Síntese de ferritas de cobalto dopadas com nióbio e o controle das propriedades ópticas e magnéticas

Abstract

Neste trabalho, o efeito da concentração de pentacloreto de nióbio (NbCl5) e a influência do íon nióbio pentavalente na estrutura e propriedades ópticas de ferritas de cobalto foram estudados pela primeira vez. O método sol-gel foi aplicado para sintetizar o xerogel com um tratamento térmico de 550 °C por 2.5 horas para obter a nanopartícula. A difração de raios X mostrou a fase espinélio esperada em todas as amostras. Assim, foi possível observar um deslocamento na reflexão principal (311) e uma mudança no parâmetro de rede conforme o teor de nióbio aumentava. O tamanho do cristalito variou entre aproximadamente 18 e 34 nm. Os espectros Raman mostraram modos vibracionais típicos de ferrita de cobalto sem indicação de modos de fase secundária e variação nas bandas A1g(2) e T2g(1) relacionadas aos sítios octaédrico e tetraédrico, respectivamente. Além disso, há uma correlação com um desvio para o vermelho observado, indicando um aumento no grau de inversão. A reflectância difusa mostrou que a banda proibida das amostras variou de 1,97 eV para a amostra pura (Co1.0Fe2.0O4) a 1,65 eV para o maior teor de dopagem (Co1.0Nb0.1Fe1.90O4). A coercividade também foi afetada, variando de 1253 Oe na amostra pura (Co1.0Fe2.0O4) a 745 Oe na amostra dopada (Co1.0Nb0.1Fe1.90O4). Esses resultados comprovam que a otimização das propriedades foi bem-sucedida, pois houve uma diminuição acentuada da banda proibida e um aumento na absorção de UV. Esse resultado mostra que é possível otimizar as propriedades ópticas pela introdução de nióbio, efeito que não foi possível em outros estudos com esse tipo de dopante.

In this work, the effect of niobium pentachloride concentration (NbCl5) and the influence of the pentavalent niobium ion on the structure and optical properties of cobalt ferrites was studied for the first time. The sol-gel method was applied to synthesize the xerogel with a subsequent heat treatment at 550°C for 2.5 hours to obtain the nanoparticle. X-ray diffraction showed the expected spinel phase in all samples. Thus, it was possible to observe a shift in the main reflection (311) and a change in the lattice parameter as the niobium content increased. The crystallite size varied between approximately 18 and 34 nm. The Raman spectra showed typical vibrational modes of cobalt ferrite with no indication of secondary phase modes and variation in the A1g(2) and T2g(1) bands related to the octahedral and tetrahedral sites, respectively. Moreover, there is a correlation to an observed redshift, indicating an increase in the degree of inversion. Diffuse reflectance showed that the band gap of the samples varied from 1.97 eV for the pure sample (Co1.0Fe2.0O4) to 1.65 eV for the highest doping content (Co1.0Nb0.1Fe1.90O4). The coercivity was also affected, ranging from 1253 Oe in the pure sample (Co1.0Fe2.0O4) to 745 Oe in the doped sample (Co1.0Nb0.1Fe1.90O4). These results prove that the optimization of properties was successful since there was a marked decrease in the band gap and an increase in UV absorption. This result shows that it is possible to optimize the optical properties by introducing niobium, an effect that has not been possible in other studies with this type of dopant.