Synthesis and characterization of the structural, microscopic and magnetic properties of FeNi nanoparticles synthesized via the sol-gel method

Abstract

O objetivo desta tese é a síntese e caracterização estrutural, morfológica, química e magnética de nanopartículas de FeNi. Uma fase especial de FeNi (fase ordenada L10-FeNi), tecnologicamente procurada por suas propriedades magnéticas e estruturais muito interessantes é sintetizada. Essas propriedades estão relacionadas ao parâmetro de ordem química (S). Essa fase naturalmente formada (tetrataenita) é encontrada apenas em meteoritos formados ao longo de bilhões de anos. Para este propósito, a síntese da liga FeNi foi realizada adaptando o método sol-gel. O produto foi recozido em forno tubular sob atmosfera redutora a diferentes temperaturas de 400oC a 1150oC. A fim de identificar a quantidade em peso dos elementos de Fe e Ni em todas as amostras, suas composições elementares foram investigadas por fluorescência de raios X (FRX) e mapeamento elementar a partir de espectros de dispersão de energia (EED). As composições químicas do Ni em todas as amostras são superiores a 45% em peso, o que esta em inteira concordância com a faixa de valores da composição química para o domínio de estabilidade da superestrutura L10-FeNi reportada para meteoritos naturais. Os resultados obtidos a partir da difração de raios X (DRX) das amostras tratadas a temperaturas inferiores a 700oC indicam a formação de fases de FeNi desordenadas e outras fases impuras. As medidas de difração de raios-x síncrotron (DRXS) mostraram a presença da reflexão (100) propria da superestrutura da fase ordenada de FeNi (L10-FeNi) nas amostras tratadas a 800oC, 900oC e 1000oC. A intensidade desta reflexão é muito fraca, devido à pequena diferença entre os fatores de espalhamento atômico de Fe e Ni. O DRXS revelou a coexistência da fase ordenada com a fase da magnetita. Um valor S de 0,81 foi estimado, o que é maior do que o calculado para a Tetrataenita. A amostra recozida a 700oC não mostrou essa reflexão da superestrutura. Imagens de microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução confirmaram os resultados de DRXS, mostrando claramente a coexistência das fases de magnetita e de L10-FeNi ordenado. Por outro lado, um pico endotérmico em ~ 331.5oC foi determinado por medidas de DSC que foi atribuído ao início da formação da fase desordenada de FeNi. Isto foi confirmado por DRX da amostra recozida a 300oC. Espectroscopia Mössbauer mostrou a presença de um sexteto magnético com deslocamento quadrupolar (QS) devido à simetria tetragonal em torno do átomo de Mössbauer, confirmando a presença da fase ordenada de FeNi. Outro sexteto com QS nulo, indicou a presença da fase desordenada do FeNi. DRX não detectou a presença de ambas as fases. Um comportamento diferente do relatado na literatura para o Q.S da fase ordenada em função do parâmetro de ordenamento químico foi encontrado. As medidas de magnetização indicaram que os valores da magnetização de saturação encontrados nas amostras estudadas são valores próximos ou superiores aos relacionados com a Tetrataenite. Embora o campo coercitivo das amostras não corresponda a uma fase ordenada, o campo mostra uma tendência decrescente com o aumento do tamanho das partículas, comportamento típico dos ímãs permanentes. Além disso, o campo coercitivo está mais relacionado à anisotropia da forma do que à anisotropia magnetocristalina, uma vez que é mostrada uma forma circular para as nanopartículas recozidas a 700oC e uma forma retangular para nanopartículas recozidas a 1000oC. O valor da anisotropia magnetocristalina para a amostra tratada a 1000oC corresponde ao encontrado na fase natural. As temperaturas de bloqueio e de Curie foram calculados para serem consistentes com o reportado na literatura