Spektroskopia elektronowego rezonansu magnetycznego domieszek pierwiastków z grupy żelaza w proszkach Al2O3, ZrO2 oraz w nanocząstkach PbI2

Abstract

Celem niniejszej pracy doktorskiej jest zbadanie metodą spektroskopii elektronowego rezonansu magnetycznego (EMR) domieszek pierwiastków z grupy żelaza w proszkach ceramicznych Al2O3, ZrO2 oraz w nanocząstkach PbI2 domieszkowanych manganem (Mn). Ostatni obiekt badań jest ważny pod kątem potencjalnych zastosowań w spintronice – określenie struktury elektronowej, wyznaczenie temperatury Curie oraz badanie oddziaływań magnetycznych. Natomiast pierwszy – proszki ceramiczne Al2O3 oraz ZrO2 są materiałami stosowanymi do wykonywania precyzyjnych odlewów. Nieintencjonalne domieszki magnetyczne obserwowane w tych materiałach są niepożądane w procesie odlewniczym. Główna część pracy dotyczy analizy widm EMR materiału objętościowego Pb1-xMnxI2 oraz nanocząstek Pb1-xMnxI2 o różnych składach zatopionych w matrycy PVA. Na podstawie zgromadzonych danych eksperymentalnych zaobserwowano oraz wyjaśniono pochodzenie trzech typów linii widma EMR: szeroka niskopolowa, szeroka pochodząca od oddziaływania zeemanowskiego oraz ze strukturą nadsubtelną. Druga część dysertacji dotyczy badań, a także analizy widm EMR proszków ceramicznych Al2O3 oraz ZrO2 charakteryzujących się różną ziarnistością i wykorzystywanych jako materiał dla form odlewniczych. Na podstawie przeprowadzonych pomiarów zależności temperaturowych widm EMR proszków Al2O3 oraz ZrO2 oraz ich szczegółowej analizy wykryto zanieczyszczenia domieszkami magnetycznymi, które dla standardowych metod (np. XRD) są niezauważalne. Przeprowadzone badania wykazały, że EMR jest uniwersalną techniką, umożliwiającą uzyskanie cennych informacji dotyczących różnorodnych układów paramagnetycznych. Sprzyja temu: wysoka czułość pomiarowa, selektywność – możliwość pomiaru określonego związku w obecności wielu innych niezidentyfikowanych związków, stosunkowo krótki czas pomiaru, czy też nieskomplikowana preparatyka próbek.

The main objective of research in the presented thesis is electron magnetic resonance (EMR) spectroscopy of dopants from the iron group in the Al2O3, ZrO2 ceramic powders and PbI2 nanoparticles with magnetic component of manganium (Mn). The last materials are in response to demands coming from spintronics – determination of the energy electronic structure, Curie temperature and study of the magnetic interactions. While the first one – Al2O3 and ZrO2 ceramic powders – are widely used in various industries, including the aerospace industry for precision castings production. Unintentional magnetic impurities observed in this materials are undesirable in the casting process. The main part of the dissertation applies to analysis of the EMR spectra Pb1-xMnxI2 bulk materials and Pb1-xMnxI2 nanoparticles embedded in polyvinyl alcohol matrices (PVA) with different compositions. Three types of EMR spectra are observed – low-field wide line, line derived from Zeeman interaction and line with hyperfine structure. The origin of these lines are explained on the base of the Spin Hamiltonian including the sp - d interaction. The second part of the dissertation is dedicated to the EMR spectra analysis of the Al2O3 and ZrO2 ceramic powders (with different size of grains). Collected temperature dependences of the EMR spectra enable us to detect the pollution by magnetic dopants, which are not noticeable using standard methods, e.g. XRD. The study have shown that EMR method is a universal technique, that allows to obtain valuable information on a variety of the electron paramagnetic systems which is facilitated by high sensitivity measurement as well as by an ability to measure the specific compounds in the presence of many other unidentified compounds. Important is also the relatively short measurement time and straightforward specimen preparation.