Değiş-tokuş etkileşimi çiftlenimli nanomıknatısların manyetik özelliklerinin incelenmesi

TELEM ŞİMŞEK

Değiş-tokuş etkileşimi çiftlenimli nanomıknatısların manyetik özelliklerinin incelenmesi

Tezin Türü: Doktora

Tezin Yürütüldüğü Kurum: Hacettepe Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Fizik Mühendisliği A.B.D., Türkiye

Tezin Onay Tarihi: 2015

Tezin Dili: Türkçe

Öğrenci: TELEM ŞİMŞEK

Asıl Danışman (Eş Danışmanlı Tezler İçin): ŞADAN ÖZCAN

Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu

Özet:

Bu çalışmada, değiş-tokuş etkileşim çiftlenimi özelliğinden faydalanarak, nadir yer elementi içermeyen manganbizmut/manganbor (MnBi/MnB) ve demirplatin/manganbor (FePt/MnB) nanokompozit mıknatısların üretilmesi, yapısal ve manyetik özelliklerinin araştırılması amaçlandı. Bu amaca ulaşmak için öncelikle, yoğunluk fonksiyonel teorisi (YFT) hesaplamaları sonucunda MnB alaşımının yumuşak manyetik faza, metalik özelliğe ve mutlak sıcaklıkta 158 emu/g'a karşılık gelen 1,915 μB'na sahip olduğu belirlendi. Ayrıca ark ergitme yöntemi kullanılarak MnxB100-x alaşımları üretildi. Alaşımların yapısal karakterizasyonlarından x=55 atomik yüzdesinden tek fazlı ve ortorombik sistemde kristalleşen MnB alaşımının başarı ile sentezlendiği belirlendi. Üretilen MnB alaşımının doyum mıknatıslanması 130 emu/g, anizotropi sabiti 517x103 erg/g ve Curie sıcaklığı ise 566 K olarak belirlendi. Nanokompozitlerin değiş-tokuş etkileşimi ile çiftlenmesi için, yumuşak ve sert manyetik fazlarının büyüklükleri en önemli etkin parametredir. Bu nedenle, MnB alaşımı mekanik öğütücü ile farklı sürelerde öğütülerek, büyüklüğün yapısal ve manyetik özelliklere etkileri incelendi. 7 saat süre ile öğütme sonrası 11,6 nm kristalit büyüklüğünde ve 85 emu/g doyum mıknatıslanmasına sahip olan örnekler, değiş-tokuş etkileşimi çiftlenimli nanokompozit mıknatıslarda kullanılmak üzere yumuşak manyetik faz olarak seçildi. Çalışma kapsamında ayrıca literatürde ilk kez sonokimyasal yöntem kullanılarak MnB nanoparçacıkların üretimi üzerinde çalışıldı. Sonokimyasal işlemin ardından 800 °C sıcaklığında ve forming gaz atmosferinde ısıl işlem uygulanan örneğin, kütlece %48,2 MnB, %19,9 MnO ve %7 B2Mn3O6 ve %24,9 B yapılarını içerdiği belirlendi. Yöntemde tek fazlı MnB yapısının başarı ile elde edilebilmesi için daha fazla araştırma yapılması gerektiğinden, nanokompozit mıknatısların üretiminde bu nanoparçacıklar kullanılmadı. İkinci olarak, nanokompozit mıknatıslarda sert manyetik faz olarak kullanılması için MnBi alaşımı üzerinde çalışıldı. Teorik olarak mutlak sıcaklıkta 76,3 emu/g doyum mıknatıslanmasına sahip olduğu belirlenen yığın alaşım, deneysel olarak ark ergitme yöntemi ile hazırlandı. Ardından alaşımın yüksek manyetokristalite anizotropisine sahip olan düşük sıcaklık fazına geçmesi için örnekler, farklı süreler boyunca ve 575 K sıcaklığında vakumda fırınlandı. Örneklerin 10 saat süre ile ıslak öğütme sonrası 51,7 emu/g doyum mıknatıslanmasına ve 12,2 kOe koerziviteye sahip olduğu belirlendi. Bu örnek MnBi/MnB nanokompozitlerde sert manyetik faz olarak kullanılmak üzere seçildi. Sert manyetik faz olan FePt yapısının YFT hesaplamaları alaşımın FePt birim formülü başına 3,3 μB'luk mıknatıslanmaya ve 2,7 meV değerinde anizotropi enerjisine sahip olduğunu gösterdi. Ardından ark ergitme yöntemi ile üretilen yığın alaşımın kristalit büyüklüğü, 12 saat kuru öğütme sonrası 19,3 nm'ye indirildi. Örneğin 2,9 kOe koerziviteye ve 56,4 emu/g doyum mıknatıslanmasına sahip olduğu belirlendi. Bu örnek FePt/MnB nanokompozit mıknatıslarında sert manyetik faz olarak kullanılmak üzere seçildi. Çalışmanın son bölümünde ise, MnBi/MnB ve FePt/MnB nanokompozit mıknatısları üretildi ve sert ve yumuşak manyetik fazlar arasındaki değiş-tokuş etkileşimi incelendi. Kütlece %10 MnB içeren MnBi/MnB nanokompozit mıknatısın maksimum enerji çarpanı (BH)maks'ın 5,74 MGOe değerinde olduğu belirlendi. Bu sonuç, %10 yumuşak manyetik MnB fazı ile değiş-tokuş etkileşimi çiftleniminin, MnBi/MnB nanokomopozit mıknatısın maksimum enerji çarpanında %12 değerinde bir artış sağladığını göstermektedir. Böylece sert manyetik MnBi ve yumuşak manyetik MnB yapılarını içeren nanokompozit bir mıknatısın performansının, değiş-tokuş etkileşimi çiftlenmesi yoluyla anlamlı bir şekilde artırılabildiği kanıtlandı. Son olarak, FePt/MnB nanokompozit mıknatıslar üretildi. Kütlece %20 oranında MnB içeren mıknatısın 2,32 MGOe değerinde (BH)maks çarpanı olduğu hesaplandı. Sonuç olarak, MnB ve FePt yapılarının değiş-tokuş etkileşimi çiftlenimi yoluyla FePt mıknatısın performansının %25 artırıldığı gösterildi.