Магнитные свойства наночастиц оксидов железа в матрице калиево-алюмоборатных стекол, подверженных терморадиационному воздействию

ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА

Магнитные свойства наночастиц оксидов железа в матрице калиево-алюмоборатных стекол, подверженных терморадиационному

воздействию

М.К. Салахитдинова,1, * Э.М. Ибрагимова,2, ^ О.К. Кувандиков1, ^

1 Самаркандский государственный университет. Самарканд, Узбекистан 2 Институт ядерной физики АН Республики Узбекистан. Ташкент, Узбекистан

В работе представлены результаты исследования магнитных свойств стекол состава К2О-АЬОз-ВгОз (КАБ) с добавками Ре2О3 2.0 и 3.0 масс.%, подвергнутых радиационной обработке в гамма-поле 60 Со при мощности дозы 236 Р/с в течение 2 ч при комнатной температуре и при нагреве образцов до 423 К. Как при радиационном, так и при терморадиационном воздействии магнитная восприимчивость стекол следует закону Кюри-Вейсса при 4.2-200 К и незначительно отклоняется от этой зависимости при 200-340 К. Слабо выраженный магнитный гистерезис с низкой коэрцитивной силой обнаружен при низких температурах на фоне практически линейно зависящей от поля намагниченности. Анализ данных по температурной и полевой зависимостям намагниченности в слабых и сильных полях в сочетании с данными о структурных и оптических свойствах свидетельствует о том, что в стеклах формируются в основном наночастицы Ре2О3 в нескомпенсированном антиферромагнитном состоянии, а также незначительное количество диссоциированных ионов Ре и Ре3 О4.

РЛСЯ: 61.18.-^75.20.^ УДК: 53.09

Ключевые слова: калиевоалюмоборатные стекла, наночастицы оксидов железа, терморадиационная обработка, кривые намагничивания, магнитная восприимчивость, эффективный магнитный момент.

БОТ: 10.55959/МЯи0579-9392.78.2340502

ВВЕДЕНИЕ

Поведение микро- и наночастиц оксидов железа в различных матрицах вызывает значительный интерес, так как такие частицы обладают значительным потенциалом использования в качестве магнитных сорбентов, биосовместимых материалов медицины, материалов для магнитной записи и др. [1-5]. Всего известно 16 модификаций оксидов железа, которые формируются в зависимости от окружения двухвалентного или трехвалентного железа. Из них наиболее изученными и стабильными являются Ре0, гематит а-Ре2 0з, маггемит 7-Ре2 0з и магнетит РезО4. Самым стабильным оксидом является а-Ре2 0з, а его магнитные свойства сильно зависят как от размера частиц, так и от дефектов в объеме и на поверхности частиц, а также матрицы [2, 6, 7]. Если для крупных образцов а-Ре2 0з является антиферромагнетиком с температурой Нееля ТN = 953 К и температурой Морина Тм = 260 К, выше которой появляется нескомпенсированный магнитный момент, то в наночастицах нескомпенсирован-ный магнитный момент возникает уже при низких температурах [2]. Температура Морина в наноча-стицах а-Ре2 0з частицах размером меньше 8-20 нм становится меньше 4 К [8-10], что связывается с изменением параметра решетки [11]. Возникновение

* Е-таП: smaysara@yandex.ru ^ E-mail: ibragimova@inp.uz ^ E-mail: quvandikov@rambler.ru

слабого ферромагнетизма в наночастицах а-Ре2 03 возможно за счет нескомпенсированных магнитных моментов, дефектов в объеме и на поверхности наночастиц.

Калиевоалюмоборатные стекла (КАБ-стекла) с добавками оксида железа являются радиационно-оптическими материалами, перспективными для использования в приборах и устройствах, работающих в мощных радиационных полях и различных экстремальных условиях. Добавление оксидов железа, наряду с окрашиванием стекол, приводит к их большей радиационной устойчивости и делает их магнитоактивными, в частности приводит к возможности использования их магнитооптических свойств (см. [12-14], а также статью Э.М. Ибрагимовой и др. в этом журнале № 4 (2022)). Выполненные недавно структурные исследования в последней статье показали, что в таких стеклах преимущественно образуются наночастицы Ре2 0з с широкой дисперсией по размерам частиц, тогда как доля Ре0 и Рез04 незначительна. Целью настоящей работы является исследование магнитных свойств КАБ-стекол, активированных наночастица-ми ионами железа при радиационном и терморадиационном воздействиях.

1. ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Объекты исследования — стекла состава К2О-Л120з-В20з без добавок Ре20з и с добав-

ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА

Таблица. Список исследованных образцов

№1 Исходное КАБ стекло без оксидов железа и без радиационного облучения

№2 2.0 масс.% Ре2О3 / радиационное облучение при комнатной температуре

№3 2.0 масс.% Ре2О3 / радиационное облучение при Т = 423 К

№4 3.0 масс.% Ре2О3 / радиационное облучение при комнатной температуре

ками до 3.0 масс.%. Варка стекол проводилась при температуре 1603±5,К в лабораторных условиях из химически чистых реактивов в корундовых тиглях вместимостью 3 л. Температура варки была меньше температуры плавления оксидов железа. Образцы изготавливались в форме пластин площадью 1 см2 и толщиной 1±0.05 мм. Радиационная обработка при комнатной температуре и терморадиационная обработка при температуре облучения образцов 423 К проводились внутри гамма-поля 60Со при мощности излучения 236 Р/с в течение 2 ч. Структурные исследования были выполнены по методике, описанной в [9]. Исследование магнитных свойств наночастиц проводились с помощью СКВИД-магнитометра «Cryogenic S700XR» при t = 4.2 - 400 К в полях до 4 Тл.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЯ

Рис. 1. Кривые намагничивания М(В) всех четырех образцов в магнитных полях до 1000 Гс и при температуре 5 К. На вставке представлен тот же график, но в другом масштабе

На рис. 1 представлены зависимости намагниченности образцов от приложенного магнитного поля до 1000 Гс при 5 К. Намагниченность содержащих оксиды железа стекол практически линейно зависит от поля, наклон кривых растет с увеличением содержания Ре20з, а магнитный гистерезис удается выделить только на начальном участке кривых. Это поведение указывает на то, что в основном имеет место парамагнитный отклик и незначительный ферромагнитный вклад. Так как коэрцитивная сила не превышает 4 Гс, то ферромагнитный отклик, вероятно, связан с нескомпенсированным антиферромагнетизмом наночастиц а-Ре2 0з, который возник за счет нескомпенсированных спинов на поверхности частиц или дефектов. Коэрцитивная сила частиц Рез04 и 7-Рв2 0з на порядок величины больше, и поэтому даже их малое количество, по структурным данным не превышающее 2-3% [9], не может привести к наблюдаемому виду петли гистерезиса.

Парамагнитный отклик связан как с диссоциированными в матрице ионами железа, которые возникли в результате радиационного воздействия, так и с теми же нескомпенсированными магнитными моментами наночастиц а-Ре2 0з. Возможная роль суперпарамагнитных частиц 7-Рв2 0з и Рез04 ма-

ловероятна, так как наши измерения намагниченности в слабых полях в режимах <^РС» и «РС» не выявили температуру блокировки вплоть до 4.2 К.

Интересно, что кривые намагничивания образцов №2 и №3 практически совпадают, то есть терморадиационное воздействие при 423 К не приводит к дополнительным изменениям магнитных свойств по сравнению с радиационным воздействием при комнатной температуре.

На рис. 2 показана температурная зависимость намагниченности образца №4 в магнитном поле 4 Тл. Намагниченность быстро уменьшается при повышении температуры, как и следовало ожидать для парамагнитного отклика.

Парамагнитный отклик подтверждается и измерениями магнитной восприимчивости х в слабых полях. На рис. 3 показана температурная зависимость обратной восприимчивости х-1(Т) стекла КАБ, содержащего оксид железа, измеренная в интервале температур 4.2-340 К. Восприимчивость подчиняется закону Кюри-Вейсса, х = С/Т — в, с положительным значением температуры в. Слабое отклонение от линейной зависимости х-1(Т) имеет место при Т > 200 К. Увеличение наклона кривой при Т > 200 К, то есть уменьшение ве-

Рис. 2. Температурная зависимость намагниченности М (Т) образца №4 при В = 4 Тл (на вставке приведена температурная зависимость обратной магнитной восприимчивости х-1(Т) образца № 4 при В = 4 Тл

Рис. 3. Зависимость обратной магнитной восприимчивости от температуры при В = 100 Гс образца № 2

личины температуры отсечки в, свидетельствует об уменьшении ферромагнитного взаимодействия между магнитными моментами при повышении температуры.

Из экспериментальных данных по восприимчивости можно по стандартной процедуре [7] оценить значение эффективного магнитного момента на формульную единицу Ре20з. Эта величина оказалась равной 0.7 ^В, то есть существенно меньше, чем магнитный момент железа в двухвалентном или трехвалентном состояниях. Это подтверждает, что парамагнетизм в основном определяется нескомпенсированными магнитными моментами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ магнитных свойств КАБ-стекол с добавками Ре20з от 2.0 и 3.0 масс.% показывает, что в матрице стекла находятся изолированные ионы железа, возникшие при радиационном воздействии, и частицы Ре2 0з, которые находятся в необычном для антиферромагнитного а-Ре20з состоянии, а именно в состоянии с нескомпенсированными магнитными моментами, которые определяют слабо выраженный магнитный гистерезис и основной парамагнитный вклад. Вклад других оксидов железа в магнитные свойства исследуемых стекол незначителен.

Авторы статьи выражают благодарность сотрудникам Технологического университета Лап-пеенранта-Лахти, Лаппеенранта, Финляндия Егору А. Фадееву и Эркки Ладеранта за оказанную помощь в магнитных измерениях.

Работа выполнена по грантам А-4-9 и ОТ-Ф2-27 Министерства высшего и среднего специального образования Республики Узбекистан.

[1] Zhong L.S., Hu J.S., Liang H.P. et al. // Adv. Mater. 18. 2426. (2006).

[2] Gubin S.P. Magnetic Nanoparticles. John Wiley & Sons, 2009. P. 483.

[3] Pankhurst A., Connolly J., JonesS. K., Dobson J. // J. Phys. D: Appl. Phys. 36. R167. (2003). http:// iopscience.iop.org/0022-3727/36/13/201

[4] Bedanta S., Barman A., Kleemann W. et al. //J. Nanomaterials. ID 952540. (2013).

[5] Arbab Ali, TUfail Shah, Rehmat Ullah et al. // Frontiers in Chemistry. 9. 1. (2021).

[6] Suber L., Fiorani D., Imperatori P. et al. // NanoStructured Materials. 11(6). 797. (1999).

[7] Brndker F., Hansen M.F, Koch C.B. et al. // Phys. Rev. B. 61(10). 6826. (2000).

[8] Schroeer D., NiningerJr R.C. // Phys. Rev. Lett. 19.

632. (1967).

[9] Yamamoto N. // J. Phys. Soc. Jpn. 24. 23. (1968).

[10] Nininger R.C., Schroeer Jr.D. // J. Phys. Chem. Solids. 137(39). (1978).

[11] AyyubP., Multani M., Barma M. et al. // J. Phys. C. 21. 2229. (1988).

[12] Mugiraneza S., Hallas A.M. // Communications Physics. 5, N 1. 95. (2022).

[13] IbragimovaE.M., Salakhitdinov A.N., Salakhitdinova M.K., Yusupov A.A // J. Appl. Spectr. 85, N 2. 255. (2018).

[14] Ibragimova E.M., Salakhitdinov A.N., Salakhitdinova M.K. et al. // Journ. Magn. Magn. Mater. 459. 12. (2018).

ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА

Magnetic properties of iron oxide nanoparticles in the matrix of potassium-aluminoborate glasses subjected to thermoradiation treatment

M.K. Salakhitdinova1'", E. M. Ibragimova2'6, O.K. Kuvandikov1c

1 Samarkand State University named after Sharof Rashidov, Institute of Engineering Physics 2 Institute of Nuclear Physics of Academy of Sciences of Republic of Uzbekistan 3Lappeenranta-Lahti University of Technology LUT E-mail: asmaysara@yandex.ru, b ibragimova@inp.uz, cquvandikov@rambler.ru

The paper presents the results of investigations of the magnetic properties of glasses of the composition K2O • AI2O3 • B2O3 (KAB) with the addition of Fe2O3 2.0 and 3.0 wt.subjected to radiation treatment in 60° C gamma field at dose rate of 236 R/s for 2 hours at room temperature and when samples are heated to 423K. Both under radiation and thermoradiation exposure, the magnetic susceptibility of glasses follows the Curie-Weiss law at 4.2-200 K and slightly deviates from this dependence at 200-340 K. The weakly pronounced magnetic hysteresis with low coercive force was detected at low temperatures against the background of magnetization that depends almost linearly on the field. An analysis of data on the temperature and field dependences of magnetization in weak and strong fields, combined with data on structural and optical properties, indicates that mainly Fe2O3 nanoparticles in the uncompensated antiferromagnetic state are formed in glasses, as well as an insignificant amount of dissociated Fe and Fe3O4 ions.

PACS: 61.18.-j,75.20.-g.

Keywords: potassium aluminoborate glasses, iron oxide nanoparticles, thermoradiation treatment, magnetization curves, magnetic susceptibility, effective magnetic moment. Received 2023.

English version: Moscow University Physics Bulletin. 2023. 78, No. 4. Pp. 527-530. Сведения об авторах

1. Салахитдинова Майсара Камолидиновна — канд. физ.-мат. наук, доцент; e-mail: smaysara@yandex.ru.

2. Ибрагимова Эльвира Меметовна — доктор физ.-мат. наук, профессор, зав. лабораторией; e-mail: ibragimova@inp.uz.

3. Кувандиков Облакул Кувандикович — доктор физ.-мат. наук, профессор; e-mail: quvandikov@rambler.ru.