Mössbauermessungen an Kupferferriten

Abstract

Die vorliegende Diplomarbeit behandelt den Aufbau eines Hochtemperatur-Mössbauerspektrometers und die Untersuchung von Kupferferriten mit kubischer und tetragonaler Struktur. Ziel der Arbeit war die Bestimmung der Inversionskoeffizienten dieser Ferrite, die in verschiedenen Herstellungsverfahren gewonnen und sowie anschließend unterschiedlich schnell abgekühlt wurden. Ein Schwerpunkt lag auf den Proben S1, S2, S3, S4 und S8, die durch ein neuartiges Syntheseverfahren (Combustion) hergestellt wurden und eine Zusammensetzung von Cu0.87Fe2.13O4 aufweisen, anstelle der idealen Struktur Cu0.87Fe2.13O4 . Vergleichend wurden auch Proben (S5, S6 und S7) untersucht, die nach dem klassischen Kopräzipitationsverfahren hergestellt wurden und eine vollständig besetzte Struktur zeigen.Es wurde festgestellt, dass die bei hoher Temperatur gebildete kubische Phase bei schneller Abkühlung auch bei Raumtemperatur bestehen bleibt, obwohl die tetragonale Phase bei niedrigen Temperaturen die stabilere sein sollte. In-situ-Messungen an der Probe S1 bei verschiedenen Temperaturen bestätigten diese Beobachtungen: Während bei 404°C eine kubische Struktur vorherrscht, zeigte sich bei 193°C eine stabile tetragonale Phase.Der Inversionsparameter λ, der die Verteilung der Eisenatome auf den A- und B-Plätzen beschreibt, sinkt mit der Abkühlgeschwindigkeit der Proben. In den in-situ-Messungen zeigte sich bei höheren Temperaturen jedoch ein λ-Wert von ca. 1, was auf eine komplexe Diffusionsdynamik hinweist.Zusätzlich zu den Mössbauer-Messungen wurden magnetische Messungen mit einem Vibrating Sample Magnetometer (VSM) durchgeführt. Es wurden M-H-Kurven bei Raumtemperatur (Hysteresen) sowie M-T-Messungen bei verschiedenen Feldern aufgenommen. Alle durch Combustion-Synthese hergestellten und anschließend temperaturbehandelten Proben (S1, S2, S3 und S8) zeigen Hysteresen, aus denen Koerzitivfeldstärke, Sättigungsmagnetisierung, Remanenz und effektive Anisotropiekonstante bestimmt wurden.Die Probe S5, mit einem Teilchendurchmesser im Nanometer Bereich, wies, sowohl bei den Mössbauer- als auch bei magnetischen Messungen, superparamagnetisches Verhalten auf. Die Mößbauerspektren der Probe S5 wurden mit einem Relaxations- und einem Teilchenverteilungsmodell analysiert und die mittlere Energiebarriere, die Blockierungstemperatur und die Relaxationszeit ermittelt. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass Mössbauerspektroskopie dazu geeignet ist, zwischen kubischer und tetragonaler Struktur zu unterscheiden und Aussagen über die Platzbesetzung mit Eisen zu treffen. Der komplexe Diffusionsprozess, der sich in den teilweise unerwarteten Werten des Inversionsparameters zeigt, deuten jedoch auf weiteren Forschungsbedarf hin.

The present diploma thesis focuses on the construction of a high-temperature Mössbauer spectrometer and the investigation of copper ferrites with cubic and tetragonal structures. The aim of this work was to determine the inversion coefficients of these ferrites, which were produced using various manufacturing processes and under different temperature conditions. A particular focus was placed on samples S1, S2, S3, S4, and S8, which were synthesized through a novel combustion method and had a composition of Cu0.87Fe2.13O4, deviating from the ideal structure of CuFe2O4. For comparison, samples S5, S6, and S7, produced by the traditional coprecipitation method and displaying a fully occupied structure, were also examined.It was found that the cubic phase formed at high temperatures remains stable at room temperature after rapid cooling, even though the tetragonal phase should be more stable at lower temperatures. In-situ measurements on sample S1 at various temperatures confirmed these observations: a cubic structure prevailed at 404°C, while a stable tetragonal phase was observed at 193°C.The inversion parameter λ, which describes the distribution of iron atoms on the A and B sites, decreases with the cooling rate of the samples. However, in the in-situ measurements, a λ value of around 1 was observed at higher temperatures, indicating complex diffusion dynamics.In addition to Mössbauer measurements, magnetic measurements were carried out using a Vibrating Sample Magnetometer (VSM). M-H curves at room temperature (hysteresis loops) and M-T measurements at different fields were recorded. All samples produced by the combustion synthesis and subsequently heat-treated (S1, S2, S3, and S8) exhibited hysteresis loops, from which coercivity, saturation magnetization, remanence, and effective anisotropy constant were determined.Sample S5, with a particle size in the low nanometer range, exhibited superparamagnetic behavior, as evidenced by both Mössbauer and magnetic measurements. The Mössbauer spectra of sample S5 were analyzed using a relaxation and particle distribution model, and the average energy barrier, blocking temperature, and relaxation time were determined.Overall, this work demonstrated that Mössbauer spectroscopy is a suitable technique for distinguishing between cubic and tetragonal structures and for providing insights into the iron site occupancy. However, the complex diffusion processes indicated by partially unexpected inversion parameters suggest further research is needed.