Efeito da criomoagem nas propriedades estruturais, microestruturais e magnéticas em nanopartículas do composto BiFeO3

Abstract

Resumo: O composto BiFeOz vem sendo objeto de estudo de trabalhos científicos a algumas décadas por conta de suas propriedades ferroicas únicas, dentre as quais destacam-se a presença dos ordenamentos ferroelétrico e antiferromagnético à temperatura ambiente, elevada temperatura de Curie (Tc ~ 830°C) e Néel (TN ~ 370°C), que o tornam um grande candidato a aplicações tec-nológicas. No entanto, por conta dos momentos de dipolo magnético ordenarem-se de maneria a formar uma ciclóide, cujo comprimento de correlação é de 64 nm, a magnetização macroscópica é nula. Não obstante, a nanoestruturação tem sido reportada como uma técnica eficiente na maximização das propriedades magnéticas deste composto, sendo a criomoagem uma alternativa eficaz de se efetuá-la. À vista disso, neste trabalho, amostras de BiFeOz foram sintetizadas por meio do método de moagem em altas energias seguido de sinterização rápida e choque térmico à temperatura ambiente. As amostras apresentaram uma relação de intensidade do pico principal da fase secundária em relação ao pico principal do BFO de 4,34%. Para a obtenção de pós nanoestruturados, a técnica de criomoagem com esferas de diferentes massas e diâmetros, de 0,1109 g (3 mm) até 4,1103 g (10 mm), foi empregue. As características estruturais revelam que, a partir da rota de preparação adotada, altos índices de micro-deformações (superiores à 1%), associados à significativas reduções no tamanho médio de cristalito (inferiores à 64 nm), foram induzidas. As modificações nas propriedades estruturais das amostras estão relacionadas a quantidade de energia transferida pelas esferas para as amostras, a qual está intrinsecamente associada à massa das primeiras. Microestruturalmente, observa-se a diminuição do tamanho médio das partículas, contudo, uma possível saturação por volta de 344 nm é observada para todos os conjuntos de amostras analisados. Em se tratando das propriedades magnéticas do material, ganhos expressivos foram observados, de maneira que, partindo de uma magnetização máxima de 0,12 emu/g (à 15kOe) para a amostra não criomoída, valores iguais a 0,20, 0,31, 0,29, 0,44 e 0,64 emu/g foram obtidos para amostras criomoídas com esferas de 0,1109 g, 0,5138 g, 1,0524 g, 2,0555 g e 4,1103 g, respectivamente. Tais mudanças foram atribuídas a ação conjunta de altos valores de micro-deformações (micro-train) e pequenos tamanhos de cristalito, atributos que influenciam sobremodo as características magnéticas do material.

Abstract: BiFeO compound has been studied for some decades because of its unique ferroic proper-ties, such as the presence of ferroelectric and antiferromagnetic orders at room temperature, high Curie (Tc ~ 830°C) and Néel (TN ~ 370°C) temperatures, which make it a great candidate for technological applications. However, the magnetic dipole moments order themselves to form a cycloid (whose correlation length is 64 nm), which results in a null macroscopic magnetiza-tion. Nonetheless, nanostructuration has been reported as an efficient technique to maximize the magnetic properties of this compound, with cryomilling being an effective alternative to accomplish BiFeO nanostructuration. With that said, in this work, BiFe samples were synthesized using the high energy ball milling method followed by rapid sintering and queenching at room temperature. The best samples were chosen in such a way that the worst of them presented an intensity ratio of the main peak of the secondary phase in relation to the main peak of the BFO of 4.34%. To obtain nanostructured powders, the cryomilling technique with spheres of different masses and diameters, from 0,1109 g (3 mm) to 4,1103 g (10 mm), were employed. Structural characteristics reveal that, from the adopted preparation route, high micro-strain values (greater than 1%), associated with significant reductions in the average crystallite size (less than 64 nm), were induced. The deep changes observed are related to the amount of energy transferred by the spheres to the samples, which is intrinsically associated with mass. Microstructurally, a decrease in the average particles size is observed, however, a possible saturation of the average size, around 344 nm, is observed for all sets of analyzed samples. Analyzing the material's magnetic properties, significant gains were observed, so that, starting from a maximum magnetization of 0.12 emu/g (at 15 kOe), for the BFO samples not cryomilled, values of 0.20, 0.31, 0.29, 0.44 and 0.64 emu/g were obtained for cryomilled samples with balls of 0.1109 g, 0.5138 g, 1.0524 g, 2.0555 g and 4.1103 g, respectively. Such changes were attributed to the joint action of high values of micro-strain and small crystallite sizes, attributes that greatly influence the magnetic characteristics of the material.