10

NANOSYSTEMS: PHYSICS, CHEMISTRY, MATHEMATICS, 2021, 12 (4), P. 481–491

Study of magnetic and optical transitions in MFe₂O₄ (M=Co, Zn, Fe, Mn) with spinel structure

Nitika – Department of Physics, SRM University, Delhi NCR, Sonepat, 131029, India; nitika270593@gmail.com
Anu Rana – Department of Physics, SRM University, Delhi NCR, Sonepat, 131029, India
Vinod Kumar – Department of Physics, NSUT, Dwarka, New Delhi, 110078, India

Spinel ferrite (MFe₂O₄) nanoparticles were successfully synthesized by the coprecipitation method. X-ray diffraction technique was employed for structural analysis. Single-phase cubic spinel structure with an average crystallite size ranging from 5 – 20 nm was obtained for the prepared ferrites. The Fourier transform infrared spectra exhibits an absorption band at 550 cm^-1, which is attributed to metal-oxygen bond vibrations at tetrahedral sites. The thermogravimetric analysis revealed the instability of MnFe₂O₄ and Fe₃O₄ above 500 °C whereas CoFe₂O₄ is found to be the most stable ferrite. The hysteresis parameters demonstrate the superparamagnetic nature of the prepared nanoparticles with low coercivity except for CoFe₂O₄. The direct optical band gap energy derived from UV-visible spectra is calculated to be 2.82, 2.83, 2.81, and 2.44 eV for M=Co, Zn, Fe, and Mn respectively. The magnetic and optical properties show a strong dependence on cation site occupancy.

Keywords: Spinel ferrites, Fourier transform infrared spectroscopy, thermo-gravimetric analysis, hysteresis curve, optical properties.

DOI 10.17586/2220-8054-2021-12-4-481-491

Download

[In Russian] Нитика, Ану Рана, Винод Кумар

Исследование магнитных и оптических переходов в MFe₂O₄ (M=Co, Zn, Fe, Mn) со структурой шпинели

Методом соосаждения синтезированы наночастицы феррита шпинели (MFe₂O₄). Для структурного анализа использовали метод рентгеновской дифракции. Для полученных ферритов наблюдалась однофазная кубическая структура шпинели со средним размером кристаллитов 5‒20 нм. Инфракрасные спектры с преобразованием Фурье демонстрируют полосу поглощения при 550 см^-1, которая приписывается колебаниям связи металл-кислород в тетраэдрических позициях. Термогравиметрический анализ показал нестабильность MnFe₂O₄ и Fe₃O₄ выше 500 °C, тогда как CoFe₂O₄ оказался наиболее стабильным ферритом. Параметры гистерезиса демонстрируют суперпарамагнитную природу полученных наночастиц с низкой коэрцитивной силой, за исключением CoFe₂O₄. Прямая оптическая ширина запрещенной зоны, полученная из УФ-видимых спектров, рассчитана как 2.82, 2.83, 2.81 и 2.44 эВ для M = Co, Zn, Fe и Mn соответственно. Магнитные и оптические свойства сильно зависят от занятости позиций катионов.

Ключевые слова: ферриты со структурой шпинели, инфракрасная Фурье-спектроскопия, термогравиметрический анализ, кривая гистерезиса, оптические свойства.