Síntesis de partículas de épsilon-Fe₂O₃ mediante sol-gel : caracterización magnética y estructural

(1)

UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID

FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS

Departamento de Física de Materiales

TESIS DOCTORAL

Síntesis de partículas de épsilon-Fe

₂

O

₃

mediante sol-gel:

caracterización magnética y estructural

MEMORIA PARA OPTAR AL GRADO DE DOCTOR

PRESENTADA POR

Jesús López Sánchez

Directores

Noemí Carmona Tejero

Óscar Rodríguez de la Fuente

.

Madrid, 2018

(2)

(3)



(4)

(5)







(6)





(7)





(8)

(9)

(10)



(11)



(12)

(13)



(14)



(15)



(16)

(17)

(18)

(19)



3̅

(20)

(21)



(22)

(23)

(24)

(25)

(26)

(27)

(28)

(29)

(30)

(31)

(32)

(33)

(34)

(35)



(36)



(37)

(38)

(39)

(40)

(41)

(42)

(43)

ε

(44)

(45)

(46)

(47)

(48)

(49)

(50)

M(OR)

n

+ n H

2

O

→

M(OH)

n

+ n ROH

(51)

(52)

(53)

(54)

C re c im ie n to y g e la c ió n pH

(55)

(56)

H+ OH -H+ H+ -3+ -- + + + -3+ -+ + + OH -OH -OH

(57)

Surfactante: CTAB, C19H42BrN Br

+

-CTAB

Micelas rodeadas por CTAB inmersas en la matriz Cadena de CTAB

(58)

Glicerol Polialcohol: GLY, C3H8O3

Molécula GLY

(a) (b) (c)

Receta sol-gel con GLY

Micelas rodeadas por GLY inmersas en la matriz

(59)

(60)

(61)

(62)

Aplicación

Atmósfera reductora

(cajas de grafito)

Aire

(63)

(64)

(65)

𝑑= [μ (

1 sen (α)

+

1 sen (2θ-α)

)]

-1

𝜇



𝑑 =

𝑠𝑒𝑛 (𝛼)

𝜇

𝑦 𝜇 = 𝜇

𝑚

𝜌

(66)



(2(Δθ)

muestra

)

2

_{= (2(Δθ)}

_experimental

₎

2

_{- (2(Δθ)}

_patrón

₎

2

(67)

D =

0.9 λ

2Δθ cos θ

(68)

(69)

(70)

(71)

(72)

(73)

Desviación Raman Desviación Raman

(74)

(75)

(76)

(77)

(78)

𝐼 = 𝐼

₀

𝑒

−𝜇𝑥

(79)



(80)



(81)

𝑑𝛿

𝑑𝑡

=

2𝑒𝑉

ℏ

=

2𝜋𝑉

Φ

₀

𝐽 = 𝐽

₀

𝑠𝑒𝑛 𝛿 cos

𝑒 𝛷

ℎ

+

2𝑉

𝑅

(82)

(83)

(84)

𝜀 = −𝑁

𝑑𝛷𝐵

(85)

(86)



(87)

(88)

(89)

(90)

(91)

(92)

(93)

∼





(94)

∼





(95)

∼

(96)

51̅1̅

[011̅]

(011̅)

(97)

(98)

(99)









(100)



(101)

 

(102)

   Å  



** ** * * * * 









(103)

(104)

(105)





(106)

(107)

( )

(108)

(109)

(110)

(111)

(112)

(113)

(114)

(115)



(116)



(117)

Surfactante: CTAB, C19H42BrN Br

+

-CTAB

Micelas rodeadas por CTAB inmersas en la matriz Cadena de CTAB

(118)

(119)

(120)

(121)





(122)

(123)

20 30 40 50 60 70 -Fe 2O3 -Fe 2O3 -Fe 2O3 1020 ºC 990 ºC In te n s id a d ( u . a .) 2(deg) 960 ºC 20 30 40 50 60 70 -Fe 2O3 -Fe₂O₃ -Fe 2O3 1020 ºC 990 ºC In te n s id a d ( u . a .) 2(deg) 960 ºC 20 30 40 50 60 70 -Fe 2O3 -Fe 2O3 -Fe₂O₃ 1020 ºC 990 ºC In te n s id a d ( u . a .) 2(deg) 960 ºC 20 30 40 50 60 70 -Fe 2O3 -Fe 2O3 -Fe 2O3 1020 ºC 990 ºC In te n s id a d ( u . a .) 2(deg) 960 ºC 20 30 40 50 60 70 -Fe₂O₃ -Fe 2O3 -Fe 2O3 1020 ºC 990 ºC In te n s id a d ( u . a .) 2(deg) 960 ºC 20 30 40 50 60 70 -Fe 2O3 -Fe 2O3 -Fe 2O3 1020 ºC 990 ºC In te n s id a d ( u . a .) 2(deg) 960 ºC 20 30 40 50 60 70 -Fe 2O3 -Fe 2O3 -Fe 2O3 1020 ºC 990 ºC In te n s id a d ( u . a .) 2(deg) 960 ºC

(124)

(125)

(126)

(127)

(128)

(129)

(130)

(131)

(132)

1 𝑑

2

=

ℎ

2

𝑎

2

+

𝑘

2

𝑏

2

+

𝑙

2

𝑐

2

α = cos (

(ℎ𝑢 ℎ𝑣) + (𝑘𝑢 𝑘𝑣) + (𝑙𝑢 𝑙𝑣)

√(ℎ𝑢)

2

_{+ (𝑘𝑢)}

2

_{+ (𝑙𝑢)}

2

_{+ √(ℎ𝑣)}

2

_{+ (𝑘𝑣)}

2

_{+ (𝑙𝑣)}

2

)

−1



(133)

 A B A



(134)

(135)

(136)

(137)

(138)

 m icro pa rtícula    _aglom  erado   

(139)

(140)

(141)

(142)

80 K

110 K

150 K

200 K

300 K

475 K

600 K

(143)

  

(144)

(145)



Costantini J.,

Bacchini E., and Sala M.,

(146)

(147)

(148)

(149)



(150)



(151)



(152)

A pl ic ac ión Fe3+_,Ba2+_{, EtOH} (Sol) Agitación magnética (velocidad alta)

Micela precursora de

óxido de hierro

TEOS

Gota a gota

Agitación magnética (velocidad alta) 7 días Gel Secado 7 días a 60 ºC Xerogel Densificación 300-1200 ºC Película delgda

Micelas rodeadas por

la molécula GLY

Micelas inmersas

en la matriz

Glicerol Polialcohol: GLY, C3H8O3 Molécula GLY (a) (b) (c)

GLY

Adición

matriz

Adición

polialcohol

A pl ic ac ión Fe3+_,Ba2+_{, EtOH} (Sol) Agitación magnética (velocidad alta)

Micela precursora de

óxido de hierro

TEOS

Gota a gota

Agitación magnética (velocidad alta) 7 días Gel Secado 7 días a 60 ºC Xerogel Densificación 300-1200 ºC Película delgda

Micelas rodeadas por

la molécula GLY

Micelas inmersas

en la matriz

Glicerol Polialcohol: GLY, C3H8O3 Molécula GLY (a) (b) (c)

GLY

Adición

(153)



(154)



(155)



(156)



(157)



 ~ ~ ~

(158)



(159)



  



(160)



 

(161)

(162)



(163)

(164)



(165)









 



Fe-D1oc Fe-D2oc Fete Fe-Roc O c a b

(166)







(167)



(168)



(169)



(170)



(171)



A b so rb a n ci a n o rm a liz a d a

Energía (eV) Vector de onda (Å-1₎

300 K 10 K (a) (b) k 3C h i( k ) Å -1

(172)

(173)



𝜎𝐷𝑊2 = 𝜎𝑒𝑠𝑡á𝑡𝑖𝑐𝑜2 + 𝜎𝑑𝑖𝑛á𝑚𝑖𝑐𝑜2 = 3ℎ2 𝑀𝑘𝐵𝜃𝐷 (1 4+ ( 𝑇 𝜃𝐷 ) 2 ∫ 𝑑𝑥 𝑥 𝑒𝑥_{− 1} 𝜃_𝐷⁄𝑇 0 )

(174)

𝜎𝐷𝑊: 𝐹𝑒−𝑂1,22 = 1 𝑁(𝑁 − 1)∑[〈𝑑𝑖 (𝐹𝑒 − 𝑂)〉 − 〈𝑑𝑖𝑗 (𝐹𝑒 − 𝑂)〉] 2 𝑁 𝑛=1 𝜎𝐷𝑊: 𝐹𝑒−𝐹𝑒1,22 = 1 𝑁(𝑁 − 1)∑[〈𝑑𝑖 (𝐹𝑒 − 𝐹𝑒)〉 − 〈𝑑𝑖𝑗 (𝐹𝑒 − 𝐹𝑒)〉] 2 𝑁 𝑛=1

(175)

20 35 30 25 20 35 30 25 20 35 30 25 20 35 30 25

(176)

(177)

(178)



(179)

(180)

(181)

(182)

(183)



  -4 -2 0 2 4 -0,50 -0,25 0,00 0,25 0,50

(184)

(185)

(186)

(187)

(188)

(189)

(190)



 

(191)

(192)

(193)

(194)

   2 µm 6 µm     2 µm 6 µm 

(c)

  6 µm 2 µm

(195)

(196)

     -4 -2 0 2 4 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

(197)



+

(198)

(199)

C hi ( k ) k 2

(200)

T ra n sf o rm a d a d e F o u ri e r [C h i ( k ) k 2] Distribución radial (Å) 1200 ºC 960 ºC 700 ºC 25 ºC

(a)

(b)

Distribución radial (Å) T ra n sf o rm a d a d e F o u ri e r [C h i ( k ) k 2]