Sol-Gel Synthesis, Structure and Optical Properties of Nickel-Manganese Ferrites

Abstract

Властивості фериту нікелю NiFe2O4, отриманого за керамічною технологією, є широко вивчені, оскільки він володіє високою електромагнітною продуктивністю, відмінною хімічною стабільністю і механічною твердістю, а також помірною намагніченістю насичення, що робить його хорошим претендентом у застосуванні як м'якого магнітного матеріалу з низькими втратами на високих частотах. Структура, механічні, магнітні, електричні та діелектричні властивості фериту нікелю залежать від декількох факторів, включаючи спосіб приготування, час і температуру спікання, хімічний склад, тип і кількість легуючої домішки та зернову структуру. Для синтезу Ni1-xMnxFe2O4 (x = 0.0; 0.1; 0.2; 0.3; 0.4; 0.5 і 0.6) наночастинок феритів був використаний метод золь-гель за участі автогоріння (ЗГА). Отриманий розчин було висушено за температури близько 403 К. Під час випарювання розчин поступово ставав в'язкими, в результаті чого сформувався ксерогель. За подальшого підвищення температури органічні складові розклалися з утворенням таких газів, як CO2, N2 і H2О. Процес автоматичного згорання ксерогелю завершився протягом декількох секунд, що призвело до утворення нанопорошків феритів. Досліджено структурні параметри, морфологію та оптичні властивості порошків. Результати Х-променевих досліджень підтверджують утворення однофазових порошків для 0.0 ≤ x ≤ 0.4 просторової групи Fd3m. Порошки Ni0.5Mn0.5Fe2O4 та Ni0.4Mn0.6Fe2O4, крім фази шпінелі, містять також додаткові фази FeO та Ni. Розміри кристалітів (27-43 нм) зменшуються, а параметр гратки (0.8343-0.8459 нм) збільшується при збільшенні концентрації іонів Mn. Морфологічні спостереження показують, що кристалічність істотно зменшується при збільшенні вмісту Mn, а розмір частинок стає більш однорідним. Встановлено, що оптична ширина забороненої зони збільшується з ростом концентрації іонів Мn2+ у феритовій структурі. Ширина забороненої зони знаходиться в діапазоні від 2.00 еВ до 3.26 еВ.

The nickel ferrite NiFe2O4 obtained by ceramic technology has been widely studied due to its tremendous properties like high electromagnetic performance, excellent chemical stability and mechanical hardness, and moderate saturation magnetization, making it a good contender for the application as soft magnets and low loss materials at high frequencies. The structure, mechanical, magnetic, electrical and dielectric properties of nickel ferrite are dependent upon several factors including the method of preparation, sintering time and temperature, chemical composition, type and amount of dopant, grain structure. The sol-gel with participation of auto-combustion (SGA) technique was used for the synthesis of Ni1-xMnxFe2O4 (x = 0.0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5 and 0.6) nanoparticle ferrites. The mixed solution was dried at a temperature around 403 K. During evaporation the solution became viscous and finally formed a xerogel. At further temperature rise, the organic constituents are decomposed with the generation of gases such as CO2, N2 and H2O; therefore the xerogel automatically ignited. The auto-combustion was completed within a few seconds, yielding the nanopowders of ferrites. Structural parameters, morphology and optical properties were investigated. The XRD results confirm single-phase formation of the as-prepared samples with 0.0 ≤ x ≤ 0.4 having the Fd3m space group. The Ni0.5Mn0.5Fe2O4 and Ni0.4Mn0.6Fe2O4 powders except the spinel phase contain also additional FeO and Ni phases. The crystallite sizes (27-43 nm) decrease and the lattice parameters (0.8343-0.8459 nm) increase, while the Mn concentration increases. Morphological observations reveal that the crystallinity decreases significantly with increasing Mn content meanwhile the particle size becomes more uniform. It was found that the optical band gap increases with increasing concentration of Mn2+ ions in the ferrite structure. The band gap is in the range from 2.00 eV to 3.26 eV.