Električne osobine ZnFe2O4 dopiranog itrijumom

UNIVERZITET U NOVOM SADU

PRIRODNO-MATEMATI ˇ

CKI FAKULTET

DEPARTMAN ZA FIZIKU

Biljana Ridiˇ

cki

Elektriˇ

cne osobine ZnFe

dopiranog itrijumom

♦

DIPLOMSKI RAD

mentor

Dr Srdan Raki´

Novi Sad, 2007.

Predgovor

Cilj ovog rada je ispitivanje elektriˇcnih osobina nanomaterijala iz klase spinelnih ferita.
Nanoˇcestiˇcni feriti su zbog svojih jedinstvenih elektriˇcnih i magnetnih osobina naˇsli ˇsiroku
primenu, ˇsto je jedan od razloga zbog kojih je analiza njihovih svojstava zanimljiva. Reˇc
je o novosintetisanim uzorcima dobijenim iz teˇcne faze. Cink-ferit je dopiran itrijumom,
pri ˇcemu je dopiranje u prvom sluˇcaju izvedeno na raˇcun smanjenja koncentracije gvoˇzda,
a u drugom na raˇcun smanjenja koncentracije cinka. Hemijske formule ispitivanih uzoraka
su Y

ZnFe

i Y

U prvoj glavi rada dat je teorijski uvod koji se odnosi na dobijanje materijala na-

nostrukturnog tipa, spinelnu strukturu, elektriˇcne osobine i polarizaciju u promenljivom
elektriˇcnom polju.

U drugoj glavi je data kratka teorijska osnova metoda koje su koriˇstene za karak-

terizaciju osobina ˇcvrstih tela. To se pre svega odnosi na rendgenostrukturnu analizu,
skeniraju´cu elektronsku mikroskopiju i naˇcin merenja dielektriˇcnih osobina.

U tre´coj glavi dati su rezultati dobijeni analizom podataka merenja elektriˇcnih oso-

bina, kao i onih dobijenih iz difrakcije X-zraka. Dati su snimci dobijeni elektronskim
mikroskopom.

Ovaj diplomski rad je nastao kao rezultat saradnje Katedre za opˇstu fiziku Prirodno-

matematiˇckog fakulteta u Novom Sadu i Katedre za inˇzinjerstvo materijala Tehnoloˇskog
fakulteta u Novom Sadu u okviru Projekta br. 142059, finansiranog od strane Ministarstva
za nauku i zaˇstitu ˇzivotne sredine Republike Srbije.

Uzimaju´ci u obzir da eksperimentalni rad sve ˇces´ce zahteva saradnju viˇse institucija,

ni izrada ovog diplomskog rada ne bi bila mogu´ca bez grupe dr Vladimira Srdi´ca sa
Tehnoloˇskog fakulteta u Novom Sadu, gde su uzorci sintetisani. Grupa dr Aleksandra
Kremenovi´ca sa Rudarsko-geoloˇskog fakulteta u Beogradu je snimila difraktograme is-
pitivanih uzoraka, a Miloˇs Bokorov sa Departmana za biologiju Prirodno-matematiˇckog
fakulteta u Novom Sadu je obezbedio SEM snimke. Koristim priliku da im se zahvalim
na nesebiˇcnoj pomo´ci, kao i svima ostalima koji su na bilo koji naˇcin pomogli u realizaciji
ovog rada.

Glava 1

Uvod

1.1

Pojam nanotehnologije

Usled pojave sve ve´ceg broja radova koji govore o primenama koje nanotehnologija moˇze
doneti u budu´cnosti, koncept nanotehnoloˇske revolucije je naˇsao uporiˇste ne samo u
nauˇcnoj zajednici, ve´c i u ˇsiroj javnosti. Pojam nanotehnologije nije nov—iako je sam na-
ziv nastao ˇsezdesetih godina dvadesetog veka, moˇze se re´ci da je nanotehnologija izuˇcavana
u hemiji i tehnologiji materijala od samog nastanka ovih oblasti. Naime, poznato je da su
nanoˇcestice koriˇs´cene pre viˇse od dve hiljade godina u izradi stakla u Starom Rimu, gde
su klasteri nanoˇcestica zlata koriˇs´ceni za dobijanje ˇzivopisnih boja.

Do pravog napretka u koriˇs´cenju nanoˇcestica doˇslo je poˇcetkom dvadesetog veka pro-

izvodnjom

carbon black

-a i nakon toga, tehnologije naparavanja silicijum dioksida. Novi

materijali su doveli do poboljˇsanja osobina polimera koji su nalazili sve ˇsiru primenu.
Medutim, napredak je ostvarivan empirijskim putem—materijali su bili otkrivani, a ne
dizajnirani. Do slede´ceg koraka, dizajniranja nanomaterijala, doˇslo se tek sa razvojem ne-
koliko tehnologija: veoma brzih raˇcunara, i samim tim, mogu´cnosti modelovanja fiziˇckih
procesa, naprednih tehnika karakterizacije materijala, kao ˇsto su mikroskopi visokih re-
zolucija (TEM—transmisioni elektronski mikroskop; SEM—skeniraju´ci elektronski mi-
kroskop) i novih naˇcina sinteze materijala, kao ˇsto su sinteza iz parne i sinteza iz teˇcne
faze.

Upravo ova razlika u pristupu diferencira modernu nanotehnologiju od predaˇsnjih me-

toda tehnologije dobijanja materijala.

Iako se o nanotehnologiji naˇsiroko govori, ne postoji slaganje u pogledu definicije i

granice nano-domena. Iz razliˇcitih pristupa sledi i nekoliko razliˇcitih naˇcina kojima se
nanotehnologija definiˇse kao [1]:

•

tehnologija koja se bavi strukturnim jedinicama veliˇcine do 100 nm,

•

tehnologija koja se bavi elementima sub-mikronske veliˇcine,

•

tehnologija koja manipuliˇse ˇcesticama na nivou atoma i molekula.

Pored njihove veliˇcine, joˇs jedna specifiˇcnost nanomaterijala jeste velik odnos dodirne

povrˇsine i zapremine. Kod nanosilikata je ovaj odnos toliki da bi ekvivalent bila kiˇsna
kap sa povrˇsinom veliˇcine fudbalskog igraliˇsta.

U pitanju je materijal koji se najˇceˇs´ce dobija nepotpunim sagorevanjem naftnih proizvoda. Po

sastavu je amorfni ugljenik, sa izuzetno visokim odnosom povrˇsine i zapremine, i kao takav, predstavlja
jedan od prvih proizvedenih nanomaterijala.

1.2. PRIMENA NANOMATERIJALA

Bitna odlika nanoˇcestica je i da se mogu na´ci u veoma razliˇcitim materijalima, ukljuˇcu-

ju´ci polimere, metale i keramiku, kao i u razliˇcitim morfologijama—od sfera, preko ploˇcica
i pahuljica, do dendritskih (konˇcanih) struktura.

1.2

Primena nanomaterijala

Materijali nanostrukturnog tipa potencijalno imaju veoma zanimljive primene. Osobine
materijala ˇcija je veliˇcina ˇcestica u rasponu od 1 nm do 250 nm leˇze u oblasti izmedu
kvantnih efekata atoma i molekula i makroskopskih odlika voluminoznih uzoraka. Upravo
u ovoj “niˇcijoj zemlji” ve´cina fiziˇckih osobina se kontroliˇse putem pojava koje imaju
kritiˇcne granice na nanoskali.

Mogu´cnost proizvodnje i kontrolisanja strukture nanoˇcestica omogu´cava uticaj na kraj-

nje osobine i, naposletku, dizajniranje materijala koji ´ce imati ˇzeljena svojstva. Postoji
izuzetno ˇsirok raspon primena u kojima veliˇcina ˇcestica dovodi do poboljˇsanja u karakteri-
stikama materijala: mala veliˇcina omogu´cava finije poliranje i dobijanje glatkijih povrˇsina;
ukoliko je veliˇcina zrna suviˇse mala za dislokacije dobijamo metale velike tvrdo´ce i jaˇcine;
velika dodirna povrˇsina omogu´cava dobijanje efikasnijih katalizatora i energijski bogatijih
materijala.

Po pravilu, nanostrukturni materijali ˇcesto imaju jedinstvene elektriˇcne, hemijske,

strukturne i magnetne osobine, pa se koriste u uredajima za ˇcuvanje informacija, biopro-
cesiranje i u proizvodnji ferofluida.

1.3

Dobijanje materijala nanostrukturnog tipa

Proizvodnja nanomaterijala se moˇze ostvariti na viˇse naˇcina. Neke metode postoje godi-
nama, dok su druge skorijeg porekla.

U suˇstini, postoje ˇcetiri opˇste metode za dobijanje nanomaterijala [1]: mehanohemijske

metode, sinteza iz teˇcne faze, sinteza iz parne, odnosno gasne faze i metode formiranja

in situ

. Paˇznju treba posvetiti svakoj metodi ponaosob, jer se dobijeni materijali mogu

znaˇcajno razlikovati po svojim osobinama. Takode, neke metode su pogodnije za dobijanje
odredenih klasa materijala od drugih.

1.3.1

Mehanohemijske metode

U ove metode spadaju drobljenje, mlevenje i tehnike mehaniˇckog legiranja. Mlevenje je
vaˇzan postupak u tehnologiji prerade metalnih i keramiˇckih prahova. Njegova osnovna
namena je promena veliˇcine i oblika ˇcestica, kao i homogenizacija praˇskastih sloˇzenih
smeˇsa koje mogu biti naknadno kompaktirane presovanjem ili sinterovanjem. Mlevenje
moˇze dovesti i do razliˇcitih fiziˇckohemijskih i hemijskih promena materijala. U tom sluˇcaju
mlevenje se moˇze opisati kao mehanohemijski tretman, promena reaktivnosti praˇskastog
materijala kao mehaniˇcka aktivacija, a reakcije izazvane unoˇsenjem mehaniˇcke energije
kao mehanohemijske reakcije.

Tokom mlevenja odigravaju se brojni procesi na makroskopskom, mikroskopskom i

atomskom nivou: obrazovanje i kretanje jednodimenzionih defekata u strukturi, plastiˇcna
deformacija, smicanje i lom ˇcestica, lokalno zagrevanje i emisija elektrona. Za mehanohe-
mijski tretman prahova koriste se razliˇciti tipovi mlinova kao ˇsto su: vibracioni, atricioni,
planetarni i horizontalni kugliˇcni mlinovi.

1.4. SPINELNA STRUKTURA ZNFE

1.3.3

Sinteza iz teˇ

cne faze

U ovu grupu metoda spadaju hidrotermalne metode, sol-gel metoda i drugi procesi sinteze
iz teˇcne faze metodom taloˇzenja. U osnovi ovih metoda leˇzi meˇsanje rastvora razliˇcitih
jona u taˇcno definisanim odnosima pod kontrolisanom temperaturom i pritiskom. Razme-
nom toplote se podstiˇce formiranje nerastvorljivih kompleksa koji su dobijeni taloˇzenjem
iz rastvora. Ovakav materijal se onda skuplja putem filtriranja i/ili suˇsenja, ˇcime se dobija
prah.

Prednost ovih hemijskih procesa je u tome ˇsto se ovim putem mogu dobiti znaˇcajne

koliˇcine neorganskih i organskih materijala, kao i pojedinih metala, uz koriˇs´cenje relativno
pristupaˇcne opreme. Drugi vaˇzan faktor je mogu´cnost preciznog kontrolisanja raspodele
veliˇcina ˇcestica. Medutim, postoje i odredena ograniˇcenja, pre svega u dobijanju sinteti-
sanog materijala ˇcija stehiometrija, po pravilu, odstupa od ˇzeljene.

1.3.4

Metode formiranja

in situ

Metode formiranja

in situ

, odnosno na licu mesta ukljuˇcuju procese litografije, vakuum-

skog taloˇzenja (fiziˇckog i hemijskog naparavanja) i tehnologiju sprejnih premaza. Njiho-
vim koriˇs´cenjem se mogu dobijati gotovi proizvodi, poput tranzistora, integrisanih kola,
senzora i ostalih elektronskih komponenti. Pored toga, ove metode su namenjene i za
dobijanje nanostrukturnih slojeva i premaza, ali se mogu koristiti i za proizvodnju na-
nomaterijala skidanjem ovih nanosa sa kolektora. Zbog male efikasnosti ne koriste se za
dobijanje prahova.

Kao ˇsto se vidi, za proizvodnju nanomaterijala se moˇze koristiti mnoˇstvo razliˇcitih

metoda pri ˇcemu svaka od njih ima svoje prednosti i nedostatke, i sve imaju komercijalnu
primenu.

1.4

Spinelna struktura ZnFe

Spinelima nazivamo klasu izostrukturnih jedinjenja sa karakteristiˇcnom,

spinelnom

struk-

turom. U tipiˇcne predstavnike spadaju spinel (MgAl

), po kome je cela klasa i ime-

novana, magnetit (Fe

), jakobsit (MnFe

) i hromit ((Fe