ナノ Sr1−XLaXFe12O19 (X = 0.2) の構造、電気、磁気特性

Scientific Reports volume 12、記事番号: 12723 (2022) この記事を引用

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現在の研究は主に、水熱法によって合成された Sr1−XLaXFe12O19 (X = 0.2〜0.8) (SLFO) ナノ粒子の合成、構造的、電気的、磁気的特性評価に向けられています。 六角形のピークは、X 線回折分析を使用して決定されました。 得られた結果は、「X」の増加に伴い、格子定数が 0.58801 から 0.58825 nm (a = b)、および 2.30309 から 2.30341 nm (c) に増加していることが示されました。 形態学的研究により、SLFO の粒子とナノ粒子がほぼ球形になっていることが確認されました。 光学特性は、FTIR および UV-Visible スペクトルを使用して調査されました。 SLFO の光学バンドギャップ (Eg) は、ドーパント含有量の増加に伴って 1.866 eV から 2.118 eV に増加することがわかりました。 SLFO の電気的特性は、温度と周波数の関数として詳細に研究されました。 さらに、空間電荷分極と電気伝導メカニズムをそれぞれ説明するために、誘電率とインピーダンス分光分析が実行されました。 SLFOのヒステリシスループ（M-H曲線）は、「X」の増加に伴って磁化が36.34emu/gから7.17emu/gに減少することを明らかにしました。

すべての磁性材料の中でも、ヘキサフェライトは高い保磁力を持つ特別なクラスの材料です。 したがって、これらの材料は一般に硬磁性材料として知られています。 したがって、ヘキサフェライトは永久磁石の製造に重要な用途を獲得しました。 この種の利点は、高い磁化、結晶磁気異方性定数、安価、熱的安定性、化学的安定性などのパラメータによるものと考えられます1。 結晶構造、粒子サイズ、表面形態、調製方法、カチオン分布などのさまざまな特性により、上記の用途を達成することができます1。 一般に六方晶フェライトは、M（SrFe12O19）、W（BaZn2Fe16O27）、X（Ba2Mg2Fe28O46）、Y（Ba2Co2Fe12O22）、Z（Ba3Mn2Fe24O41）2の6種類に分類されます。 M 型ヘキサフェライトはハードフェライトに分類されます。 M 型ヘキサフェライトの一般的な化学式は、MFe12O19 (M = Ba、Sr、Pb、Zn、Mg、Ni などの二価元素) と書くことができ、マグネトプランバイト構造に似ています2。

M 型ヘキサフェライトは、優れた電気的、磁気的、光学的、電磁的特性により、マイクロ波吸収体、フィルター、診断、磁性流体、変圧器コア、磁気メモリー、磁気記録、および高周波デバイスに応用されています3。 これらのアプリケーションのほとんどは、BaFe12O19、SrFe12O19、PbFe12O194,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18 などの M 型ヘキサフェライト化合物から得られました。 19、20、21、22、23。 さらに、数人の科学者は、SFO3 の硬度を高めるために、ランタニド (La、Sm、Gd、Nd、Pr など) をドープした SrFe12O19 (SFO) の合成と特性評価に特に焦点を当てました。 その結果、大幅に改善された特性はほとんどありませんでした。 しかし、電気的、光学的、磁気的特性に関連する La ドープ SrFe12O19 ナノ粒子に関する報告は文献で詳細に入手できませんでした。 したがって、著者らは、水熱技術を使用した電気的、光学的、磁気的、およびインピーダンス特性評価のための SrLaFe12O19 ナノ粒子の合成に焦点を当てました。

水熱合成技術は、ナノ粒子を合成するための最も簡単で費用効果の高い技術の 1 つと考えられています。 Sr1−xLaxFe12O19 (x = 0.2〜0.8) (SLFO) ナノ粒子は、水熱法を使用して調製されました。 SLFO ナノ粒子を合成するために、フローチャート (図 1) に記載されている前駆体材料 SrN2O6、LaN3O9、および FeN3O9 (それぞれ 99.88%、Sigma-Aldrich 製) が化学量論比に従って選択されました。 x = 0.2 ～ 0.8 のサンプルでは、​​硝酸塩材料の異なる質量が考慮されました。 さらに、前駆体を、５０ｍｌの脱イオン水が入ったガラスビーカーに入れた。 前駆体を混合するために、ガラスビーカーをマグネチックスターラー上に置いた。 溶液を約３時間撹拌した。 撹拌時に、NaOH溶液を一滴ずつ添加して、安定したpH値(11)を獲得した。 その後、得られた水溶液を、ステンレス鋼製オートクレーブ反応器内に封入された容量３００ｍＬのテフロン製ボウルに保持した。 その後、オートクレーブ反応器全体を高温オーブンに移し、8 時間水熱反応を実行しました。 反応中、オーブンの温度は 150 °C に維持されました。 反応終了後、オーブンを室温まで自然冷却した。 次に、得られた溶液を蒸留水とアセトンを用いて数回洗浄し、得られたサンプルのｐＨ値を下げた。 このプロセスは、pH が 7 に達するまで継続されました。次のステップでは、水分含有量を制限して混合したサンプルを、ホット プレートを備えたマグネチックスターラー上で 60 °C の温度を 2 時間維持して乾燥させ、サンプル中に存在する水分を除去しました。 加熱する理由は、残った水分を除去するためだけです。 低温で加熱しないと、湿気はさまざまな電気的、光学的、磁気的特性に確実に影響を与えます。 さらに、得られたサンプルを粉砕して微粉末を得た。 最後に、粉末状のナノ粒子は、X 線回折 (XRD) (Bruker、λCuKα = 0.15406 nm)、TEM (Tecnai G20、FEI、米国)、FESEM (Ultra 55、Carl Zeiss)、FTIR などのさまざまな特性評価を受けました。相、形態、機能性を明らかにするために、（島津製作所）、紫外可視分光計（JASCO、V-670 PC）、LCR コントローラー（HIOKI 3532-50）、および VSM（EV-7 H = ± 15,000 Oe.）を使用しました。それぞれ、グループ、バンドギャップ、ヒステリシス挙動、および電気的特性。 図１は、調製されたナノ粒子の合成手順の概略図を示す。

SLFO ナノ粒子の合成の概略図。

図 2 は、調製したナノ粒子の相同定を確認するための SLFO ナノ粒子の XRD スペクトルを表しています。 これらのフェーズにはインデックスが付けられ、標準の JCPDS: 80 ～ 1198 と比較されました。 このことから、すべての回折位相が標準 JCPDS と一致していることがわかりました。 さらに、(114) 反射面で最も高いカウントが記録されました。 平均結晶子直径は、Scherrer の式、Davg = 0.9λCuKα/βcosθ を使用して計算されました。ここで、λCuKα は CuKα の波長 (0.15406 nm)、β は半値全幅 (FWHM) を指し、θ は回折角に関連しています 24。 得られた x = 0.2 ～ 0.6 の Davg 値は、4.5 nm から 14.8 nm に増加していることがわかりました。 ただし、x = 0.8 では 5.2 nm まで減少しました。 これは通常、x = 0.2 ～ 0.6 の含有量では微小ひずみ (εs) の減少傾向 (0.0282 から 0.0210 rad) と、x = 0.8 の含有量では微小ひずみ (εs) の性質が 0.0276 rad に増加することに起因すると考えられます。 同様に、FWHM もすべての SLFO コンテンツのマイクロストレインと同じ傾向をたどりました。 この種の行動は、文献で以前に観察されていました 25、26、27、28、29。 さらに、これらの値とよく一致するように、微小ひずみ (εW-H) および平均結晶子サイズ (DW-H) パラメータは、図 3 に示すようにウィリアムソン ホール (W-H) プロットをプロットすることによって計算されました。結果は表 1 に報告されています。得られたデータは、DW-H 値と εW-H 値の両方が、Scherrer 法を使用して得られた同じパラメーターとよく一致していることを示唆しています 24。

SLFO ナノ粒子の XRD スペクトル。

SLFO ナノ粒子の W-H プロット。

さらに、格子パラメータ (a = b & c) は次の式を使用して計算されました: 1/d2 = [1.333/a2] [h2 + hk + k2 + (l2/c2)]25 を表 1 に示します。結果は、「X」の増加に伴って格子定数が 0.58801 から 0.58825 nm (a = b)、および 2.30309 から 2.30341 nm (c) に増加していることが示されました。 このように詳細な議論が可能です。 シャノンのイオン半径表 30 は、SLFO のカチオンのイオン半径が Sr+2 = 0.127 nm、La+3 = 0.122 nm、Fe+3 = 0.0645 nm、および Fe+2 = 0.080 nm であることを示しました。 このデータにより、La+3 イオンのイオン半径は Sr+2 イオンより小さく、第二鉄および第一鉄イオンのイオン半径より大きいことが確認されました。 したがって、La+3 カチオンは、残りのカチオン サイトではなく Sr サイトを占有する可能性があります。 文献 31、32、33、34、35 では、二価元素の部位に希土類陽イオンを取り込むと、ヘキサフェライト系内で Fe+3 イオンから Fe+2 イオンへの変換が誘導されることが観察されています。 続いて、現在の研究では、Sr+2 イオン (高いイオン半径) を La+3 イオン (小さいイオン半径) に置き換えることが可能である可能性があります。 ただし、第一鉄(Fe+2)イオンのイオン半径は第二鉄(Fe+3)イオンよりも大きいという事実を理解する必要があります。 SLFO 化合物を形成するには、より多くの Fe+2 イオンが形成される必要があることは明らかです 32。 したがって、格子定数の増加はドーパント組成の関数として特定されました。 この種の性質は、Sifert らによって報告されたバルク SLFO 材料の場合に注目されました 31,32。 場合によっては、化学組成、La+3 カチオンの抑制効果、および欠陥も、単位セル寸法およびその体積 (Vcell) の現在の変動傾向の原因となる可能性があります 35。 c/a 比は、「X」の増加とともに減少することがわかりました。 さらに、X 線 (ρx = ZM.W/NAVcell、Z = 単位格子あたりの有効原子数、MW = 分子量、NA = アボガドロ数、Vcell = 単位格子の体積) と嵩密度(ρb はアルキメデスの原理から得られます)25 が評価されました (表 1 を参照)。 達成された結果は、両方の密度パラメーターが SFO 系の La 含有量の増加に伴って増加することが認められたことを明らかにしました。 これは、「X」の関数として分子量が 1072 g/mol から 1102.8 g/mol に増加したことに起因すると考えられます。 さらに、気孔率 (P = 1 − (ρb/ρx)) が計算され、18 % から 8% に減少していることがわかりました。 このことから、La含有量が増加すると細孔含有量が減少することが確認された。 最後に、比表面積 (S) は約 258 m2/g から 77 m2/g まで減少傾向を示しました (X = 0.2 ～ 0.6 の場合)。 X = 0.6 を超えると、「S」は約 217 m2/g でした。 この性質は、X = 0.6 までは結晶子サイズが増加傾向にあり、X = 0.6 を超えると減少する傾向にあると考えられます。 同様の報告が文献でも見られました25。

図 4 は、SLFO ナノ粒子の FESEM 写真を示しています。 FESEM 写真では、明確に定義された球形の粒子があることが明らかにわかります。 さらに、これらの粒子は均一に分布していた。 比較すると、X = 0.2 の含有量は低い見かけの粒径を獲得しましたが、X = 0.2 ～ 0.6 では増加しているように見えました。 しかし、X = 0.8 では減少しました。 その後、線形切片法を使用して、平均粒径 (Gavg) が計算されました。 この技術では、各組成について、特定の作動距離 (WD) と倍率 (M) で異なるテスト長さ (L) を含む 10 本のテストラインが描画されました。 そして、交差する結晶粒の総数（Ｎ）を数えた。 さらに、すべてのパラメータは関係 Gavg = 1.5L/MN に挿入されており、記号は通常の意味を持ちます。 したがって、実験的な粒子サイズが達成され、X = 0.2 ～ 0.6 の場合、23.5 nm から 117.6 nm に増加することが観察されました。 さらに、X = 0.8 では 102.4 nm まで減少しました。 SLFO ナノ粒子の「X」の増加に伴い、平均結晶子サイズにも同様の変動が認められました。

SLFO ナノ粒子の FESEM 写真。

図5に示すTEM写真では、ナノ粒子のようなわずかに歪んだ球体が観察されました。 ここでは、ナノ粒子の分布はほぼ均一であるように見えました。 さらに、平均粒子サイズ (Pavg) が計算され、X = 0.2 ～ 0.6 の場合は 16.2 nm から 44.1 nm に急上昇しているのに対し、X = 0.8 の場合は 37.2 nm に減少していることがわかりました。 この方法は、Davg および Gavg のバリエーションと同じでした。 さらに、ナノ粒子は互いに非常に接近しているように見えました。 これは通常、磁気相互作用、凝集、サイズ、電荷などのさまざまな要因に起因すると考えられます25。 サンプルは同じグループの合成ナノ粒子であり、同じ条件で処理されました。 一般に、ナノ粒子の凝集は、TEM 写真に示されるナノ粒子の形状のわずかな不均一性とその後の歪みの原因となります。

SLFO ナノ粒子の TEM 写真。

SLFO ナノ粒子のフーリエ変換赤外スペクトル (FTIR) を図 6 に示しました。FTIR スペクトルは、M 型六方晶系構造の形成を明らかにしました。 このうち、550 cm-1 に位置する吸収バンドは Sr-O および La-O (M-O) サイトに関連しており、410 cm-1 に位置するバンドは六方晶構造の Fe-O サイトに関連していました ( MFe12O19）。 したがって、調製されたSLFOサンプルの場合、ν1で認められた吸収バンドはMサイトに関連付けられ、「ν2」はFe-O結合に関連付けられました。 したがって、これは、調製されたサンプルの六方晶系構造の発達を示す可能性があります。 さらに、図6で観察されたように、鉄-酸素伸縮振動サイトの両側に形成された追加のバンドは、Fe + 2イオンの存在に起因すると考えられました。 一般に、これはサンプルの熱処理によって発生する可能性があります。 また、1632.5 & 2109.5 cm-1 および 3358.2 & 1338.6 cm-1 ではバンドサイトがほとんど観察されませんでした。 これらの部位は、水分子のねじれと O-H 結合に適した振動伸縮によって発達しました 25、26、27。

SLFO ナノ粒子の FTIR スペクトル。

図 7 は、SLFO ナノ粒子の拡散反射スペクトル (DRS) を表しています。 最大吸収波長（λｍａｘ）は、Ｌａ含有量の増加とともに５５３．６６ｎｍから５２９．３ｎｍまで減少することが認められた。 さらに、(αhυ)n 対 hυ プロット (「α」は吸収率、「hυ」は光子エネルギー) を描いて、n = 2 を考慮して準備されたサンプルの光学バンドギャップ エネルギー (Eg) を取得しました。 2 に示すように、エネルギーバンド間の電荷キャリアの直接遷移が可能になります 25、26、27。 したがって、図 8 に示すように、(αhυ)n 対 hυ の代わりに、(αhυ)2 対 hυ について言及することができます。 図８から、ドーパント濃度に対してＥｇの値が１．８６６ｅＶから２．１１８ｅＶまで徐々に増加したことが明らかである。 Eg の値は、光子エネルギーの軸に向かってグラフ (図 8) の線形部分を外挿することによって得られ、吸収率はゼロになる傾向があります 26。 したがって、結果は、La 含有量の増加により Eg の値が増加することを証明しています。

SLFO ナノ粒子の DRS スペクトル。

SLFO ナノ粒子の光学バンドギャップの測定。

SLFO ナノ粒子の場合、磁気的性質はヒステリシス ループによって確認されました。 これらの曲線は、磁化 (M) 対磁場 (H) データを使用してプロットされました (図 9 を参照)。 一般に、非磁性La組成が増加すると磁化が減少するはずであると予想できます。 図９から、Ｌａ含有量の増加に伴って、飽和磁化が３６．３４ｅｍｕ／ｇから７．１７ｅｍｕ／ｇ（表２参照）まで減少していることが見られた。 したがって、この場合、期待は現実になりました。 「X 線回折 (XRD) スペクトル」セクション (XRD 分析) で説明したように、イオン半径の大きなストロンチウム サイトをイオン半径の小さなランタンに置き換えるために、第二鉄イオンから第一鉄イオンへの変換が発生します。 Fe+3 イオンの磁気モーメントは 5μB/fu であり、Fe+2 イオンの磁気モーメントは 4 μB/fu に達することは確立された事実でした。実際、この側面は、La 含有量の増加により、結果として生じる磁気モーメントにより、SLFO 内の Fe+2 イオンの濃度が増加します。 この方法は、バルク SLFO の場合について文献 31,32 で以前に説明されました。 さらに、「X」による格子定数の増加は、単位格子が拡大する 2 番目の理由である可能性があります。 その結果、磁気交換相互作用が減少します。 これは磁化の減少の原因である可能性があり、それによってスピンの磁気モーメントが減少します。 さらに、SLFO の高い保磁力 (Hc) は、ドーパントにより 490 G から 820 G に変化すると推定されました。 これは、SLFO のハード フェライトの性質を示すものである可能性があります。 さらに、保持力（Ｍｒ）は２．８から９．０ｅｍｕ／ｇに変化していることが分かった。 これは、「X」の増加に伴って保持力の変化が非系統的であるという事実を示唆しています。

SLFO ナノ粒子の MH ループ。

誘電パラメータの一部として、温度 (T) の変化に対する誘電率 (ε')、誘電損失 (ε'')、交流導電率 (σac)、および複素誘電率 (M*) が解明されました。および周波数 (f)。 これらのパラメーターは主に、サンプル調製方法、ドーパントの種類、生成する化合物、粒径、多孔度、ひずみ、密度、イオン半径などの個別の要因に依存する可能性があることは既知の事実でした 25。 図 10 は、ε' 対 T プロットを示しています。 ε'-T プロット (f = 1 MHz) から、SLFO の ε' は 400 K まで一定のままであることが観察されました。これは、これらの温度での電荷キャリアの弱くて一定の応答に起因すると考えられます。 400 K を超えると、X = 0.2 ～ 0.6 で誘電率が徐々に増加する傾向がありました。 対照的に、X = 0.8 では、中間の誘電緩和なしに誘電率が急激に増加することが明らかになりました。 一方、X = 0.2 ～ 0.6 の含有量は 533 ～ 583 K の温度で誘電緩和を示しました。 これらの誘電緩和は、電気双極子間の高い熱撹拌によって確立されました。 その結果、緩和温度ではエントロピーが優勢となり、高い誘電率を得ることができます。 600 K を超えると、組成が異なるとキュリー転移温度 (Tc) 値も異なります。 つまり、「X」が 0.2 から 0.8 に増加すると、Tc 値は 743 K から 643 K に減少しました。 この種の傾向は、SLFO の 2 つのサイト間の交換相互作用が減少し、それによってドーパント濃度の増加に伴って格子定数が増加するために得られました。 同様に、ε''対Tのプロット(図11)は、誘電率対温度のプロットの場合とほぼ同様のTc値を示しました。 さらに、ε''-T プロットの変動傾向も ε'-T プロットと同一でした。

SLFO ナノ粒子の ε'-T プロット。

SLFO ナノ粒子の ε''-T プロット。

誘電率と損失の周波数変化は、それぞれε'-f (図12)とε''-f (図13)のプロットによって表されました。 図 12 では、X = 0.2 ～ 0.8 の誘電率が、より低い周波数 (100 Hz ～ 20 kHz の間) で約 930 から約 30 に減少していることがわかりました。 この結果から、ε' の最大値は 100 Hz にあることがわかりましたが、20 kHz では 31 倍小さいことがわかりました。 この種の巨大な変動は、Koop の二重層理論で以前に報告されています 36。 この理論は、多結晶材料が (i) 粒子と (ii) 粒界のような 2 層で構成され得ることを報告しました。 実際、これら 2 つの層は、より低い周波数とより高い周波数における誘電率の高い値と低い値の原因となります。 クープ理論の分析により、粒界は多結晶粒よりも抵抗が大きい (導電性が低い) ことが示唆されました。 したがって、より低い周波数では、電荷キャリアは移動しない可能性があり、さらに材料の特定の微視的領域に閉じ込められることになります。 この時点では、通常、電荷キャリアの過密状態が発生します。 これは、抵抗が高いため、すべての電荷キャリアが障壁 (粒界層) を突破できないという事実を意味します。 したがって、低周波数では粒界が優勢となり、その結果、膨大な量の空間電荷またはマクスウェル・ワグナー界面分極が誘発されました。 その結果、低周波において誘電率の最大値が可能となりました。 この種の議論は以前に Wagner37 によって報告されました。 一方、入力磁場の周波数が増加すると、入力磁場から十分なエネルギーを吸収した後、電気双極子がより活性化します。 したがって、電荷キャリアは粒界層を破壊する可能性があり、その後バリアの抵抗が低下します。 このようなキャリアのアプローチにより、高い導電性が得られます。 この時点で、粒子 (低抵抗セグメントまたは導電性セグメントと呼ばれる) がより活性化します。 したがって、空間電荷の分極は大幅に減少します。 これにより、高周波での低い誘電率値が達成されます。 20 kHz 以降、すべてのサンプルの誘電率は一定であるように見えました。 ただし、図 12 の挿入図は、X = 0.6 のコンテンツが 1 MHz で約 18 という高い ε' を示しているのに対し、残りのコンテンツは約 5 から 9 まで変化する中程度の ε' 値を示していることを示しています。 ε”-f プロットは、100 Hz と 20 kHz の間で 1830 から 34 まで変化する巨大な ε” 値の観測があることを示しました。 一方、f = 20 kHz 以上では、ほぼ一定の損失変動が観察されます。 この傾向は、「f」を使用した場合の ε' の動作とまったく同じでした。 ただし、図13の挿入図では、X = 0.2〜0.8の場合、3.5での誘電緩和挙動が明らかになりました。 特に、X = 0.6 の含有量は 3.5 MHz で 10.28 の高い損失を示しましたが、X = 0.2、0.4、および 0.8 の含有量は 1 ～ 4 の損失値を示しました。X = 0.6 の含有量は 1 ～ 5 MHz での誘電体吸収体の用途に適しています。 。 さらに、この内容物は高周波でのマイクロ波吸収体としても機能する可能性があります。

SLFO ナノ粒子の ε'-f プロット。

SLFO ナノ粒子の ε''-f プロット。

図 14 は、温度に対する σac の挙動を示しています。 導電率が温度の関数として向上することが明らかに判明した。 これは、適用された温度範囲中の電荷キャリアの熱活性化に起因すると考えられます。 したがって、第二鉄イオンと第一鉄イオンの間で電子のホッピングが起こります。 非常に高温では、この電子ホッピングが優勢になるため、導電性がさらに大きくなります。 ここで、Tc の値は 743 K から 643 K に減少していることがわかりました。したがって、転移温度の前後で伝導機構が変化することが予想できます。 これを考慮して、アレニウスプロットを描くことによって活性化エネルギーを決定しました（図14を参照）。 プロットでは、H 領域は高温に対応し、L 領域は低温に対応します。 どちらの地域でも、傾斜は考慮に入れられました。 さらに、標準方程式 Ea = 0.086 (傾き) を利用して、活性化エネルギー (Ea) を計算し、表 2 に示しました。 得られた結果は、H 領域の Ea の値が 0.154 から増加していることが検出されたことを明らかにしました。 X = 0.2 ～ 0.6 の内容の場合は 0.190 eV まで。 しかし、X = 0.8 の含有量では、0.147 eV に減少しました。 同様に、L 領域の活性化エネルギーも X = 0.2 ～ 0.6 の組成では 0.0376 eV から 0.0443 eV に減少しましたが、X = 0.8 では約 0.0274 eV の Ea を示しました。 この結果から、H 領域の Ea 値が L 領域よりも大きいことがわかります。 この種の低い Ea 値は、磁気的無秩序化によって引き起こされる電荷​​キャリアの利用可能性が限られているために得られました 25。 ただし、L 領域は外部電荷キャリアによって生成される電気伝導プロセスによって進化し、H 領域はポーラロン ホッピングによって形成されました 25。 以前、Tc25 を通過すると勾配線の傾きが変化するはずであると報告されました。 さらに、Tc25 の両側の内部電子と外部電子 (e-) の間の磁気交換相互作用が、異なる活性化エネルギーの原因となっていました。 言い換えれば、Tc での磁気状態のフェリからパラへの変化は 2 つの異なる Ea 値を提供する可能性があります。

SLFO ナノ粒子の lnσac 対 103/T プロット。

図 15 に示すように、べき乗則当てはめは、313 ～ 813 K の範囲のさまざまな温度で X = 0.2 ～ 0.8 の log σac − logω プロットに達成されました。実際、図 15 のグラフは DC 導電率 ( σdc) と指数 (n) の値。 σac が σdc (T) (温度依存) 項と σac (f) (周波数依存) 項の組み合わせであることはよく知られています。 数学的には、σac (f, T) = σdc(T) + σac(f)25 と書くことができます。 すべての温度について、図 15 の周波数に依存しない項は、log σac-logω プロットの不変部分から特定できます。 計算された σdc は、表 4 に示すように、低い値から高い値に増加していることがわかりました。つまり、X = 0.2 ～ 0.8 の場合、σdc は 4.18E-07 ～ 2.54E-04、1.72 にほぼ増加していることがわかりました。それぞれ E-08 ～ 7.19E-05、2.75E-08 ～ 6.51E-05、1.59E-08 ～ 1.95E-04 S/cm。 これにより、x = 0.6 & 0.8 (La 含有量が多い) で低い σdc が記録されたという事実が確立されました。 さらに、指数 (n) 値も計算され、表 3 に報告されました。得られた「n」値から、すべての La 含有量について高い値から低い値に減少していることは明らかでした。 これは、Hiti38 によって作成されたレポートと一致していました。 全体として、「n」値はバック ホップ レートとサイト緩和の間の比率を示します。 したがって、最大値「1」と最小値「0」を実現できます。 現在の研究では、「n」の値は、すべての「T」値 (313 ～ 813 K) に対して 1 未満になるように達成されています。 これにより、SLFO ナノ粒子ではサイト緩和がポーラロンのホッピングよりも速いという事実が確立されました 25。

SLFO ナノ粒子の logσac 対 logω プロット。

複素誘電率 (M*) は通常、M* = M' + j M'' として記述されます。ここで、M' = (ε'/(ε'2 + ε''2)) および M'' = (ε''/(ε '2 + ε''2))。 電気伝導と空間電荷分極効果は、複素誘電率形式を研究することでよく理解できます。 SLFOナノ粒子の場合、誘電率の実数部と虚数部(それぞれM'およびM'')を検討しました。 関連するグラフを図 1 と 2 に示しました。 図 16 は、X = 0.2 ～ 0.8 の誘電率の実部対入力磁界周波数プロット (M' − f) が緩和 (共鳴) 挙動を示していることを示しています。 したがって、完全なプロットはいくつかの領域に分割され、対応する周波数が緩和周波数 (fr) とみなされました。 これら 2 つの領域は、領域 a (< fr) および領域 b (> fr) として示されました。 X = 0.2 ～ 0.8 の内容の M' − f プロットは、共振周波数が 313 K から 813 K までの温度の関数としてより高い周波数に向かって増加するという事実を確立しました。 X = 0.2 ～ 0.8 の場合、 fr 値 (≥ log f) は、それぞれ 6.27、6.16、5.81、および 6.22 として観察されました。 これらの fr 値は、室温で X = 0.2 ～ 0.6 から減少し、それを超えると log f = 6.22 まで増加することがわかりました。 通常、緩和周波数は粒界界面での電荷キャリアの蓄積によって特定できることが確立された事実でした。 したがって、空間電荷分極が優勢となり、さらに大きなM'値を示すことができる。 同様に、この種の緩和は、より小さな程度まで M''-f プロット (図 17 を参照) に記録されました。 つまり、低温では顕著な緩和が観察され（X = 0.4 含有量を参照）、高温では小さな緩和が観察されました。 しかし、これらの材料では空間電荷分極機構が発見されました。 ここで、低周波緩和は、空間電荷がlog f = 5の小さな入力磁場周波数で引き起こされ、さらに界面に蓄積されるという事実を特定しました。 さらに、小さな M' 値は低い f 値 (< 1 kHz) で記録されることがわかりました。 これは電極の分極効果によるものと考えられます。 さらに、log f = 6.27、6.16、5.81、および 6.22 より下の領域 (M'-f プロットを参照) は、長距離偏光の領域専用にすることができます。 この領域内では、電荷キャリアの長距離移動性によって成長した長距離ホッピング伝導機構を認識できます。 同様に、M''-f プロットは、イオンの長距離運動による小さな緩和を明らかにしました。 逆に、M'-f および M''-f プロットの場合、高い fr 値が決定されました。 これらは、ポテンシャル井戸に閉じ込められたイオンの存在によって形成されました。 このアプローチは以前のレポートで発見されました25。 さらに、fr を超えた領域は、電荷キャリアの短距離移動度が生じる可能性がある短距離分極領域として注目されました。 また、これは短距離ホッピング伝導メカニズムを反映している可能性があります。

SLFO ナノ粒子の M' 対 log f プロット。

SLFO ナノ粒子の M'' 対 log f プロット。

電気伝導と緩和の挙動を議論するために、図 18 に示すように M' 対 M'' プロットが描かれました。図 18 では、半円弧は電気伝導における結晶粒と粒界の寄与に関連付けられていました。伝導機構。 それにもかかわらず、注目された緩和は本質的に部分的なものでした。 通常、これらは部分的な緩和強度によって発生します。 さらに、図１８から、作製したサンプルには非デバイ緩和が存在することが確認され、Ｍ'軸の下に半円の中心が存在した。 具体的には、最初の半円弧は粒子の寄与による誘導電気伝導に関係しており、2番目の半円弧は伝導機構における粒界の寄与に関係していました。 また、M' 対 M'' プロットではいくつかの歪みが認められましたが、これは微小ひずみ、細孔、温度、粒径、水分などの固有の要因によって生じたものです 25。

SLFO ナノ粒子の M' 対 M'' 対 log f プロット。

ご存知のとおり、複素インピーダンス (Z*) パラメーターは、多結晶材料の微細構造の挙動に関する情報を提供します。 さらに、調製したままの SLFO ナノ粒子の電気伝導メカニズムを解明します。 Z* = Z'−jZ'' の複素インピーダンス関係 (Z' と Z'' は複素インピーダンス パラメーターの実数部と虚数部) は、インピーダンス分光法を議論するのに役立ちます。 さらに、コール-コールプロット（ナイキストプロット）は図19に示すようにプロットされました。ナイキストプロットは、313〜813Kの範囲のさまざまな温度でのSLFOサンプル中のLa濃度の増加の関数として伝導メカニズムを説明するために使用されました。明らかに、X = 0.2 ～ 0.8 の内容で 2 つの半円弧が見つかりました。 特に、X = 0.2 の組成は 2 つの半円を示しましたが、残りの組成はわずかに弱い円弧を示しました。 部分緩和強度は、弱いアークの存在の原因である可能性があります 25。 同様に、イオンが長距離を移動すると、部分的なアークの形成が引き起こされる可能性があります。 X = 0.2 の含有量は、ポテンシャル井戸に閉じ込められるイオンがほとんど存在しないため、完全な緩和強度を達成しました 25。 半円の存在は、X = 0.2 サンプルの磁気半導体挙動を示しました。 2 つのアークの場合、最初のアークは粒子の性質を示し、2 番目のアークは粒界に接続されます。 通常、粒子は高導電層であり、その境界は低導電層として機能します。 現在の研究では、ナイキスト プロットは Z ビュー ソフトウェア (2 つの RC 回路を使用) によって徹底的に検査されました。 したがって、粒子/粒界抵抗の達成値 (Rg(R1)/Rgb(R2)) とそれぞれの静電容量 ((Cg(C1)/Cgb(C2))) が求められます。 得られた値を表 4、5、6、および 7 にまとめました。これは、すべての「X」値について、粒子抵抗および粒界抵抗の値が温度の上昇に伴って減少していることが観察されたことは明らかです（313 から 313 へ） 813K）。 その結果、対応する静電容量値 (Cg および Cgb) が温度とともに増加することがわかりました。 比較的、粒界は粒子に比べて大きな抵抗を示します。 Z'軸における第1および第2の円弧の交差部分を使用して、RgおよびRgbなどのパラメータが解明されました。 したがって、最初のアークは Rg を示しましたが、2 番目のアークは Rgb を示しました。 これは、粒子がより多くの導電層を構成しているのに対し、粒界はほとんど導電層から構成されていないという事実を確立しました。 実際、これは粒子のバルク導電率 (σg = t/RgA、「t」 = 厚さ、「A」 = ペレットの断面積) とその境界 (σgb = t/RgbA) から証明されました (表 4 を参照)。 5、6、7）。 得られた結果から、粒子は粒界よりも大きな導電率を達成していることが確認された。 したがって、現在の結果が Koop の理論を満たしていることは明らかでした 36。 さらに、X = 0.2 ～ 0.8 の含有量の電気伝導率は温度とともに増加することがわかり、以前の研究で述べたようにアレニウスの法則に従いました 25。 これとは別に、誘発された緩和も観察されました。 このために、円弧の中心を仮定し、円弧の中心が実際の軸よりも下に配置されている場合に注目しました。 したがって、非デバイ緩和が x = 0.2 ～ 0.825 で観察されたことが推奨されます。 この観点では、粒子 (τg) と粒界 (τgb) の緩和時定数 (τ) が計算されました。 得られた結果 (表 4、5、6、7 を参照) から、「T」の増加に伴って時定数が増加することが確認されました。 さらに、2 番目のアークは高い 'τgb' 値を示しました。

SLFO ナノ粒子の Z' 対 Z'' 対 log f プロット。

この研究では、La 含有量を X = 0.2 ～ 0.8 まで変化させて水熱法を使用して SLFO ナノ粒子を調製しました。 回折パターンは六方晶系の結晶構造を証明しました。 さらに、「X」の増加に伴い、格子定数が 0.58801 から 0.58825 nm (a = b)、および 2.30309 から 2.30341 nm (c) に増加していることが観察されました。 ＦＥＳＥＭおよびＴＥＭ写真は、形態において粒子だけでなく粒子のような球体を示した。 さらに、「X」の増加に伴って Eg 値が 1.866 eV から 2.118 eV に増加することが確認されました。 SLFO の M-H ループでは、「X」の増加に伴って磁化が 36.34 エミュ/g から 7.17 エミュ/g に減少する傾向が明らかになりました。 X = 0.6 の含有量により、高周波での高い誘電率 (約 18) と誘電損失 (10.85) が明らかになりました。 したがって、この組成は 1 ～ 5 MHz の誘電体吸収用途に適しています。 H 領域の Ea 値は 0.147 eV から 0.190 eV に変化しましたが、L 領域は 0.0274 eV から 0.0443 eV に変化する同じ傾向を示しました。 べき乗則を使用して、DC 導電率と指数が計算されました。 誘電率の形式主義は、空間電荷分極メカニズムの明確な証拠を提供しました。 さらに,短距離および長距離ホッピング伝導メカニズムについて説明した。 コール-コールプロットは、電気伝導メカニズムにおける粒子および粒界の寄与の解明を示しました。 得られた結果は、粒子が粒界よりも高い導電性を達成していることを示した。

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著者は、プロジェクト番号 No. に基づいてこの研究を支援してくださったマジュマー大学の科学研究部長に感謝したいと思います。

マジュマー大学コンピュータ情報科学部、アルマジュマー、11952、サウジアラビア王国

D. ババ・バシャ

物理学科、JNTUA、アナンタプラム、AP、515002、インド

N.スレシュ・クマール

GITAM 大学物理学科、バンガロール キャンパス、バンガロール、561203、インド

K. チャンドラ・バブ・ナイドゥ

REVA大学応用科学部、バンガロール、560065、インド

G.ランジス・クマール

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DBB: 資金提供と監視業務。 日本精工：合成。 KCBN: 論文執筆、分析、モニタリング。 GRK: 分析をサポートします。

D. Baba Basha または K. Chandra Babu Naidu への通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Baba Basha、D.、Suresh Kumar、N.、Chandra Babu Naidu、K. 他ナノ Sr1−XLaXFe12O19 (X = 0.2〜0.8) の構造、電気、磁気特性。 Sci Rep 12、12723 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-15250-2

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受信日: 2022 年 3 月 27 日

受理日: 2022 年 6 月 21 日

公開日: 2022 年 7 月 26 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-15250-2

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