Введение к работе
Актуальность темы. В последние годы нанокристаллические ферриты со структурой перовскита и граната, в частности, YFe03 , Y3Fe50i2 и твердые растворы на их основе, привлекли большое внимание в связи с их широким применением в современной промышленности и приборостроении.
Феррогранат Y3Fe50i2 и твердые растворы на его основе являются ферромагнитными материалами, которые широко используются в СВЧ-устройствах, нанокомпозитах, керамиках, ферромагнитных усилителях, магнитооптическом хранении и записи информации.
Перовскит YFe03 и твердые растворы на его основе имеют высокую магнитооптическую добротность в ближней инфракрасной области и высокую скорость движения доменной границы, позволяющие с успехом применять их в качестве элементов памяти в логических устройствах и в некоторых магнитооптических приборах, таких, как оптические переключатели, магнитооптические датчики тока и датчики магнитного поля. Из-за высокой активности и термической стабильности они также широко используются в качестве катализаторов, газовых сепараторов, твердых электролитов, спиновых клапанов, химических датчиков. Замещая в Y3Fe50i2 и YFe03 ионы иттрия на другие ионы, можно менять структуру и магнитные свойства ферритов и получать материалы с заданными параметрами.
Для синтеза нанокристаллических ферритов сегодня большое внимание уделяется химическим методам, сочетающим технологическую простоту и экономичность с довольно высоким качеством получаемого продукта. Из химических способов получения нанокристаллических ферритов весьма перспективны варианты золь-гель метода, предусматривающие осаждение гидроксидов и карбонатов из растворов соответствующих солей с последующими дегидратацией и декарбонизацией. Достоинства метода - уменьшение времени спекания, снижение температуры синтеза и обеспечение адекватного контроля по размеру полученных частиц по сравнению с твердофазными способами. Он довольно прост и не требует никакой сложной дорогостоящей аппаратуры. Эти преимущества могут быть использованы как в лабораториях, так и на предприятиях.
Анализ литературных данных показал, что замещение иттрия лантаном и кадмием в YFe03 и также иттрия лантаном в Y3Fe50i2 золь-гель методом не было исследовано. Из вышеизложенного следует актуальность поставленных задач, заключающихся в разработке приемлемых вариантов синтеза ферритов со структурой перовскита и граната, твердых растворов на их основе и изучении влияния условий синтеза и уровня допирования на структуру и свойства.
Целью данной работы явилась разработка вариантов золь-гель синтеза нанокристаллов YFe03, Yi_xLaxFe03 и Yi_xCdxFe03, Y3Fe50i2 и Y3.xLaxFe50i2, установление влияния содержания допантов на размер, параметры кристаллической решётки (ИКР) и магнитные свойства этих ферритов.
Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:
Разработка вариантов золь - гель синтеза нанокристаллов YFe03 и Y3FesOi2 и оптимизация их режимов.
Установление влияния условий синтеза на размер, структуру и магнитные свойства полученных частиц YFe03 и Y3FesOi2.
Золь - гель синтез допированных нанокристаллов Yi_xLaxFe03 (х = 0.0; 0.1; 0.2; 0.3; 0.4) и Yi.xCdxFe03 (х = 0.0; 0.05; 0.10; 0.15; 0.20).
4. Установление зависимости размера, структуры и магнитных свойств
нанокристаллов Y^LaxFeCb и Y^xCdxFeCb от содержания лантана и кадмия.
5. Синтез допированных нанокристаллов Y3.xLaxFe50i2 (х = 0.0; 0.2; 0.4; 0.6) золь -
гель методом.
6. Выявление зависимости размера, структуры и магнитных свойств
нанокристаллов Y3.xLaxFe50i2 от содержания лантана.
7. Рассмотрение механизма формирования нанокристаллов YFe03, Y^LaxFeCb,
Yi_xCdxFe03, Y3Fe50i2 и Y3.xLaxFe50i2 золь - гель методом.
Научная новизна
- Впервые разработана методика золь - гель синтеза нанокристаллов YFe03 с
применением различных осадителей, выявлено влияние условий получения на фазовый
состав, размер и структуру и установлены зависимости магнитных свойств
нанокристаллов YFe03 и Y3Fe50i2 от их размера.
На основе разработанного варианта золь - гель метода синтезированы нанокристаллы Yi.xLaxFe03 (х = 0.0; 0.1; 0.2; 0.3; 0.4), Yi.xCdxFe03 (х = 0.0; 0.05; 0.10; 0.15; 0.20) и Y3.xLaxFe50i2 (х = 0.0; 0.2; 0.4; 0.6) и определены зависимости размера, структуры и магнитных свойств нанокристаллов Yi_xLaxFe03, Yi_xCdxFe03 и Y3.xLaxFe50i2 от степени замещения.
Представлен механизм формирования YFe03, Yi_xLaxFe03 ,Yi_xCdxFe03, Y3FesOi2 и Y3.xLaxFe50i2 золь - гель методом.
Практическая значимость
Найденные закономерности влияния условий синтеза и степени замещения в данных перовскитах и гранатах на размер нанокристаллов и параметры кристаллической решетки (ПКР) могут быть использованы для оптимизации технологических процессов синтеза нанокристаллических ферритов.
Установленная зависимость магнитных свойств полученных ферритов от степени замещения открывает перспективы синтеза материалов на основе феррита иттрия с новыми магнитными характеристиками. Уменьшение размера частиц нанокристаллических материалов, полученных предложенным способом, по сравнению с ранее известными позволит увеличить плотность магнитной записи и каталитическую активность.
Разработанные новые методики золь - гель синтеза нанокристаллов могут быть применены для синтеза других сложных оксидов.
Достоверность полученных результатов подтверждается применением комплекса современных физико-химических методов исследования, взаимной корреляцией полученных результатов и согласованием ряда данных с известными из литературы.
Положения, выносимые на защиту
Методика соосаждения ионов Y + и Fe водными растворами аммиака или гидрокарбоната натрия с отжигом в режиме 700С, 90мин. (1000С, 4ч.) оптимальна из разработанных вариантов золь-гель синтеза нанокристаллов YFe03 (Y3Fe50i2) и позволяет получать частицы со средним диаметром ЗОнм (50нм).
Замещение иттрия лантаном в YFe03 и Y3FesOi2, осуществленное соосаждением ионов Y +, La и Fe водным раствором аммиака, приводит к уменьшению среднего диаметра кристаллитов с 34 до 16нм для Y1.xLaxFeO3(x=0; 0.1; 0.2; 0.3; 0.4) и с 54 до 43нм в случае Y3.xLaxFe50i2 (х=0; 0.2; 0.4; 0.6) при одновременном увеличении параметров их кристаллических решеток.
Замещением иттрия кадмием в YFe03 при соосаждении ионов Y , Cd и Fe водным раствором гидрокарбоната натрия синтезирован допированный
нанокристаллический Y^CclxFeCb (х = 0.05; 0.10; 0.15; 0.2). Введение кадмия обусловливает уменьшение среднего диаметра частиц с 34 до 23нм и некоторое снижение параметров кристаллической решетки.
4. Допирование YFeCb лантаном и кадмием приводит к росту значения намагниченности с 0.041 до 0.231 Ам /кг (при напряженности магнитного поля 640 кА/м), что обусловлено изменением угла Fe-O-Fe и возникновением двойного обменного магнитного взаимодействия Fe -О -Fe4 соответственно.
Апробация работы. Результаты работы доложены на X юбилейной международной научной конференции «Химия твёрдого тела: наноматериалы, нанотехнологии» (Ставрополь, 2010); V Всероссийской научной конференции «Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах - ФАГРАН - 2010» (Воронеж, 2010); XIX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Волгоград, 2011).
Публикации. По материалам работы опубликовано 6 статей в реферируемых российских журналах из Перечня ВАК и 4 тезиса докладов на научных конференциях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, изложена на 166 страницах машинописного текста, включая 26 таблиц, 43 рисунка и библиографический список, содержащий 220 наименований литературных источников.
