X-ray Analysis of NiCrxFe2 – xO4 Nanoparticles Using Debye- Scherrer, Williamson-Hall and Size-strain Plot Methods

Abstract

Метою роботи є створення та вивчення наночастинок NiCrxFe2 – xO4, використовуючи золь-гель метод за участю автогоріння (ЗГА). Після завершення процесу автогоріння було отримано фазу, яка відповідає кубічній структурі просторової групи шпінелі Fd3m. Встановлено залежність параметра гратки та густини Х-променевого випромінювання порошків феритів від вмісту нікелю. Величина параметра гратки зменшуються від 0.8343 нм до 0.8306 нм із збільшенням вмісту іонів Cr3+. Зменшення параметра гратки за рахунок збільшення концентрації Cr можна пояснити заміною більшого іонного радіуса Fe3+ меншим іонним радіусом Cr3+. Х-променева густина dx зростає від 5.360 г·см–3 до 5.387 г·см–3 внаслідок збільшенні ступеня заміщення x. Дослідження розподілу катіонів вказує на те, що іони нікелю та хрому мають тенденцію займати октаедричні позиції, тоді як іони заліза мають тенденцію займати як тетраедричні, так і октаедричні підгратки. Морфологічні спостереження показують, що розмір частинок значно зменшується зі збільшенням вмісту Cr, а розмір частинок стає більш однорідним. Розмір частинок і мікродеформації кристалічної гратки були розраховані за шириною Хпроменевого профілю та кута. Інтегральну ширину Kα1-лінії одержано за допомогою поділу інтегральної ширини Kα-дублету, отриманого з експерименту, за коефіцієнтом K. Визначаючи інтегральноу ширину, ігнорування дублету призводить до збільшення розрахункових розмірів блоку на 6 %. Розміри частинок порошків NiCrxFe2 – xO4 проаналізовано за допомогою формули Шеррера, методу Вільямсона-Холла та розмірно-деформаційного методу. Визначаючи середній розмір часток методом Вільямсона-Холла (24-43 нм), спостерігається більший розкид експериментальних точок від апроксимаційної прямої, ніж за розмірно-деформаційним методом (19-42 нм). Заміщення іонами Cr3+ призводить до зменшення розмірів наночастинок. Значення мікродеформацій ε, отриманих методом SSP, знаходяться в діапазоні від 4.69·10–4 до 2.69·10–3. Середній розмір частинок NiFe2O4 знайдено за найменшим квадратичним логарифмічним розподілом виміряних точок, отриманих з використанням даних СЕМ. Виявлено, що середній розмір частинок знаходиться в діапазоні 41-42 нм.

The aim of this work is to create and study NiCrxFe2 – xO4 nanoparticles using sol-gel technology with participation of auto-combustion (SGA). After completing the auto-combustion process, the phase which corresponds to the cubic structure of spinel space group Fd3m was obtained. The dependences of the lattice parameter and X-ray density of the ferrite powders on the nickel content were found. The values of the lattice parameter decrease from 0.8343 nm to 0.8306 nm with an increase in Cr3+ ions content. The decrease in lattice parameters by increasing Cr concentration can be attributed to replacement of the bigger ionic radius of Fe3+ by smaller ionic radius of Cr3+. The X-ray density dx increases from 5.360 g·cm–3 to 5.387 g·cm–3 with increasing degree of substitution x. The cation distribution study indicates that nickel and chromium ions have a tendency to occupy octahedral sites, whereas iron ions have a tendency to occupy both tetrahedral and octahedral sites. Morphological observations reveal that the particle size decreases significantly with increasing Cr content mean while the particle size becomes more uniform. The dimension of the particles and micro-deformations of crystal lattice was calculated from width of X-ray profile and angle. The integral width of Kα1-line was getting by division the integral width of the Kα-doublet obtained from the experiments on coefficient K. The ignoring a doublet in determining the integral width leads to increase of the calculated block sizes by 6 %. The particle size of NiCrxFe2 – xO4 powders was analyzed by the Scherrer formula, Williamson-Hall and the SSP methods. In determining particle average size by the Williamson-Hall method (24-43 nm), there is a larger scatter of experimental points on the straight line than by the SSP method (19-42 nm). The substitution of Cr3+ ions resulted in decrease of nanoparticle sizes. The values of micro-deformations ε obtained using the SSP method are within the range of 4.69·10–4 to 2.69·10–3. The average particle size of NiFe2O4 was found from the least-square fit of the lognormal distribution to the measured points obtained by the SEM micrographs. This average particle size was found in the range 41-42 nm.