–608. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2017.11.069

Khader S. A., Sankarappa T. Dielectric, magnetic and ferroelectric studies in (x)Mn0.5Zn0.5Fe2O4 + (1–x) BaTiO3 magnetoelectric nano-composites. Materials Today: Proceedings. 2016;3(6): 2358–2365. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2016.04.148

Saffari F., Kameli P., Rahimi M., Ahmadvand H., Salamati H. Effects of Co-substitution on the structural and magnetic properties of NiCoxFe2-xO4 ferrite nanoparticles. Ceramics International. 2015;41(6): 7352–7358. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2015.02.038

Negi D. S., Sharona H., Bhat U., Palchoudhury S., Gupta A., Datta R. Surface spin canting in Fe3O4 and CoFe2O4 nanoparticles probed by high-resolution electron energy loss spectroscopy. Physical Review B. 201730;95(17): 174444. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.95.174444