Effect of Nickel Ions Substitution on the Structural and Electrical Properties of a Nanosized Lithium-iron Ferrite Obtained by the Sol-gel Auto-combustion Method

Abstract

Методом золь-гель автогоріння були синтезовані ферити шпінелі складу Li0.5 – x/2NixFe2.5 – x/2O4 (де х = 0.0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0). Структурні властивості отриманих порошків досліджувалися за допомогою рентгенівської дифракції (XRD), мессбауерівської спектроскопії, а також з використанням скануючої електронної мікроскопії (SEM). Усі синтезовані зразки володіють гарною кристалічністю, причому можна виділити дві шпінелі однакового складу: одна просторової групи P4332, в якій іони заліза і літію упорядковано розміщені вздовж кристалографічного напрямку {110}, а інша – просторової групи Fd3m, розупорядкована шпінель. Присутність обох шпінелей спостерігається при низькому вмісті допійованого елементу (х = 0.2 і 0.4). У випадку збільшення Ni2+ розупорядкована компонента зникає і залишається тільки упорядкована фаза. Розміри частинок синтезованого продукту, отриманих методами Дебая Шеррера і Вільямсона Холла, складають 22-35 нм. Виявлена присутність внутрішніх напруг гратки. Згідно запропонованого катіонного розподілу іони нікелю локалізуються у тетрапідгратці, а іони літію – у октапідгратці. Іони заліза перерозподіляються по обох підгратках у співвідношенні приблизно 1:2. Мессбауерівські спектри являють собою суперпозицію двох магнітоупорядкованих компонент, що відповідають октаедричному і тетраедричному оточенню заліза в шпінельній гратці і парамагнітного дублету, який вказує на присутність заліза у двовалентному стані. Показано, що провідні і діелектричні властивості синтезованих порошків мають характерну для феритових матеріалів частотну залежність, поведінка якої пояснюється на основі стрибкового механізму провідності і міжзеренної поляризації.

Li0.5 – x/2NixFe2.5 – x/2O4 (х = 0.0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0) ferrite spinels have been synthesized by sol-gel auto-combustion technique. Structural properties of the obtained powders have been investigated by X-ray diffraction (XRD) method and scanning electron microscopy (SEM). All the synthesized powders have good crystallinity and it is possible to distinguish two spinels of the same composition: the first one of P4332 spatial group (iron and lithium ions are arranged along {110} crystallographic direction) and the second one of Fd3m spatial group (disordered spinel). The presence of both spinels is observed at low content of the doping material (х = 0.2 and 0.4). In the case of increase in Ni2+, the disordered component is absent and there is only the ordered phase. The particle size values of the synthesized material are calculated using Debye-Scherrer and Williamson-Hall methods. They are of about 22-35 nm. The presence of internal lattice stresses has been detected. According to proposed cation distribution, nickel ions are localized in tetrahedral sublattice and lithium ions are localized in octahedral one. Iron ions are redistributed in both sublattices in the ratio of about 1:2. The Mossbauer spectra represent a superposition of two magnetoordered components corresponding to the octahedral and tetrahedral surroundings of iron in the spinel lattice and the paramagnetic doublet that indicates the presence of iron in the bivalent state. It is shown that the conductive and dielectric properties of the synthesized powders are characterized by frequency dependence that is characteristic for ferrite materials. The behavior of this dependence is explained on the basis of the hopping mechanism of conductivity and intergranular polarization.