Mangan ve bor tabanlı üçlü alaşımların sentezi ve hipertermi uygulamalarının araştırılması
Synthesis of ternary manganese-boron based alloys and investigation of their hyperthermia applications
Yazar: İBRAHİM YAVUZ
Danışman: DOÇ. DR. ABDULLAH CEYLAN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu tez kapsamında, manyetik özellikleri sebebiyle manyetik nanoakışkan hipertermi için uygun bir aday olan mangan-bor (MnB) ve geçiş metali (Çinko, Bakır, Gadolinyum ve Demir) katkılı MnB üçlü alaşımları hazırlanmış, yapısal, manyetik ve hipertermi özellikleri incelenmiştir. Hazırlanan örneklerin parçacık büyüklüğüne ve katkılanan geçiş metalinin türüne bağlı olarak Curie sıcaklığı ve özgül emilim oranı (SAR) değişimi belirlenmiştir.
Başlangıç alaşımları yığın olarak ark ergitme yöntemiyle elde edilmiştir. Hazırlanan örneklerin yapısal karakterizasyonları x-ışını toz kırınım metresi (XRD) ve taramalı elektron mikroskobu-enerji dağılımı x-ışını (SEM-EDX) ile yapılmıştır. Örnekler içerisinde fazlar ve kristal örgü parametreleri MAUD programı kullanılarak Rietveld analiziyle belirlenmiştir. Reitveld analizleri, farklı atomik yüzdelerde katkılanan Cu, Zn, Gd ve Fe iyonlarının kristal örgü parametrelerinde katkıdaki artışa bağlı olarak arttırdığını göstermiştir. Backscatter görüntüleri, Cu ve Gd katkılanan örneklerde farklı fazlara sahip bölgeler olduğunu gösterirken, Zn ve Fe katkılı örneklerde ayrılmış fazlar gözlenmemiştir. Örneklerin manyetik özellikleri ise titreşimli örnek manyetometresi (VSM) ile belirlenmiştir. Oda sıcaklığında ferromanyetik özellik gösteren MnB alaşımının oldukça düşük koersivite değerine karşılık doyum manyetizasyonu 135 emu/g değerinde olduğu gözlenmiştir. Yüksek sıcaklık manyetizasyon ölçümleri Curie sıcaklığının 566 K olduğunu göstermektedir. Farklı atomik yüzdelere sahip Cu, Zn, Gd, Fe geçiş metallerinin katkılanmasıyla yığın örneklerin doyum manyetizasyonları sırasıyla 88, 122, 113 ve 129 emu/g değerlerine kadar azaldığı hesaplanmıştır. Ayrıca Curie sıcaklıklarındaki en düşük değerleri sırasıyla 568, 579, 567, 585 K olarak hesaplandı. Hazırlanan tüm yığın örneklerin koersivite değeri 50 Oe altında kaldığı görülmüştür. 
Yapısal ve manyetik özelliklerinden dolayı MnB ve MnBFe (at %x; 0, 0.5, 1, 2) örneklerin hipertermi uygulaması için en uygun örnekler olduğu belirlendi ve nanoboyuta indirmek için mekanik öğütme yöntemi kullanıldı. Öğütme süreleri 1, 3, 5 saat olan örneklerin kristalite büyüklükleri sırasıyla yaklaşık 25, 18, 17 nm değerine azaldığı XRD ölçümlerinden Rietveld metoduyla hesaplandı. Öğütülmüş örneklerin parçacık büyüklükleri TEM'de belirlendi. 5 saat öğütülen örneklerin yaklaşık olarak 7 nm değerinde parçacık boyutuna sahip olduğu belirlendi. TEM ve XRD sonuçlarındaki bu fark örneklerin ölçüme hazırlanma biçiminden kaynaklanmaktadır. TEM ölçümü için örnekler bir çözücü içerisinde dağıtılırken; XRD ölçümlerinde doğrudan kullanılırlar. Çözücü içerisinde dağıtılan örneklerde büyük parçacıklar çökerek çözeltiden ayrıldığından ortalama parçacık boyutu düşmektedir. Yapılan M-H ve M-T ölçümleri sonucunda örneklerin parçacık boyutu küçülmesiyle birlikte doyum manyetizasyonunun azaldığı fakat Curie sıcaklığının değişmediği belirlenmiştir. Nanoyapılı örneklerin SAR değerlerinin belirlenmesinde RF fırın içerisinde AA manyetik alan uygulanan örneklerin sıcaklıklarının zamanla değişim değerleri kullanılmıştır. Atomik %1 Fe katkılı ve 1 saat öğütülen örneğin maksimum 34,5 W/g SAR değerine sahip olduğu görülmüştür. Parçacık boyutu yaklaşık 7 nm olan örneklerin (5 saat öğütülen) SAR değerleri kıyaslandığında ise en yüksek atomik %0 Fe katkılı örneğin (MnB) 20,5 W/g değerine sahip olduğu hesaplandı.  
Yapılan bu çalışmada, MnB tabanlı üçlü alaşımların sentezi, yapısal ve manyetik özellikleri ilerideki çalışmalara ışık tutması amacıyla gerçekleştirildi. Ayrıca nanoakışkan olarak hazırlanan mangan-bor ve mangan-bor tabanlı üçlü alaşımların daha sonra gerçekleştirilecek çalışmalara yol gösterici nitelik taşımaktadır.

Abstract:
In this thesis, manganese-boron (MnB) which is a applicant for magnetic and transition metals (Zinc, Copper, Gadolinium and Iron) doped MnB ternary alloys which are an applicant for magnetic nanofluid hyperthermia, were synthesized and their structural, magnetic and hyperthermia properties were investigated. The Curie temperature and specific absorption rate (SAR) change were determined by changing the particles size and dopant metal.
The starting alloys were prepared by arc melting method. X-ray powder diffractometer (XRD) and SEM-EDX were used for the structural characterization of the prepared samples. Phases and the crystal lattice parameters of the samples were obtained from MAUD program by making Reitveld analysis. Reitveld analysis showed that addition of Cu, Zn, Gd and Fe ions at different by atomic ratio were increased the crystal lattice parameters to the increase of the ratio. Backscatter pictures showed that different phase were formed in Cu and Gd doped samples. However for the Zn and Fe doped samples there is no contrast difference because of the phase separation which means mono-phase structure. Vibrating samples magnetometer (VSM) was used to determine the magnetic properties of the samples. Room temperature magnetization measurements showed a hysteresis curve with a saturation magnetization of 135 emu/g and a very low coercivity. The high temperature magnetization measurements showed the curie temperature as 566 K, With the addition of transition metals Cu, Zn, Gd, Fe with different atomic ratios, the saturation magnetizations of the bulk specimens were decreased to 88, 122, 113 and 129 emu/g and the Curie temperatures were measured as 568, 579, 567, 585 K, respectively. Room temperature magnetization measurements also showed that the coercivity always lover than 50 Oe for all doped samples
Owing to their structural and magnetic properties, it has been determined that MnB and MnBFe (at %x; 0, 0.5, 1, 2) samples are the most suitable samples for hyperthermia application Bulk samples were milled to reduce the particle size. The crystallite sizes of the samples with milling times of 1, 3, 5 hours were calculated as 25, 18, 17 nm respectively by using Rietveld method from XRD measurements. Transmission electron microscope (TEM) was used to determine the particle sizes of the milled samples. For the 5 hours milled samples particle size calculated approximately 7 nm. The difference between the sizes calculated from XRD and TEM is because of the sample preparation deference for the measurement. For the TEM measurements samples dispersed in a solvent but for the XRD measurements samples were directly used. the bigger particles in the dispersion were collapsed so the mean particle size decreases. From the M-H and M-T measurements, the saturation magnetization decreased by degreasing the particle size but the Curie temperature did not change. To calculate the SAR values of the obtained nanostructured samples, the temperature change of the samples were measured under the AA (alternating current) magnetic field applied by a RF furnace. Sample of atomic 1% Fe doped and milling for 1 hour was showed a maximum SAR value of 34.5 W/g. When the SAR values of samples with a particle size of about 7 nm (5 hours milled) were compared, it was calculated that the highest atomic 0% Fe doped sample (MnB) had a value of 20.5 W/g. 
In this work, the synthesis, structural and magnetic properties of MnB-based ternary alloys were carried out in order to illuminate future work. Otherwise, In addition, manganese-boron and manganese-boron-based ternary alloys prepared as magnetic nanofluids are the guiding principles for the work to be carried out later.