CC BY
124
УДК 548.55
ПОЛУЧЕНИЕ КРИСТАЛЛОВ ФЕРРИТА БАРИЯ ИЗ РАСТВОРА
Л.С. Машковцева, Д.А. Винник, Д.А. Жеребцов,
В.В. Дьячук, Г.Г. Михайлов
GROWING OF BARIUM FERRITE CRYSTALS FROM A SOLUTION
L.S. Mashkovtseva, D.A. Vinnik, D.A. Zherebtsov, V.V. Dyachuk, G.G. Mikhailov
Выращены кристаллы феррита бария. Проведены исследования их поверхности и структуры. Получены параметры решётки: a = 5,891 А и с = 23,189 А. Решётка синтезируемого вещества является гексагональной.
Ключевые слова: феррит бария, выращивание из расплава, монокристаллы.
Single crystals of barium ferrite were grown. Investigation of the surface and the structure were carried out. The lattice parameters are a = 5,891 А and с = 23,189 А. The lattice is hexagonal.
Keywords: barium ferrite, flux growth, single crystal.
Введение
Вещества, проявляющие ферромагнитные свойства всегда были востребованы. Они применяются в катушках индуктивности, устройствах записи и воспроизведения звука, в устройствах накопления информации, а также в электронных и электроизмерительных приборах. Для решения многих технических задач очень важно иметь ферромагнетики с достаточно высокой температурой Кюри (более 350 °С). Этим свойством обладает феррит бария. При этом он характеризуется высокой химической стабильностью и одноосной магнитной анизотропией, что особенно важно при использовании его в электронике [1, 2], а также при создании толстых и тонких плёнок [3, 4].
Ферриты бария получают методом соосажде-ния [5, 6], синтезом микроэмульсий [7, 8], гидротермальными реакциями [9, 10], золь-гель технологиями [11, 12] и другими способами. Многие из них приводят к формированию промежуточных фаз, например, а-Бе203, у-Ре203, ВаС03 и ВаРе204 [13]. Другим их существенным недостатком является то, что получаемые образцы имеют микронные размеры. Для создания кристаллов феррита бария макроразмеров обычно используют метод выращивания из оксидов бария Ва0 и железа Ре203 в растворе №20. Несомненным преимуществом данного метода является качество получаемых кристаллов и их «чистота», то есть отсутствие промежуточных «ненужных» фаз. Первые работы, посвящённые выращиванию ферритов бария, относятся к 60-м годам XX века. Наиболее полный анализ системы Ва0 - №20 - Ре203 был проведён в США в 1961 году Р. Гамбино и Ф. Леонардом [14]. В качестве исходной шихты они пред-
ложили использовать оксид железа Ре203 и карбонаты натрия №2С03 и бария ВаС03. В дальнейшем различные авторы, применяющие метод получения кристаллов из раствора, использовали другие компоненты для исходной шихты [15-18].
В представленной работе описан метод получения монокристаллов феррита бария из раствора в системе Ре203 - ВаС03 - №2С03.
Экспериментальная часть
Для создания кристаллов феррита бария были использованы три вещества: оксид железа (III) Бе203, карбонат бария ВаС03 и карбонат натрия №2С03. Вещества были предварительно просушены в сушильном шкафу при температуре 150 °С в течение 2 часов. Молярное соотношение исходных веществ представлено ниже:
Бе203 - 63,17 мол. %;
ВаС03 - 10,53 мол. %;
№2С03 - 26,30 мол. %.
Исходная шихта, общий вес которой составил 20 г, была перетёрта в агатовой ступе и засыпана в платиновый тигель объёмом 30 мл. Затем тигель был установлен в резистивную печь. Регулирование температуры осуществляли с помощью прецизионного ПИД-регулятора. Для измерения температуры использовали термопару ПР-30/6.
Для гомогенизации раствора ростовую систему выдерживали при температуре 1260 °С в течение 3 часов, после чего было включено охлаждение со скоростью 4,5 °С/ч. Когда температура в печи опустилась до 900 °С, печь была выключена и свободно охлаждалась до комнатной температуры.
Полученные образцы отделяли от растворителя кипячением в азотной кислоте.
Серия «Металлургия», выпуск 17
41
В результате серии экспериментов были получены чёрные непрозрачные кристаллы. Размеры наиболее крупных из них составили 6 мм.
Структура полученных кристаллов была проанализирована дифрактометром ДРОН-3М и с базой данных ICSD.
Поверхность образцов была исследована электронным растровым микроскопом Jeol JSM7001F с энергодисперсионным спектрометром Oxford INCA X-max 80 для элементного анализа.
Результаты и обсуждение На рис. 1 приведены фотографии полученных кристаллов. Снимки сделаны оптическим микроскопом Nikon. Кристаллы имеют характерный для феррита бария габитус.
Рис. 1. Снимок кристаллов, полученных в эксперименте
Рентгенографическое исследование проводили в диапазоне углов 20 от 15° до 90°. Результаты приведены на рис. 2: верхняя часть рисунка - это рентгенограмма полученных образцов, нижняя -
основные пики, взятые из базы данных 1С8Б, соответствующие соединению ВаБе12019 . Как видно, эти пики совпадают с основными пиками полученных кристаллов. На оси абсцисс отложены значения углов 20, на оси ординат - относительная интенсивность пиков излучения.
В результате рентгенографического исследования были рассчитаны значения параметров решётки а и с, а также вычислен её объём V : а = 5,891 А; с = 23,189 А;
V = 697,0 А3.
Значения параметров решётки соответствуют литературным данным [19]. Следует отметить, что согласно рентгенографическому исследованию решётка кристаллов принадлежит к Р63/шшс-прост-ранственной группе симметрии.
Результаты исследования поверхностей образцов с помощью электронного микроскопа приведены на рис. 3. Снимки сделаны с одинаковым увеличением (5 000 крат). На рис. 3, а (снимок поверхности кристалла в горизонтальной плоскости) видны поры, характерный размер которых не превышает 1 мкм. На рис. 3, б (снимок поверхности торца кристалла) видны растущие дендриты, из чего можно сделать вывод, что в целях оптимизации режима выращивания в дальнейших экспериментах необходимо уменьшать скорость охлаждения.
Химический состав кристаллов, полученный с помощью электронного микроскопа, приведен в таблице. Эти данные соответствуют формуле феррита бария ВаБе12019 . Наличие в полученных образцах марганца и меди можно объяснить примесями в оксиде железа.
30.0 40.0 50.0 60.0 70.0
Рис. 2. Рентгенограмма полученных образцов
Машковцева Л.С., ВинникД.А.,
Жеребцов Д.А., Дьячук В.В., Михайлов Г.Г.
Получение кристаллов феррита бария из раствора
а) б)
Рис. 3. Снимки поверхности кристалла феррита бария, сделанные с увеличением в 5 000 раз: а - горизонтальная поверхность, б - поверхность торца
Распределение образца элементов (ат. %)
O Na Mn Fe Cu Ba Pt
59,30 0,06 0,17 37,08 0,08 3,31 0,01
Заключение
В результате проведения работы были определены физико-химические параметры, позволяющие получать кристаллы феррита бария BaFe12O19 . Для повышения качества синтезируемых кристаллов скорость охлаждения раствора следует уменьшить до 2-2,5 °С/ч, а также применять в эксперименте более чистые исходные вещества.
Литература
1. Qiu, J. Crystal structure and magnetic properties of barium ferrite synthesized using GSPC and HEBM / J. Qiu, M. Gu // Journal of Alloys and Compounds. - 2005. - Vol. 415 - P. 209-212.
2. Effect of stoichiometry on the phase formation and magnetic properties of BaFe12O19 nanoparticles by reverse micelle technique / P. Xu, X. Han, H. Zhao et al. // Materials Letters. - 2008. - № 62. - P. 13051308.
3. Barium ferrite thick films for microwave applications / S. Capraro, J.P. Chatelon, M. L. Berre et al. // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. - 2004. -272-276.
4. Barium ferrite thin films prepared by alternate deposition / X. Liu, J. Bai, F. Wei et al. // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. - 2000. - P. 273276.
5. Mallick, K.K. Dielectric properties of M-type barium hexaferrite prepared by co-precipitation / K.K. Mallick, P. Shepherd, R.J. Green // Journal of the European Ceramic Society. - 2010. - Vol. 27, № 4. -P. 2045-2052.
6. Radwan, M. Synthesis and characterization of barium hexaferrite nanoparticles / M. Radwan, M.M. Ra-shad and M.M. Hessien // Journal of Materials Processing Technology. - 2007. - Vol. 181. - P. 106109.
7. Structure and magnetic properties of nanoparticles of barium ferrite synthesized using microemulsion processing / V. Pillai, P. Kumar, M.S. Multani and Dinesh O. Shah / Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. - 1993. - Vol. 80, № 1. - P. 69-75.
8. Synthesis and magnetic properties of barium-calcium hexaferrite particles prepared by sol-gel and microemulsion techniques / R.B. Jotania, RB. Khomane, C. C. Chauhan et al. // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. - 2008. - Vol. 320. - P. 1095-1101.
9. Li, K. A novel hydrothermal synthesis method for barium ferrite / K. Li, H. Gu, Q. Wei // China Par-ticuology. - 2004. - Vol. 2, № 1. - P. 41-43.
10. Barium ferrite powders prepared by microwave-induced hydrothermal reaction and magnetic property / T. Yamauchi, Y. Tsukahara, T. Sakata et al. // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. - 2009. -P. 8011.
11. Li, Y. Synthesis, characterization and magnetic properties on nanocrystalline BaFe12O19 ferrite / Y. Li, Q. Wang, H. Yang // Current Applied Physics. -2009. -Vol. 9. - P. 1375-1380.
12. Influence of acid catalysts on the structural and magnetic properties of nanocrystalline barium ferrite prepared by sol-gel method / E. Paimozd, A. Ghasemi, A. Jafari, H. Sheikh // Journal of Magnet-
Серия «Металлургия», выпуск 17
4Э
ism and Magnetic Materials. - 2008. - Vol. 320. -P. 137-140.
13. Fu, Y.-P. Barium ferrite powders prepared by microwave-induced combustion process and some of their properties / Y.-P. Fu, C.-H. Lin, K.-Y. Pan // Journal of Alloys and Compounds. - 2004. - P. 221-224.
14. Gambino, R.J. Growth of Barium Ferrite Single Crystals /R.J. Gambino, F. Leonhard //Journal of the American Ceramic Society. - 1961. - Vol. 44, № 5 - P. 221-224.
15. Watanabe, K. Growth of minute barium ferrite single crystals from a Na~O-B~O3 flux system / K. Watanabe // Journal of Crystal Growth. - 1996. - Vol. 169, № 3 - P. 509-518.
16. Layer morphology and growth mechanisms in barium ferrites / G. Turner, B. Stewart, T. Baird et al. //
Journal of Crystal Growth. - 1996. - Vol. 158, № 3 -P. 276-283.
17. MFM studies of magnetic domain patterns in bulk barium ferrite (BaFe12O19) single crystals / J. Jal-
li, Y.-K. Hong, G.S. Abo et al. // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. - 2011. - Vol. 323. - P. 26272631.
18. BaFe12O19 fine crystals dispersed in a glassy matrix: magnetic and structural properties / E. Rezles-cu, L. Rezlescu, P.D. Popa, N. Rezlescu // Materials Science and Engineering A. - 2004. - P. 126.
19. Obradors, X. X-ray analyze of the structural and dynamic properties of BaFe12O19 hexagonal ferrite at room temperature / X. Obradors, A. Collomb, M. Pernet et al. // Journal of Solid State Chemistry. -Febr. 1985. -Vol. 56, iss. 2. - P. 171-181.
Поступила в редакцию 12 сентября 2011 г
