Библиографическое описание:

Гареев К. Г. Получение и анализ свойств наноструктурированных композиционных материалов на основе ферритовых систем // Молодой ученый. — 2012. — №7. — С. 20-23.

Введение. Композиционные материалы на основе ферритовых систем, включающих оксиды железа, никеля, кобальта, марганца, цинка, иттрия и эрбия в силу значительных различий в физико-химических, а также статических и динамических магнитных свойствах, находят широкий спектр приложений. Среди наиболее актуальных можно назвать применение наночастиц ферритов железа (магнетита) и марганца-цинка в медицинских препаратах для магнито-резонансной томографии (контрастирующие агенты) и гипертермической терапии [1, 2]. В соответствии с вышеназванными целями, требования к электрофизическим свойствам подобных продуктов принципиально различаются, в то время как необходимость стабилизации наноразмерного состояния и подавление агломерации частиц в характерных для живых организмов жидких средах, а также биосовместимость сохраняют свое первостепенное значение. Основное же различие заключается в том, что для МРТ-контрастирующих агентов на основе наночастиц магнетита необходимо минимизировать потери энергии на гистерезис, таким образом, типичные магнитомягкие ферриты сами по себе не удовлетворяют данному требованию, оптимальным является переход к суперпарамагнитному состоянию вещества, наблюдаемый при размерах частиц, существенно меньших 1 мкм [3, 4].

Существуют различные методики получения стабильных наноразмерных частиц ферритов, одним из перспективных путей синтеза можно назвать золь-гель процесс [5]. За последние годы применение данной технологии для изготовления наноструктурированных металлооксидных материалов позволило достичь высоких удельных характеристик сенсорных устройств на их основе, например – газовых датчиков [6, 7]. Кроме того, описаны технологические аспекты получения нанокомпозиционных материалов на основе двух- [8] и трехкомпонентных [9] ферритовых систем.

Описание технологического процесса. В настоящей работе исследовались композиты на основе ферритов, имеющих структуру шпинели (никель, кобальт, марганец, цинк) и граната (эрбий и иттрий). На первом этапе технологического процесса навески солей металлов (хлориды железа, никеля, кобальта, марганца и цинка, а также нитраты эрбия и иттрия) растворялись в изопропиловом или этиловом спиртах, затем к раствору добавлялся прекурсор диоксида кремния – этиловый эфир ортокремниевой кислоты (тетраэтоксисилан, или ТЭОС). После достижения равномерного распределения компонентов полученного золя осуществлялось введение десятипроцентного водного раствора аммиака для гелеобразования. После выдержки в вытяжном шкафу при комнатной температуре в течение 96 часов производился высокотемпературный отжиг при 500 – 1100°С длительностью 1 час.

Исследование свойств получаемых материалов. Для анализа морфологии поверхности материала применялись атомно-силовая микроскопия (установка «ИНТЕГРА ТЕРМА», ЗАО «НТ-МДТ») и метод тепловой десорбции азота (прибор серии «СОРБИ», ЗАО «МЕТА»). Определение фазового состава производилось методами рентгенофазового анализа («ДРН Фарад», «Эксперт-центр») и дифракции быстрых электронов («ЭМР-102», «SELMI»). Снятие статических магнитных характеристик выполнялось на вибрационном магнетометре VSM-7400 («LakeShore»).

Важность наличия достоверных данных о фазовом составе обусловлена сильным влиянием его малейших изменений на электрофизические свойства материала. Рентгеновские дифрактограммы порошков на основе иттриевого феррограната среднего окисляемого состава 0,8(Fe0,7Y0,3)-0,2Si, отожженных при 900, 1000 и 1100°С, приведены на рис. 2. Можно предположить, что при данных условиях синтеза формирование кристаллических фаз феррита и феррата иттрия происходит в диапазоне температур между 1000 и 1100°С. Повышение доли кремния в золе до 80 мол.% в пересчете на диоксид позволило увеличить содержание фазы феррограната иттрия в образце по сравнению с материалом с высоким содержанием металлооксидных фаз. Однако, при этом возможно образование кристаллических модификаций диоксида кремния.


Рис. 1. Рентгенограммы порошков системы Y-Fe-Si-O, отожженных при различной температуре


На рис. 2 представлена картина дифракции быстрых электронов от слоя марганцевого феррита, отожженного при 1000°С (б), и расшифровка к ней (а).


а

б

Рис. 2. Результаты исследования пленки на основе феррита марганца методом дифракции быстрых электронов

В результате проведенных методом АСМ исследований показана возможность получения корпускулярно-пористой (рис. 3, а, размер области сканирования 30х30 мкм2) и сетчатой (рис. 3, б, размер области сканирования 50х50 мкм2) структуры материала на основе феррограната эрбия за счет изменения технологического режима (состав и время выдержки золя, температура отжига).

а

б

Рис. 3. Изображение поверхности образца на основе феррограната эрбия в атомно-силовом контрасте: а) Тотж = 600 0С, б) Тотж = 1000 0С

Существование в композите иерархической пористой структуры было подтверждено данными измерения полной изотермы адсорбции-десорбции, позволившими построить гистограмму распределения пор по размерам (рис. 2), которая демонстрирует присутствие микро- (менее 2 нм в диаметре), мезо- (2 – 50 нм) и макропор (более 50 нм) в соответствии с международной классификацией IUPAC в образце на основе феррита иттрия, отожженного при Т = 800°С. При этом удельная площадь поверхности данного порошка составляет более 230 м2/г, что в приближении сферических частиц соответствует их среднему размеру около 10 нм. Однако, как видно из рис. 4, поры имеют весьма сложную дисперсию по размерам, а приближение корпускулярно-пористой структуры верно лишь в случае определенных технологических режимов получения.

Рис. 4. Гистограмма распределения пор по размерам

Анализ статических магнитных свойств показал возможность достижения низких значений коэрцитивной силы при сохранении высоких намагниченности насыщения и начальной магнитной проницаемости. Результаты измерений для образца на основе феррита никеля, приготовленного при разных температурах, приведены на рис. 5. В данном случае наблюдается снижение коэрцитивной силы до 100 Э при повышении температуры отжига до 1100°С при практически пропорциональном увеличении намагниченности и значительном росте крутизны начального участка петли, характеризующей магнитную проницаемость.

Рис. 5. Петли перемагничивания образцов на основе феррита никеля

Заключение. В результате проведенного исследования было установлено, что получаемый композиционный материал имеет сложную микроструктуру, характеризующуюся типичным для подобных оксидных систем законом распределения пор по размерам [6, 7], в котором преобладают микропоры и мезопоры менее 10 нм в диаметре, что согласуется с расчетом среднего размера частиц, составляющим около 10 нм. Анализ фазового состава образцов показал появление интенсивного гало в области малых углов (больших межплоскостных расстояний), что соответствует высокой доли аморфной и наноразмерной фазы в материале. Сопоставление полученных данных со снятыми статическими петлями перемагничивания позволяет говорить о присутствии частиц феррита, находящихся как в ферримагнитном, так и, что наиболее важно, суперпарамагнитном состоянии.


Литература:

  1. The preparation of magnetic nanoparticles for applications in biomedicine / Pedro Tartaj, Marıa del Puerto Morales, Sabino Veintemillas-Verdaguer et. al. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2003. 36. Р. 182–197.

  2. Magnetic particle hyperthermia: nanoparticle magnetism and materials development for cancer therapy / Rudolf Hergt, Silvio Dutz, Robert Muller, Matthias Zeisberger // J. Phys.: Condens. Matter. 2006. 18. Р. 2919–2934.

  3. Хёрд К. М. Многообразие видов магнитного упорядочения в твердых телах // УФН, 1984, Т. 142, вып. 2, с. 331-356.

  4. Superparamagnetic gel as a novel material for electromagnetically induced hyperthermia / Melania Babincova, Danuta Leszczynska, Paul Sourivong et. al. // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2001. 225. P. 109–112.

  5. Максимов А.И., Мошников В.А., Таиров Ю.М., Шилова О.А. Основы золь-гель технологии нанокомпозитов. 2-е издание. СПб.: ООО “Техномедиа”. Изд-во “Элмор”, 2008.

  6. Hierarchical nanostructured semiconductor porous materials for gas sensors /V.A. Moshnikov, I.E. Gracheva, V.V. Kuznezov et al. // Journal of Non-Crystalline Solids. 2010. V. 356, N. 37-40. P. 2020 – 2025.

  7. Мошников В.А., Грачева И.Е., Аньчков М.Г. Исследование наноматериалов с иерархической структурой, полученных золь-гель методом // Физика и химия стекла. 2011. Т. 37, № 5. С. 672–684.

  8. Получение и анализ порошков-ксерогелей с нанофазой гематита / К.Г. Гареев, И.Е. Грачева, В.И. Альмяшев, В.А. Мошников // Известия Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета ЛЭТИ. 2011. № 5. С. 26–32.

  9. Фазообразование и процессы, протекающие в системе Er2O3-Fe2O3-SiO2 / К.Г. Гареев, И.Е. Грачева, В.А. Мошников, Т.Г. Кайралиева, В.Н. Ермолаев, С.Б. Айдарова // Известия Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета ЛЭТИ. 2012. № 5. С. 16–24.

Основные термины (генерируются автоматически): основе феррита, основе феррита, дифракции быстрых электронов, основе феррита никеля, основе феррита никеля, дифракции быстрых электронов, основе феррита иттрия, основе ферритовых систем, основе феррита марганца, основе ферритовых систем, основе феррограната эрбия, основе феррограната эрбия, основе феррита иттрия, кристаллических фаз феррита, присутствии частиц феррита, Санкт-Петербургского государственного электротехнического, Известия Санкт-Петербургского государственного, основе феррита марганца, композиционных материалов, государственного электротехнического университета.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос