Обєктами дослідження виступили нанорозмірні мультіферроіческіе порошки BiFe1-xMnxO3 (x = 0.00, 0.05, 0.075), синтезування золь-гель методом. Зразки кальцинованої при відповідних температурах і в заданий період часу. Фазовий аналіз зразків проводили за допомогою рентгенівської дифрактометрії (РД). Морфологію частинок порошку BiFe1-xMnxO3 досліджували за допомогою скануючого електронного мікроскопа (СЕМ). Спектри УФ-видимого поглинання зразків були отримані за допомогою спектрофотометрической системи Cary 5000 UV-Vis-NIR Spectrophotometer. Результати показують, що легування Mn з певним співвідношенням допоможе видалити вторинну фазу і створити зразки з однофазної BFO, і призведе до зменшення розміру частинок. дослідження спектрів поглинання в УФ-видимої області виготовлених зразків було показано, що легування Mn розширило і змістило поглинає край зразків в напрямок великої довжини хвилі, і зменшило ширину забороненої зони. Це збільшить фотокаталітичну активність системи матеріалів BFO, що зробить застосування більш практичним.

Анотація наукової статті з нанотехнологій, автор наукової роботи - Лиу Т.Н., Фам М.Ан., Нго Т.Х., Нгуєн К.Т., Нгуєн В.М.


STUDY OF MN CONCENTRATION EFFECT ON PHASE-FORMATION, DIMENSIONS AND OPTICAL PROPERTIES OF BiFe1-xMnxO3 NANOPARTICLES

Nanoscale multiferroic powders BiFe1-xMnxO3 (x = 0.00, 0.05, 0.075) synthesized by the sol-gel method are the object of the study. Samples are calcined at appropriate temperatures and for a specified period. Phase analysis of the samples is performed with the use of x-ray diffraction (XRD). The morphology of BiFe1-xMnxO3 (x = 0.00, 0.05, 0.075) powder particles is investigated using a scanning electron microscope (SEM). The spectra of UV-visible absorption of the samples are obtained using a spectrophotometric system Cary 5000 UV-Vis-NIR Spectrophotometer. The results show that Mn doping with a certain ratio will help to remove the secondary phase and create samples with single-phase BFO, and this will lead to a decrease in particle size. The study of the absorption spectra in the UV-visible region of the fabricated samples showed that Mn doping expanded and shifted the absorbing edge of the samples towards large wavelength, and reduced the width of the forbidden band. This will increase the photocatalytic activity of the BFO material system, which will make the application more practical.


Область наук:
  • нанотехнології
  • Рік видавництва: 2019
    Журнал: Міжнародний науково-дослідний журнал
    Наукова стаття на тему 'ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ КОНЦЕНТРАЦІЇ MN НА ФАЗОФОРМІРОВАНІЕ, РОЗМІРИ І ОПТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ НАНОЧАСТИНОК BIFE1-XMNXO3'

    Текст наукової роботи на тему «ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ КОНЦЕНТРАЦІЇ MN НА ФАЗОФОРМІРОВАНІЕ, РОЗМІРИ І ОПТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ НАНОЧАСТИНОК BIFE1-XMNXO3»

    ?DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2019.84.6.004

    ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ КОНЦЕНТРАЦІЇ Mn НА ФАЗОФОРМІРОВАНІЕ, РОЗМІРИ І ОПТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ НАНОЧАСТИНОК BiFe1-xMnxOз

    Наукова стаття

    Лиу Тхі Ньян1, Фам травня АН2, Нго Тхі Хоа3, Нгуен Куанг Тхань4, Нгуєн Ван Мань5, Зионг Ву Чионг6, Ле Тхі

    Біль7, Нгуен Тхань Чунг8, Нгуєн Ван Чуонг9

    1, з, 4, 5, б Ханойський індустріальний університет, Ханой, В'єтнам; 2 '7 Тхайнгуенскій педагогічний університет, Провінція Тхайнгуен, В'єтнам; 8 Тхайнгуенскій педагогічний коледж, Провінція Тхайнгуен, В'єтнам; 9 Донгхоаская старша школа, Провінція Хайфонг, В'єтнам

    *

    Корреспондирующий автор (phammaian [at] dhsptn.edu.vn, luu.nhan [at] haui.edu.vn)

    Анотація

    Обєктами дослідження виступили нанорозмірні мультіферроіческіе порошки BiFe1-xMnxO3 (x = 0.00, 0.05, 0.075), синтезування золь-гель методом. Зразки кальцинованої при відповідних температурах і в заданий період часу. Фазовий аналіз зразків проводили за допомогою рентгенівської дифрактометрії (РД). Морфологію частинок порошку BiFe1-xMnxO3 досліджували за допомогою скануючого електронного мікроскопа (СЕМ). Спектри УФ-видимого поглинання зразків були отримані за допомогою спектрофотометрической системи Cary 5000 UV-Vis-NIR Spectrophotometer. Результати показують, що легування Mn з певним співвідношенням допоможе видалити вторинну фазу і створити зразки з однофазної BFO, і призведе до зменшення розміру частинок. Дослідження спектрів поглинання в УФ-видимої області виготовлених зразків було показано, що легування Mn розширило і змістило поглинає край зразків в напрямок великої довжини хвилі, і зменшило ширину забороненої зони. Це збільшить фотокаталітичну активність системи матеріалів BFO, що зробить застосування більш практичним.

    Ключові слова: ферит вісмуту, мультіферроік, фазовий склад, мікроскопічна структура, спектр поглинання.

    STUDY OF MN CONCENTRATION EFFECT ON PHASE-FORMATION, DIMENSIONS AND OPTICAL

    PROPERTIES OF BiFe1-xMnxO3 NANOPARTICLES

    Research article

    Luu Thi Nhan1, Pham Mai An2, Ngo Thi Hoa3, Nguyen Quang Thanh4, Nguyen Van Manh5, Duong Vu Truong6, Le Thi

    Binh7, Nguyen Thanh Trung8, Nguyen Van Chuong9

    i, 3, 4, 5, e Ha Noi University of Industry, Ha Noi, Vietnam;

    2 '7 Thai Nguyen University of Education, Thai Nguyen province, Vietnam;

    8 Thai Nguyen Teacher Training College, Thai Nguyen Province, Vietnam;

    9 Donghoa hight school, Hai Phong city, Vietnam

    * Corresponding author (phammaian [at] dhsptn.edu.vn, luu.nhan [at] haui.edu.vn)

    Abstract

    Nanoscale multiferroic powders BiFe1_xMnxO3 (x = 0.00, 0.05, 0.075) synthesized by the sol-gel method are the object of the study. Samples are calcined at appropriate temperatures and for a specified period. Phase analysis of the samples is performed with the use of x-ray diffraction (XRD). The morphology of BiFe1-xMnxO3 (x = 0.00, 0.05, 0.075) powder particles is investigated using a scanning electron microscope (SEM). The spectra of UV-visible absorption of the samples are obtained using a spectrophotometry system Cary 5000 UV-Vis-NIR Spectrophotometer. The results show that Mn doping with a certain ratio will help to remove the secondary phase and create samples with single-phase BFO, and this will lead to a decrease in particle size. The study of the absorption spectra in the UV-visible region of the fabricated samples showed that Mn doping expanded and shifted the absorbing edge of the samples towards large wavelength, and reduced the width of the forbidden band. This will increase the photocatalytic activity of the BFO material system, which will make the application more practical.

    Keywords: bismuth ferrite, multiferroic, phase composition, microscopic structure, the absorption spectrum.

    Вступ

    Ферит вісмуту (Б1Ре03, БРО) - класичний мультіферроік продовжує залишатися в центрі уваги дослідників як модельний об'єкт матеріалів, які при кімнатних температурах проявляють магнітоелектричні властивості. Характерною особливістю цих матеріалів з практичної точки зору є погана провідність, високі значення температур магнітного (7М ~ 640 К) і сегнетоелектричних упорядкування (7с ~ 1100 К) [1], [2]. Ці матеріали перспективні для нової галузі квантової електроніки - спінової електроніки, заснованої на транспорті спін-поляризованих електронів, сенсорної техніки, магнітної пам'яті [3] - [6]. З іншого боку, наночастинки BFO також показують хорошу фотокаталітичну активність в області видимого світла через вузьку ширини забороненої зони (2,1-2,7 еВ) [7]. Такі матеріали можуть використовуватися в якості нових фотокаталізаторів, що реагують на видиме світло, для розкладання органічних забруднювачів або для освіти Н2 з води [8].

    В останні роки увагу дослідників звернена на освоєння методик отримання наночастинок і дослідження фізичних, хімічних властивостей наноструктурованих матеріалів БРО. дослідницьке

    напрямок також дуже зацікавлене в легуванні рідкоземельних елементів або 3d-rpynn в нанообразцах BFO для поліпшення електромагнітних властивостей, поліпшення фотокаталітичною здатності, легкого відновлення і повторного використання. У представленій роботі описані результати дослідження впливу концентрації Mn на фазоформірованіе, розміри і оптичні властивості наночастинок BiFei_xMnxO3 (x = 0.00; 0.05; 0.075).

    Зразки та методика вимірювань

    Обєктами дослідження виступили нанорозмірні мультіферроіческіе порошки BiFe1-xMnxO3 (x = 0.00-0.075), синтезування золь-гель методом в педагогічному університеті Тхайнгуен, провінція Тхайнгуен, В'єтнам, з використанням нітрату вісмуту Bi (NO3) 3.5H2O (чистота > 99%), нітрату заліза Fe (NO3) 3.9H2O (чистота > 98,5%), моногідрат лимонної кислоти СбН807.Н20 (чистота > 99, 5%), розчину нітрату марганцю Mn (NO3) 2 50% і NH3 (NH4OH). Зразки кальцинованої при відповідних температурах і в заданий період часу. Рентгенографічні дослідження при кімнатній температурі проводили методом порошкової дифракції з використанням дифрактометра X - XRD D8 Advance. Морфологія частинок порошку досліджувалася за допомогою скануючого електронного мікроскопа (СЕМ) Hitachi S-4800. Спектри поглошенія в УФ-видимої області виготовлених зразків виконувалися абсорбційної спектрометрією UV-Vis на спектрофотометрической системі Cary 5000 UV-Vis-NIR.

    Експериментальні результати та обговорень

    У цій роботі, ми успішно отримали порошки BiFe1-xMnxO3 з співвідношенням х = 0%, 5% і 7,5%. Рентгенофазовий аналіз порошків при кімнатній температурі представляв на рис 1. Аналіз рентгенограм показує, що зразки мають високу фазову чистоту. У нелегованих зразках (ріс.1- а) існує вторинна фаза Bi25FeO40, однак ця вторинна фаза дуже низька. Причина появи цієї вторинної фази пояснюється нестабільної фазою BiFeO3. Крім того, високолетких оксид вісмуту змінює співвідношення попередників, утворюючи вторинну фазу, пов'язану з фазою BFO в процесі синтезу матеріалу [9].

    20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

    2 - ТИ Е1А

    2 - ТІеО

    20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

    2 - ТІеО

    Мал. 1 - Рентгенофазовий аналіз порошків В11-хМпхРе03 (х = 0.00; 0,05; 0.075) Примітка: при кімнатній температурі

    Зразки при х = 0.05 і 0.075 (малюнки 1 - б і в) містили лише фазу ВБ0. Це показує, що легування Мп з певним співвідношенням допоможе видалити вторинну фазу і створити зразки з однофазної ВБ0. Виходячи з

    рентгенограм, ми також оцінюємо, що середній розмір зразків із співвідношенням 0%, 5% і 7,5% становить відповідно 23,2 нм; 24,3 нм і 39,1 нм.

    б; х = о.о5

    в) х = 0.075

    Мал. 2 - Мікроскопічна структура порошків Б11-хИіхРе03 (х = 0.00; 0.05; 0.075)

    Мікроскопічна структура досліджуваних зразків В11-хМпхБе03, представлена ​​на рис. 2, є неоднорідною за формою і розміром.

    У нелегованих зразках (рис. 2-а) форма частинок більш однорідна, ніж в інших зразках з розміром від кількох десятків до близько 500 нм. У зразку з частотою Мп, яка дорівнює 5% (рис. 2-б), частки менше за розміром, від приблизно декількох десятків до приблизно 200 нм. При підвищенні концентрації Мп до 7,5%, частки мають форму кубів або стрижнів, форма і розмір часток стають дуже неоднорідними, розміри частинок досягають 700 -800 нм (рис 2-в). Ці результати, показують, що легування Мп в зразках з певним співвідношенням призведе до зменшення розміру частинок. Однак, при підвищенні концентрації Мп вище граничних значень (в цій роботі 7,5%), то утворюють зразки мають великі розміри. Тому має продовжувати досліджувати зразки з різними концентраціями Мп, щоб отримати більш переконливі висновки.

    Для оцінки оптичних абсорбційних властивостей зразків ми виконали абсорбційну спектрометрию ІУ-У18 на спектрофотометрической системі Сагу 5000 ІУ-У18-МК На рис. 3-а показаний спектр поглинання зразка нанопорошку В11-хМпхБе03 (х = 0.00). Аналіз спектра поглинання зразків показав, що смуга сильного поглинання нелегованого зразка ВБ0 простягається від діапазону довжин хвиль від 210 до 515 нм. Абсорбційний центр розташований в положенні, відповідному довжині хвилі 548 нм. Для визначення ширини забороненої області матеріалу ми використовуємо метод Таус [10], [11]. Результати, показані на малюнку 3-б, визначають ширину забороненої зони зразка на 2,11 еВ. Цей результат узгоджується з деякими недавніми публікаціями [10], [12], [13].

    100-,

    1.6 1.4

    § 1.0 0.8 0.6

    0.4

    800

    1 | -I- | -I- | -I- | -I- | -I- | -I- | -I- | -I- | -I

    1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0

    200 400 600

    Wavelength (nm) hv (eV)

    Рі. 3 - a) Спектр УФ-видимого поглинання нанопорошку BiiMnFeO3; б) Залежність (ahv) 2 від енергії hv

    Аналогічно, аналіз спектра поглинання зразків В11-хМпхБе03 (х = 0.05; 0.075) показав, що смуга сильного поглинання зразка В11-хМпхБе03 (х = 0.05) простягається від діапазону довжин хвиль від 216 до 520 нм. Абсорбційний центр розташований в положенні, відповідному довжині хвилі 561 нм (рис. 4-а), а для випадку В11-хМпхБе03 (х = 0.075), від 221 до 519 нм. Абсорбційний центр розташований в положенні, відповідному довжині хвилі 556 нм (рис 5-а). І також визначають заборонені енергії відповідно 1,97 еВ (х = 0.05) (рис. 4-б), 1,94 еВ (х = 0.075) (рис. 5-б).

    800

    1-1-I-1-I-1-I-1-I-1-I-1-I-1-I-1-I-1-I-1-I-1-I

    1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 3.6 4.0 4.4 4.8 5.2 5.6 6.0

    400 600

    Wavelength (nm) hv (eV)

    Мал. 4 - a) Спектр УФ-видимого поглинання нанопорошку BiFe ^ Mn ^ O ^ б) Залежність (ahv) 2 від енергії hv

    Waveleiigth (nm) hv (eV)

    Мал. 5 - a) Спектр УФ-видимого поглинання нанопорошку BiFe ^^ Mn ^ sO ^ б) Залежність (ahv) 2 від енергії hv

    І так, дослідження спектрів поглинання в УФ-видимої області виготовлених зразків було показано, що легування Mn розширило і змістило поглинає край зразка в напрямок великої довжини хвилі і зменшило ширину забороненої зони. Це збільшує фотокаталітичну активність системи матеріалів BFO, що зробить застосування більш практичним.

    висновок

    Таким чином, в даній роботі, отримали зразки порошок BiFei-xMnxO3 з співвідношенням х = 0%, 5% і 7,5%. Отримані результати показують, що легування Mn з певним співвідношенням допоможе видалити вторинну фазу і створити зразки з однофазної BFO; і призведе до зменшення розміру частинок. Однак, при підвищенні концентрації Mn вище граничних значень (в цій роботі 7,5%), то утворюють зразки мають великі розміри. Дослідження спектрів поглинання в УФ-видимої області виготовлених зразків було показано, що легування Mn розширило і змістило поглинає край зразка в напрямку великої довжини хвилі і зменшило ширину забороненої зони. Це збільшує фотокаталітичну активність системи матеріалів BFO, що зробить застосування більш практичним.

    Конфлікт інтересів Conflict of Interest

    Не вказано. None declared.

    Список літератури / References

    1. D.H. Wang, W.C. Goh, M. Ning, C.K. Ong // Appl. Phys. Lett. - 2006. - V. 88. - P. 21290.

    2. P. Uniyal, K.L. Yadav // J. Alloys Comp. - 2012. - V. 511. - P. 149.

    3. W. Eerenstein, N. D. Mathur, J.F. Scott // Nature. - 2006. - V. 442. - P.759 - 765.

    4. R. Ramesh, N.A. Spaldin. // Nature Mater. - 2007. - V. 6. - P. 21.

    5. G. Catalan, J.F. Scott. // Adv. Mater. - 2009. - V. 21. - P. 2463.

    6. А.П. П'ятаков, А.К. Звездин. // УФН. - 2012. - Т. 182. - С. 593.

    7. T. Gao, Z. Chen, Q. Huang, F. Niu, X. Huang, L. Qin, Y.Huang // Rev. Adv. Mater. Sci. - 2015. - V. 40. - P. 97-109.

    8. J. Deng, S. Baneijee, S.K. Mohapatra, Y.R Smith, M. Misra // J. Fundam. Renew. Energy Appl. - 2011. -V. 1. - P. 1.

    9. Luu Hoang Anh Thu. Che tao va nghien cuu vat lieu BiFeO3 pha tap Eu3 + / Luu Hoang Anh Thu // Luan van thac si khoa hoc, Khoa Vat ly, BH. Khoa hoc Tu Nhien BHQGHN, Ha Noi - 2014.

    10. Bao Viet TMng. Che tao vat lieu BiFeO3, pha tap va nghien cu mot so tinh chat / Bao Viet TMng // Luan an tien si vat li, Truong Bai hoc Su pham Ha Noi - 2017.

    11. Manpreet Kaur, Yadav K. L., Poonam Uniyal. Investigations on multiferroic, optical and photocatalytic properties of lanthanum doped bismuth ferrite nanoparticles / Manpreet Kaur, K. L. Yadav, Poonam Uniyal // Adv. Mater. Lett. - 2015. -V. 6 (10). - P. 895-901.

    12. Han Y. et al. Substitution-driven structural, optical and magnetic transformation of Mn, Zn doped BiFeO3 / Y. Han et al // Ceramics International 41 - 2015. - P. 2476-2483.

    13. Tong Gao et al. Preparation of bismuth ferrite nanoparticles and its application in visible - light induced photocatalyses / Tong Gao et al // Rev. Adv. Mater. Sci. 40 - 2015. - P. 97 - 109.


    Ключові слова: Феррі ВІСМУТУ / МУЛЬТІФЕРРОІК / ФАЗОВИЙ СКЛАД / мікроскопічної структури / СПЕКТР ПОГЛИНАННЯ / BISMUTH FERRITE / MULTIFERROIC / PHASE COMPOSITION / MICROSCOPIC STRUCTURE / ABSORPTION SPECTRUM

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити