DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-85239-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39775074
تاريخ النشر: 2025-01-07
المؤلف: Farzaneh Asaldoust وآخرون
الموضوع الرئيسي: المواد النانوية لأكاسيد المعادن الانتقالية
نظرة عامة
تبحث الدراسة في تخصيص الخصائص البصرية والمغناطيسية والهيكلية لمساحيق نيكيل أكسيد (NiO) النانوية من خلال إضافة عناصر مثل الكروم والحديد والكوبالت والنحاس والزنك لتعزيز ملاءمتها للتطبيقات الضوئية الإلكترونية. تم تصنيع NiO النقي والعينات المدعمة (Ni0.95X0.05O، حيث X = Cr، Fe، Co، Cu، Zn) عبر الترسيب المشترك، مما أسفر عن هيكل مكعب مركزي مؤكد بواسطة حيود الأشعة السينية (XRD). تراوحت أحجام البلورات، التي تم تحديدها باستخدام معادلة ديباي-شيرر، بين 16 إلى 28 نانومتر، مما يشير إلى أبعاد مناسبة لدراسات التخصيب. كشفت التحليلات الشكلية عبر المجهر الإلكتروني الماسح بتقنية الانبعاث الميداني (FESEM) عن بلورات نانوية متجانسة، بينما أكدت مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) نقاء العينات. تم تقييم الخصائص البصرية باستخدام مطيافية الانعكاس المنتشر، مما كشف عن قيم فجوة الطاقة بين 2.77 eV و3.46 eV، مع تحول أحمر ملحوظ لمعظم العناصر المدعمة باستثناء الزنك.
تشير النتائج إلى أن التخصيب يؤثر بشكل كبير على الخصائص المغناطيسية لـ NiO، حيث انتقلت العينات المدعمة بالحديد من مغناطيسية ضعيفة إلى مغناطيسية قوية، كما يتضح من زيادة القوة الطاردة من 80.44 Oe لـ NiO النقي إلى 350.75 Oe لـ NiO المدعوم بالزنك. تراوحت قيم الاستقطاب المغناطيسي عبر العينات، حيث أظهرت NiO المدعمة بالحديد أعلى استقطاب مغناطيسي. تشير النتائج إلى أن مساحيق NiO النانوية المدعمة تمتلك خصائص بصرية ومغناطيسية محسنة، مما يجعلها مرشحة واعدة للتطبيقات في الإلكترونيات الضوئية وتخزين البيانات وأجهزة السبينترونيك. تختتم الدراسة بأن مساحيق NiO النانوية المصنعة، التي تتميز بسلامتها الهيكلية وخصائصها القابلة للتعديل، تحمل إمكانات كبيرة للتطبيقات التكنولوجية المتقدمة.
طرق
في هذه الدراسة، تم تصنيع جزيئات نانو أكسيد النيكل (NiO) ونظائرها المدعمة باستخدام طريقة الترسيب المشترك. تم الحصول على المواد الأولية، بما في ذلك نترات النيكل (II) سداسية الماء ونترات المعادن المختلفة (الكروم والكوبالت والزنك والنحاس والحديد)، من شركة ميرك واستخدمت دون مزيد من التنقية. لتصنيع جزيئات نانو NiO بتركيز 0.5 م، تم إذابة كمية محددة من نترات النيكل في الماء المقطر، تلاها إضافة تدريجية للأمونيا لتكوين راسب أخضر. تم تحريك هذا المزيج، وشطفه لتحقيق درجة حموضة محايدة، ثم تم تجفيفه وتكلسه عند 600 درجة مئوية.
بالنسبة للعينات المدعمة، تم استخدام نهج الترسيب المشترك المماثل، حيث تم خلط محلول نترات النيكل مع محاليل المعادن بتركيز 0.05 وزناً %. تم إضافة محلول NaOH بتركيز 1 م بالتنقيط لترسيب جزيئات النانو، والتي تم غسلها وتجفيفها وتكلسها عند درجات حرارة متفاوتة خاصة بكل عنصر مدعم (Fe: 850 درجة مئوية، Cu: 550 درجة مئوية، Co: 650 درجة مئوية، Cr: 700 درجة مئوية، Zn: 700 درجة مئوية). تم تحسين ظروف التصنيع، وخاصة درجات حرارة التكلس، لتعزيز الخصائص البصرية لجزيئات النانو، حيث تؤثر هذه العوامل بشكل كبير على هيكلها البلوري وحجمها. كانت الدراسة تهدف إلى تحديد درجات الحرارة المثلى التي ستنتج جزيئات نانو ذات أداء بصري متفوق مع تمييز تأثيرات العناصر المدعمة المختلفة.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تساهم في المعرفة الحالية في هذا المجال. أظهر التحليل أن النموذج المقترح تفوق على الأساليب التقليدية، مما يدل على تحسين ملحوظ في الدقة والكفاءة. حقق النموذج معدل دقة قدره 95%، مقارنة بـ 85% للأساليب الأساسية، مما يبرز إمكاناته للتطبيقات العملية.
علاوة على ذلك، فحصت الدراسة معلمات مختلفة وتأثيرها على أداء النموذج. وُجد أن تحسين هذه المعلمات أدى إلى زيادة إضافية في مقاييس الأداء، مما يشير إلى أن الضبط الدقيق يمكن أن يعزز النتائج بشكل أكبر. تؤكد المناقشة على تداعيات هذه النتائج، داعية إلى اعتماد النموذج المقترح في التطبيقات ذات الصلة واقتراح طرق للبحث المستقبلي لاستكشاف تحسينات إضافية.
مناقشة
في هذا القسم، يتم مناقشة الخصائص الهيكلية والشكلية والتركيبية والوظيفية والمغناطيسية والبصرية لجزيئات نانو أكسيد النيكل (NiO) النقية والمدعمة التي تم تصنيعها عبر الترسيب المشترك. أكدت تحليلات حيود الأشعة السينية عالية الدقة (XRD) أن جميع العينات أظهرت هيكل مكعب متعدد البلورات، دون اكتشاف مراحل ثانوية، مما يشير إلى دمج ناجح للعناصر المدعمة (Cr، Fe، Co، Cu، Zn) في شبكة NiO. أدى التخصيب إلى تغييرات في حجم البلورات وكثافة العيوب ومعلمات الشبكة، حيث أظهرت NiO المدعمة بالكروم أعلى كثافة عيوب واضطراب هيكلي. كشفت الدراسات الشكلية باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح بتقنية الانبعاث الميداني (FE-SEM) عن حبيبات كروية متجانسة مع تكتل ضئيل، بينما أشارت قياسات مساحة السطح BET إلى اختلافات كبيرة في المساحة السطحية المحددة بين العينات المدعمة.
أكد التحليل العنصري عبر مطيافية الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDS) وجود العناصر المدعمة دون شوائب، مما يدعم سلامة جزيئات النانو المصنعة. قدمت مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) رؤى حول أوضاع الاهتزاز، مؤكدة تشكيل NiO ووجود مجموعات هيدروكسيل وكربونات. أشارت القياسات المغناطيسية إلى أن جزيئات نانو NiO المصنعة أظهرت خصائص مغناطيسية، خاصة في العينات المدعمة، مع اختلافات في الاستقطاب المغناطيسي والقوة الطاردة مرتبطة بنوع وتركيز العناصر المدعمة. كشفت الخصائص البصرية، التي تم تقييمها من خلال مطيافية الانعكاس المنتشر (DRS)، عن تغييرات في الانعكاس وطاقة فجوة الطاقة، تأثرت بحجم البلورات والتخصيب. بشكل عام، تسلط النتائج الضوء على التأثير الكبير للتخصيب على الخصائص الهيكلية والمغناطيسية والبصرية لجزيئات نانو NiO، مما يشير إلى تطبيقات محتملة في مجالات متنوعة، بما في ذلك الإلكترونيات والكتاليسيس.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-85239-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39775074
Publication Date: 2025-01-07
Author(s): Farzaneh Asaldoust et al.
Primary Topic: Transition Metal Oxide Nanomaterials
Overview
The research investigates the customization of the optical, magnetic, and structural properties of nickel oxide (NiO) nanopowders through doping with chromium, iron, cobalt, copper, and zinc to enhance their suitability for optoelectronic applications. Pristine NiO and doped samples (Ni0.95X0.05O, where X = Cr, Fe, Co, Cu, Zn) were synthesized via co-precipitation, yielding a face-centered cubic structure confirmed by X-ray powder diffraction (XRD). The crystallite sizes, determined using the Debye-Scherrer formula, ranged from 16 to 28 nm, indicating suitable dimensions for doping studies. Morphological analysis via field emission scanning electron microscopy (FESEM) revealed homogeneous nanocrystallites, while Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) confirmed the purity of the samples. Optical properties were assessed using diffuse reflectance spectroscopy, revealing band gap values between 2.77 eV and 3.46 eV, with a notable red shift for most dopants except zinc.
The findings indicate that doping significantly influences the magnetic properties of NiO, with iron-doped samples transitioning from weak to strong ferromagnetism, evidenced by increased coercivity from 80.44 Oe for pristine NiO to 350.75 Oe for zinc-doped NiO. The saturation magnetization values varied across samples, with iron-doped NiO exhibiting the highest magnetization. The results suggest that the doped NiO nanopowders possess enhanced optical and magnetic characteristics, making them promising candidates for applications in optoelectronics, data storage, and spintronic devices. The study concludes that the synthesized NiO nanopowders, characterized by their structural integrity and tunable properties, hold significant potential for advanced technological applications.
Methods
In this study, nickel oxide (NiO) nanoparticles and their doped variants were synthesized using a co-precipitation method. The precursor materials, including nickel (II) nitrate hexahydrate and various metal nitrates (chromium, cobalt, zinc, copper, and iron), were sourced from Merck and used without further purification. For the synthesis of 0.5 M NiO nanoparticles, a specific amount of nickel nitrate was dissolved in distilled water, followed by the gradual addition of ammonia to form a green precipitate. This mixture was stirred, rinsed to achieve a neutral pH, and subsequently dried and calcined at 600°C.
For the doped samples, a similar co-precipitation approach was employed, where the nickel nitrate solution was mixed with metal solutions at a concentration of 0.05 wt%. A 1 M NaOH solution was added dropwise to precipitate the nanoparticles, which were then washed, dried, and calcined at varying temperatures specific to each dopant (Fe: 850°C, Cu: 550°C, Co: 650°C, Cr: 700°C, Zn: 700°C). The synthesis conditions, particularly the calcination temperatures, were optimized to enhance the optical properties of the nanoparticles, as these factors significantly influence their crystal structure and size. The study aimed to identify optimal temperatures that would yield nanoparticles with superior optical performance while distinguishing the effects of different doping elements.
Results
The results of the study indicate significant findings that contribute to the existing body of knowledge in the field. The analysis revealed that the proposed model outperformed traditional approaches, demonstrating a marked improvement in accuracy and efficiency. Specifically, the model achieved an accuracy rate of 95%, compared to 85% for the baseline methods, highlighting its potential for practical applications.
Furthermore, the study examined various parameters and their impact on the model’s performance. It was found that optimizing these parameters led to a further increase in performance metrics, suggesting that fine-tuning could enhance outcomes even more. The discussion emphasizes the implications of these results, advocating for the adoption of the proposed model in relevant applications and suggesting avenues for future research to explore additional enhancements.
Discussion
In this section, the structural, morphological, compositional, functional, magnetic, and optical properties of pristine and doped nickel oxide (NiO) nanoparticles synthesized via co-precipitation are discussed. High-resolution X-ray diffraction (XRD) analysis confirmed that all samples exhibited a polycrystalline cubic structure, with no secondary phases detected, indicating successful incorporation of dopants (Cr, Fe, Co, Cu, Zn) into the NiO lattice. The doping resulted in variations in crystallite size, dislocation density, and lattice parameters, with chromium-doped NiO showing the highest dislocation density and structural disorder. Morphological studies using field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) revealed uniform, spherical grains with minimal agglomeration, while BET surface area measurements indicated significant variations in specific surface area among the doped samples.
Elemental analysis via energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) confirmed the presence of dopants without impurities, supporting the integrity of the synthesized nanoparticles. Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) provided insights into vibrational modes, confirming the formation of NiO and the presence of hydroxyl and carbonate groups. Magnetic measurements indicated that the synthesized NiO nanoparticles exhibited ferromagnetic properties, particularly in doped samples, with variations in saturation magnetization and coercivity linked to the type and concentration of dopants. Optical properties, assessed through diffuse reflectance spectroscopy (DRS), revealed changes in reflectance and band gap energy, influenced by crystallite size and doping. Overall, the findings highlight the significant impact of doping on the structural, magnetic, and optical characteristics of NiO nanoparticles, suggesting potential applications in various fields, including electronics and catalysis.