Неорганические материалы, 2021, T. 57, № 1, стр. 41-46
Свойства наноразмерного никель-цинкового феррита, полученного различными методами
В. Ю. Бузько 1, *, И. И. Шамрай 1, М. Ю. Рябова 1, Г. В. Киреева 1, А. И. Горячко 1
1 Кубанский государственный университет
350040 Краснодар, ул. Ставропольская, 149, Россия
* E-mail: buzkonmr@mail.ru
Поступила в редакцию 15.03.2020
После доработки 18.08.2020
Принята к публикации 20.08.2020
Аннотация
Исследованы электронные и электромагнитные свойства синтезированных образцов наноразмерного никель-цинкового феррита состава Ni0.5Zn0.5Fe2O4. Микроструктурные, электронные и электромагнитные характеристики образцов Ni0.5Zn0.5Fe2O4, приготовленных пирохимическим нитрат-мочевинным и золь–гель нитрат-цитратным методами, различались. Синтезированный пирохимическим нитрат-мочевинным методом Ni0.5Zn0.5Fe2O4 со средним размером наночастиц 33 нм обладает высокими значениями магнитной и диэлектрической проницаемости, тангенса угла магнитных потерь в диапазоне частот 1–7 ГГц по сравнению с образцом Ni0.5Zn0.5Fe2O4 со средним размером наночастиц 46 нм, полученным золь–гель нитрат-цитратным методом.
ВВЕДЕНИЕ
Наноразмерный никель-цинковый феррит эквивалентного состава Ni0.5Zn0.5Fe2O4 широко применяется в качестве эффективного магнитного радиопоглощающего наполнителя [1–5]. Электронные и электромагнитные характеристики нанопорошков Ni0.5Zn0.5Fe2O4, полученных разными методами, сильно различаются [6–13]. По данным работ [14–19], нанопорошки Ni0.5Zn0.5Fe2O4, полученные различными методами, имеют отличающиеся спектры оптического пропускания и светоотражения. Рассчитанные величины ширины оптической энергетической щели (Eg) для нанопорошков Ni0.5Zn0.5Fe2O4 варьируются от 1.45 до 2.56 эВ [14–19], что свидетельствует о различии диэлектрических проницаемостей для образцов, полученных разными методами.
Для наноразмерных материалов Eg зависит от размера наночастиц R, согласно уравнению в рамках приближения эффективной массы [20]
Таким образом, можно предполагать связь между размером наночастиц Ni0.5Zn0.5Fe2O4 и Eg из оптических измерений.
Анализ опубликованных величин Eg из оптических спектров для нанопорошков Ni0.5Zn0.5Fe2O4 [14–19], представленных в табл. 1, позволяет считать, что корреляция между средним размером наночастиц Ni0.5Zn0.5Fe2O4 и величинами Eg отсутствует. Можно сделать вывод, что на величину Eg нанопорошков Ni0.5Zn0.5Fe2O4 сильно влияет метод синтеза, определяющий электромагнитные характеристики, а не размер частиц.
Таблица 1.
Значения Eg для наноразмерных порошков Ni0.5Zn0.5Fe2O4, рассчитанные из данных оптических измерений
Метод синтеза, условия прокаливания | Размер наночастиц, нм | Eg, эВ (метод) |
Источник |
---|---|---|---|
НМ, микроволновое сгорание | 47 ± 2 | 1.80 (R)* | [14] |
Механохимический, при 700°С | 17 ± 11 | 2.02 (T)** | [15] |
ЗГНЦ, при 400°С в течение 4 ч | 9.8 ± 0.1 | 2.56 (T) | [16] |
Золь–гель-метод с поливиниловым спиртом | 8 ± 2 | 1.45 (T) | [17] |
Золь–гель-метод с этаноламином | 10.7 ± 1 | 2.49 (T) | [18] |
ЗГНЦ | 16.8 ± 1 | 1.98 (T) | [19] |
НМ при 500°С в течение 1 ч | 33 ± 9(СЭМ)/31.8 ± 1(РФА) | 1.70 ± 0.03 (R) | Данная работа |
ЗГНЦ при 500°С в течение 1 ч | 46 ± 13(СЭМ)/47.3 ± 1(РФА) | 2.01 ± 0.04 (R) | Данная работа |
Значения электропроводности на постоянном токе для нанопорошков Ni0.5Zn0.5Fe2O4 (табл. 2), приведенные в работах [21–24], свидетельствуют о сильном влиянии метода синтеза на электропроводность. Ранее показано [25], что метод синтеза сильно влияет на магнитные, поглощающие и СВЧ-свойства наноразмерного Ni0.5Zn0.5Fe2O4.
В данной работе исследованы свойства нанопорошков Ni0.5Zn0.5Fe2O4, синтезированных пирохимическим нитрат-мочевинным (НМ) и золь–гель нитрат-цитратным (ЗГНЦ) методами. Температурно-временныe режимы отличались от условий синтеза в работе [25].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В работе были использованы реактивы: Ni(NO3)2 ⋅ 6H2O (“х. ч.”), Zn(NO3)2 ⋅ 6H2O (“х. ч.”), Fe(NO3)3 ⋅ 9H2O (“ч. д. а.”), лимонная кислота HOOC–CH2–COH–COOH–CH2–COOH (“х. ч.”), мочевина (NH2)2CO (“х. ч.”).
Для метода ЗГНЦ исходные реактивы растворялись в бидистиллированной воде и постепенно подогревались в течение 3 ч до выпаривания воды и образования вязкого полимерного геля, который в нагретом состоянии переносился в керамический тигель для дальнейшего термолиза со скоростью 15°С/мин. При t > 300°С металлокомплексный гель выгорал с образованием магнитного порошка Ni0.5Zn0.5Fe2O4, который для удаления остатков примесей прокаливался при 500°С в течение 1 ч на воздухе при непрерывном перемешивании.
При НМ-синтезе кристаллогидраты нитратных солей в необходимой пропорции тщательно перетирались с порошком мочевины в керамической ступке, затем однородная вязкая масса переносилась в керамический тигель и на электронно-управляемой электроплитке постепенно подогревалась со скоростью 15°С/мин. При t > 250°С происходило самовозгорание реакционной смеси и наблюдалось образование магнитного порошка феррита. Полученный образец Ni0.5Zn0.5Fe2O4 также прокаливался при 500°С в течение 1 ч для устранения нежелательных остатков термолиза нитратных солей.
Таким образом, нанопорошки Ni0.5Zn0.5Fe2O4 были синтезированы при оптимальной скорости нагрева реакционной смеси 15°С/мин и после протекания реакции термолиза прокаливались для удаления примесей остаточных солей в течение 60 мин при 500°С.
Рентгенофазовый анализ образцов Ni0.5Zn0.5Fe2O4 проводился с использованием порошкового дифрактометра Shimadzu XRD-7000, а их микроструктура исследовалась с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) JEOL JSM – 7500F. Параметр кристаллической решетки образцов феррита определяли с усреднением по всем пикам. Размер нанокристаллитов феррита из данных рентгеновской дифракции порошков определяли по формуле Шеррера:
где Dhkl − средний размер кристаллита, k – коэффициент, равный 0.9 (для кубической структуры), λ − длина волны использованного рентгеновского излучения (для использованной медной рентгеновской трубки λ = 0.15406 нм), βhkl − истинная ширина профиля дифракционной линии, θ − положение главного дифракционного пика.Средний диаметр наночастиц Ni0.5Zn0.5Fe2O4 и гистограмму их распределения по размеру рассчитывали по электронным микрофотографиям на основании анализа размеров 520–550 измеренных наночастиц.
Спектры оптического диффузного отражения нанопорошков Ni0.5Zn0.5Fe2O4 измерялись на спектрофотометре “Hitachi U-3900” с двухканальной интегрирующей сферой. Значения ширины запрещенной зоны Eg из оптических измерений диффузного светоотражения определялись по уравнению [26]:
где α − коэффициент светопоглощения, hν − энергия фотона, А − константа для прямозонного перехода. Коэффициент светопоглощения определялся из величины светоотражения R для порошка исследуемого феррита [26](3)
$2\alpha t = {\text{ln}}[{{({{R}_{{{\text{макс}}}}} - {{R}_{{{\text{мин}}}}})} \mathord{\left/ {\vphantom {{({{R}_{{{\text{макс}}}}} - {{R}_{{{\text{мин}}}}})} {(R - {{R}_{{{\text{мин}}}}})}}} \right. \kern-0em} {(R - {{R}_{{{\text{мин}}}}})}}]~,$Проводимость на постоянном токе нанопорошков Ni0.5Zn0.5Fe2O4 была измерена двухзондовым методом в пластиковых трубках 5.0 × 2.0 мм при ~1 т/см2 с использованием цифрового измерителя сопротивлений UT-601 с усреднением по пяти измерениям.
Электромагнитные характеристики определялись для композитов Ni0.5Zn0.5Fe2O4/парафин (1 : 1). S-параметры нанокомпозитов измерялись в коаксиальной ячейке для шайб 7 × 3.05 мм толщиной 4.0 мм с использованием векторного анализатора цепей Deepace KC901V в диапазоне 0.03–7 ГГц. Составляющие комплексной магнитной и диэлектрической проницаемостей рассчитаны из значений параметров S11 и S21 по алгоритму Николсона–Росса–Вейра [27, 28]; значения тангенсов углов магнитных и диэлектрических потерь вычислялись по формулам
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты рентгенофазового порошкового анализа (рис. 1) показали, что оба образца Ni0.5Zn0.5Fe2O4 являются однофазными кубическими наноразмерными шпинелями с параметрами кристаллической решетки a = 8.359 ± 0.005 Å для НМ-синтеза и a = 8.393 ± 0.006 Å для ЗГНЦ-синтеза без значимого количества примесей. Рассчитанный размер нанокристаллитов Ni0.5Zn0.5Fe2O4 составил 31.8 нм для образца НМ-синтеза и 47.3 нм для образца ЗГНЦ-синтеза.
Микрофотографии образцов, полученные методом СЭМ, представлены на рис. 2. На основании обработки данных СЭМ (рис. 2), определено, что средний диаметр наночастиц Ni0.5Zn0.5Fe2O4, синтезированного НМ-способом, составляет 33 ± ± 9 нм, ЗГНЦ-способом – 46 ± 13 нм. По форме кривой распределения наночастиц по размерам в образцах Ni0.5Zn0.5Fe2O4 (рис. 3) можно предполагать, что при ЗГНЦ-синтезе происходит процесс вторичной перекристаллизации наночастиц феррита с образованием более крупных наночастиц. Возможным объяснением различия в размере наночастиц Ni0.5Zn0.5Fe2O4 в зависимости от способа синтеза может быть тот факт, что при НМ-синтезе феррит образуется в результате быстрого возгорания реакционной смеси при нагреве и температура в зоне реакционного поля за 0.4–0.5 с при этом может достичь 800°С [16, 25]. Это приводит к интенсивному разбрасыванию наночастиц в пространстве тигля с образованием их сплавленных агрегатов с микро/нанопорами. В процессе ЗГНЦ-синтеза при возгорании металлокомплексного геля наблюдается повышение температуры до 340–360°С из-за экзотермического окисления цитратного металлокомплексного геля нитрозными газами, но горение происходит в течении 3–4 с без интенсивного перемешивания нанопорошка, при этом наночастицы феррита укрупняются. Указанные энергетические различия в методах синтеза определяют разную микроструктуру нанопорошков Ni0.5Zn0.5Fe2O4.
Рис. 3.
Распределение по размеру наночастиц в образцах Ni0.5Zn0.5Fe2O4: а – НМ-синтез, б – ЗГНЦ-синтез.

Рассчитанные из спектров оптического диффузного светоотражения (рис. 4) значения Eg для синтезированных нанопорошков Ni0.5Zn0.5Fe2O4, представлены в табл. 1, они находятся в хорошем согласии с результатами [14–19]. Анализ данных показывает отсутствие корреляции между величиной Eg и средним размером наночастиц в исследованных ранее [14–19] и в настоящей работе нанопорошках Ni0.5Zn0.5Fe2O4.
Рис. 4.
Спектры оптического диффузного отражения нанопорошков Ni0.5Zn0.5Fe2O4: 1 – НМ-синтез, 2 – ЗГНЦ-синтез.

Рассчитанные значения электрической проводимости на постоянном токе для нанопорошков Ni0.5Zn0.5Fe2O4, приведенные в табл. 2, хорошо согласуются с данными [21–24]. Видно, что Ni0.5Zn0.5Fe2O4, синтезированный ЗГНЦ-методом, характеризуется меньшей электрической проводимостью.
Электромагнитные характеристики для композитов из нанопорошков Ni0.5Zn0.5Fe2O4 в виде значений действительных частей магнитной и диэлектрической проницаемостей для двух частот и тангенсов углов потерь в диапазоне 1–7 ГГц представлены в табл. 3. Разница в магнитной проницаемости нанокомпозитов при частоте 1 ГГц составляет 10.8%, а для диэлектрической проницаемости – 11.2%. Магнитные потери композитов в диапазоне частот 1–7 ГГц показывают близкие значения, тогда как диэлектрические потери для нанопорошка Ni0.5Zn0.5Fe2O4, полученного НМ-методом, ниже. Электромагнитные характеристики композитов на основе полученных нами образцов Ni0.5Zn0.5Fe2O4 хорошо согласуются с данными [7, 29].
Таблица 3.
Электромагнитные характеристики образцов наноразмерного Ni0.5Zn0.5Fe2O4 в парафине (50 мас. %)
µ' (1 ГГц) | µ' (6 ГГц) | tg µ | ε' (1 ГГц) | ε' (6 ГГц) | tg ε | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
НМ | ЗГНЦ | НМ | ЗГНЦ | НМ | ЗГНЦ | НМ | ЗГНЦ | НМ | ЗГНЦ | НМ | ЗГНЦ |
1.64 | 1.45 | 1.01 | 1.03 | 0.24–0.19 | 0.23–0.15 | 3.66 | 3.24 | 3.61 | 2.98 | 0.02–0.05 | 0.07–0.06 |
Сравнение электромагнитных характеристик композитов на основе двух разных образцов Ni0.5Zn0.5Fe2O4 позволяет сказать, что синтезированный НМ-способом Ni0.5Zn0.5Fe2O4 в области частот 1–7 ГГц обладает бóльшими значениями электромагнитных характеристик по сравнению с образцом, полученным ЗГНЦ-способом. Высокая температура синтеза, характерная для НМ-способа, по-видимому, способствует получению нанопорошка Ni0.5Zn0.5Fe2O4 с оптимальными электромагнитными характеристиками для использования в качестве магнитно-диэлектрического поглотителя для УВЧ- и ближней СВЧ-областей.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Показано, что электронные, магнитные и диэлектрические свойства наноразмерного магнитного порошка Ni0.5Zn0.5Fe2O4 значительно зависят от метода его синтеза. Наилучшими свойствами с точки зрения применения в качестве радиопоглощающего наполнителя обладает порошок Ni0.5Zn0.5Fe2O4, синтезированный пирохимическим НМ-методом.
Список литературы
Peng C.H., Wang H.W., Kan S.W., Chen S.Y. Electromagnetic Wave Absorption Behavior of NiZn-ferrite Prepared via Hydrothermal Method // Mater. Sci. Forum. 2005. V. 480-481. P. 595–602.
Ma R.T., Shao Z.C., Zhang C.L., Li H., Tian Y.W. Preparation and Microwave Properties of Ni0.5Zn0.5Fe2O4 Nanocrystalline Powder Prepared by Polyacrylamide Gel Process // Chin. J. Proc. Eng. 2007. V. 7. № 3. P. 610–614.
Lima U.R., Nasar M.C., Nasar R.S., Rezende M.C., Araujo J.H. Ni–Zn Nanoferrite for Radar-absorbing Material // J. Magn. Magn. Mater. 2008. V. 320. P. 1666–1670.
Azadmanjiri J. Structural and Electromagnetic Properties of Ni-Zn Ferrites Prepared by Sol–Gel Combustion Method // Mater. Chem. Phys. 2008. V. 109. P. 109–112.
Вызулин С.А., Бузько В.Ю., Каликинцева Д.А., Мирошниченко Е.Л. Влияние состава на ФМР-характеристики NixZn1 –xFe2O4 // Изв. РАН. Сер. физ. 2018. Т. 82. № 1. С. 118–121.
Hsiang H.I., Chen W.S., Chang Y.L., Hsu F.C., Yen F.S. Ferrite Load Effects on the Mechanical and Electromagnetic Properties of NiZn Ferrite Powders-epoxy Resin Coatings // Am. J. Mater. Sci. 2011. V. 1. № 1. P. 40–44.
Wei C., Shen X., Song F., Zhu Y., Wang Y. Double-layer Microwave Absorber Based on Nanocrystalline Zn0.5Ni0.5Fe2O4/α-Fe Microfibers // Mater. Design. 2012. V. 35. P. 363–368.
Wang C., Shen Y., Wang X., Zhang H., Xie A. Synthesis of Novel NiZn-ferrite/Polyaniline Nanocomposites and Their Microwave Absorption Properties // Mater. Sci. Semicond. Proc. 2013. V. 16. P. 77–82.
Flaifel M.H., Ahmad S.H., Abdullah M.H, Rasid R., Shaari A.H., El-Saleh A.A., Appadu S. Preparation, Thermal, Magnetic and Microwave Absorption Properties of Thermoplastic Natural Rubber Matrix Impregnated with NiZn Ferrite Nanoparticles // Compos. Sci. Technol. 2014. V. 96. P. 103–108.
Tripathi K.C., Abbas S.M., Sharma R.B., Alegaonker P.S., Verma M., Kumar S. Electromagnetic and Microwave Absorption Properties of Ni0.5Zn0.5Fe2O4 Nano Ferrite/PU Based Nano-Composite. // IJSART. 2015. V. 1. № 9. P. 25–29.
Tripathi K.C., Abbas S.M., Alegaonkar P.S., Sharma R.B. Microwave Absorption Properties of Ni–Zn Ferrite Nano-Particle Based Nanocomposite // IJARSET. 2015. V. 2. № 2. P. 436–468.
Acikalın E., Coban K., Sayinti A. Nanosized Hybrid Electromagnetic Wave Absorbing Coatings // Prog. Organ. Coat. 2016. V. 98. P. 2–5.
Tripathi K.C., Abbas S.M., Sharma R.B., Alegaonkar P.S., Verma M. Microwave Absorption Properties of MWCNT and NiZn Ferrite Nano-fillers/TPU Based Nano-Composites // IJARSET. 2016. V. 3. № 3. P. 1598–1604.
Vijaya J., Bououdina M. Structural, Optical and Magnetic Properties of Ni–Zn Ferrite Nanoparticles Prepared by a Microwave Assisted Combustion Method // JNN. 2016. V. 16. P. 689–697.
Kannan Y.B., Saravanan R., Srinivasan N. Sintering Effect on Structural, Magnetic and Optical Properties of Ni0.5Zn0.5Fe2O4 Ferrite Nanoparticles // J. Magn. Magn. Mater. 2017. V. 423. P. 217–225.
Tehrani F.S., Daadmehr V., Rezakhani A.T., Hosseini Akbarnejad R., Gholipour S. Structural, Magnetic, and Optical Properties of Zinc- and Copper-Substituted Nickel Ferrite Nanocrystals // J. Supercond. Nov. Magn. 2012. V. 25. № 7. P. 2443–2455.
Thomas J.J., Krishnan S., Sridharan K., Philip R., Kalarikkal N. A Comparative Study on the Optical Limiting Properties of Different Nano Spinel Ferrites with Z-scan Technique // Mater. Res. Bull. 2012. V. 47. № 8. P. 1855–1860.
Pawar C.S., Gujar M.P., Mathe V.L. Optical Properties of Spin-Deposited Nanocrystalline Ni-Zn Ferrite Thin Films Processed by Sol-Gel // J. Supercond. Nov. Magn. 2017. V. 30. № 3. P. 615–625.
Ajmal M., Islam M.U. Structural, Optical and Dielectric Properties of Polyaniline-Ni0.5Zn0.5Fe2O4 Nano-composites // Physica B. 2017. V. 521. P. 355–360.
Brus L. Electronic Wave Functions in Semiconductor Clusters: Experiment and Theory // J. Phys. Chem. 1986. V. 90. № 2. P. 2555–2560.
Mandal S.K., Singh S., Dey P., Roy J.N., Mandal P.R., Nath T.K. Frequency and Temperature Dependence of Dielectric and Electrical Properties of TFe2O4 (T = Ni, Zn, Zn0.5Ni0.5) Ferrite Nanocrystals // J. Alloys Compd. 2016. № 656. P. 887–896.
Venkatesh D., Ramesh K.V., Sastry C.V.S.S. Effect of Sintering Temperature on Micro Structural and Impedance Spectroscopic Properties of Ni0.5Zn0.5Fe2O4 Nano Ferrite // AIP Conf. Proc. 2017. V 13. № 1859. P. 20–35.
Zhou X., Shen L., Li L., Zhou S., Huang T., Hu C., Pan W., Jing X., Sunc J., Gao L., Huang Q. Microwave Sintering Carbon Nanotube/Ni0.5Zn0.5Fe2O4 Composites and Their Electromagnetic Performance // J. Eur. Ceram. Soc. 2013. V. 33. P. 2119–2126.
Dar M.A., Moosvi S.K., Ahmad J. Synthesis and Characterization of Ni0.5Zn0.5 –xFe2CaxO4 Ferrite Nano-Crystals for High Frequency Applications // IJARSE. 2017. V. 6. № 7. P. 519–528.
Vyzulin S.A., Kalikintseva D.A., Miroshnichenko E.L., Buz’ko V.Yu., Goryachko A.I. Microwave Absorption Properties of Nickel–Zinc Ferrites Synthesized by Different Means // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2018. V. 82. № 8. P. 943–945.
Hapke B. Theory of Reflectance and Emittance Spectroscopy. Cambridge University Press, 2012. V. 5. P. 513.
Nicolson A.M., Ross G.F. Measurement of the Intrinsic Properties of Materials by Time-domain Technique. // IEEE Trans. Instrum. Meas. 1970. V. 19. № 4. P. 377–382.
Weir W.B. Automatic Measurement of Complex Dielectric Constant and Permeability at Microwave frequencies // Proc. IEEE. 1974. V. 62. № 1. P. 33–36.
Verma A., Saxena A.K., Dube D.C. Microwave Permittivity and Permeability of Ferrite–polymer Thick Films // J. Magn. Magn. Mater. 2003. V. 263. № 1–2. P. 228–234.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Неорганические материалы