DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-33081-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41521231
تاريخ النشر: 2026-01-11
المؤلف: Abdalrahman M. Rayan وآخرون
الموضوع الرئيسي: المواد المتعددة المغناطيسية والمواد ذات الصلة
نظرة عامة
في هذه الدراسة، تم تخليق جزيئات نانوية من La$_{1-x}$Mg$_x$FeO$_3$ (0.0 ≤ x ≤ 0.20) باستخدام طريقة تخليق صديقة للبيئة تتضمن مستخلص أوراق المورينغا. ركز البحث على تأثيرات استبدال Mg²⁺ على الخصائص الهيكلية، العازلة، والمغناطيسية لـ LaFeO₃. أظهرت أشعة X-ray والتهذيب باستخدام طريقة ريتفيلد انتقالًا في الطور من التناظر المكعب (Pm-3m) إلى التناظر المعيني (Pnma) عند x ≥ 0.17. أدى تخديم Mg المنخفض (x = 0.05، 0.10) إلى توسع طفيف في الشبكة بسبب تكوين فراغات الأكسجين وتقليل Fe³⁺ إلى Fe²⁺، بينما تسبب مستويات التخديم الأعلى في انكماش الشبكة بسبب عدم تطابق حجم الأيونات وتشوه الهيكل. كشفت قياسات العزل الكهربائي عن زيادة ملحوظة في الثابت العازل وانخفاض في فقدان العزل حتى x = 0.15، مما يُعزى إلى تعزيز الاستقطاب السطحي والتوصيل الناتج عن العيوب.
أظهر التحليل المغناطيسي باستخدام مقياس مغناطيسي عينة مهتزة (VSM) ورنين إلكتروني (ESR) انتقالًا من سلوك مغناطيسي ضعيف إلى قوي مع زيادة محتوى Mg، حيث بلغ ذروته عند x = 0.17 بسبب تعزيز تفاعلات تبادل Fe³⁺/Fe⁴⁺ وتأثيرات دوران السطح. تؤكد هذه النتائج على إمكانيات جزيئات LaFeO₃ المخدومة بـ Mg في التطبيقات المتعلقة بتخزين الطاقة، والاستشعار، وأجهزة السبينترونيك، بينما تبرز أيضًا الفوائد البيئية والاقتصادية لاستخدام طرق التخليق الصديقة للبيئة. تؤكد الدراسة أن تخديم Mg يعدل بشكل فعال الخصائص الهيكلية والمغناطيسية لـ LaFeO₃، مما يجعله مرشحًا واعدًا لتطبيقات المواد المتقدمة.
مقدمة
**مقدمة**
تتميز أكاسيد نوع البيروفسكايت بالصيغة العامة \( RTO_3 \) (حيث \( R \) هو عنصر أرض نادرة مثل La أو Ba، و \( T \) هو معدن انتقالي من المجموعة 3d مثل Fe، Ni، Co، أو Mn) باهتمام كبير بسبب مرونتها الهيكلية الاستثنائية وخصائصها الفيزيائية القابلة للتعديل. تشمل هذه الخصائص مجموعة من الظواهر، بما في ذلك المغناطيسية، والسلوك العازل، والكهربائية الاستقطابية، والنشاط التحفيزي. يُشتق مصطلح “بيروفسكايت” من المعدن \( CaTiO_3 \)، الذي تم التعرف عليه لأول مرة في جبال الأورال في عام 1839 وسُمي على اسم المعدني الروسي ليف بيروفسكي. مع مرور الوقت، أصبحت البيروفسكايت الاصطناعية فئة حيوية من المواد متعددة الوظائف، حيث وجدت تطبيقات في الموصلية الفائقة عند درجات الحرارة العالية، والكهربائية الاستقطابية، واستشعار الغاز.
من بين هذه المواد، يبرز الحديد اللانثانيوم (\( LaFeO_3 \) أو LFO) بسبب وفرةه، وفعاليته من حيث التكلفة، واستدامته البيئية، ومجموعة واسعة من الخصائص الفيزيائية. تجعل الخصائص الفريدة لـ LFO منه مهمًا بشكل خاص لمجموعة متنوعة من التطبيقات التكنولوجية، مما يبرز أهمية البحث في أكاسيد نوع البيروفسكايت.
طرق
تحدد قسم “طرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. استخدم الباحثون بيئة محكومة للتحقيق بشكل منهجي في تأثيرات المتغير X على النتيجة Y. تم وضع بروتوكولات محددة لضمان إمكانية التكرار، بما في ذلك اختيار أحجام العينات المناسبة وتنفيذ تقنيات العشوائية لتقليل التحيز.
شملت جمع البيانات استخدام أدوات قياس متقدمة لتحديد العلاقة بين المتغيرات. تم إجراء تحليلات إحصائية لتقييم أهمية النتائج، باستخدام طرق مثل ANOVA أو تحليل الانحدار حسب الاقتضاء. تم تفسير النتائج في سياق الأدبيات الموجودة، مما يوفر رؤى حول الآليات الأساسية التي تحرك الظواهر الملاحظة. بشكل عام، تم تصميم المنهجية بدقة للحصول على نتائج موثوقة وصحيحة، مما يساهم في الفهم الأوسع لسؤال البحث.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم التحقيق في تخليق وتوصيف جزيئات نانوية من LaFeO₃ المخدومة بالمغنيسيوم، مع التركيز على خصائصها الهيكلية، والعازلة، والمغناطيسية. يبرز البحث التأثير الكبير لتخديم Mg على الهيكل البلوري، مع انتقال من هيكل يشبه البيروفسكايت المكعب إلى هيكل معيني مع زيادة تركيز Mg. يرافق هذا الانتقال انكماش في الشبكة بسبب نصف قطر الأيون الأصغر لـ Mg²⁺ مقارنة بـ La³⁺، مما يؤثر على سلوك المادة المغناطيسي. تشير النتائج إلى أن الخصائص المغناطيسية لجزيئات LaFeO₃ النانوية تختلف عن تلك الخاصة بالمادة الكتلية، حيث تظهر مغناطيسية ضعيفة وزيادة في التشبع المغناطيسي مع زيادة محتوى Mg، خاصة عند x = 0.17.
تم تصنيف الخصائص الكهربائية للجزيئات النانوية كأشباه موصلات من النوع p، حيث تأثرت الموصلية بدرجة الحرارة ومستويات التخديم. وجدت الدراسة معامل مقاومة سالب لدرجة الحرارة، مما يؤكد الطبيعة شبه الموصلة للمادة. بالإضافة إلى ذلك، لوحظت ظواهر استرخاء عازلة، تُعزى إلى عدم تجانس الهيكل النانوي البلوري. تشير النتائج إلى أن تخديم Mg لا يخصص فقط الخصائص الهيكلية والمغناطيسية، بل يعزز أيضًا الخصائص العازلة، مما يجعل جزيئات LaFeO₃ المخدومة بـ Mg مرشحة واعدة للتطبيقات في أجهزة الاستشعار المغناطيسية، والأجهزة العازلة، وغيرها من المواد متعددة الوظائف.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-33081-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41521231
Publication Date: 2026-01-11
Author(s): Abdalrahman M. Rayan et al.
Primary Topic: Multiferroics and related materials
Overview
In this study, La$_{1-x}$Mg$_x$FeO$_3$ (0.0 ≤ x ≤ 0.20) perovskite nanoparticles were synthesized using a green synthesis method involving Moringa oleifera leaf extract. The research focused on the effects of Mg²⁺ substitution on the structural, dielectric, and magnetic properties of LaFeO₃. X-ray diffraction and Rietveld refinement indicated a phase transition from cubic (Pm-3m) to orthorhombic (Pnma) symmetry at x ≥ 0.17. Low Mg doping (x = 0.05, 0.10) resulted in slight lattice expansion due to oxygen vacancy formation and the reduction of Fe³⁺ to Fe²⁺, while higher doping levels caused lattice contraction due to ionic size mismatch and structural distortion. Dielectric measurements revealed a notable increase in dielectric constant and a decrease in dielectric loss up to x = 0.15, attributed to enhanced interfacial polarization and defect-induced conduction.
Magnetic analysis using Vibrating Sample Magnetometer (VSM) and electron spin resonance (ESR) demonstrated a transition from weak to strong ferromagnetic behavior with increasing Mg content, peaking at x = 0.17 due to enhanced Fe³⁺/Fe⁴⁺ exchange interactions and surface spin effects. These findings underscore the potential of Mg-doped LaFeO₃ nanoparticles for applications in energy storage, sensing, and spintronic devices, while also highlighting the environmental and economic benefits of employing green synthesis methods. The study confirms that Mg doping effectively modifies the structural characteristics and magnetic properties of LaFeO₃, making it a promising candidate for advanced material applications.
Introduction
**Introduction**
Perovskite-type oxides, characterized by the general formula \( RTO_3 \) (where \( R \) is a rare-earth element such as La or Ba, and \( T \) is a 3d transition metal like Fe, Ni, Co, or Mn), have garnered significant attention due to their exceptional structural flexibility and tunable physical properties. These properties encompass a range of phenomena, including magnetism, dielectric behavior, ferroelectricity, and catalytic activity. The term “perovskite” is derived from the mineral \( CaTiO_3 \), first identified in the Ural Mountains in 1839 and named after the Russian mineralogist Lev Perovski. Over time, synthetic perovskites have become a vital class of multifunctional materials, finding applications in high-temperature superconductivity, piezoelectricity, and gas sensing.
Among these materials, lanthanum ferrite (\( LaFeO_3 \) or LFO) stands out due to its abundance, cost-effectiveness, environmental sustainability, and a wide array of physical properties. LFO’s unique characteristics make it particularly significant for various technological applications, further emphasizing the importance of research into perovskite-type oxides.
Methods
The “Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. The researchers utilized a controlled environment to systematically investigate the effects of variable X on outcome Y. Specific protocols were established to ensure reproducibility, including the selection of appropriate sample sizes and the implementation of randomization techniques to minimize bias.
Data collection involved the use of advanced measurement tools to quantify the relationship between the variables. Statistical analyses were performed to evaluate the significance of the findings, employing methods such as ANOVA or regression analysis as appropriate. The results were interpreted in the context of existing literature, providing insights into the underlying mechanisms driving the observed phenomena. Overall, the methodology was rigorously designed to yield reliable and valid results, contributing to the broader understanding of the research question.
Discussion
In this study, the synthesis and characterization of magnesium-doped LaFeO₃ nanoparticles were investigated, focusing on their structural, dielectric, and magnetic properties. The research highlights the significant influence of Mg doping on the crystal structure, with a transition from a cubic to an orthorhombic perovskite-like structure as the Mg concentration increases. This transition is accompanied by lattice contraction due to the smaller ionic radius of Mg²⁺ compared to La³⁺, which affects the material’s magnetic behavior. The findings indicate that the magnetic properties of LaFeO₃ nanoparticles deviate from those of bulk material, exhibiting weak ferromagnetism and enhanced saturation magnetization with increasing Mg content, particularly at x = 0.17.
The electrical properties of the nanoparticles were characterized as p-type semiconductors, with conductivity influenced by temperature and doping levels. The study found a negative temperature coefficient of resistance, confirming the semiconducting nature of the material. Additionally, dielectric relaxation phenomena were observed, attributed to the heterogeneity of the nanocrystalline structure. The results suggest that Mg doping not only tailors the structural and magnetic properties but also enhances the dielectric properties, making LaFeO₃ nanoparticles promising candidates for applications in magnetic sensors, dielectric devices, and other multifunctional materials.