Çinko ferrit nanoparçacıkların özelliklerine sentez sıcaklığı ve süresinin etkisinin incelenmesi

Abstract

Bu çalışmanın amacı, hidrotermal metotla çinko ferrit nanoparçacıkların sentezlenmesi ve sentezlenen nanoparçacıkların yapısal ve manyetik özelliklerine sentez sıcaklığı ve süresinin etkisinin incelenmesidir. Çinko ferrit nanoparçacıklar, farklı sentez sıcaklıklarında (4 saat reaksiyon süresi altında 100, 125, 150, 175, 200 ve 225°C’de) ve farklı sentez sürelerinde (110 °C’de 2, 4, 8, 12, 16 ve 24 saat süreyle) hidrotermal metotla sentezlenmiştir. Nanoparçacıkların elementel analizi İndüktif Olarak Eşleştirilmiş Atomik- Emisyon Spektroskopisi ve Enerji Dağılımlı X-ışınları Spektroskopisi ile yapılmıştır. Elementel analiz sonuçlarına göre sentez sıcaklığı ve süresi arttıkça Zn/Fe oranı azalmıştır. X-Işınları Difraksiyonu, XRD ve Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi sonuçlarına göre sentezlenen numunelerin tamamı kübik spinel yapıda çinko ferrittir. Sentez sıcaklığı 100’den 225 °C’ye arttıkça XRD desenlerinden hesaplanan parçacık boyutları, dXRD 7.2’den 10.4 nm’ye artmış ve örgü sabitleri 0.84611’den 0.84424 nm’ye azalmıştır. Sentez süresi 4’ten 24 saate arttıkça dXRD 7.7’den 10.0 nm’ye artmış ve örgü sabitleri 0.84610’den 0.84525 nm’ye azalmıştır. Nanoparçacıkların Zn/Fe oranı azaldıkça örgü sabitlerinin azaldığı gözlenmiştir. Geçirmeli elektron mikroskobu, TEM ile ölçülen ortalama parçacık boyutları, dTEM sentez sıcaklığının artmasıyla sırasıyla 7.8 ± 2.7’den 10.0 ± 3.2 nm’ye artmıştır. Sentez süresi arttıkça dTEM değerleri 6.8 ± 2.5’den 10.6 ± 5.1 nm’e artmıştır. dXRD ve dTEM sonuçları birbiri ile uyumlu olarak değişim göstermektedir. Titreşimli numune manyetometresi ile oda sıcaklığında yapılan manyetik ölçümlere göre farklı sıcaklıklarda ve sürelerde sentezlenen tüm çinko ferrit nanoparçacıklar sıfır koersivite ve kalıcı manyetizasyona sahiptir. Bu çalışmada sentezlenen tüm çinko ferrit nanoparçacıklar süperparamanyetik özelliktedir. Sentez sıcaklığının artmasıyla çinko ferrit nanoparçacıkların maksimum manyetizasyonu, MMAX 26.4’den 32.1 emu/g’a artmıştır. Sentez süresi arttıkça da çinko ferrit nanoparçacıkların MMAX değerleri 25.5’den 30.8 emu/g’a artmıştır. Normal spinel çinko ferritte net manyetizasyonun sıfır olması beklenir. Fakat yüzey etkilerinini gözlendiği ve/veya farklı Zn/Fe oranlarından kaynaklanan kısmi ters spinel yapıdaki çinko ferritte net manyetizasyon gözlenebilir. Sentez sıcaklığı ve süresinin artmasıyla Zn/Fe oranı azalmış bu da net manyetizasyonu arttırmıştır. Ayrıca, nanoparçacıkların 100 kOe manyetik alan altında beklenen manyetizasyon değerleri (ekstrapole manyetizasyon değerleri) de hesaplanmıştır. 100 kOe manyetik alandaki maksimum ekstropole manyetizasyon 225 °C’de 4 saatte sentezlenen 9.3 ± 3.1 nm boyutundaki çinko ferrit nanoparçacıklar için 36.5 emu/g’dır. Bu çalışmada, diğer çalışmalara göre daha düşük parçacık boyutlu ve daha yüksek manyetizasyonlu süperparamanyetik çinko ferrit nanoparçacıklar elde edilmiştir.

The aim of this study is to synthesize zinc ferrite nanoparticles by hydrothermal method and to investigate the effects of synthesis temperature and time on the structural and magnetic properties of the synthesized nanoparticles. Zinc ferrite nanoparticles were synthesized by hydrothermal method at different synthesis temperatures (at 100, 125, 150, 175, 200 and 225 °C for 4 hours) and different synthesis times (for 2, 4, 8, 12, 16 and 24 hours at 110 °C). Elemental analysis of nanoparticles was made by Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy and Energy Dispersive X-ray Spectrsocopy. According to the elemental analysis, the Zn/Fe ratio decreased as the synthesis temperature and time increased. According to the X-Ray Diffraction, XRD and Fourier Transformed Infrared Spectroscopy analysis, all samples were cubic spinel zinc ferrite. As the synthesis temperature increased from 100 to 225 °C, calculated particle sizes by using XRD data, dXRD increased from 7.2 to 10.4 nm and lattice constant decreased from 0.84611 to 0.84424 nm. As the synthesis time increased from 4 to 24 hours, dXRD increased from 7.7 to 10.0 nm and the lattice constant decreased from 0.84610 to 0.84525 nm. It was noted that lattice constant decreased with the decrease of Zn/Fe ratio of the nanoparticles. As the temperature increased, mean particle sizes measured with Transmission Electron Microscope, TEM, dTEM increased from 7.8 ± 2.7 to 10.0 ± 3.2 nm. As the synthesis time increased, the dTEM values increased from 6.8 ± 2.5 to 10.6 ± 5.1 nm. dXRD and dTEM results are consistent with each other. According to the magnetic measurement results obtained at room temperature with the vibrating sample magnetometer, all zinc ferrite nanoparticles synthesized at different temperatures and times have zero coercivity and remenant magnetization. In this study, all zinc ferrite nanoparticles obtained are superparamagnetic. The maximum magnetization, MMAX of zinc ferrite nanoparticles increased from 26.4 to 32.1 emu/g with the increase of synthesis temperature. As the synthesis time increased, MMAX values of zinc ferrite nanoparticles also increased from 25.5 to 30.8 emu/g. Normal spinel zinc ferrite has no net magnetization. However, for nanoparticles in which the surface effects and/or partial inverse spinel structures caused by different Zn/Fe ratios was observed may have a net magnetization. By increasing the synthesis temperature and time, the Zn/Fe ratio decreased and this caused an increase in net magnetization. Maximum magnetization values predicted at 100 kOe (extrapolated magnetization values) were also calculated. Maximum magnetization at 100 kOe is 36.5 emu/g for 9.3 ± 3.1 nm zinc ferrite nanoparticles synthesized at 225 oC for 4 hours. Superparamagnetic zinc ferrite nanoparticles with smaller size and higher magnetization were obtained in this study compared to other studies.