Własności magnetyczne związków Mo-Ti-C na podstawie pomiarów EPR i podatności magnetycznej dr Tomasz Bodziony mgr Tomasz Skibiński Instytut Fizyki, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Mechatroniki, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny Dr M. Sabara, Prof., Prof. S.M. Kaczmarek, A. Biedunkie
31
Embed
Własności magnetyczne związków Mo-Ti-C na podstawie pomiarów EPR i podatności magnetycznej
Własności magnetyczne związków Mo-Ti-C na podstawie pomiarów EPR i podatności magnetycznej. dr Tomasz Bodziony mgr Tomasz Skibiński. Dr M. Sabara , Prof., Prof. S.M. Kaczmarek, A. Biedunkiewicz. Instytut Fizyki, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Mechatroniki, - PowerPoint PPT Presentation
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Własności magnetyczne związków Mo-Ti-C na podstawie pomiarów EPR i
podatności magnetycznej
dr Tomasz Bodzionymgr Tomasz Skibiński
Instytut Fizyki, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Mechatroniki,Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny
Dr M. Sabara, Prof., Prof. S.M. Kaczmarek, A. Biedunkiewicz
Wstęp
• Materiały o składzie Mo-Ti-C• Pomiary EPR i podatności magnetycznej,• Plan:– Własności,– Badania EPR,– Badania SQUID,– Podsumowanie.
Próbki i przeprowadzone badaniaL.p. Kod próbki MoO3/ TiO2
• Mo-Ti-C - kompleks związków, w którym możliwych jest wiele faz: – Fazy: TiC, (Mo,Ti)C, Mo, C, Mo2C, Ti2O3 , TiO2 , C-grafit,– Różne próbki, różne fazy, w różnych stężeniach procentowych,
• TiC – wysoka twardość, duży moduł Younga, wysoka wytrzymałość, stosunkowo niska gęstość
• Mo2C – duża twardość i wytrzymałość, katalizator, niepalny • TiO2 - dobre szerokopasmowe półprzewodniki.
Nanokrystaliczna struktura związku kwalifikuje go jako kandydata na katalizator do fotodegradacji organicznych zanieczyszczeń, w bateriach słonecznych, w czujnikach gazu, w urządzeniach fotochromowych (inteligentne szkła), oraz wielu medycznych, kosmetycznych i optycznych zastosowaniach
Literatura
• N. Guskos, T. Bodziony, A. Biedunkiewicz, and K. Aidinis “Temperature dependence of the EPR spectra of the nanocrystalline TiN and TiC dispersed in a carbon matrix”, Acta Physica Polonica 108 (2005) 311
• T. Bodziony, N. Guskos, A. Biedunkiewicz, J. Typek, R. Wróbel, M. Maryniak , „Charakterization and EPR studies of TiC and TiN ceramics at room temperature”, Materials Science-Poland, 23 No. 4 (2005) 899.
• N. Guskos, T. Bodziony, M. Maryniak, J. Typek and A. Biedunkiewicz, „Paramagnetic centers in nanocrystalline TiC/C system”, Journal of Alloys and Compounds, 455 (2008) 52 – 54.
• N. Guskos, J. Typek, T. Bodziony, G. Zolnierkiewicz, M. Maryniak, A. Biedunkiewicz, „Ageing effect in nanocrystalline TiCx/C studied by EPR”, Journal of Alloys and Compounds, 470 (2009) 51–54.
• Anna Biedunkiewicz, Paweł Figiel, Urszula Gabriel, Marta Sabara, Stanisław Lenart, „Synthesis and characteristics of nanocrystalline materials in Ti, B, C and N containing system”, Cent. Eur. J. Phys. 9(2) (2011) 417-422
Pomiary EPR
Własności, Molibden (Mo) • Z = 42, A = 95,96;• Konfiguracja elektronowa: [Kr] 4d55s1;• Sygnał rezonansowy Mo5+, (4d1 in cubic (eigthfold)
Schładzanie próbki z włączonym polem powoduje wzrost jej podatności magnetycznej.
W widmie można wyodrębnić trzy przedziały temperatur (trzy fazy magnetyczne ?):
~2 K – 50 K [antyferromagnetyczne - EPR]~55 K – 120 K [superparamagnetyzm, Ti ?]~125 K – 300 K [superparamagnetyzm, Ti ?]
Temperatura blokowania ~240 K
Na superparamagnetyzm wskazywać może istnienie pola koercji i remanencji, obserwowanego w zdjętych dla próbki 6.1 pętlach histerezy przy temperaturach : 52 K [Hc=~48 Oe , Br=~1.8x10-3 emu],i 150 K [Hc=~35 Oe , Br=~1.5x10-3 emu]. Anizotropia magnetyczna - zmiana kształtu pętli histerezy ze zmianą temperatury.
Szybki wzrost magnetyzacji (zachodzący w wąskim obszarze pola – 2000 Oe) próbki może świadczyć o słabych oddziaływaniach dipolowych pomiędzy nanocząstkami.
Wysycenie magnetyzacji ~9.2 emu/g dla próbki 6.1 [możliwe fazy TiC , TiO2 , Ti2O3],dla nanokrystalicznych proszków TiO2
domieszkowanych C od 0.4 do 7 emu/g – w zależności od domieszkowania.*
* Magnetic Characteristic of Carbon-Doped Nanocrystalline TiO2 – Qi-Ye Wen et. all - IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL. 45, NO. 10, OCTOBER 2009
Próbka 6.20N
Zachowanie zbliżone do próbki 6.1.Trzy przedziały temperatur :
Pętla histerezy zdjęta dla próbki 6.20N w temperaturze 75 K, także posiada pola koercji i remanencji : Hc=~46 Oe , Br=~4.96x10-3 emu .
Zwiększenie nasycenia magnetyzacji ~15.6 emu/g , w stosunku do próbki 6.1.
Próbka 6.40N
Przedziały temperatur :
~2 K – 50 K ~75 K – 300 K
Jedna dominująca faza superparamagnetyczna ? Temperatura blokowania ~250 K.
Kolejny wzrost siły antyferromagnetycznych oddziaływań w temperaturach do ~50 K :FC Tcw = - 21.8 KZFC Tcw = - 6.5 K
Pętla histerezy zdjęta dla próbki 6.40N w temperaturze 90 K, także posiada pola koercji i remanencji : Hc=~37 Oe , Br=~10x10-3 emu .
Nasycenie magnetyzacji w tej próbce sięga ~24.5 emu/g.
Do uzupełnienia
Aby potwierdzić przypuszczany superparamagnetyzm musimy jeszcze :
• Wykonać dodakowe pomiary pętli histerezy (SQUID) – sprawdzenie zachowania za temperaturą blokowania
• Uzyskać większą wiedzę o strukturze tych cząstek, skład fazowy, budowa, rozmiar (r,V), gęstość (K), w celu poprawnej interpretacji dotychczasowych wyników
SuperparamagnetyzmBariera energetyczna EB separująca dwa równoważne minima energetyczne [w zerowym zewnętrznym polu magnetycznym dla θ = 0 i π ]
powiązana z iloczynem KV występującym w równaniu energii anizotropii cząstki :
θ – kąt między osią łatwą a wektorem magnetyzacji MS
V – objętość cząstkiK – stała anizotropii magnetycznej
Zmiana objętości cząstki -> zmiana energii bariery energetycznej.
W niskich temperaturach, dla dostatecznie małych cząstek energia anizotropii ~< do energii termicznej -> pokonanie bariery energetycznej i spontaniczne fluktuacje wektora magnetyzacji cząstki od jednego kierunku łatwego do drugiego.
Superparamagnetyzm – momenty magnetyczne atomów sprzężone oddziaływaniami wymiennymi, fluktuacjom ulega wektor MS .
Zachowanie analogiczne do paramagnetycznego atomu jednak o większym momencie magnetycznym.
2sinKVEa
Temperatura blokowania
TkKV
B
exp0
BB k
KVT25
KTkV B
kryt25
Charakterystyczny czas pomiaru magnetyzacji metodą DC przyjmuje się τm ≈ 102 s. τ > τm - momenty magnetyczne cząstek są stabilne.
Dla cząstek o danej objętości V można określić temperaturę blokowania -przejścia od stanu stabilnego [zablokowane momenty magnetyczne T < TB]do stanu superparamagnetycznego [fluktuacje momentu magnetycznego T > TB]
Superparamagnetyczne zachowanie dla cząstek o objętości V < Vkryt .
Anizotropię efektywną Keff można wyliczyć z wzoru :gdzie : Ha – pole anizotropii
ρ – gęstość próbkiMS – nasycenie magnetyzacji
S
effa M
KH
2
Czas relaksacji τ [czas obrotu wektora Ms między dwoma stanami o minimalnej energii - zmiana kierunku magnetyzacji przez koherentną rotację spinów atomowych] związany jest z przejściem ze stanu zablokowanego momentu magnetycznego do superparamagentycznego. Jest również zależny od objętości cząstki.
τ0 – stały czynnik ~10-9 skB – stała Boltzmana
Wnioski• Materiały interesujące, ważne pod względem możliwych zastosowań, • Badania EPR, badania podatności magnetycznej (SQUID),• Trudna interpretacja - szereg faz, możliwe różne zjawiska,• Próbki zawierają przegląd całego magnetyzmu: