Effect of Cu substitution on structural and electric transport properties of Ni-Cd nanoferrites

• DOI: 10.1016/j.rinp.2019.102824
• Publication Date: 2019-12-02T07:48:53Z
• Authors: M. Arifuzzaman; M. Belal Hossen
• Keywords: Dielectric spectroscopy; Composite material; Dielectric; Ferrite (magnet); XRD; QC1-999; Electrode; Materials Science; Synthesis and Applications of Ferrite Nanoparticles; Spinel; Impedance spectroscopy; Grain boundary; Multiferroic and Magnetoelectric Materials; 01 natural sciences; Analytical Chemistry (journal); Engineering; Nanoferrites; 0103 physical sciences; Materials Chemistry; FOS: Electrical engineering, electronic engineering, information engineering; Electrochemistry; Nanotechnology; Crystallite; Electrical and Electronic Engineering; Optoelectronics; Microstructure; Magneto-Optical Devices for Integrated Photonics; FOS: Nanotechnology; Chromatography; Nanocrystalline material; Physics; Sol-gel technique; Ferrite Nanoparticles; Materials science; Dissipation factor; Grain size; Electronic, Optical and Magnetic Materials; Dielectric dispersion; Chemistry; Physical chemistry; Physical Sciences; Metallurgy

Nanocrystalline samples of Ni0.7−xCuxCd0.3Fe2O4 (x = 0.0–0.5, with step of 0.1) have been synthesized via auto-combusted sol-gel method. In this study, we present the structural and electric properties of Cu substituted Ni-Cd ferrite nanoparticles at room temperature with varying frequencies from 20 Hz to 15 MHz. X-ray diffraction (XRD) patterns of samples confirm the single-phase cubic spinel structure without impurity. The crystallite size of samples is found in the nano-scale range (17–27 nm) and the lattice parameter is found to increase linearly with Cu content. The surface morphology of samples is studied through a Field Emission Scanning Electron Microscopy (FESEM) and the presence of elements in the samples are confirmed by Energy Dispersive X-ray (EDX) techniques. The materials show dielectric dispersion up to 10 kHz frequencies and their loss tangent values remain very low at MHz frequencies. The impedance and modulus spectroscopy confirm the existence of non-Debye relaxation phenomena of the materials and resolve the contribution of grain and grain boundary. The ac conductivity shows normal behavior with frequency, which is explained on the basis of hopping mechanism.<br/>تم تصنيع عينات بلورية نانوية من Ni0.7 − xCuxCd0.3Fe2O4 (x = 0.0–0.5، مع خطوة من 0.1) عبر طريقة sol - gel المحترقة تلقائيًا. في هذه الدراسة، نقدم الخصائص الهيكلية والكهربائية للجسيمات النانوية الفريتية Ni - Cd المستبدلة في درجة حرارة الغرفة بترددات متفاوتة من 20 هرتز إلى 15 ميجا هرتز. تؤكد أنماط حيود الأشعة السينية (XRD) للعينات بنية الإسبنيل المكعبة أحادية الطور دون شوائب. تم العثور على حجم البلورات للعينات في نطاق مقياس النانو (17–27 نانومتر) وتم العثور على معلمة الشبكة لزيادة خطية مع محتوى النحاس. تتم دراسة الشكل السطحي للعينات من خلال المجهر الإلكتروني للمسح الضوئي للانبعاثات الميدانية (FESEM) ويتم تأكيد وجود العناصر في العينات بواسطة تقنيات الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX). تُظهر المواد تشتت العازل الكهربائي حتى ترددات 10 كيلوهرتز وتظل قيم مماس فقدانها منخفضة جدًا عند ترددات ميغاهرتز. يؤكد التحليل الطيفي للمعاوقة والمعامل وجود ظواهر استرخاء غير داي للمواد ويحدد مساهمة حدود الحبوب والحبوب. تُظهر موصلية التيار المتردد سلوكًا طبيعيًا مع التردد، والذي يتم شرحه على أساس آلية القفز.<br/>Des échantillons nanocristallins de Ni0,7−xCuxCd0,3Fe2O4 (x = 0,0-0,5, avec une étape de 0,1) ont été synthétisés par la méthode sol-gel auto-combustible. Dans cette étude, nous présentons les propriétés structurales et électriques de nanoparticules de ferrite Ni-Cd substituées par Cu à température ambiante avec des fréquences variables de 20 Hz à 15 MHz. Les modèles de diffraction des rayons X (DRX) des échantillons confirment la structure de spinelle cubique monophasique sans impureté. La taille des cristallites des échantillons se trouve dans la gamme de l'échelle nanométrique (17–27 nm) et le paramètre de réseau augmente linéairement avec la teneur en Cu. La morphologie de surface des échantillons est étudiée par microscopie électronique à balayage à émission de champ (FESEM) et la présence d'éléments dans les échantillons est confirmée par des techniques de rayons X à dispersion d'énergie (EDX). Les matériaux présentent une dispersion diélectrique jusqu'à des fréquences de 10 kHz et leurs valeurs de tangente de perte restent très faibles aux fréquences MHz. La spectroscopie d'impédance et de module confirme l'existence de phénomènes de relaxation non-Debye des matériaux et résout la contribution du grain et de la limite de grain. La conductivité AC montre un comportement normal avec la fréquence, ce qui est expliqué sur la base du mécanisme de saut.<br/>Se han sintetizado muestras nanocristalinas de Ni0.7 − xCuxCd0.3Fe2O4 (x = 0.0–0.5, con el paso de 0.1) mediante el método de sol-gel autocombustible. En este estudio, presentamos las propiedades estructurales y eléctricas de las nanopartículas de ferrita de Ni-Cd sustituidas con Cu a temperatura ambiente con frecuencias variables de 20 Hz a 15 MHz. Los patrones de difracción de rayos X (XRD) de las muestras confirman la estructura de espinela cúbica monofásica sin impurezas. El tamaño de los cristalitos de las muestras se encuentra en el rango de nanoescala (17–27 nm) y se encuentra que el parámetro de la red aumenta linealmente con el contenido de Cu. Se estudia la morfología superficial de las muestras mediante Microscopía Electrónica de Barrido de Emisión de Campo (FESEM) y se confirma la presencia de elementos en las muestras mediante técnicas de Rayos X Dispersivos de Energía (edX). Los materiales muestran dispersión dieléctrica hasta frecuencias de 10 kHz y sus valores de tangente de pérdida permanecen muy bajos a frecuencias de MHz. La espectroscopia de impedancia y módulo confirma la existencia de fenómenos de relajación no Debye de los materiales y resuelve la contribución del grano y el límite del grano. La conductividad de CA muestra un comportamiento normal con la frecuencia, que se explica sobre la base del mecanismo de salto.<br/>