+3 DEĞERLİ DEMİR ve NİKEL İYONLARI İÇEREN LiFe1-xNixO2 BİLEŞ
-ÖZ YÜKSEK LİSANS TEZİ-
+3 DEĞERLİ DEMİR ve NİKEL İYONLARI İÇEREN LiFe1-xNixO2 BİLEŞİKLERİNİN MANYETİK ÖZELLİKLERİ
Fatma EMEN
ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
FİZİK ANABİLİM DALI
Danışman: Prof. Dr. Kerim KIYMAÇ
Yıl: 2005, Sayfa 59
Jüri : Prof. Dr. Kerim KIYMAÇ
Prof. Dr. Bekir ÖZÇELİK
Prof. Dr. Osman SERİNDAĞ
Bu çalışmada katıhal tepkime yöntemiyle hazırlanan çeşitli LiFe1-xNixO2 ( 0≤x≤0,4 ) bileşiklerinin yapısal ve manyetik özellikleri araştırıldı. Yapısal özellikleri XRD ve manyetik özellikleri ise ESR, mıknatıslanma ve histerisis ölçümleri ile araştırıldı. XRD analizleri tüm örneklerin örgü parametreleri a=4,158 A0 olan kübik yapıda olduğunu gösterdi. ESR ölçümleri spektroskopik yarılma faktörü g’ in yaklaşık 2 olduğunu ortaya koydu. Bu demektir ki yörüngesel manyetik moment katkısı hemen hemen ortadan kalkmış ve spin açısal momentumu başat durumdadır. Mıknatıslanma ve histerisis ölçümleri Ni miktarı artıkça antiferromanyetik yapının yanı sıra daha düşük sıcaklıklarda spin-cam fazlarının da oluştuğunu ortaya koymuştur.
1. GİRİŞ
Doğadaki bütün maddeler manyetik davranış gösterirler. Bazı maddelerin manyetik özelliklerini kolayca gözlemleyebiliriz. Örneğin bir ferromanyetik madde sürekli mıknatıslanma davranışı gösterir. Demir gibi yumuşak ferromanyetler ise kalıcı mıknatıslanma davranışı göstermezler. Maddelerin manyetik yapısı hakkında genel bilgi elde etmek için, bu maddelerin mıknatıslanmasını ve manyetik duygunluğunu ölçmek gerekir. Bazı manyetik maddelerin manyetik davranışları basit yöntemlerle gözlenebilirken bazılarının manyetik davranışlarını gözleyebilmek için yardımcı araç ve gereçlere ihtiyaç duyulur.
Manyetik maddeler farklı fiziksel özelliklere ve davranışlara sahiptir. Bu özellik yalnızca maddenin mıknatıslanmasıyla sınırlı değildir. Maddeler ısı iletimi, ses iletimi, elektrik iletimi, rezonans vb. gibi özellikler açısından da farklılıklar taşır. Manyetik maddeler bu özelliklerine göre sınıflandırılmazlar. Manyetik maddeler faz aralığına bağlı olarak sınıflandırılırlar. Manyetik maddelerde faz geçişleri vardır. Bu faz geçişleri, sıcaklık ve maddeye dışardan uygulanan dış manyetik alana bağlıdır. Bir maddenin sahip olduğu faz değiştirilirse, o maddenin bütün fiziksel özellikleri değişebilir. Bu açıdan bakıldığında manyetik faz geçişlerine neden olan kritik sıcaklıkların tespit edilmesi maddelerin sınıflandırılmasını kolaylaştırır.
Bu çalışma kapsamında demir iyonları içeren çeşitli LiFe1-xNixO2 ( 0≤x≤0,4 ) bileşiklerinin XRD, ESR ve mıknatıslanma ölçümleri yapılarak fiziksel ve manyetik özellikleri belirlenmeye çalışıldı.
Bu tezin giriş bölümünün ikinci kesiminde, maddelerin manyetik özellikleri hakkında genel bilgiler , önceki çalışmalar bölümünde demirli bileşiklerle yapılmış deneysel çalışmalar, materyal ve metot bölümünde bileşiğin hazırlanma aşamaları ve kullanılan teknikler hakkında genel bilgiler verilmektedir. Tezin araştırma ve bulgular kısmında ise yapılan XRD, ESR ve mıknatıslanma ölçümleri ve sonuçları, ve son olarak, tartışma ve sonuçlar kısmında bulguların tartışılması ve sonuç verilmektedir.
1.2. Maddelerin Manyetik Özellikleri
Manyetik sistemlerle, manyetik dipol momenti arasında çok önemli bir ilişki vardır. Manyetik dipol momenti manyetizmanın kaynağını oluşturur ve maddelerin manyetik davranışlarını anlayabilmek için son derece önemlidir. Mıknatıslanmış bir maddedeki manyetik momentler iç atomik akımlardan kaynaklanır. Bu akımlar elektronların çekirdek veya kendi ekseni etrafında ve çekirdekteki protonların kendi eksenleri etrafında dönmesinden ileri gelir.
Atomik teoriye göre atomik manyetik moment μ üç kaynaktan oluşur;
a- Elektronların kendi ekseni etrafında dönmesinden kaynaklanan "spin açısal momentumu" S
b- Atomun en dışındaki yörüngede bulunan elektronların çekirdek etrafında dönmesinden kaynaklanan ´´ yörüngesel açısal momentumu ’’ L
c- Uygulanan manyetik alandan kaynaklanan yörüngesel açısal momentumdaki değişimler. ( Mattis, 1981 )
Manyetik moment yörünge açısal momentumuyla orantılıdır. Orantı katsayısı e/2me yalnızca elektronun yüküne ve kütlesine bağlıdır. Elektronun negatif yükünden dolayı iki vektör μ ve L, birbirine zıt yöndedir ( Keller , 1996 ). Katı içerisindeki manyetik dipol momentlerinin bağlı olacak şekilde birbirleriyle etkileşmeleri ve bu iç etkileşmelere bağlı olarak uzaysal yönelimleri o maddenin manyetik özelliklerini belirler. Bu özellikler, manyetik dipol momentlerinin bu kollektif hareketinin, çok genel olarak sıcaklık ve maddeye uygulanan bir dış manyetik alanın fonksiyonu olduğunu gösterir. Manyetik momentlerin bu davranışları bir faz aralığı ile karakterize edilir. Manyetik maddeler hangi faz aralığında iseler o fazda en düşük enerji seviyesine sahip oldukları kabul edilir. Bir manyetik maddenin bir fazda sahip olduğu manyetizasyon, duygunluk, ses iletimi, elektriksel iletim gibi bazı fiziksel özelliklerini değiştirmesi o maddenin başka bir faza geçtiğini işaret eder. Bu faz geçişleri bir TC geçiş sıcaklığı ile karakterize edilir. Bu fazlar sınıflandırılabilir. Kolaylık açısından bu sınıflandırma χ duygunluğu dikkate alınarak yapılmaktadır. Manyetik duygunluk maddesel ortamın bir ölçüsüdür ve ortamdan ortama değişir. Manyetik alan içinde bulunan atomlar bu alana zıt ya da alanla aynı yönde bir manyetik moment oluştururlar. Bu nedenle ya itilir ya da çekilirler. Bir maddenin manyetik özellikleri bakımından hangi sınıfta yer aldığının saptanması için bir magnetometre yardımıyla maddenin manyetik duygunluğu ölçülür. Ölçüm sonucundaki duygunluk büyüklüğü ve işareti örneğin hangi tür özellik gösterdiğini ifade eder. Ayrıca maddenin manyetik durumu, mıknatıslanma vektörü ile anlatılır. Mıknatıslanma ( M ) birim hacimdeki net manyetik dipol momentine denir. Maddelerin manyetik özelliklerini karakterize etmekte mıknatıslanmanın (M) büyüklüğü ve işareti kadar uygulanan alan H ile değişimi de önemli yer tutar ( Mattis, 1981). Manyetik sistemler; diamanyetik, paramanyetik, ferromanyetik, anti-
ferromanyetik ferrimanyetik ve spin-camlar olmak üzere sınıflandırılabilir. Bu bölümde, manyetik maddelerle ilgili yapılan bu sınıflandırmanın temel kavramlarını vereceğiz. Çizelge 1.1. de bu maddelerin özellikleri kısaca belirtilmektedir.
1.2.1. Diamanyetizma
Elektronik yapılarından dolayı net manyetik momenti olmayan bir çok malzeme vardır. Moleküller göreli olarak yoğun sıvı ya da katı oluştursa bile dışardan manyetik alan uygulamadıkça çoğu malzemenin M mıknatıslanması sıfırdır. Ama dışardan bir manyetik alan uygulandığında moleküllerin, küçük de olsa bir manyetik momentleri oluşur. Moleküllerin bu manyetik momentlerini dışardan uygulanan alan indükler. İndüklenmiş manyetik moment uygulanan manyetik alana zıt yöndedir. Böylece maddenin mıknatıslanması manyetik alana zıt yönde oluşur. Bu tür maddelere diyamanyetik maddeler denir. Diyamanyetik maddeler dış manyetik alanın yönü ne olursa olsun alanla zıt yönlü mıknatıslanma edinirler ve alanın daha zayıf olduğu yöne doğru kaçarlar. Bu olaya diyamanyetizma denir. ( Keller, 1996 ) Manyetik alan uyguladığımız her madde atom ve moleküllerden oluştuğu için bir ölçüde diyamanyetiktir. Genellikle tüm yörüngeleri dolu olan maddelerde diyamanyetizmayı görebiliriz. Örneğin soygazlar. Çünkü diğer manyetik özellikler ancak atomun dolmamış elektron yörüngeleri varsa ortaya çıkar. Diyamanyetik bir maddeyi alan dışına iten kuvvetin büyüklüğü çok küçük olduğundan böyle malzemelerin manyetik alanla etkileşmelerini gözlemlemek oldukça zordur. Yapılan araştırmalar maddelerin diyamanyetik özelliklerinin temelde sıcaklıktan bağımsız olduklarını ve manyetik momentin genellikle alanla orantılı olduğunu göstermiştir. Diamagnetik maddenin duygunluğu negatiftir ( X<0 ) ve M ve H zıt yönlüdür ( K.Kıymaç, Manyetizma Ders Notları ).
1.2.2. Ferromanyetizma
Demir ( Fe ), Nikel ( Ni ), Kobalt ( Co ), Godolinyum ( Gd) ve Disprosyum ( Dy ) manyetik olarak oldukça kuvvetli maddeler olup bu maddelere ferromanyetik maddeler denir.. Bu maddeler zayıf bir dış manyetik alan içinde bile birbirlerine paralel olarak yönelmeye çalışan atomik dipol momentlere sahiptirler. Dış manyetik alan kaldırılsa bile madde içerisinde paralel olarak yönelen dipol momentler aynı yönde sürekli olarak kalmaya devam ederler. Bu etki manyetik dipol momentlerinin birbirleriyle etkileşimden kaynaklanır. Bu etkileşimler, kuantum mekaniksel etkileşimlerin bir sonucudur. Bu yaklaşım komşu momentlerin paralel olmasına enerji açısından izin verir. ( Mattis, 1981) Ferromanyetik maddelere etkiyen çekme kuvveti oldukça büyüktür. Diyamanyetik ve paramanyetik maddelere etkiyen kuvvet dış alan şiddetinin karesiyle orantılı olduğu halde , ferromanyetiklerde doğrudan alan şiddetiyle orantılıdır. Dolayısıyla ferromanyetik maddeler dış alan değişmelerinden diğer manyetik maddeler kadar etkilenmez. Ferromanyetik maddeler domain ( bölge ) denilen yapılara ayrılmıştır. Bu bölgelerin her biri tam olarak kendiliğinden mıknatıslanmıştır. Yani bölgelerin her birindeki manyetik momentlerin tamamı belirli bir yöne dizilmişlerdir. Bunların mıknatıslanma yönleri uygulanan alanla değiştirilebilir. Fakat büyüklükleri çok az değiştirilebilir. Sıcaklık artırılarak bu bölgelerin mıknatıslanmaları belirli bir sıcaklığın üzerinde kaldırılabilir. Bu sıcaklığa Curie sıcaklığı denir. Ferromanyetik maddeler çok küçük manyetik alanlarda ( 1 Oe gibi) doyuma ulaşabilirler. Domaindeki kendiliğinden mıknatıslanmayı oluşturan iç alanların kaynağı manyetik etkileşimler değildir.Bu kuvvetlerin kaynağı değiş-tokuş denilen bir etkileşimdir. Bu etkileşim 1926 yılında Heisengerg tarafından keşfedilmiştir. Bu kuantum mekaniksel bir sonuçtur. Bu etkileşim hareket durumlarına bağlı olarak iki komşu elektronun spinlerinin paralel veya antiparalel yönelmesine neden olur. Spinler antiparalel ise, tüm bu kuvvetlerin toplamı çekicidir ve yapı karalıdır. Spinler paralel ise, atomlar birbirini iter. Değiş-tokuş etkileşimi olarak tanımlayacağımız bu etkileşim Pauli dışarlama etkisini de içermektedir. Bu değiş tokuş etkileşimi elektrostatik kaynaklı olup manyetik kuvvetlerden çok büyüktür. ( Kıymaç, Manyetizma Ders Notları )
Ferromanyetik maddeler kendi içerisinde sert ve yumuşak ferromanyetler diye sınıflandırırlar. Sürekli olarak mıknatıslanma durumunu koruyan ferromanyetlere sert ferromanyetik, mıknatıslanmasını sürekli olarak korumayan ferromanyetlere de yumuşak ferromanyetler denir. Örneğin demir ferromanyet olmasına rağmen mıknatıslanması kalıcı değildir. ( Mattis, 1981)
1.2.3. Antiferromanyetizma
Manyetik maddelerin bir türüde ferromanyetik maddenin tersi bir türdür. Ferromanyetlerde spin yönelimleri aynı yönde iken antiferromanyetlerde birbirine zıt olacak şekilde spin yönelimleri vardır. Antiferromanyetizmanın kuramı ilk kez Neel tarafından verilmiştir. Antiferromanyetik bir maddenin manyetik duygunluğu, tüm sıcaklıklarda pozitif ve küçüktür. Fakat sıcaklık azaldıkça duygunluk önce artar ve T=TN Neel sıcaklığında pek keskin olmayan bir maksimumdan geçerek azalmaya başlar. Madde TN Neel sıcaklığının üstünde paramanyetik, altında antiferromanyetiktir. ( Özçelik, 1986 ) Antiferromanyetik maddelerde, TN kritik sıcaklığının altında spinlerin birbirine zıt yönelme eğilimleri, bu sıcaklık aralığındaki termal enerjiye oranla oldukça büyüktür. Bu nedenle antiferromanyetik maddeye iç içe girmiş ve zıt yönlerde mıknatıslanmış iki alt örgüden oluşmuş gözüyle bakabiliriz. Burada, her bir alt örgü aynı ferromanyetizmada olduğu gibi, kendiliğinden mıknatıslanmış örgüler olarak düşünülebilir. Açık olarak, antiferromanyetik madde, net bir kendiliğinden mıknatıslanmaya sahip değildir. Antiferromanyetik maddelerin büyük bir kısmı, iyonik bileşiklerdir; oksitler, sülfitler, kloritler v.b. Bu maddeler ticari öneme pek sahip değildirler; daha ziyade bilimsel yönden ilginçtirler. (Tübitak-H.Ü., Öner, 1985 )
1.2.4. Ferrimanyetizma
İki farklı manyetik iyon bulunan bileşiklerdir. Bazı seramik malzemelerde değişik tür iyonlar farklı manyetik momentlere sahiptir ve bu manyetik momentler birbirlerine ters yönde paralel dizilmiştir. Bileşke manyetik moment ise zıt yöndeki manyetik momentlerin farkına eşittir. Manyetik alan etkisinde ferromanyetlere benzer davranış gösterirler. ( Onaran, 1996 )
Ferromanyetik, ferrimanyetik ve antiferromanyetik maddelerin manyetik momentleri bir tür iç etkileşimden dolayı kendiliklerinden sıralanmış durum gelirler. Ferromanyetik maddelerde manyetik momentleri paralel hale getirmeye çalışan bu etkileşim pozitif iken ferrimanyetik ve antiferromanyetik maddeler için negatiftir. Ferrimanyetik ve antiferromanyetik maddeler içiçe geçmiş birbirine zıt yönde sıralanmış manyetik momentlere sahiptirler. Ferrimanyetik maddelerde bu momentlerin büyüklükleri farklı olduğundan ferromanyetikler gibi kendiliğinden mıknatıslanma gösterirler. Ancak antiferromanyetiklerde böyle bir durum yoktur. Her üç manyetik katıda da her moment diğerinden kaynaklanan bir ortalama alan görür. İşte bu etkin iç alana molekülsel alan denir. Bu alan maddenin mıknatıslanmasıyla orantılıdır. Ancak molekülsel alan modelleri manyetizmanın tam teorisi olarak düşünülmemelidirler. Çünkü sıralamayı sağlayan kuvvetlerin kaynağını araştırmaz ( K.Kıymaç, Magnetizma Ders Notları ).
1.2.5. Paramanyetizma
Serbest elektronlar da bulundukları malzemenin manyetik özelliklerine katkıda bulunurlar. ( Keller , 1996 ) Bir ya da daha çok çiftlenmiş elektronu olan moleküllerden Al , O2 ve Fe bunlara örnek olup , bu moleküllerin kalıcı manyetik momentleri vardır. Eğer manyetik alan uygulanmıyorsa bu tür molekülleri içeren bir çok malzemede moleküllerin manyetik momentleri gelişi güzel yönlerde sıralanır ve mıknatıslanma, vektörel olarak sıfır olur. Çünkü çok sayıda molekül üzerinden toplam alınmaktadır. Ancak malzemeye manyetik alan uygulandığında rasgele yönlerde yönlenmiş olan momentlerin yönelimi değişerek alanla aynı yönü almaya çalışırlar ve manyetik dipolün enerjisi azalır. Uygulanan manyetik alan kaldırılırsa mıknatıslanma tekrar sıfır olur. Bu nitelikli maddelere paramanyetik maddeler denir. Paramanyetik maddeler dış alan içinde alanın daha şiddetli olduğu yere hareket eder. Paramanyetik denilen bu maddelere alan içine doğru çeken bir kuvvetin etkidiği düşünülür. Büyüklük bakımından bu kuvvet , hemen bütün paramanyetik maddeler için , diyamanyetik maddelere etkiyen itme kuvvetinden pek farklı değildir. Yalnız paramanyetik maddelere etkiyen kuvvet sıcaklık düştükçe büyür ve mutlak sıfır noktası yakınlarında çok büyük değerlere ulaşabilir. Paramanyetik bir maddenin mıknatıslanması sıcaklığa ve manyetik alana bağlıdır. Bu ilişki ilk olarak Piere Curie ( 1859-1906 ) tarafından gözlenmiştir. P. Curie paramanyetik bir maddenin
mıknatıslanmasının manyetik alanla doğru , mutlak sıcaklıkla ters orantılı olduğunu bulmuştur. Bu bağıntıyı; M = C H/T
şeklinde Curie yasasıyla vermiştir. Curie sabiti denilen C, malzemeye özgü olup moleküllerin manyetik momentine bağlıdır. Çok yüksek manyetik alanlar ya da çok düşük sıcaklıklarda tüm moleküllerin manyetik momentleri alanla aynı yöne geldiklerinde mıknatıslanma bir doyum değerine ulaşır. Bu durumda paramanyetik maddede M , H ile doğru orantılı olmaz ( Keller, 1996 ). Manyetik maddelerin (örneğin ferro- veya ferrimanyetik ) sıcaklığı, curie sıcaklığı denilen kritik sıcaklığa ulaştığında veya bu sıcaklık değerini geçtiğinde madde paramanyetik duruma geçer. Bu olay manyetik faz geçişini işaret eder. Şekil 1.1. de görüleceği gibi curie sıcaklığının altında örneğin; Gd, Fe, Ni manyetik dipol momentleri belli bir yönde paralel olarak dizildikleri için ferromanyetiktir. Geçiş sıcaklığının üstünde ise paramanyetik faza sahip olurlar ( Mattis, 1981 ).
Şekil 1.1. Ferromanyetik Gd, Fe ve Ni elementlerinin mıknatıslanmasının sıcaklığa bağlı değişimi. Siyah noktalar deneysel sonuçları sürekli çizgiler ise teorik sonuçları göstermektedir.
1.2.6. Spin Cam Sistemler
Genel olarak bir spin camı oldukça iyi belirlenen bir Tf sıcaklığının altında ( T≤ Tf ) spinlerin rastgele yönlerde donmasıyla karakterize edilen, rastgele ve karmaşık etkileşimli, manyetik bir sistemdir. (Mydosh, 1983; Binder ve Young, 1986 ) Bu Tf sicaklığının altında kesinlikle uzun erimli bir düzen olmaksızın farklı bir davranış gözlenir. Spin camlar geçiş sıcaklığının üstünde paramagnetik özellik gösterirken, geçiş sıcaklığının altında ise hem ferromanyetik hem de antiferromanyetik özellik gösterebilirler. Bu ikili davranış
biçimi spin cam sistemi içinde aynı anda gerçekleşir. Spin camdaki donma işlevinin fiziksel anlamı şöyledir: Yüksek sıcaklıklarda ( T>>Tf ) manyetik sistem, rastgele konumlara yerleşmiş serbest bir şekilde dönen spinler içermektedir. Bu durumda dış manyetik alana bir bütün olarak yanıt verebilen manyetik kümeler ya da domainler oluşabilir. Sıcaklık azalırken bu manyetik kümeler büyümeye başlar ancak bazı serbest spinler kalabilir. Bu etkileşen spinlerin sayısı sistemin rastgeleliğine ve sıcaklığına bağlıdır. Tf civarında kümeler arası etkileşimler nedeniyle farklı büyüklükteki manyetik kümelerin spinleri rastgele yönlerde donmaya başlayarak Tf sıcaklığının altında bloke edilirler ve sistem hayli yüksek derecede tersinmez-yarı kararlı durumda tuzaklanır. Tf nin altında bir alan uygulandığında oluşan etki ferromanyetik benzeridir, yani kalıcılık, histerisis ve büyük durulma zaman sabiti gözlenir.
Hem deneyciler hem de teorisyenler açısından spin camı özelliği, bir parça gizemli olarak görülmektedir. Spin camı özellikleri, metaller kadar yarıiletken ve yalıtkanda, gerçek camlar kadar kristal bileşiklerde de görülmüştür. Manyetik etkileşimleri farklı olmasına rağmen tüm bu sistemler , spin camı için iki temel özelliği paylaşırlar; rasgelelik ve bunalma. Burada
bunalma uyuşmaz etkileşimlerden dolayı ortaya çıkan etkidir. Basit bir örnek olması açısından ferromanyetik olarak bir komşuyla, antiferromanyetik olarak diğer bir komşuyla çiftleşmiş bir spini göz önüne alalım. Komşu spinlerin her ikisinin de yukarı yönde sıralandığı durumda, merkezi spin uyuşmaz buyruklar alır. Önceki komşu ile etkileşim spini yukarı yönde yöneltmeye, sonraki ile etkileşim ise aşağı yönde yöneltmeye çalışacaktır. İşte bu bunalım, uzun erimli düzenli bir ferro- ya da antiferromanyetik düzenin gelişmesine engel olur. Sonuçta, sıcaklık azaldıkça spinler rasgele olarak değişik yönlerde donarlar ( Özçelik, 1990 ).
3 . MATERYAL VE METOT
Manyetik malzemelerin hazırlanmasında birçok yöntem kullanılır. Bu yöntemlerden birisi de katıhal tepkime yöntemidir. Bu kısımda malzemeyi üretme tekniği olan katıhal tepkime yöntemi ve malzemenin hazırlanışı hakkında bilgi verilecektir. Ayrıca malzemenin yapısının anlaşılması için uygulanan deneysel çalışmalar da anlatılacaktır.
5.1. SONUÇLAR
Bu çalışmada LiFe1-xNixO2 bileşiğinin x= 0,4; 0,3; 0,2; 0,1; 0,0 değerleri için hazırlanan örneklerin yapısal ve manyetik özellikleri belirlenmeye çalışıldı. Yapısal özellikleri XRD, manyetik özellikleri ise ESR, mıknatıslanma ve histerisis ölçümleri ile araştırıldı.
LiFe1-xNixO2 bileşiğine ait XRD sonuçları tüm değerler için örneklerin, örgü parametreleri a=4,158 A0 olan yüzey merkezli kübik yapıda olduğunu göstermiştir. Elde edilen XRD desenlerinin oluşan fazlar açısından hemen hemen aynı olduğu bulundu. Bu katkılama sonucunda Fe yerine geçen Ni iyonlarının örneklerin kristalik yapısında bir değişiklik yapmadığını gösterir.Tüm örneklerin pik genişliklerinin dar olduğu gözlenmiştir. Bu durum, örneklerin kristalleşme süreçlerini tamamladığının bir göstergesidir. Yapıda değişen x konsantrasyonu ile artan Ni atomlarının, x- ışınları desenlerinde gözlenen piklerin şiddetinde artmanın belirlenmesi, sistemin yapısal olarak bir iyileşmeye doğru gittiğini göstermektedir.
Yapılan ESR analizleri ile örneklerin elektron spinlerinin yönelim yoğunluğu yani şiddetleri incelenmiştir. Bu ölçümler spektroskopik yarılma faktörü g’ nin yaklaşık 2 olduğunu ortaya koydu.
LiFe1-xNixO2 bileşiğinin farklı x değerleri için yapılan mıknatıslanma ve histerisis ölçümleri örneklerin iki fazlı bir geçişe sahip olduğunu göstermiştir. Muhtemelen birinci geçiş spin-cam, ikinci geçiş ise paramanyetik fazdan antiferromanyetik faza geçiştir. Mıknatıslanma ve histerisis ölçümleri Ni miktarı artıkça antiferromanyetik yapının yanı sıra spin-cam fazlarının da oluştuğunu ortaya koymuştur.
5.1. SONUÇLAR
Bu çalışmada LiFe1-xNixO2 bileşiğinin x= 0,4; 0,3; 0,2; 0,1; 0,0 değerleri için hazırlanan örneklerin yapısal ve manyetik özellikleri belirlenmeye çalışıldı. Yapısal özellikleri XRD, manyetik özellikleri ise ESR, mıknatıslanma ve histerisis ölçümleri ile araştırıldı.
LiFe1-xNixO2 bileşiğine ait XRD sonuçları tüm değerler için örneklerin, örgü parametreleri a=4,158 A0 olan yüzey merkezli kübik yapıda olduğunu göstermiştir. Elde edilen XRD desenlerinin oluşan fazlar açısından hemen hemen aynı olduğu bulundu. Bu katkılama sonucunda Fe yerine geçen Ni iyonlarının örneklerin kristalik yapısında bir değişiklik yapmadığını gösterir.Tüm örneklerin pik genişliklerinin dar olduğu gözlenmiştir. Bu durum, örneklerin kristalleşme süreçlerini tamamladığının bir göstergesidir. Yapıda değişen x konsantrasyonu ile artan Ni atomlarının, x- ışınları desenlerinde gözlenen piklerin şiddetinde artmanın belirlenmesi, sistemin yapısal olarak bir iyileşmeye doğru gittiğini göstermektedir.
Yapılan ESR analizleri ile örneklerin elektron spinlerinin yönelim yoğunluğu yani şiddetleri incelenmiştir. Bu ölçümler spektroskopik yarılma faktörü g’ nin yaklaşık 2 olduğunu ortaya koydu.
LiFe1-xNixO2 bileşiğinin farklı x değerleri için yapılan mıknatıslanma ve histerisis ölçümleri örneklerin iki fazlı bir geçişe sahip olduğunu göstermiştir. Muhtemelen birinci geçiş spin-cam, ikinci geçiş ise paramanyetik fazdan antiferromanyetik faza geçiştir. Mıknatıslanma ve histerisis ölçümleri Ni miktarı artıkça antiferromanyetik yapının yanı sıra spin-cam fazlarının da oluştuğunu ortaya koymuştur.
(Makale kısmen kısaltılmış ve tablolar çıkartılmıştır. Makalenin tam metni için; http://library.cu.edu.tr/tezler/5554.pdf )
+3 DEĞERLİ DEMİR ve NİKEL İYONLARI İÇEREN LiFe1-xNixO2 BİLEŞİKLERİNİN MANYETİK ÖZELLİKLERİ
Fatma EMEN
ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
FİZİK ANABİLİM DALI
Danışman: Prof. Dr. Kerim KIYMAÇ
Yıl: 2005, Sayfa 59
Jüri : Prof. Dr. Kerim KIYMAÇ
Prof. Dr. Bekir ÖZÇELİK
Prof. Dr. Osman SERİNDAĞ
Bu çalışmada katıhal tepkime yöntemiyle hazırlanan çeşitli LiFe1-xNixO2 ( 0≤x≤0,4 ) bileşiklerinin yapısal ve manyetik özellikleri araştırıldı. Yapısal özellikleri XRD ve manyetik özellikleri ise ESR, mıknatıslanma ve histerisis ölçümleri ile araştırıldı. XRD analizleri tüm örneklerin örgü parametreleri a=4,158 A0 olan kübik yapıda olduğunu gösterdi. ESR ölçümleri spektroskopik yarılma faktörü g’ in yaklaşık 2 olduğunu ortaya koydu. Bu demektir ki yörüngesel manyetik moment katkısı hemen hemen ortadan kalkmış ve spin açısal momentumu başat durumdadır. Mıknatıslanma ve histerisis ölçümleri Ni miktarı artıkça antiferromanyetik yapının yanı sıra daha düşük sıcaklıklarda spin-cam fazlarının da oluştuğunu ortaya koymuştur.
1. GİRİŞ
Doğadaki bütün maddeler manyetik davranış gösterirler. Bazı maddelerin manyetik özelliklerini kolayca gözlemleyebiliriz. Örneğin bir ferromanyetik madde sürekli mıknatıslanma davranışı gösterir. Demir gibi yumuşak ferromanyetler ise kalıcı mıknatıslanma davranışı göstermezler. Maddelerin manyetik yapısı hakkında genel bilgi elde etmek için, bu maddelerin mıknatıslanmasını ve manyetik duygunluğunu ölçmek gerekir. Bazı manyetik maddelerin manyetik davranışları basit yöntemlerle gözlenebilirken bazılarının manyetik davranışlarını gözleyebilmek için yardımcı araç ve gereçlere ihtiyaç duyulur.
Manyetik maddeler farklı fiziksel özelliklere ve davranışlara sahiptir. Bu özellik yalnızca maddenin mıknatıslanmasıyla sınırlı değildir. Maddeler ısı iletimi, ses iletimi, elektrik iletimi, rezonans vb. gibi özellikler açısından da farklılıklar taşır. Manyetik maddeler bu özelliklerine göre sınıflandırılmazlar. Manyetik maddeler faz aralığına bağlı olarak sınıflandırılırlar. Manyetik maddelerde faz geçişleri vardır. Bu faz geçişleri, sıcaklık ve maddeye dışardan uygulanan dış manyetik alana bağlıdır. Bir maddenin sahip olduğu faz değiştirilirse, o maddenin bütün fiziksel özellikleri değişebilir. Bu açıdan bakıldığında manyetik faz geçişlerine neden olan kritik sıcaklıkların tespit edilmesi maddelerin sınıflandırılmasını kolaylaştırır.
Bu çalışma kapsamında demir iyonları içeren çeşitli LiFe1-xNixO2 ( 0≤x≤0,4 ) bileşiklerinin XRD, ESR ve mıknatıslanma ölçümleri yapılarak fiziksel ve manyetik özellikleri belirlenmeye çalışıldı.
Bu tezin giriş bölümünün ikinci kesiminde, maddelerin manyetik özellikleri hakkında genel bilgiler , önceki çalışmalar bölümünde demirli bileşiklerle yapılmış deneysel çalışmalar, materyal ve metot bölümünde bileşiğin hazırlanma aşamaları ve kullanılan teknikler hakkında genel bilgiler verilmektedir. Tezin araştırma ve bulgular kısmında ise yapılan XRD, ESR ve mıknatıslanma ölçümleri ve sonuçları, ve son olarak, tartışma ve sonuçlar kısmında bulguların tartışılması ve sonuç verilmektedir.
1.2. Maddelerin Manyetik Özellikleri
Manyetik sistemlerle, manyetik dipol momenti arasında çok önemli bir ilişki vardır. Manyetik dipol momenti manyetizmanın kaynağını oluşturur ve maddelerin manyetik davranışlarını anlayabilmek için son derece önemlidir. Mıknatıslanmış bir maddedeki manyetik momentler iç atomik akımlardan kaynaklanır. Bu akımlar elektronların çekirdek veya kendi ekseni etrafında ve çekirdekteki protonların kendi eksenleri etrafında dönmesinden ileri gelir.
Atomik teoriye göre atomik manyetik moment μ üç kaynaktan oluşur;
a- Elektronların kendi ekseni etrafında dönmesinden kaynaklanan "spin açısal momentumu" S
b- Atomun en dışındaki yörüngede bulunan elektronların çekirdek etrafında dönmesinden kaynaklanan ´´ yörüngesel açısal momentumu ’’ L
c- Uygulanan manyetik alandan kaynaklanan yörüngesel açısal momentumdaki değişimler. ( Mattis, 1981 )
Manyetik moment yörünge açısal momentumuyla orantılıdır. Orantı katsayısı e/2me yalnızca elektronun yüküne ve kütlesine bağlıdır. Elektronun negatif yükünden dolayı iki vektör μ ve L, birbirine zıt yöndedir ( Keller , 1996 ). Katı içerisindeki manyetik dipol momentlerinin bağlı olacak şekilde birbirleriyle etkileşmeleri ve bu iç etkileşmelere bağlı olarak uzaysal yönelimleri o maddenin manyetik özelliklerini belirler. Bu özellikler, manyetik dipol momentlerinin bu kollektif hareketinin, çok genel olarak sıcaklık ve maddeye uygulanan bir dış manyetik alanın fonksiyonu olduğunu gösterir. Manyetik momentlerin bu davranışları bir faz aralığı ile karakterize edilir. Manyetik maddeler hangi faz aralığında iseler o fazda en düşük enerji seviyesine sahip oldukları kabul edilir. Bir manyetik maddenin bir fazda sahip olduğu manyetizasyon, duygunluk, ses iletimi, elektriksel iletim gibi bazı fiziksel özelliklerini değiştirmesi o maddenin başka bir faza geçtiğini işaret eder. Bu faz geçişleri bir TC geçiş sıcaklığı ile karakterize edilir. Bu fazlar sınıflandırılabilir. Kolaylık açısından bu sınıflandırma χ duygunluğu dikkate alınarak yapılmaktadır. Manyetik duygunluk maddesel ortamın bir ölçüsüdür ve ortamdan ortama değişir. Manyetik alan içinde bulunan atomlar bu alana zıt ya da alanla aynı yönde bir manyetik moment oluştururlar. Bu nedenle ya itilir ya da çekilirler. Bir maddenin manyetik özellikleri bakımından hangi sınıfta yer aldığının saptanması için bir magnetometre yardımıyla maddenin manyetik duygunluğu ölçülür. Ölçüm sonucundaki duygunluk büyüklüğü ve işareti örneğin hangi tür özellik gösterdiğini ifade eder. Ayrıca maddenin manyetik durumu, mıknatıslanma vektörü ile anlatılır. Mıknatıslanma ( M ) birim hacimdeki net manyetik dipol momentine denir. Maddelerin manyetik özelliklerini karakterize etmekte mıknatıslanmanın (M) büyüklüğü ve işareti kadar uygulanan alan H ile değişimi de önemli yer tutar ( Mattis, 1981). Manyetik sistemler; diamanyetik, paramanyetik, ferromanyetik, anti-
ferromanyetik ferrimanyetik ve spin-camlar olmak üzere sınıflandırılabilir. Bu bölümde, manyetik maddelerle ilgili yapılan bu sınıflandırmanın temel kavramlarını vereceğiz. Çizelge 1.1. de bu maddelerin özellikleri kısaca belirtilmektedir.
1.2.1. Diamanyetizma
Elektronik yapılarından dolayı net manyetik momenti olmayan bir çok malzeme vardır. Moleküller göreli olarak yoğun sıvı ya da katı oluştursa bile dışardan manyetik alan uygulamadıkça çoğu malzemenin M mıknatıslanması sıfırdır. Ama dışardan bir manyetik alan uygulandığında moleküllerin, küçük de olsa bir manyetik momentleri oluşur. Moleküllerin bu manyetik momentlerini dışardan uygulanan alan indükler. İndüklenmiş manyetik moment uygulanan manyetik alana zıt yöndedir. Böylece maddenin mıknatıslanması manyetik alana zıt yönde oluşur. Bu tür maddelere diyamanyetik maddeler denir. Diyamanyetik maddeler dış manyetik alanın yönü ne olursa olsun alanla zıt yönlü mıknatıslanma edinirler ve alanın daha zayıf olduğu yöne doğru kaçarlar. Bu olaya diyamanyetizma denir. ( Keller, 1996 ) Manyetik alan uyguladığımız her madde atom ve moleküllerden oluştuğu için bir ölçüde diyamanyetiktir. Genellikle tüm yörüngeleri dolu olan maddelerde diyamanyetizmayı görebiliriz. Örneğin soygazlar. Çünkü diğer manyetik özellikler ancak atomun dolmamış elektron yörüngeleri varsa ortaya çıkar. Diyamanyetik bir maddeyi alan dışına iten kuvvetin büyüklüğü çok küçük olduğundan böyle malzemelerin manyetik alanla etkileşmelerini gözlemlemek oldukça zordur. Yapılan araştırmalar maddelerin diyamanyetik özelliklerinin temelde sıcaklıktan bağımsız olduklarını ve manyetik momentin genellikle alanla orantılı olduğunu göstermiştir. Diamagnetik maddenin duygunluğu negatiftir ( X<0 ) ve M ve H zıt yönlüdür ( K.Kıymaç, Manyetizma Ders Notları ).
1.2.2. Ferromanyetizma
Demir ( Fe ), Nikel ( Ni ), Kobalt ( Co ), Godolinyum ( Gd) ve Disprosyum ( Dy ) manyetik olarak oldukça kuvvetli maddeler olup bu maddelere ferromanyetik maddeler denir.. Bu maddeler zayıf bir dış manyetik alan içinde bile birbirlerine paralel olarak yönelmeye çalışan atomik dipol momentlere sahiptirler. Dış manyetik alan kaldırılsa bile madde içerisinde paralel olarak yönelen dipol momentler aynı yönde sürekli olarak kalmaya devam ederler. Bu etki manyetik dipol momentlerinin birbirleriyle etkileşimden kaynaklanır. Bu etkileşimler, kuantum mekaniksel etkileşimlerin bir sonucudur. Bu yaklaşım komşu momentlerin paralel olmasına enerji açısından izin verir. ( Mattis, 1981) Ferromanyetik maddelere etkiyen çekme kuvveti oldukça büyüktür. Diyamanyetik ve paramanyetik maddelere etkiyen kuvvet dış alan şiddetinin karesiyle orantılı olduğu halde , ferromanyetiklerde doğrudan alan şiddetiyle orantılıdır. Dolayısıyla ferromanyetik maddeler dış alan değişmelerinden diğer manyetik maddeler kadar etkilenmez. Ferromanyetik maddeler domain ( bölge ) denilen yapılara ayrılmıştır. Bu bölgelerin her biri tam olarak kendiliğinden mıknatıslanmıştır. Yani bölgelerin her birindeki manyetik momentlerin tamamı belirli bir yöne dizilmişlerdir. Bunların mıknatıslanma yönleri uygulanan alanla değiştirilebilir. Fakat büyüklükleri çok az değiştirilebilir. Sıcaklık artırılarak bu bölgelerin mıknatıslanmaları belirli bir sıcaklığın üzerinde kaldırılabilir. Bu sıcaklığa Curie sıcaklığı denir. Ferromanyetik maddeler çok küçük manyetik alanlarda ( 1 Oe gibi) doyuma ulaşabilirler. Domaindeki kendiliğinden mıknatıslanmayı oluşturan iç alanların kaynağı manyetik etkileşimler değildir.Bu kuvvetlerin kaynağı değiş-tokuş denilen bir etkileşimdir. Bu etkileşim 1926 yılında Heisengerg tarafından keşfedilmiştir. Bu kuantum mekaniksel bir sonuçtur. Bu etkileşim hareket durumlarına bağlı olarak iki komşu elektronun spinlerinin paralel veya antiparalel yönelmesine neden olur. Spinler antiparalel ise, tüm bu kuvvetlerin toplamı çekicidir ve yapı karalıdır. Spinler paralel ise, atomlar birbirini iter. Değiş-tokuş etkileşimi olarak tanımlayacağımız bu etkileşim Pauli dışarlama etkisini de içermektedir. Bu değiş tokuş etkileşimi elektrostatik kaynaklı olup manyetik kuvvetlerden çok büyüktür. ( Kıymaç, Manyetizma Ders Notları )
Ferromanyetik maddeler kendi içerisinde sert ve yumuşak ferromanyetler diye sınıflandırırlar. Sürekli olarak mıknatıslanma durumunu koruyan ferromanyetlere sert ferromanyetik, mıknatıslanmasını sürekli olarak korumayan ferromanyetlere de yumuşak ferromanyetler denir. Örneğin demir ferromanyet olmasına rağmen mıknatıslanması kalıcı değildir. ( Mattis, 1981)
1.2.3. Antiferromanyetizma
Manyetik maddelerin bir türüde ferromanyetik maddenin tersi bir türdür. Ferromanyetlerde spin yönelimleri aynı yönde iken antiferromanyetlerde birbirine zıt olacak şekilde spin yönelimleri vardır. Antiferromanyetizmanın kuramı ilk kez Neel tarafından verilmiştir. Antiferromanyetik bir maddenin manyetik duygunluğu, tüm sıcaklıklarda pozitif ve küçüktür. Fakat sıcaklık azaldıkça duygunluk önce artar ve T=TN Neel sıcaklığında pek keskin olmayan bir maksimumdan geçerek azalmaya başlar. Madde TN Neel sıcaklığının üstünde paramanyetik, altında antiferromanyetiktir. ( Özçelik, 1986 ) Antiferromanyetik maddelerde, TN kritik sıcaklığının altında spinlerin birbirine zıt yönelme eğilimleri, bu sıcaklık aralığındaki termal enerjiye oranla oldukça büyüktür. Bu nedenle antiferromanyetik maddeye iç içe girmiş ve zıt yönlerde mıknatıslanmış iki alt örgüden oluşmuş gözüyle bakabiliriz. Burada, her bir alt örgü aynı ferromanyetizmada olduğu gibi, kendiliğinden mıknatıslanmış örgüler olarak düşünülebilir. Açık olarak, antiferromanyetik madde, net bir kendiliğinden mıknatıslanmaya sahip değildir. Antiferromanyetik maddelerin büyük bir kısmı, iyonik bileşiklerdir; oksitler, sülfitler, kloritler v.b. Bu maddeler ticari öneme pek sahip değildirler; daha ziyade bilimsel yönden ilginçtirler. (Tübitak-H.Ü., Öner, 1985 )
1.2.4. Ferrimanyetizma
İki farklı manyetik iyon bulunan bileşiklerdir. Bazı seramik malzemelerde değişik tür iyonlar farklı manyetik momentlere sahiptir ve bu manyetik momentler birbirlerine ters yönde paralel dizilmiştir. Bileşke manyetik moment ise zıt yöndeki manyetik momentlerin farkına eşittir. Manyetik alan etkisinde ferromanyetlere benzer davranış gösterirler. ( Onaran, 1996 )
Ferromanyetik, ferrimanyetik ve antiferromanyetik maddelerin manyetik momentleri bir tür iç etkileşimden dolayı kendiliklerinden sıralanmış durum gelirler. Ferromanyetik maddelerde manyetik momentleri paralel hale getirmeye çalışan bu etkileşim pozitif iken ferrimanyetik ve antiferromanyetik maddeler için negatiftir. Ferrimanyetik ve antiferromanyetik maddeler içiçe geçmiş birbirine zıt yönde sıralanmış manyetik momentlere sahiptirler. Ferrimanyetik maddelerde bu momentlerin büyüklükleri farklı olduğundan ferromanyetikler gibi kendiliğinden mıknatıslanma gösterirler. Ancak antiferromanyetiklerde böyle bir durum yoktur. Her üç manyetik katıda da her moment diğerinden kaynaklanan bir ortalama alan görür. İşte bu etkin iç alana molekülsel alan denir. Bu alan maddenin mıknatıslanmasıyla orantılıdır. Ancak molekülsel alan modelleri manyetizmanın tam teorisi olarak düşünülmemelidirler. Çünkü sıralamayı sağlayan kuvvetlerin kaynağını araştırmaz ( K.Kıymaç, Magnetizma Ders Notları ).
1.2.5. Paramanyetizma
Serbest elektronlar da bulundukları malzemenin manyetik özelliklerine katkıda bulunurlar. ( Keller , 1996 ) Bir ya da daha çok çiftlenmiş elektronu olan moleküllerden Al , O2 ve Fe bunlara örnek olup , bu moleküllerin kalıcı manyetik momentleri vardır. Eğer manyetik alan uygulanmıyorsa bu tür molekülleri içeren bir çok malzemede moleküllerin manyetik momentleri gelişi güzel yönlerde sıralanır ve mıknatıslanma, vektörel olarak sıfır olur. Çünkü çok sayıda molekül üzerinden toplam alınmaktadır. Ancak malzemeye manyetik alan uygulandığında rasgele yönlerde yönlenmiş olan momentlerin yönelimi değişerek alanla aynı yönü almaya çalışırlar ve manyetik dipolün enerjisi azalır. Uygulanan manyetik alan kaldırılırsa mıknatıslanma tekrar sıfır olur. Bu nitelikli maddelere paramanyetik maddeler denir. Paramanyetik maddeler dış alan içinde alanın daha şiddetli olduğu yere hareket eder. Paramanyetik denilen bu maddelere alan içine doğru çeken bir kuvvetin etkidiği düşünülür. Büyüklük bakımından bu kuvvet , hemen bütün paramanyetik maddeler için , diyamanyetik maddelere etkiyen itme kuvvetinden pek farklı değildir. Yalnız paramanyetik maddelere etkiyen kuvvet sıcaklık düştükçe büyür ve mutlak sıfır noktası yakınlarında çok büyük değerlere ulaşabilir. Paramanyetik bir maddenin mıknatıslanması sıcaklığa ve manyetik alana bağlıdır. Bu ilişki ilk olarak Piere Curie ( 1859-1906 ) tarafından gözlenmiştir. P. Curie paramanyetik bir maddenin
mıknatıslanmasının manyetik alanla doğru , mutlak sıcaklıkla ters orantılı olduğunu bulmuştur. Bu bağıntıyı; M = C H/T
şeklinde Curie yasasıyla vermiştir. Curie sabiti denilen C, malzemeye özgü olup moleküllerin manyetik momentine bağlıdır. Çok yüksek manyetik alanlar ya da çok düşük sıcaklıklarda tüm moleküllerin manyetik momentleri alanla aynı yöne geldiklerinde mıknatıslanma bir doyum değerine ulaşır. Bu durumda paramanyetik maddede M , H ile doğru orantılı olmaz ( Keller, 1996 ). Manyetik maddelerin (örneğin ferro- veya ferrimanyetik ) sıcaklığı, curie sıcaklığı denilen kritik sıcaklığa ulaştığında veya bu sıcaklık değerini geçtiğinde madde paramanyetik duruma geçer. Bu olay manyetik faz geçişini işaret eder. Şekil 1.1. de görüleceği gibi curie sıcaklığının altında örneğin; Gd, Fe, Ni manyetik dipol momentleri belli bir yönde paralel olarak dizildikleri için ferromanyetiktir. Geçiş sıcaklığının üstünde ise paramanyetik faza sahip olurlar ( Mattis, 1981 ).
Şekil 1.1. Ferromanyetik Gd, Fe ve Ni elementlerinin mıknatıslanmasının sıcaklığa bağlı değişimi. Siyah noktalar deneysel sonuçları sürekli çizgiler ise teorik sonuçları göstermektedir.
1.2.6. Spin Cam Sistemler
Genel olarak bir spin camı oldukça iyi belirlenen bir Tf sıcaklığının altında ( T≤ Tf ) spinlerin rastgele yönlerde donmasıyla karakterize edilen, rastgele ve karmaşık etkileşimli, manyetik bir sistemdir. (Mydosh, 1983; Binder ve Young, 1986 ) Bu Tf sicaklığının altında kesinlikle uzun erimli bir düzen olmaksızın farklı bir davranış gözlenir. Spin camlar geçiş sıcaklığının üstünde paramagnetik özellik gösterirken, geçiş sıcaklığının altında ise hem ferromanyetik hem de antiferromanyetik özellik gösterebilirler. Bu ikili davranış
biçimi spin cam sistemi içinde aynı anda gerçekleşir. Spin camdaki donma işlevinin fiziksel anlamı şöyledir: Yüksek sıcaklıklarda ( T>>Tf ) manyetik sistem, rastgele konumlara yerleşmiş serbest bir şekilde dönen spinler içermektedir. Bu durumda dış manyetik alana bir bütün olarak yanıt verebilen manyetik kümeler ya da domainler oluşabilir. Sıcaklık azalırken bu manyetik kümeler büyümeye başlar ancak bazı serbest spinler kalabilir. Bu etkileşen spinlerin sayısı sistemin rastgeleliğine ve sıcaklığına bağlıdır. Tf civarında kümeler arası etkileşimler nedeniyle farklı büyüklükteki manyetik kümelerin spinleri rastgele yönlerde donmaya başlayarak Tf sıcaklığının altında bloke edilirler ve sistem hayli yüksek derecede tersinmez-yarı kararlı durumda tuzaklanır. Tf nin altında bir alan uygulandığında oluşan etki ferromanyetik benzeridir, yani kalıcılık, histerisis ve büyük durulma zaman sabiti gözlenir.
Hem deneyciler hem de teorisyenler açısından spin camı özelliği, bir parça gizemli olarak görülmektedir. Spin camı özellikleri, metaller kadar yarıiletken ve yalıtkanda, gerçek camlar kadar kristal bileşiklerde de görülmüştür. Manyetik etkileşimleri farklı olmasına rağmen tüm bu sistemler , spin camı için iki temel özelliği paylaşırlar; rasgelelik ve bunalma. Burada
bunalma uyuşmaz etkileşimlerden dolayı ortaya çıkan etkidir. Basit bir örnek olması açısından ferromanyetik olarak bir komşuyla, antiferromanyetik olarak diğer bir komşuyla çiftleşmiş bir spini göz önüne alalım. Komşu spinlerin her ikisinin de yukarı yönde sıralandığı durumda, merkezi spin uyuşmaz buyruklar alır. Önceki komşu ile etkileşim spini yukarı yönde yöneltmeye, sonraki ile etkileşim ise aşağı yönde yöneltmeye çalışacaktır. İşte bu bunalım, uzun erimli düzenli bir ferro- ya da antiferromanyetik düzenin gelişmesine engel olur. Sonuçta, sıcaklık azaldıkça spinler rasgele olarak değişik yönlerde donarlar ( Özçelik, 1990 ).
3 . MATERYAL VE METOT
Manyetik malzemelerin hazırlanmasında birçok yöntem kullanılır. Bu yöntemlerden birisi de katıhal tepkime yöntemidir. Bu kısımda malzemeyi üretme tekniği olan katıhal tepkime yöntemi ve malzemenin hazırlanışı hakkında bilgi verilecektir. Ayrıca malzemenin yapısının anlaşılması için uygulanan deneysel çalışmalar da anlatılacaktır.
5.1. SONUÇLAR
Bu çalışmada LiFe1-xNixO2 bileşiğinin x= 0,4; 0,3; 0,2; 0,1; 0,0 değerleri için hazırlanan örneklerin yapısal ve manyetik özellikleri belirlenmeye çalışıldı. Yapısal özellikleri XRD, manyetik özellikleri ise ESR, mıknatıslanma ve histerisis ölçümleri ile araştırıldı.
LiFe1-xNixO2 bileşiğine ait XRD sonuçları tüm değerler için örneklerin, örgü parametreleri a=4,158 A0 olan yüzey merkezli kübik yapıda olduğunu göstermiştir. Elde edilen XRD desenlerinin oluşan fazlar açısından hemen hemen aynı olduğu bulundu. Bu katkılama sonucunda Fe yerine geçen Ni iyonlarının örneklerin kristalik yapısında bir değişiklik yapmadığını gösterir.Tüm örneklerin pik genişliklerinin dar olduğu gözlenmiştir. Bu durum, örneklerin kristalleşme süreçlerini tamamladığının bir göstergesidir. Yapıda değişen x konsantrasyonu ile artan Ni atomlarının, x- ışınları desenlerinde gözlenen piklerin şiddetinde artmanın belirlenmesi, sistemin yapısal olarak bir iyileşmeye doğru gittiğini göstermektedir.
Yapılan ESR analizleri ile örneklerin elektron spinlerinin yönelim yoğunluğu yani şiddetleri incelenmiştir. Bu ölçümler spektroskopik yarılma faktörü g’ nin yaklaşık 2 olduğunu ortaya koydu.
LiFe1-xNixO2 bileşiğinin farklı x değerleri için yapılan mıknatıslanma ve histerisis ölçümleri örneklerin iki fazlı bir geçişe sahip olduğunu göstermiştir. Muhtemelen birinci geçiş spin-cam, ikinci geçiş ise paramanyetik fazdan antiferromanyetik faza geçiştir. Mıknatıslanma ve histerisis ölçümleri Ni miktarı artıkça antiferromanyetik yapının yanı sıra spin-cam fazlarının da oluştuğunu ortaya koymuştur.
5.1. SONUÇLAR
Bu çalışmada LiFe1-xNixO2 bileşiğinin x= 0,4; 0,3; 0,2; 0,1; 0,0 değerleri için hazırlanan örneklerin yapısal ve manyetik özellikleri belirlenmeye çalışıldı. Yapısal özellikleri XRD, manyetik özellikleri ise ESR, mıknatıslanma ve histerisis ölçümleri ile araştırıldı.
LiFe1-xNixO2 bileşiğine ait XRD sonuçları tüm değerler için örneklerin, örgü parametreleri a=4,158 A0 olan yüzey merkezli kübik yapıda olduğunu göstermiştir. Elde edilen XRD desenlerinin oluşan fazlar açısından hemen hemen aynı olduğu bulundu. Bu katkılama sonucunda Fe yerine geçen Ni iyonlarının örneklerin kristalik yapısında bir değişiklik yapmadığını gösterir.Tüm örneklerin pik genişliklerinin dar olduğu gözlenmiştir. Bu durum, örneklerin kristalleşme süreçlerini tamamladığının bir göstergesidir. Yapıda değişen x konsantrasyonu ile artan Ni atomlarının, x- ışınları desenlerinde gözlenen piklerin şiddetinde artmanın belirlenmesi, sistemin yapısal olarak bir iyileşmeye doğru gittiğini göstermektedir.
Yapılan ESR analizleri ile örneklerin elektron spinlerinin yönelim yoğunluğu yani şiddetleri incelenmiştir. Bu ölçümler spektroskopik yarılma faktörü g’ nin yaklaşık 2 olduğunu ortaya koydu.
LiFe1-xNixO2 bileşiğinin farklı x değerleri için yapılan mıknatıslanma ve histerisis ölçümleri örneklerin iki fazlı bir geçişe sahip olduğunu göstermiştir. Muhtemelen birinci geçiş spin-cam, ikinci geçiş ise paramanyetik fazdan antiferromanyetik faza geçiştir. Mıknatıslanma ve histerisis ölçümleri Ni miktarı artıkça antiferromanyetik yapının yanı sıra spin-cam fazlarının da oluştuğunu ortaya koymuştur.
(Makale kısmen kısaltılmış ve tablolar çıkartılmıştır. Makalenin tam metni için; http://library.cu.edu.tr/tezler/5554.pdf )
0 yorum yazılmıştır