Investigation on Electrical and Structural Properties of Manganese Dioxide Nanoparticles

Abstract

Кристалічний діоксид марганцю (MnO2) готували методом розчинення в мікрохвильовій печі з використанням гідроксиду натрію як агента. Електропровідність, електричний модуль та діелектричні властивості наночастинок MnO2 були проаналізовані методом імпедансної спектроскопії в діапазоні частот від 1 до 8 МГц та діапазоні температур від 273 до 423 К. Провідність MnO2 зростає зі збільшенням частоти. Було встановлено, що температурна залежність провідності наночастинок підкоряється діаграмі Арреніуса, енергія активації становить – 0,088 еВ. Максимальна провідність виявляється рівною 311,79 См/см при конкретній температурі 298 К. Відповідна не дебаєвська поведінка у матеріалах MnO2 аналізується за допомогою аналізу модулів та діелектричних спектрів. Модульний і діелектричний спектри підтвердили процес релаксації. Діелектрична константа та діелектричні втрати були виявлені діелектричним спектральним аналізом. Діелектрична константа була постійною в області високих частот і варіювалася в області низьких частот. Діелектрична константа виявилася рівною – 1211 при певній температурі 298 К в області дуже низьких частот. Діелектричні втрати також були постійними при високих частотах в будь-яких температурних умовах і змінювались в області низьких частот. Структуру наночастинок MnO2 проаналізували методом порошкової рентгенівської дифракції. Результати порошкової рентгенографії показали, що підготовлений зразок наночастинок був кристалічним з тетрагональною фазою. За формулою Шеррера середній розмір кристалітів становить близько 20 нм.

Crystalline manganese dioxide (MnO2) was prepared by microwave assisted solution method using sodium hydroxide as an agent. Electric conductivity, electric modulus and dielectric properties of MnO2 nanoparticles were analyzed by AC Impedance spectroscopy in the frequency range 1 to 8 MHz and temperature range in-between 273 K to 423 K. Conductivity of MnO2 increases with increasing frequency. Temperature dependence of the nanoparticle conductivity was found to obey the Arrhenius plot, activation energy is – 0.088 eV. The maximum conductivity is found to be 311.79 S/cm at a particular temperature of 298 K. The conformed non-Debye type behavior in the MnO2 materials is analyzed through modulus analysis and dielectric spectra. The modulus and dielectric spectra confirmed the relaxation process. Dielectric constant and dielectric loss were found from the dielectric spectral analysis. The dielectric constant was constant at high frequency region and varied at low frequency region. The dielectric constant is found to be – 1211 at a particular temperature of 298 K in very low frequency region. The dielectric loss also was constant at high frequencies in all temperature conditions and varied at low frequency region. Structure of MnO2 nanoparticles has been analyzed by powder X-ray diffraction method. The powder XRD results revealed that the prepared nanoparticles sample was crystalline with a tetragonal phase. Average crystallite size is found to be around 20 nm using Scherrer formula.