Propriedades estruturais, elétricas e magnéticas do nano Sr1−XLaXFe12O19 (X = 0,2

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 12723 (2022) Citar este artigo

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O trabalho atual é principalmente dedicado à síntese, caracterização estrutural, elétrica e magnética de nanopartículas de Sr1−XLaXFe12O19 (X = 0,2–0,8) (SLFO) sintetizadas pela técnica hidrotérmica. Os picos hexagonais foram determinados usando análise de difração de raios X. Os resultados obtidos indicaram que as constantes de rede foram notadas aumentando de 0,58801 para 0,58825 nm (a = b), e 2,30309 para 2,30341 nm (c) com aumento de em 'X'. Os estudos morfológicos garantiram que tanto os grãos quanto as nanopartículas de SLFO adquiriram forma quase esférica. As propriedades ópticas foram investigadas usando espectros FTIR e UV-Visível. O bandgap óptico (Eg) do SLFO aumentou de 1,866 para 2,118 eV com o aumento do conteúdo dopante. As propriedades elétricas do SLFO foram estudadas em detalhes em função da temperatura e frequência. Além disso, o módulo dielétrico e a análise de espectroscopia de impedância foram realizados para descrever a polarização da carga espacial e o mecanismo de condução elétrica, respectivamente. O loop de histerese (curvas M–H) do SLFO revelou a diminuição da magnetização de 36,34 para 7,17 emu/g com aumento em 'X'.

Dentre todos os materiais magnéticos, as hexaferritas são a classe especial de materiais com alta coercividade. Assim, esses materiais são popularmente conhecidos como materiais magnéticos duros. Portanto, as hexaferritas obtiveram aplicações significativas para a fabricação de ímãs permanentes. Esse tipo de benefício foi atribuído a parâmetros como alta magnetização, constante de anisotropia magnetocristalina, baixo custo, estabilidade térmica e química1. Diferentes propriedades, como estrutura cristalina, tamanho de partícula, morfologia da superfície, método de preparação, distribuição de cátions, etc., podem ser reforçadas para alcançar as aplicações1 mencionadas acima. Geralmente, as ferritas hexagonais foram categorizadas em seis tipos: M (SrFe12O19), W (BaZn2Fe16O27), X (Ba2Mg2Fe28O46), Y (Ba2Co2Fe12O22) e Z (Ba3Mn2Fe24O41)2. As hexaferritas do tipo M estão na categoria de ferritas duras. A fórmula química geral da hexaferrita tipo M pode ser escrita como MFe12O19 (M = elementos divalentes como Ba, Sr, Pb, Zn, Mg, Ni etc.) que é como a estrutura magnetoplumbita2.

Devido às proeminentes propriedades elétricas, magnéticas, ópticas e eletromagnéticas, as hexaferritas do tipo M obtiveram aplicações em absorvedores de micro-ondas, filtros, diagnósticos, ferrofluidos, núcleos de transformadores, memórias magnéticas, gravação magnética e dispositivos de alta frequência3. Poucas dessas aplicações foram obtidas a partir dos compostos de hexaferrita do tipo M, como BaFe12O19, SrFe12O19 e PbFe12O194,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18, 19,20,21,22,23. Além disso, vários cientistas se concentraram particularmente na síntese e caracterização de lantanídeos (La, Sm, Gd, Nd, Pr etc.) dopados com SrFe12O19 (SFO) para aumentar a dureza do SFO3. Como resultado, poucas propriedades foram melhoradas significativamente. No entanto, os relatos sobre nanopartículas de SrFe12O19 dopadas com La relacionadas a propriedades elétricas, ópticas e magnéticas não estavam disponíveis na literatura em detalhes. Portanto, os autores focaram na síntese de nanopartículas de SrLaFe12O19 para caracterizações elétricas, ópticas, magnéticas e de impedância usando a técnica hidrotérmica.

A técnica de síntese hidrotérmica é considerada uma das técnicas mais simples e econômicas para sintetizar nanopartículas. As nanopartículas de Sr1−xLaxFe12O19 (x = 0,2–0,8) (SLFO) foram preparadas usando a técnica hidrotérmica. A fim de sintetizar as nanopartículas SLFO, os materiais precursores SrN2O6, LaN3O9 e FeN3O9 (cada um de 99,88% da Sigma-Aldrich) conforme mencionado no fluxograma (Fig. 1) foram escolhidos de acordo com a razão estequiométrica. Diferentes massas de materiais de nitrato foram consideradas para x = 0,2–0,8 amostras. Em seguida, os precursores foram levados para um béquer de vidro contendo 50 ml de água deionizada. Para misturar os precursores, o copo de vidro foi mantido no agitador magnético. A solução foi agitada por cerca de 3 h. No momento da agitação, a solução de NaOH foi adicionada gota a gota para adquirir um valor de pH estável (11). Em seguida, a solução aquosa obtida foi mantida em um recipiente de Teflon com capacidade de 300 mL que foi acondicionado em reator autoclave de aço inoxidável. Posteriormente, todo o reator da autoclave foi levado ao forno quente para realizar a reação hidrotérmica por 8 h. Durante toda a reação, a temperatura do forno foi mantida a 150 °C. Após a conclusão da reação, o forno foi resfriado naturalmente até a temperatura ambiente. Em seguida, a solução obtida foi limpa várias vezes usando água destilada e acetona para reduzir o valor de pH da amostra obtida. Este processo foi continuado até o pH atingir 7. Na próxima etapa, a amostra misturada com teor limitado de água foi seca no agitador magnético com placa quente mantendo a temperatura de 60 °C por duas horas para remover a umidade presente na amostra. A razão por trás do aquecimento é apenas para remover o conteúdo de água restante. Se não for aquecida a baixa temperatura, a umidade certamente afetará várias propriedades elétricas, ópticas e magnéticas. Além disso, a amostra obtida foi moída para obter um pó fino. Por fim, as nanopartículas em forma de pó foram submetidas a diferentes caracterizações como difração de raios X (XRD) (Bruker, λCuKα = 0,15406 nm), TEM (Tecnai G20, FEI, EUA), FESEM (Ultra 55, Carl Zeiss), FTIR (Shimadzu), espectrômetro UV–Visível (JASCO, V-670 PC), controlador LCR (HIOKI 3532–50) e VSM (EV-7 H = ± 15.000 Oe.) para divulgar a fase, morfologia, funcionalidade -grupos, intervalo de banda, comportamento de histerese e propriedades elétricas, respectivamente. A Fig. 1 ilustra a representação esquemática do procedimento de síntese de nanopartículas preparadas.