ساخت و بررسی خواص ساختاری، اپتیکی و مغناطیسی نانوذراتZn1-xNixO

نویسندگان

دانشگاه شهید چمران اهواز

چکیده

در این مقاله، از روش مکانوشیمیایی برای تولید نانوذرات Zn1-xNixO که در آن x برابر 01/0، 02/0، 03/0، 04/0، 05/0، 08/0 و 1/0 است، استفاده شده است. برای بررسی خواص ساختاری از الگوی پراش پرتوX، ریخت­شناسی ذرات از میکروسکوب الکترونی روبشی نشر میدانی، خواص اپتیکی از طیف­سنج فرابنفش- مرئی و طیف­سنج فوتولومینسانس و خواص مغناطیسی از مغناطیس­سنج نمونه­ی ارتعاشی استفاده شده است. نتایج الگوی پراش پرتوX نشان می­دهند که نانوذرات Zn1-xNixO تا x برابر 03/0  تک فاز بوده و فازناخالصی در ساختار اکسید روی ظاهر نمی­شود، و از x برابر 04/0 فاز ناخالصی در این ساختار ظاهر می­شود. نتایج میکروسکوپ الکترونی روبشی نشر میدانی  نشان می­دهد که با آلایش نیکل در ساختار اکسید روی، میانگین اندازه­ی ذرات افزایش می­یابند. بررسی نتایج طیف­سنج فرابنفش- مرئی نشان می­دهند که با آلایش نیکل، گاف اپتیکی نانوذرات اکسید روی کاهش می­یابد که می­تواند به­دلیل برهم­کنش تبادلی sp-d بین الکترون­های نواری و الکترون­های d یون­های Ni2+  باشد. بررسی مغناطیسی نمونه­ی ارتعاشی نشان می­دهد که نانوذرات اکسید روی و آلاییده با نیکل، از میدان صفر تا حدود Oe2000 خاصیت فرومغناطیس از خود نشان می­دهند. در میدان­های قوی­تر، نانو ذراتZn1-xNixO با x برابر صفر و 01/0 خاصیت دیامغناطیسی و برای x بزرگتر از 01/0 نمونه­ها از خود خاصیت پارامغناطیسی نشان می­دهند.     

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Fabrication and study of structural, optical and magnetic properties of Zn1-xNixO nanoparticles

چکیده [English]

In this article, the Zn1-xNixO nanoparticles with x= 0, 0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05, 0.08 and 0.1 have been produced by mechanochemical method. To investigate the structural, morphological, optical and magnetic properties of the samples, the X-ray diffraction, field emission scanning electron microscope, UV-visible spectroscopy, photoluminescence and vibrating sample magnetometer have been used. The results of X-ray diffraction revealed that the Zn1-xNixO nanoparticles with x up to x = 0.03 are single-phase and the impurity phase does not appear in the crystal structure of ZnO, but from x = 0.04 the impurity phase appears in this structure. The results of field emissions canning electron microscope showed average particle size of the ZnO increases with Ni doping. The study of UV-visible spectroscopy showed that the optical band gap of the ZnO nanoparticles decreases by Ni doping, which can be due to sp-d exchange interaction between the band electrons and d-electrons of the Ni2+ ions. The study of vibrating sample magnetometer of the zinc oxide nanoparticles and Ni-doped samples showed that in the range of magnetic field from zero to about 2000 Oe they are in the ferromagnetic state. In the higher magnetic field (more than 5000 Oe) the
Zn1-xNixO nanoparticles with x = 0, 0.01 are diamagnetic and for x more than 0.01 they show paramagnetic property.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Zinc oxide
  • nickel
  • mechanochemical
  • ZnO nanoparticles
[1] Echresh A., Zargar Shoushtari M., "Synthesis of Al-doping ZnO nanoparticles via mechanochemical method and investigation of their structural and optical properties", Materials Letters109 (2013) 88–91.

[2] Tsuzuki T., McCormick P. G., "ZnO Nanoparticles Synthesised by mechanochemical processing", Scripta mater 44 (2001) 1731–1734.

[3] El-Hilo M., Dakhel A. A., Ali-Mohamed A.Y., "Room temperature ferromagnetism in nanocrystalline Ni-doped ZnO synthesized by co-precipitation", Journal of Magnetism and Magnetic Materials321(2009) 2279–2283.

[4] Khorsand Zak A., Majid W. H. A., Abrishami M. E., Yousefi R., Parvizi R.,"Synthesis, magnetic properties and X-ray analysis of Zn0.97X0.03O nanoparticles (X =Mn, Ni, and Co) using Scherrer and sizeestrain plot methods", Solid State Sciences 14(2012) 488-494.

[5] Udayakumar S., Renuga V., Kavitha K., "synthesis and characterization of Ni – doped Zno by chemical precipitation method", international journal of recent scientific research3(2012) 118-122.

[6] Elilarassi R., Chandrasekaran G., "Synthesis, Structural and Magnetic Characterization of Ni-Doped ZnO Diluted Magnetic Semiconductor", American Journal of Materials Science 2 (2012) 46-50.

[7] Zhang Y., Chen E., Shi, Z., "Magnetic properties of different temperature treated Co- and Ni-doped ZnO hollow nanospheres", Materials Science in Semiconductor Processing13 (2010) 132–136.

[8]Dietl T., Ohno H., Matsukura F., Cibert J., Ferrand D., "Zener model description of ferromagnetism in zinc-blende magnetic semiconductors", Science 287 (2000) 22-1019.

[9] Wibowo J. A., Djaja N. F., Saleh R., "Cu- and Ni-doping effect on structure and magnetic properties of Fe-doped Zno nanoparticles", Advances in materials physics and chemistry3 (2013) 48-57.

[10] Moballegh A., Shahverdi H. R., Aghababazadeh R., Mirhabibi A. R., "ZnO nanoparticles obtained by mechanochemical technique and the optical properties", Surface Science 601(2007) 2850–2854.

[11] Mao X., Zhong W., Du Y., "Ferromagnetism of Ni cluster in Ni-doped ZnO by solid state reaction", Journal of Magnetism and Magnetic Materials 320(2008) 1102–1105.

[12] Malaeru T., Neamtu J., Morari C., Sbarcea G., "strucral and magnetic properties ofnanocrystalling powders of Ni – doped ZnO diluted magnetic conductors synthesized by sol-gel method", Revue Roumaine de Chimie57(9-10) (2012) 857-862.

]13[ پورمقدم ا.، زرگرشوشتری م.، فربد م.، " تعیین شرایط بهینه تولید نانوذرات اکسید روی به‌روش مکانوشیمیایی"، بیست و دومین همایش بلورشناسی و کانی شناسی ایران، دانشگاه شیراز (1393).

[14] Elilarassi R., Chandrasekaran G., "Structural, optical and magnetic properties of nanoparticles of ZnO:Ni—DMS prepared by sol–gel method", Materials Chemistry and Physics 123 (2010) 450-455.

[15] Elilarassi R., Chandrasekaran G.,"Synthesis, structural and optical characterization of Ni-doped ZnO nanoparticles", J Mater Sci: Mater Electron 22 (2011) 751-756.

[16] Shinde K. P., Pawar R. C., Sinha B. B., Kim H. S., Oh S. S., Chung K. C., "Optical and magnetic properties of Ni doped ZnO planetary ball milled nanopowder synthesized by co-precipitation", Ceramics International 40 (2014) 16799–16804.

[17] Srinet G., Kumar R., Sajal V., "Effects of Ni doping on structural, optical and dielectric properties of ZnO", Ceramics International 39 (2013) 7557-7561.

[18] Straumal B. B., Mazilkin A. A., Protasova S. G., Straumal P. B., Myatiev A. A., Schutz G., Goering E. J., Tietze T., Baretzky B., "Grain boundaries as the controlling factor for the ferromagnetic behaviour of Co-doped ZnO", Philosophical Magazine 93 (2013) 1371–1383.

[19] Sundaresan A., Rao C. N. R., "Ferromagnetism as a universal feature of inorganic nanoparticles", Nano Today 4 (2009) 96-106.

[20] Hong N. H., Sakai J., Poirot N., Brize V., "Room-temperature ferromagnetism observed in undoped semiconducting and insulating oxide thin films", Phys Rev B 73 (2006) 132404-132408.