Study of hyperfine interactions in spinel cobalt ferrite CoFe2O4 doped with Hf, Lu, and Yb using Mössbauer spectroscopy and perturbed γ-γ angular correlation

Виктор Матвеевич Вахтель; Атанас Иванов Величков; Димитър Веселинов Караиванов; Мария Милинова Миланова; Юрий Гаврилович Сегал; Наргиза Темербулатова; Дмитрий Владимирович Философов; Мартин Петров Цветков

doi:10.17308/kcmf.2025.27/12486

Виктор Матвеевич Вахтель ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская федерация
Атанас Иванов Величков Объединенный институт ядерных исследований, ул. Жолио-Кюри 6, Дубна 141980, Московская обл., Российская федерация; Институт ядерных исследований и ядерной энергетики при Болгарской академии наук, Бульвар „Цариградско шосе“ № 72, София 1784, Болгария
Димитър Веселинов Караиванов Объединенный институт ядерных исследований, ул. Жолио-Кюри 6, Дубна 141980, Московская обл., Российская федерация; Институт ядерных исследований и ядерной энергетики при Болгарской академии наук, Бульвар „Цариградско шосе“ № 72, София 1784, Болгария
Мария Милинова Миланова Софийский университет, бул. «Царь Освободитель», 15, София 1504, Болгария
Юрий Гаврилович Сегал ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская федерация
Наргиза Темербулатова Объединенный институт ядерных исследований, ул. Жолио-Кюри 6, Дубна 141980, Московская обл., Российская федерация; Институт ядерной физики, ул. Ибрагимова 1, Алматы 050032, Казахстан
Дмитрий Владимирович Философов Объединенный институт ядерных исследований, ул. Жолио-Кюри 6, Дубна 141980, Московская обл., Российская федерация
Мартин Петров Цветков Софийский университет, бул. «Царь Освободитель», 15, София 1504, Болгария

DOI: https://doi.org/10.17308/kcmf.2025.27/12486

Ключевые слова: мессбауэровская спектроскопия, возмущённые корреляции, шпинели, оксиды, ферриты

Аннотация

Методом Мессбауэровской спектроскопии (МС) на ядрах ⁵⁷Fe в кобальтовых ферритах со структурой шпинели (феррошпинель) - CoFe₂O₄, легированных Lu, Yb и Hf (1 мас. %), изучены сверхтонкие взаимодействия (СТВ), указывающие на существование (CoFe₂O₄: Lu – 11 %, CoFe₂O₄: Yb – 23.4%) и отсутствие (CoFe₂O₄:Hf) дополнительных фаз. Установлено существенное изменение параметров СТВ на ядрах ⁵⁷Fe в октаэдрических позициях феррошпинелей, легированных Hf, Lu и Yb. При этом на ядра ⁵⁷Fe в тетраэдрических позициях относительное влияние примеси незначительное.

Методом возмущенных угловых γγ корреляций (γγ-ВУК) получены параметры сверхтонких полей на ядрах ¹⁷²Yb в ферритах кобальта. Ионы ¹⁷²Yb внедрялись в образец двумя способами: путем добавления изотопов ¹⁷²Hf и ¹⁷²Lu. Выявлено существенное отличие в параметрах СТВ для этих двух случаев. Локальное окружение ионов ¹⁷²Yb оказывается разным в двух вариантах внедрения изотопов в образец (Hf или Lu). Различие СТВ сохраняется в температурном интервале 300–1000 К.

Установлено что разное влияние, которые Hf и Lu оказывают на параметры (градиент электрического поля, магнитное поле, и изомерный сдвиг) СТВ в образце, выявляется обоими методами МС и ВУК независимо от количества легирующего элемента. Согласно МС Hf и Lu не приводят к существенным изменениям в параметрах СТВ тетраэдрических узлов («Sextet 1»), но оказывают существенно разное влияние на те же самые параметры в октаэдрических узлах («Sextet 2»). Подобная картина наблюдается и методом ВУК – замена Hf на Lu не выявляет изменение в параметры СТВ в одном из узлов (это октаэдрический узел), но указывает на существенную разницу в другом узле

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Виктор Матвеевич Вахтель, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская федерация

к. ф.-м. н., доцент, кафедра «Ядерная физика» Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация)

Атанас Иванов Величков, Объединенный институт ядерных исследований, ул. Жолио-Кюри 6, Дубна 141980, Московская обл., Российская федерация; Институт ядерных исследований и ядерной энергетики при Болгарской академии наук, Бульвар „Цариградско шосе“ № 72, София 1784, Болгария

к. ф.-м. н., с. н. с. сектора №4 радиохимии, Научно-экспериментальный отдел ядерной спектроскопии и радиохимии, Объединенный институт ядерных исследований (Дубна, Московская обл., Российская Федерация)

Димитър Веселинов Караиванов, Объединенный институт ядерных исследований, ул. Жолио-Кюри 6, Дубна 141980, Московская обл., Российская федерация; Институт ядерных исследований и ядерной энергетики при Болгарской академии наук, Бульвар „Цариградско шосе“ № 72, София 1784, Болгария

к. ф.-м. н., с. н. с. сектора №4 радиохимии, Научно-экспериментальный отдел ядерной спектроскопии и радиохимии, Объединенный институт ядерных исследований (Дубна, Московская обл., Российская Федерация)

Мария Милинова Миланова, Софийский университет, бул. «Царь Освободитель», 15, София 1504, Болгария

д. н., профессор, кафедра «Неорганичная химия», Факультет химии и фармации, Софийский Университет «Св. Климент Охридски» (София, Болгария)

Юрий Гаврилович Сегал, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская федерация

заведующий лабораторией «Ядерной спектрометрии», кафедра «Ядерная физика» Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация)

Наргиза Темербулатова, Объединенный институт ядерных исследований, ул. Жолио-Кюри 6, Дубна 141980, Московская обл., Российская федерация; Институт ядерной физики, ул. Ибрагимова 1, Алматы 050032, Казахстан

м. н. с. сектора № 4 радиохимии, Научно-экспериментальный отдел ядерной спектроскопии и радиохимии, Объединенный институт ядерных исследований (Дубна, Московская обл., Российская Федерация)

Дмитрий Владимирович Философов, Объединенный институт ядерных исследований, ул. Жолио-Кюри 6, Дубна 141980, Московская обл., Российская федерация

к. н. х., начальник сектора № 4 радиохимии, Научно-экспериментальный отдел ядерной спектроскопии и радиохимии, Объединенный институт ядерных исследований (Дубна, Московская обл., Российская Федерация)

Мартин Петров Цветков, Софийский университет, бул. «Царь Освободитель», 15, София 1504, Болгария

д. н., доцент, кафедра «Неорганичная химия», Факультет химии и фармации, Софийский Университет «Св. Климент Охридски» (София, Болгария)

Литература

Casbeer E., Sharma V. K., Li X.-Zh. Synthesis and photocatalytic activity of ferrites under visible light: a review. Separation and Purification Technology. 2012;87: 1–14. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2011.11.034

Tsoncheva T., Manova E., Velinov N., … Mitov I. Thermally synthesized nanosized copperferrites as catalysts for environment protection. Catalysis Communications. 2010;12: 105–109. https://doi.org/10.1016/j.catcom.2010.08.007

Manova E., Tsoncheva T., Estournés Cl., … Petrov L. Nanosized iron and iron–cobalt spinel oxides as catalysts for methanol decomposition. Applied Catalysis A: General. 2006;300(2): 170–180. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2005.11.005

Behra Y., Singh N. B. Solid state properties of zinc ferrite in presence of dopants. Materials Today: Proceedings. 2018;5(7): 15451-15457. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2018.05.032

Sun L., Zhang R., Ni Q., Cao E., Hao W., Zhang Y., Ju L. Magnetic and dielectric properties of MgxCo1-xFe2O4 ferrites prepared by the sol-gel method. Physica B: Condensed Matter. 2018; 545: 4–11. https://doi.org/10.1016/j.physb.2018.05.030

Wu X., Ding,Z., Song N., Li L., WangW. Effect of the rare-earth substitution on the structural, magnetic and adsorption properties in cobalt ferrite nanoparticles. Ceramics International. 2016;42(3): 4246–4255.https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2015.11.100

Zhao X., Wang W., Zhang Y., Wu S., Li F., Liu J. P. Synthesis and characterization of gadolinium doped cobalt ferrite nanoparticles with enhanced adsorption capability for Congo Red. Chemical Engineering Journal. 2014;250: 164–174. https://doi.org/10.1016/j.cej.2014.03.113

Bulai G., Diamandescu L., Dumitru I., Gurlui S., Feder M., Caltun O. F. Effect of rare earth substitution in cobalt ferrite bulk materials. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2015;390: 123–131. https://doi.org/10.1016j/.jmmm.2015.04.089

Bulte J. W. M., Douglas T., Mann S., … Frank J. A. Magnetoferritin: characterization of a novel superparamagnetic MR contrast agent. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 1994;4(3): 497–505. https://doi.org/10.1002/jmri.1880040343

Zipare K. V., Bandgar S. S., Shahane G. S. Effect of Dy-substitution on structural and magnetic properties of MnZn ferrite nanoparticles. Journal of Rare Earths. 2018;36(1): 86–94. https://doi.org/10.1016/j.jre.2017.06.011

Wu X., Chen W., Wu W., Wu J., Wang Q. Improvement of the magnetic moment of NiZn ferrites induced by ubstitution of Nd3+ ions for Fe3+ ions. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2018;453: 246–253. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2018.01.057

Shoba M., Kaleemulla S. Structural, optical and dielectric studies of Er substituted zinc ferrite nanospheres. Journal of Physics and Chemistry of Solids. 2017;111: 447–457. https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2017.08.028

Tsvetkov M., Milanova M., Pereira L. C. J., … Mitov I. Magnetic properties of binary and ternary mixed metal oxides NiFe2O4 and Zn0.5Ni0.5Fe2O4, doped with rare earths by sol–gel synthesis. Chemical Papers. 2016;70(12): 1600–1610. https://doi.org/10.1515/chempap-2016-0097

Tsvetkov M., Milanova M., Ivanova I., … Abrashev M. Phase composition and crystal structure determination of cobalt ferrite, modified with Ce3+, Nd3+ and Dy3+ ions by X-ray and neutron diffraction. Journal of Molecular Structure. 2019;1179: 233–241. https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2018.07.083

Temerbulatova N. T., Tsvetkov M. P., Karaivanov D. K., Velichkov A. I., Filosofov D. V., Milanova M. M. Rare earths doped ferrites, characterized by time differential γγ perturbed angle correlations method. Journal of Solid State Chemistry. 2019;277: 281–289. https://doi.org/10.1016/j.jssc.2019.05.029

Samokhvalov V., Unterricker S., Burlakov I., … The ISOLDE Collaboration. Investigation of ferromagnetic spinel semiconductors by hyperfine interactions of implanted nuclear probes. Journal of Physics and Chemistry of Solids. 2003;64(9-10): 2069–2073. https://doi.org/10.1016/s0022-3697(03)00152-5

Sawatzky G. A., van der Woude F., Morris A. H. Cation distributions in octahedral and tetrahedral sites of the ferrimagnetic spinel CoFe2O4. Journal of Applied Physics. 1968;39: 1204. https://doi.org/10.1063/1.1656224

Dadakhanov J. A., Lebedev N. A., Velichkov A. I., … Filosofov D. V. 172Hf → 172Lu radionuclide generator based on a reverse-tandem separation scheme. Radiochemistry. 2018; 60(4): 415–426. https://doi.org/10.1134/s1066362218040112

MS-1104Em Mössbauer spectrometer, manufactured by the Research Institute of Physics of the Southern Federal University (formerly Rostov State University). Available at: https://www.sfedu.ru/www/stat_pages22.show?p=ELS/inf/D&x=ELS/-240

Abraham A., Pound R. V. Influence of electric and magnetic fields on angular correlations. Phys. Rev. 1953;92(4): 943. https://doi.org/10.1103/physrev.92.943

Brudanin V. B., Filosofov D. V., Kochetov O. I., … Akselrod Z. Z. PAC spectrometer for condensed matter investigation. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A. 2005;547(2–3): 389 399. https://doi.org/10.1016/j.nima.2005.04.002

Rinneberg H. H. Application of perturbed angular correlations to chemistry and related areas of solid state physics. Atomic Energy Review. 1979;17: 477.

Table of isotopes. Version 1.0. R. B. Fierstone, V. S. Shirley (eds.). New York: Wiley; 1996.