DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-43296-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41826654
تاريخ النشر: 2026-03-14
المؤلف: J. Patra وآخرون
الموضوع الرئيسي: الخصائص المغناطيسية وتخليق الفيريتات
نظرة عامة
في هذه الدراسة، تم التحقيق في تأثير درجة حرارة الركيزة على الخصائص الهيكلية، والشكلية، والإلكترونية، والمغناطيسية لأفلام النيكل فيريت (NiFe\(_2\)O\(_4\)) الرقيقة التي تم تصنيعها من خلال طريقة الرش الحراري. تم تحليل درجات حرارة الركيزة 300 °م، 325 °م، 350 °م، و400 °م. أشارت نتائج حيود الأشعة السينية (XRD) إلى تكوين هيكل سبينل عكسي، مع ملاحظة زيادة في البلورية عند درجات الحرارة المنخفضة. أكدت طرق التوصيف الهيكلي الكمي، بما في ذلك معادلة شيرر وتحليل ويليامسون-هول، تحسين حجم البلورات وإجهاد الشبكة عند هذه الدرجات. أوضحت المجهر الإلكتروني الماسح عالي الدقة (HR-SEM) زيادة في نمو الحبيبات والتجانس في الأفلام المودعة عند درجات حرارة منخفضة، بينما أكدت التحليل الطيفي للطاقة المشتتة (EDS) التوزيع الستويكي للنيكل، والحديد، والأكسجين.
تم تقييم الخصائص المغناطيسية باستخدام مغناطيسية العينة المهتزة (VSM)، مما يكشف عن سلوك فيري مغناطيسي متسق عبر جميع العينات. ومن الملاحظ أن الأفلام المودعة عند درجات حرارة منخفضة أظهرت زيادة في الأنيسوتروبي المغناطيسية البلورية والترتيب الفيري المغناطيسي، مما يُعزى إلى تحسين البلورية وحجم الحبيبات. بالإضافة إلى ذلك، أشارت تحليلات الطيف الامتصاصي للأشعة السينية (XAS) وحيود الأشعة السينية المغناطيسي الدائري (XMCD) إلى أن أيونات Ni\(^{2+}\) تشغل بشكل أساسي المواقع السداسية وتتأثر بالعيوب الهيكلية، مما يؤدي إلى انحراف الدوران عبر اقتران الدوران-المدار، بينما وُجدت أيونات Fe\(^{3+}\) في كل من المواقع الرباعية والسداسية. تم تحديد العزوم المغناطيسية المدارية كـ 0.112 ± 0.006 μ\(_B\)/أيون للنيكل و0.2412 ± 0.0121 μ\(_B\)/أيون للحديد، مما يبرز إمكانيات الأفلام في التطبيقات في الأجهزة المغناطيسية.
طرق
في هذه الدراسة، تم تصنيع أفلام NiFe\(_2\)O\(_4\) الرقيقة باستخدام طريقة الرش الحراري عند أربع درجات حرارة للركيزة: 300 °م (S1)، 325 °م (S2)، 350 °م (S3)، و400 °م (S4). تم إعداد محلول السلف من خلال إذابة نترات النيكل سداسية الماء ونترات الحديد غير المائية بنسبة ستويكية 1:2، مع إضافة حمض الستريك كعامل معقد لتعزيز الذوبانية وتجانس الفيلم. تضمنت عملية الإيداع رش المحلول المصفى على الركائز الزجاجية المسخنة مسبقًا، مما أدى إلى تبخر سريع للمذيب وتحلل حراري لتكوين النيكل فيريت. تم تحسين المعلمات الرئيسية مثل مسافة الفوهة إلى الركيزة (20 سم)، ومعدل الرش (3-4 مل/دقيقة)، ومعدل تدفق الغاز الحامل لتحقيق إيداع فيلم متسق، مما أسفر عن أفلام بسمك حوالي 0.6-0.8 ميكرومتر.
وجدت الدراسة أن شدة الذروة لانعكاس (311) في أنماط حيود الأشعة السينية كانت الأعلى عند 300 °م وانخفضت مع زيادة درجة حرارة الركيزة، مما يشير إلى تقليل سمك الفيلم ونمو الحبيبات المحدود. يتماشى هذا الاتجاه مع التقارير السابقة حول أفلام الفيريت، مما يشير إلى أن درجات حرارة الركيزة الأعلى قد تؤدي إلى إعادة تبخر الأنواع السلفية، مما ينتج عنه أفلام أرق وأحجام بلورية أصغر. كانت قيم المسافات بين الطبقات لطائرة (311) متسقة عبر العينات، بمتوسط حوالي 2.51 Å، مما يتماشى مع القيم القياسية للهياكل السبينل المكعبة، مما يؤكد تكوين المرحلة السبينل المرغوبة دون مراحل ثانوية. هذه السلامة الهيكلية ضرورية للخصائص المغناطيسية للمادة، حيث أن التناظر المكعب يعزز عادة السلوك المغناطيسي المتساوي.
نقاش
تسلط قسم النقاش في ورقة البحث الضوء على أهمية أفلام NiFe$_2$O$_4$ الرقيقة، مع التركيز على خصائصها الفيري مغناطيسية، والأنيسوتروبي المغناطيسية البلورية، والخصائص الإلكترونية القابلة للتعديل، التي تتأثر بظروف التصنيع، وخاصة درجة حرارة الركيزة أثناء الرش الحراري. تتيح هذه الطريقة الاقتصادية التحكم الدقيق في خصائص الفيلم، مما يؤدي إلى تغييرات منهجية في البلورية، والشكل، والسلوك المغناطيسي. تعتبر الحواجز الطاقية لاستقرار الحرارة المغناطيسية، الممثلة بـ $\Delta E = K_{\text{eff}} \cdot V$، ضرورية لفهم استقرار الحالة المغناطيسية، مع الانحرافات عن القيم الكتلية في الأفلام الرقيقة المنسوبة إلى عوامل مثل حجم الجسيمات والأنيسوتروبي السطح.
توفر تقنيات متقدمة مثل الطيف الامتصاصي للأشعة السينية (XAS) وحيود الأشعة السينية المغناطيسي الدائري (XMCD) رؤى حول الحالات الإلكترونية والمغناطيسية للأيونات في الهياكل السبينل العكسية، كاشفة عن تفاصيل مهمة حول انحراف الدوران واحتلال المواقع التي تؤثر على التطبيقات في السبينترونيكس وتخزين البيانات. تُظهر الدراسة أن التغيرات في درجة حرارة الركيزة تؤثر بشكل كبير على الخصائص الهيكلية والمغناطيسية لأفلام NiFe$_2$O$_4$، مع ارتفاع درجات الحرارة مما يؤدي إلى زيادة الإجهاد الميكروي وتقليل حجم البلورات، مما يؤثر بدوره على القوة المغناطيسية والتشبع المغناطيسي. تؤكد النتائج على ضرورة التحكم في معلمات التصنيع لتحسين الخصائص المغناطيسية لهذه الأفلام لتطبيقات محتملة في الأجهزة الإلكترونية من الجيل التالي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-43296-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41826654
Publication Date: 2026-03-14
Author(s): J. Patra et al.
Primary Topic: Magnetic Properties and Synthesis of Ferrites
Overview
In this study, the influence of substrate temperature on the structural, morphological, electronic, and magnetic properties of nickel ferrite (NiFe\(_2\)O\(_4\)) thin films synthesized through spray pyrolysis was investigated. Substrate temperatures of 300 °C, 325 °C, 350 °C, and 400 °C were analyzed. X-ray diffraction (XRD) results indicated the formation of an inverse spinel structure, with enhanced crystallinity observed at lower temperatures. Quantitative structural characterization methods, including the Scherrer equation and Williamson-Hall analysis, confirmed improved crystallite size and lattice strain at these temperatures. High-resolution scanning electron microscopy (HR-SEM) illustrated enhanced grain growth and uniformity in films deposited at lower temperatures, while energy-dispersive spectroscopy (EDS) verified the stoichiometric distribution of nickel, iron, and oxygen.
Magnetic properties were assessed using vibrating sample magnetometry (VSM), revealing consistent ferrimagnetic behavior across all samples. Notably, films deposited at lower temperatures exhibited enhanced magnetocrystalline anisotropy and ferrimagnetic ordering, attributed to improved crystallinity and grain size. Additionally, X-ray absorption spectroscopy (XAS) and X-ray magnetic circular dichroism (XMCD) analyses indicated that Ni\(^{2+}\) ions predominantly occupy octahedral sites and are affected by structural defects, leading to spin canting via spin-orbit coupling, while Fe\(^{3+}\) ions were found in both tetrahedral and octahedral sites. The orbital magnetic moments were quantified as 0.112 ± 0.006 μ\(_B\)/ion for Ni and 0.2412 ± 0.0121 μ\(_B\)/ion for Fe, highlighting the films’ potential for applications in magnetic devices.
Methods
In this study, NiFe\(_2\)O\(_4\) thin films were synthesized using the spray pyrolysis method at four substrate temperatures: 300 °C (S1), 325 °C (S2), 350 °C (S3), and 400 °C (S4). The precursor solution was prepared by dissolving nickel nitrate hexahydrate and ferric nitrate nonahydrate in a stoichiometric ratio of 1:2, with citric acid added as a complexing agent to enhance solubility and film uniformity. The deposition process involved atomizing the filtered solution onto preheated glass substrates, leading to rapid solvent evaporation and pyrolytic decomposition to form nickel ferrite. Key parameters such as nozzle-to-substrate distance (20 cm), spray rate (3-4 mL/min), and carrier gas flow rate were optimized to achieve consistent film deposition, resulting in films with a thickness of approximately 0.6-0.8 µm.
The study found that the peak intensity of the (311) reflection in X-ray diffraction patterns was highest at 300 °C and decreased with increasing substrate temperature, indicating reduced film thickness and limited grain growth. This trend aligns with previous reports on ferrite thin films, suggesting that higher substrate temperatures may lead to re-evaporation of precursor species, resulting in thinner films and smaller crystallite sizes. The interplanar spacing values for the (311) plane were consistent across samples, averaging around 2.51 Å, which aligns with the standard values for cubic spinel structures, confirming the formation of the desired spinel phase without secondary phases. This structural integrity is essential for the magnetic properties of the material, as cubic symmetry typically enhances isotropic magnetic behavior.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the significance of NiFe$_2$O$_4$ thin films, emphasizing their ferrimagnetic properties, magnetocrystalline anisotropy, and tunable electronic characteristics, which are influenced by synthesis conditions, particularly substrate temperature during spray pyrolysis. This cost-effective method allows for precise control over film properties, leading to systematic variations in crystallinity, morphology, and magnetic behavior. The energy barrier for magnetic thermal stability, represented by $\Delta E = K_{\text{eff}} \cdot V$, is crucial for understanding the stability of the magnetic state, with deviations from bulk values in thin films attributed to factors such as particle size and surface anisotropy.
Advanced techniques like X-ray absorption spectroscopy (XAS) and X-ray magnetic circular dichroism (XMCD) provide insights into the electronic and magnetic states of cations in inverse spinel structures, revealing important details about spin canting and site occupancy that affect applications in spintronics and data storage. The study demonstrates that variations in substrate temperature significantly impact the structural and magnetic properties of NiFe$_2$O$_4$ films, with higher temperatures leading to increased microstrain and reduced crystallite size, which in turn influences coercivity and saturation magnetization. The findings underscore the necessity of controlling synthesis parameters to optimize the magnetic characteristics of these films for potential applications in next-generation electronic devices.