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Pesquisa

INFLUÊNCIA QA CONCENTRAÇÃO DE MANGANES NO ESPECTRO DE

RME DO Mn2+ EM CaO*

R. S. de Biasi** M. L. N. Gril/o***

RESUMO

o espectro de ressonância do spin eletrônico em amostras de óxido de cálcio dopado com manganês foi estudado à temperatura ambiente para concentrações de Mil entre 0,0 I e 0,40mol%. Os resultados sugerem que o alcance da interação de câmbio entre os íons de Mn2+ é aproximadamente 0,59nm.

INTRODUÇÃO

O óxido de cálcio (CaO) é um material cerâmico com muitas aplicações industriais cujas propriedades podem ser consideravelmente modificadas pela presença de elementos de transição como o feno, o cromo e o manganês. A ressonância magnética eletrônica (RME) é uma técnica conveniente para estudar essas impurezas na estrutura do CaO. No

' Tradução do artigo: R. S. de Biasi e M. L. N. Grillo. Influence 01 Manganese Concenlration on lhe ESR Speclrum 01 Mn'" in CaD, J. Alloys Comp. 282, 5(1 999) . .. Engenheiro Eletrônico (PUC/RJ), Mestre em Ciências em Engenharia Eletrônica (PUC/RJ) e PhD em Engenharia Eletrônica (Universidade de Washington, Seattle, EUA). É Professor Titular do IME . .. , Bacharel em Ffsica (UERJ), Mestre em Ciências em Ffsica (PUC) e Doutora em Física (UFRJ). É Professora Adjunta da UERJ.

Vol. XVI - N° 2 - 2° Quadrimeslre de 1 999 [fJlí i

INFLUÊNCIA DA CONCENTRAÇÃO DE MANGANÊS NO ESPECTRO DE RME 00 Mn2+ em CaO

presente trabalho, investigamos o efeito da concentração de manganês sobre o espectro do Mn2+ em óxido de cálcio policristalino. Esta investigação é importante por duas razões. Em primeiro lugar, uma vez conhecidos os efeitos da concentração de manganês sobre o espectro, torna-se possível usar os resultados de RME para medir, de forma rápida e não-destrutiva, pequenas concenb'ações de Mn em CaO comercial; em segundo lugar, o conhecimento do alcance da interação de câmbio entre os íons de Mn2+ é essencial para uma melhor compreensão das propriedades magnéticas do óxido de cálcio dopado com manganês.

HISTÓRICO

RME de óxido de cálcio dopado com manganês

A análise do espectro de RME em monocristais de óxido de cálcio dopado com manganês I

mostra que os íons de Mn2+ substituem os íons de cálcio na rede cristalina. O espectro pode ser descrito pelo hamiltoniano de spin

com g = 2,0009, A = -O, 00808cm-1 e a = 0,00059cm-l •

RME de soluções sólidas diluídas

( 1 )

A teoria do alargamento dipolar em soluções sólidas diluídas foi desenvolvida por Kittel e Abrahams2 e generalizada por de Biasi e Fernandes' para levar em conta as interações de câmbio. Os principais resultados são os seguintes:

(I) a forma de onda da curva de absorção é uma lorentziana truncada; (lI) a largura de linha pico-a-pico da primeim derivada da curva de absorção pode ser expressa

na forma

(2)

(I1I) a intensidade da curva de absorção é dada por

1 = c-j'e (3)

onde !lHo é a largura de linha intrínseca, f1H" é o alargamento dipolar, c I e c2 são 'constantes e

fe é a concentração de íons substitucionais da impureza paramagnética que não estão acoplados pela interação de câmbio, que pode ser expressa na forma

c IJi i Vol. XVI - N· 2 - 2· Quadrimeslre de 1 999 29

INFLUÊNCIA DA CONCENTRAÇÃO DE MANGANÊS NO ESPECTRO DE RME DO Mn2+ em CaO

fe = f( 1 - f) « r) (4)

onde! é a concentração de impurezas, z(rc) é o número de sítios catiônicos incluídos em uma esfera de raio rc e I"c é o alcance efetivo da interação de câmbio.

MÉTODO EXPERIMENTAL E RESULTADOS

Preparação das amostras

As amostras dopadas com manganês usadas neste estudo foram preparadas a partir de CaC03 e Mn02 em pó de alta pureza. Os pós foram misturados e tratados por 24 horas a 1 .200°C no ar. As concentrações de manganês foram determinadas por análise química. Os espectros de difração de raios X de todas as amostras corresponderam, dentro do erro experimental, ao espectro' do CaO. Nenhuma outra fase foi observada.

Medidas de ressonância magnética

Todas as medidas de ressonância magnética foram realizadas à temperatura ambiente e 9,50 GHz. Os espectros de amostras típicas aparecem na figura 1. Em princípio, os dados de largura de linha podem ser obtidos a p311ir de qualquer linha do espectro do pó. A linha indicada por uma seta na figura l (a) foi a escolhida. Os resultados aparecem na tabela 1, juntamente com os dados relativos à intensidade.

Figura 1: (a) Espectro de RME de uma amostra de CaO dopada com 0.01 mol% Mn; (b) espectro de RME de uma amostra de CaO dopada com 0,40 mol% Mn.

30

0,32

(a)

0 ,34 0 ,36 CAM PO MAGNÉTICO ( T )

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INflUÊNCIA DA CDtICENTRAÇÃO DE MANGANÊS NO ESPECTRO DE RME DO Mn2+ em CaO

f(lIlol%) !J.H"iG) IR 0,01 2,3 1 4

O, l O 4,76 25

0,20 6,76 52

0,30 8,84 75

0,40 1 O, 1 7 95

Tabela 1 : Resultados experimentais para o sistema Mn2+ - CaO (T = 300K, V = 9,50GHz)

DISCUSSÃO E CONCLUSÕES

A variação teórica com a concentração da largura de linho pico-a-pico m",,1 dada pela Eq.(2), aparece na figura 2 para mo = 2,30G e seis valores diferentes da interação de câmbio. Os valores de I'c e z(l'c) para as seis primeiras esferas de coordenação aparecem na tabela 2, onde 11 é o número de ordem de cada esfera de coordenação (11 = I corresponde à situação em que nenhum sítio vizinho é incluído e assim por diante). Os valores de z(l'c) são os apropriados para a rede clc do CaO; os valores de I'c foram calculados para a constante de rede à temperatura ambiente, medida' por difração de raios X, ao = 4,8 1 05Á. OS dados experimentais também aparecem na figura 2. Os resultados experimentais estão próximos ela curva teórica para 11 = 4, que corresponele, ele acordo com a tabela 2, a um alcance I'c = 5,89Á para a interação ele câmbio.

1 2

1 0

� 8 f-E �

Q.

�Q. 6

4

2 0,0 0 , 1 0,2 0,3

f ( mol% Mn)

(fJl i Vol. XVI - Nº 2 - 2" Quadrimestre ele 1 999

(\ ", 0

0,4

Figura 2 : Variação com a concentração da largura de linha pico·a­pico, lIHpp' em CaO dopada com Mn. Os círculos são pontos ex­perimentais; as curvas representam os resul­tados de cálculos teóri­cos para seis diferentes alcances da interação de câmbio.

31

INFLUÊNCIA DA CONCEtlTRAÇÃO OE MANGAtlÊS NO ESPECTRO DE RME 00 Mn2+ em CaD

n 'Anm) z(rc ) I 0,00 O 2 3,40 1 2

3 4,8 1 1 8

4 5,89 42

5 6,80 54

6 7,61 78

Tabela 2: Valores de 'e e z(re) para o CaO

A figura 3 mostra a intensidade teórica [Eg. (3)] e experimental (tabela I ) do espectro. A escala vet1ical é arbitrária e foi escolhida para o melhor ajuste possível dos pontos experimentais à

curva teórica para n = 4 ou z(re) = 42. A concordância foi excelente.

32

Cf) I-Z ::::>

� � l­ce c::: «

0,1 0,2 0,3 0,4 f ( mol% Mn)

Figura 3 : Variação com a concentração d a intensidade d e linha, IR' e m CaO dopado com Mn. Os círculos são pontos experimentais; as curvas representam os resultados de cálculos teóricos para seis diferentes alcances da interação de câmbio.

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INFLUÊNCIA DA CONCENTRAÇÃO DE MANGANÊS NO ESPECTRO DE RME DO Mn2+ em CnD

A figura 4 mostra a variação com a concentração do alargamento dipolar L1Hd do espectro do Mn2+ em CaO e no composto isomOlfos MgO. O aumento mais rápido da largura de linha com a concentração de Mn no MgO é compatível (pelo menos quantitativamente) com o fato de que a constante de rede ao do CaO é maior do que a do MgO (0,48nm para o CaO e 0,42nm para o MgO, conforme as referências 4 e 6, respectivamente), já que, de acordo com a referência 3 , o aumento da largura de I inha é inversamente proporcional a a3 o. m:J

30

25

20 �

f-1 5 E •

�

::r:. 'O 1 0 '1

5 •

O 0 ,0 0 , 1 0,2 0,3 0,4

f ( mol% Mn)

Figura 4 : Variação com a concentração d o alargamento dipolar do espectro d o Mn2+ em MgO (ú) e CaO (à). As curvas representam o resultado de cálculos teóricos para z(rcl = 42. Os resultados para o MgO são os da referência 5.

REFERÊNCIAS BffiUOGRÁFICAS

1 - SHUSKUS, A. J . Phys. ReI'. 127, 1 .529 ( 1 962).

2 - KITIEL, C. e ABRAHAMS, E. Phys. Reli. 90, 238 ( 1 953).

3 - DE BIASI, R. S. e FERNANDES, A. A. R. J. Phys. C 16, 5.48 1 ( 1 983).

4 - SWANSON, H. E. e TATGE, E. Natl. BI/r. Standards Circo (Val. I) 539 ( 1 953).

5 - DE BIASI, R. S. e FERNANDES, A. A. R. J. Am. Ceram. Soe. 67, C-I73 ( 1 984).

6 - WYCKOFF, R. G. W. ClTstal Structl/res. Val. I, lnterscience, New Yark, 1965.

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