تحلیل و تفسیر نتایج آنالیز VSM

درک دقیق ویژگی‌های مغناطیسی مواد نقش مهمی در توسعه علوم نوین و فناوری‌های پیشرفته به ویژه در زمینه علوم پایه، علم مواد و مهندسی دارد. یکی از ابزارهای مهم در این حوزه، آنالیز مغناطیس‌سنجی نمونه‌ ارتعاشی (Vibrating Sample Magnetometry) است که به اختصار به عنوان آنالیز VSM شناخته می‌شود. آنالیز VSM در شناسایی فازهای مغناطیسی، بررسی گذارهای فازی، تعیین اندازه ذرات و تحلیل رفتار مغناطیسی مواد و ترکیبات شیمیایی به ویژه نانومواد کاربرد دارد.

از این رو بسیار مهم است که شما بتوانید از نتایج حاصل از آنالیز VSM، داده های مهم را استخراج کرده و به صورت اصولی و دقیق بتوانید تحلیل و تفسیر نتایج آنالیز VSM را انجام داده و اطلاعات مهمی درباره رفتار مغناطیسی نمونه‌ها به دست آورید. در ادامه به بررسی اصول فیزیکی و عملکردی آنالیز VSM پرداخته می‌شود و سپس به روشهای آماده سازی نمونه و نقش VSM در شناسایی مواد و ترکیبات شیمیایی و نحوه تفسیر داده‌ها حاصل از آنالیز VSM می‌پردازیم تا شما درک بهتری از در شناسایی ویژگی‌های مغناطیسی و ساختاری مواد و کاربرد آن در تحقیقات علمی و صنعتی داشته باشید.

خدمات تحلیل و تفسیر نتایج آنالیز VSM

ما داده‌های آنالیز VSM شما را بررسی و تفسیر می کنیم.

مشاوره رایگان و ثبت سفارش

آنالیز VSM (مغناطیس‌سنج نمونه‌ ارتعاشی) چیست؟

بررسی خواص مغناطیسی مواد، نقش مهمی در درک ساختار، رفتار و عملکرد آن‌ها در زمینه‌های مختلفی از جمله شیمی، فیزیک حالت جامد، علم مواد و نانوفناوری ایفا می‌کند. ویژگی‌های مغناطیسی می‌توانند اطلاعات کلیدی درباره ساختار بلوری، ترکیب شیمیایی، اندازه ذرات، برهم‌کنش‌های بین‌مولکولی و حتی گذارهای فازی درون یک سیستم فراهم کنند. تکنیک مغناطیس‌سنجی نمونه‌ ارتعاشی (Vibrating Sample Magnetometry یا VSM) به عنوان یکی از روش‌های دقیق و پرکاربرد برای اندازه‌گیری خواص مغناطیسی مواد شناخته می‌شود.

در این روش، نمونه‌ای کوچک درون یک میدان مغناطیسی قرار داده شده و به‌طور منظم به ارتعاش درمی‌آید. این ارتعاش باعث ایجاد سیگنالی الکتریکی می‌شود که شدت آن متناسب با میزان مغناطیس پذیری (مگنتیزاسیون) نمونه است و امکان تعیین پارامترهای مغناطیسی مانند مغناطش اشباع (Ms)، مغناطش باقی‌مانده (Mr)، میدان اجباری (Hc) و حساسیت مغناطیسی (χ) را با دقت بالا فراهم می‌سازد.

از آن‌جایی که رفتار مغناطیسی در بسیاری از ساختارهای شیمیایی از جمله نانوذرات اکسیدی، فریت‌ها، نانوکامپوزیت‌های مغناطیسی و مواد مزوپور دوپه‌شده مشاهده می‌شود، آنالیز VSM به عنوان یک ابزاری کلیدی در زمینه شناسایی و بررسی این سیستم‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد و به دلیل دقت بالا وه ابزاری ضروری در پژوهش‌های علمی و کاربردهای صنعتی مرتبط با توسعه و شناسایی مواد محسوب می‌گردد.

بررسی و تحلیل داده‌های حاصل از آنالیز VSMدر کنار سایر تکنیک‌های شناسایی مانند طیف‌سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه (FT-IR)، طیف‌سنجی رامان (Raman)، طیف سنجی NMR، آنالیز عنصری (…,ICP, CHN, XRF, EDAX)، اسپکتروفتومتری (UV-Vis)، پراش پودر اشعه ایکس (XRD)، آنالیز وزنی حرارتی (TGA)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)، طیف‌سنجی فوتوالکترونی اشعه ایکس (XPS) و اسپکتروسکوپی جرمی (Mass )، دید جامع‌تری نسبت به ماهیت فیزیکی-شیمیایی ترکیبات شیمیایی را در اختیار ما قرار می‌‍دهد.

آنالیز VSM در چه زمینه هایی کاربرد دارد؟

شناسایی فازهای مغناطیسی در ترکیبات شیمیایی

بررسی اثر اندازه ذرات در نانوذرات مغناطیسی
مطالعه گذارهای فازی
آنالیز نانوکامپوزیت‌ها و مواد مغناطیسی
ارزیابی اثر پوشش‌دهی یا دوپینگ بر خواص مغناطیسی

اصول نظری مغناطیس جهت درک آنالیز VSM

برای درک داده‌های حاصل از مغناطیس‌سنجی نمونه‌ ارتعاشی (VSM)، آشنایی با مفاهیم بنیادی مغناطیس ضروری است.

میدان مغناطیسی چیست؟

یکی از اساسی ترین مفاهیم در مغناطیس پذیری، مفهوم میدان مغناطیسی است. وقتی که یک میدان مغناطیسی در یک حجم از فضا ایجاد می‌شود، به این معنا است که در آن فضا تغییر انرژی وجود دارد که این تغییر انرژی منجر به ایجاد نیرویی می‌شود که می‌تواند منجر به شتاب گیری حرکت بار الکتریکی در میدان مغناطیسی گردد یا نیرویی بر روی رسانای حامل جریان اعمال کند یا اینکه منجر به ایجاد گشتاور بر روی دوقطبی مغناطیسی آهن‌ربای میله‌ای شده و یا باعث بازآرایی اسپین الکترونها در برخی اتمها گردد. یکی از آشناترین ویژگی‌های میدان مغناطیسی، ایجاد گشتاور بر روی سوزن قطب نما است که نمونه ای از یک دوقطبی مغناطیسی است.

چه چیزی عامل ایجاد میدان مغناطیسی در یک محیط است؟

وقتی که یک بار الکتریکی در حال حرکت باشد، یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌شود. علت این امر حرکت جریان الکتریی در یک رسانا است که اولین بار توسط اورستد (oersted) در سال 1819 کشف شد. میدان مغناطیسی همچنین توسط یک آهن ربای دائمی نیز ایجاد می‌شود که در طی آن جریان الکتریکی متداول وجود نداشته ولی منجر به حرکتهای اوربیتالها و اسپین‌های الکترونها در مواد دارای خاصیت مغناطیسی می‌گردد که در نهایت منجر به ایجاد مغناطیس پذیری در داخل مواد شده و باعث ایجاد میدان مغناطیسی در خارج آن می‌گردد. میدان مغناطیسی باعث اعمال نیرو بر روی رساناهای حامل جریان و آهن رباهای دائمی می‌گردد.

طبقه بندي مواد از لحاظ مغناطيسي

مواد را با توجه به تاثيرپذيري آن ها نسبت به ميدان مغناطيسي خارجي به كار رفته، طبقه بندي مي كنند. نحوه جهت گيري ممان هاي مغناطيسي در مواد باعث تفاوت هاي آن ها در رفتار مغناطيسي مي شود. با توجه به رفتار مغناطيسي، مواد به پنج دسته تقسيم مي شوند: ديامغناطيس، پارامغناطيس، فرومغناطيس، آنتي فرومغناطيس و فري مغناطيس.

مغناطیس به شدت به مفهوم حرکت ذرات بنیادی مانند الکترون‌ها (به عنوان مثال، حرکت بارها و اسپین) وابسته است، که اسپین یک ویژگی مکانیک کوانتومی است. پیچیدگی ناشی از تعاملات بین بارهای در حال حرکت و اسپین‌ها در ماده‌های حالت جامد تنها در چارچوب مکانیک کوانتومی قابل درک است.

مغناطیس در جامدات دو منبع اصلی دارد: اسپین و مغناطش مداری. مغناطش اسپین از لحظه مغناطیسی اسپین ناشی می‌شود، در حالی که مغناطش مداری از لحظه مغناطیسی مداری ناشی می‌گردد. برای داشتن تصویری کامل از مغناطیس در جامدات، هر دو منبع باید در نظر گرفته شوند. با این حال، سهم اسپین در انواع مختلفی از مواد رایج، که معمولاً شامل آهن، کبالت و نیکل هستند، بیشتر به چشم می‌خورد (به همین دلیل، این کار تنها بر روی مغناطش اسپین تمرکز دارد). شایان ذکر است که لحظات مغناطیسی ناشی از اسپین‌های هسته‌ای نیز در مغناطش یک جامد شرکت دارند، اما سهم آن‌ها معمولاً نادیده گرفته می‌شود زیرا اسپین هسته‌ای نسبت به مغناطش‌های اسپین و مداری نقش کمتری ایفا می‌کند.

بررسی خواص مغناطیسی مواد

خواص مغناطیسی یک ماده در مقیاس ماکروسکوپی را می‌توان بر اساس پاسخ آن به یک میدان مغناطیسی خارجی اعمال شده (H) مورد بررسی قرار داد. یک ماده زمانی مغناطیسی می‌شود که تحت تأثیر یک میدان مغناطیسی خارجی همگن (H₀ +H، که در آن H₀ میدان مغناطیسی ذاتی ماده در غیاب میدان خارجی است) قرار گیرد. در اینصورت مقدار اندازه‌گیری شده به نام مغناطش (M) شناخته می‌شود، که یک ویژگی خاص از هر ماده است ولی کمی‌سازی آن کار ساده‌ای نیست و به همین دلیل به جای آن، یک پارامتر تجربی قابل دسترس‌تر یعنی نفوذپذیری مغناطیسی ماده (χ) تعریف می‌شود که با استفاده از آن می‌توان M را نیز تعیین کرد (به عنوان مثال، M = χH است).

دو نوع رفتار مغناطیسی اصلی دیامغناطیس و پارامغناطیس را می‌توان با توجه به علامت χ شناسایی کرد. یک ماده زمانی به عنوان دیامغناطیسی طبقه‌بندی می‌شود که تحت تأثیر یک میدان مغناطیسلی اعمال شده (H) مقدار 0 > χ باشد . برعکس، یک ماده زمانی به عنوان پارامغناطیسی طبقه‌بندی می‌شود که تحت تأثیر یک میدان مغناطیسی اعمال شده (H) مقدار χ > 0 باشد. χ معمولاً در مواد دیامغناطیسی مستقل از دما است، در حالی که در مواد پارامغناطیسی به طور قابل توجهی به دما وابسته است.

انواع رفتارهای مغناطیسی

رفتار مغناطیسی مواد به نحوه آرایش و برهم‌کنش گشتاورهای مغناطیسی الکترون‌ها در ساختار اتمی یا بلوری آن‌ها بستگی دارد. بر اساس این رفتار، مواد به چند دسته‌ی اصلی تقسیم می‌شوند:

دیامغناطیس (Diamagnetism):

دیامغناطیس خاصیتی است که در تمام مواد وجود دارد و  به عنوان پاسخ مغناطیسی ترکیبات دارای پیکربندی‌های الکترونی با اوربیتال‌های کاملاً پر (دارای الکترون‌های جفت شده) نسبت به یک میدان مغناطیسی خارجی توصیف می‌شود که در آن میدان مغناطیسی خارجی یک اختلال در حرکت اوربیتال‌های نمونه ایجاد می‌کند. دیامغناطیس یک پدیده ضعیف است که تنها زمانی که سایر انواع مغناطیس به طور کامل غیرفعال باشند، قابل مشاهده است. شکل 1 نشان می‌دهد که اعمال یک میدان مغناطیسی خارجی به یک ماده دیامغناطیسی باعث می‌شود که ممان‌های مغناطیسی در جهت مخالف نسبت به جهت میدان خارجی قرار بگیرند. از جمله مواد دیامغناطیسی می‌توان به فلزاتی مانند جیوه، مس و نقره،اکثریت مواد آلی و بیشتر ابررساناها (زیر دمای بحرانی) اشاره کرد.

image - — شکل 1. طرح ساده‌ای از پیکربندی‌های ممان‌های مغناطیسی اتمی در مواد دیامغناطیسی قبل و بعد از اعمال یک میدان مغناطیسی خارجی (H).

پارامغناطیس (Paramagnetism):

موادی که دارای الکترون‌های جفت‌نشده هستند و در میدان مغناطیسی، گشتاورهای آن‌ها به صورت جزئی هم‌راستا می‌شوند. با حذف میدان، مغناطش نیز از بین می‌رود و در واقع در این ترکیبات، پاسخ مغناطیسی ناشی از برهمکنش ممنتم زاویه‌ای اسپین یا اوربیتال (که به صورت S وL نشان داده می‌شوند) الکترونهای جفت نشده در حضور یک میدان خارجی است. با حذف میدان، مغناطش نیز از بین می‌رود. ویژگی بارز این مواد، مغناطش ضعیف و وابسته به دما است.
نمونه‌هایی از مواد پارامغناطیسی شامل یون‌های فلزات واسطه، اکسیدهای خاص و فلزاتی مانند آلومینیوم و سدیم هستند.

image 1 - — شکل 2 طرح ساده‌ای از پیکربندی‌های ممان‌های مغناطیسی اتمی پارامغناطیسی قبل و بعد از اعمال یک میدان مغناطیسی خارجی (H).

مواد فرومغناطیس، آنتی‌فرومغناطیس و فری‌مغناطیس ( ferromagnetism, antiferromagnetism ,ferrimagnetism materials):

برخی از مواد حتی در غیاب یک میدان مغناطیسی خارجی (H= 0) نیز دارای مغناطیس خودبه‌خودی هستند. منشا این پدیده در همبستگی ممان مغناطیسی (اسپین‌ها) است که منجر به جهت‌گیری یکسان در الکترونها می‌شود که متاثر از میدان مغناطیسی خارجی اعمالی نیست. این پدیده مغناطیسی تحت عنوان مغناطیس پذیری مشارکتی (collective magnetism) شناخته می‌شود. در ترکیباتی که مغناطیس پذیری مشارکتی نشان می‌دهند، مرکز مغناطیسی که در مجاورت هم قرار دارند، از سه طریق قادر به برهمکنش با یکدیگر هستند. این نحوه برهمکنش آنها تعیین کننده خواص مغناطیسی آنها است که به نام‌های فرومغناطیس، آنتی‌فرومغناطیس و فری‌مغناطیس شناخته می‌شوند (شکل 2).

فرو‌مغناطیس (Ferromagnetism):

در این مواد، گشتاورهای مغناطیسی در نواحی مشخصی به نام دامنه‌های مغناطیسی (magnetic domains) به‌صورت طبیعی هم‌راستا هستند. حتی پس از حذف میدان مغناطیسی، بخشی از مغناطش باقی می‌ماند (پسماند مغناطیسی). برهمکنش‌های بین گشتاورهای مغناطیسی الکترونها در ترکیبات فرومغناطیس (FM) ناشی از جهت گیری موازی و همسو بین اتمهای مجاور است که منجر به ایجاد یک مغناطیس پذیری ذاتی در مواد می‌گردد (M > 0 ) به طوریکه در غیاب میدان مغناطیسی خارجی اعمالی نیز این مغناطیس پذیری وجود دارد. این رفتار، پایه بسیاری از کاربردهای صنعتی و الکترونیکی است. نمونه‌ها: آهن، نیکل، کبالت.

آنتی‌فرو‌مغناطیس (Antiferromagnetism):

همچنین وقتی که گشتاورهای مغناطیسی مراکز اتمی (یا صفحات) مجاور با بزرگی یکسان به صورت غیر موازی یا غیرهم جهت جهت گیری داشته باشند، این مواد به عنوان آنتی فرومغناطیس (AFM) شناخته می‌شود. مغناطیس پذیری کل ترکیبات آنتی فرومغناطیس در غیاب میدان مغناطیسی خارجی به دلیل حذف برداری گشتاورهای مغناطیسی مجاور برابر صفر است. با افزایش دما تا دمای نییل (Néel temperature)، این نظم از بین می‌رود. به عنوان نمونه می‌توان به MnO و FeO اشاره کرد.انواع مختلفی از ترکیبات آنتی فرومغناطیس وجود دارند که متداول‌ترین آنها شامل آنتی فرومغناطیس نوع -A، نوع-C، نوع-G هستند (شکل 2).

در ترکیبات آنتی فرومغناطیس نوع-A، برهمکنش‌های درون صفحه ای به صورت فرومغناطیس و برهمکنش‌های بین صفحه‌ای به صورت آنتی فرومغناطیس هستند. آنتی فرومغناطیس نوع-C برعکس نوع-A است و در آن برهمکنش‌های درون صفحه‌ای به صورت آنتی فرومغناطیس و برهمکنش‌های بین صفحه‌ای به صورت فرومغناطیس هست. در آنتی فرومغناطیس نوع-G هر دو نوع برهمکنش‌های خارج صفحه‌ای و بین صفحه‌ای به صورت آنتی فرومغناطیس هستند.

فری‌مغناطیس (ferrimagnetism):

سومین نوع مغناطیس پذیری مشارکتی (Collective magnetism) خاصیت فری‌مغناطیس (ferrimagnetism) است که به صورت جهت گیری غیرموازی بین گشتاورهای مغناطیسی مجاور تعریف می‌شود که دارای اندازه متفاوت نیز هستند. همچنین می‌توان خاصیت فری مغناطیس را به صورت دو زیرشبکه فرومغناطیسی نابرابر توصیف کرد که به صورت غیر همجهت با یکدیگر جفت شده ولی مغناطیس پذیری آنها حذف نمی‌شود. فریت (Ferrites) نمونه‌ای از مواد فری مغناطس هستند. شکل 2، نشان دهنده تصاویر شماتیک مربوط به مغناطیس پذیری مشارکتی با استفاده از مدل مغناطیسی هم خطی (جفت شدن بین دو گشتاور مغناطیسی در زوایای 0 یا 180 درجه نسبت به یکدیگر) است. البته در ترکیبات واقعی، نحوه آرایش فرومغناطیس، آنتی فرومغناطیس و فری مغناطیس به صورت پیچیده تری (به عنوان مثالل مارپیچی یا شیشه اسپینی) است که توسط مدل مغناطیسی غیر همخطی (جفت شدن بین دو گشتاور مغناطیسی در زوایایی غیر از 0 یا 180 درجه نسبت به یکدیگر) بهتر قابل توصیف هستند.

اصول دستگاهی مغناطیس‌سنجی نمونه‌ ارتعاشی (VSM)

مغناطیس‌سنجی نمونه‌ ارتعاشی (VSM) روشی تجربی برای اندازه‌گیری ویژگی‌های مغناطیسی مواد است که نخستین بار در سال ۱۹۵۵ توسط Simon Foner معرفی شد. اساس عملکرد این دستگاه بر پایه قانون القای فارادی است: هرگاه یک جسم مغناطیسی در یک میدان مغناطیسی یکنواخت به ارتعاش درآید، در سیم‌پیچ‌های اطراف آن، ولتاژی القا می‌شود که با میزان مغناطش جسم متناسب است.

در VSM، نمونه در مرکز میدان مغناطیسی (تولیدشده توسط یک آهنربای الکترومغناطیسی یا آهنربای دائمی) قرار می‌گیرد و به کمک مکانیزمی مکانیکی با فرکانسی مشخص (معمولاً ۵۰ تا ۱۰۰ هرتز) به صورت عمودی نوسان داده می‌شود. با نوسان نمونه، شار مغناطیسی در سیم‌پیچ‌های آشکارساز تغییر کرده و یک سیگنال الکتریکی القا می‌شود. این سیگنال پس از تقویت، به عنوان تابعی از میدان مغناطیسی و مغناطش ثبت می‌شود.

اجزای اصلی دستگاه VSM

یک سیستم VSM استاندارد معمولاً شامل اجزای زیر است:

میدان مغناطیسی (Electromagnet / Power Supply)

یک آهنربای الکترومغناطیسی میدان مغناطیسی یکنواخت و قابل تنظیم را تولید می‌کند. این میدان برای مغناطیسی کردن نمونه ضروری است و معمولاً توسط سیستم خنک‌کننده (مثل آب) روی دمای ثابت نگه‌داشته می‌شود

نگهدارنده و محرک ارتعاش (Vibration Exciter & Sample Holder)

نمونه روی یک میله نگهدارنده غیرمغناطیسی (مانند کوارتز یا Delrin) نصب می‌شود و توسط یک محرک مکانیکی یا پیزوالکتریک با فرکانسی ثابت (معمولاً ~85 هرتز) در جهت عمودی نوسان داده می‌شود .

سیم‌پیچ‌های آشکارساز (Pickup Coils):

دو یا چند سیم‌پیچ حساس و پیچیده شده در پیکربندی خاصی قرار گرفته‌اند. این سیم‌پیچ‌ها شار مغناطیسی ناشی از نوسان نمونه را دریافت و تبدیل به سیگنال الکتریکی می‌کنند. این پیکربندی باعث کاهش نویز و افزایش دقت می‌شود .

تقویت‌کننده سیگنال (Amplifier & Lock-in Amplifier)

سیگنال ضعیف القا شده توسط سیم‌پیچ‌ها ابتدا تقویت می‌شود و سپس از تقویت‌کننده قفل‌دار (Lock-in Amplifier) استفاده می‌شود که فقط فرکانس ارتعاش نمونه را پالایش کرده و نویز محیطی را حذف می‌کند

شاسی کنترل (Control Chassis)

کنترل‌گر پالسی محرک ارتعاش تا فرکانس (~85 Hz) ثابت نگه می‌ دارد تا دامنه نوسان ثابت باشد.

رابط کامپیوتری و نرم‌افزار (Computer Interface & Data Acquisition)

پردازش و ضبط داده‌ها (مانند منحنی M–H)، تحلیل پارامترهای مغناطیسی (Ms, Mr, Hc, χ) و کنترل میدان مغناطیسی، همگی از طریق نرم‌افزار تحت کنترل کامپیوتری انجام می‌شوند .

ابزار سنجش میدان (Hall Probe / Gauss Meter)

یک حسگر میدان مغناطیسی برای اندازه‌گیری دقیق شدت میدان اعمالی و اطمینان از یکنواختی آن در ناحیه نمونه محفظه قرار دارد

آماده‌سازی نمونه و شرایط آزمایش

دقت و صحت نتایج حاصل از آنالیز VSM تا حد زیادی به نحوه‌ی آماده‌سازی نمونه و تنظیم دقیق شرایط آزمایش بستگی دارد. انتخاب مناسب مقدار، شکل، یکنواختی، و نحوه قرارگیری نمونه در دستگاه تأثیر مستقیمی بر کیفیت داده‌ها خواهد داشت. در این بخش به ملاحظات کلیدی در این زمینه می‌پردازیم.

نوع و حالت فیزیکی نمونه

نمونه‌هایی که در VSM مورد بررسی قرار می‌گیرند می‌توانند شامل موارد زیر باشند:

جامدات فله‌ای (Bulk): مانند فلزات مغناطیسی یا سرامیک‌ها
پودرهای ریز یا نانوذرات: که باید به‌صورت یکنواخت در محفظه نمونه قرار گیرند.
فیلم‌های نازک یا پوشش‌ها: که معمولاً روی بسترهای غیرمغناطیسی سوار می‌شوند.
مواد مغناطیسی نرم یا سخت: با توجه به رفتار هیسترزیس مورد انتظار

وزن و حجم نمونه

برای افزایش سیگنال و کاهش نسبت نویز به سیگنال (S/N)، معمولاً نمونه‌هایی با جرم ۵ تا ۳۰ میلی‌گرم مورد استفاده قرار می‌گیرند، اما این مقدار وابسته به میزان مغناطش ماده و حساسیت دستگاه است.

در نمونه‌های نانومغناطیسی با مغناطش پایین، ممکن است نیاز به وزن بالاتری باشد.
چگالی و حجم نیز باید به‌گونه‌ای انتخاب شوند که نمونه کاملاً در ناحیه یکنواخت میدان مغناطیسی قرار گیرد.

محفظه و نگهدارنده نمونه

نگهدارنده نمونه باید از مواد کاملاً غیرمغناطیسی مانند پلاستیک، کوارتز، یا سرامیک ساخته شود تا هیچ سیگنالی از آن ثبت نگردد.

برای پودرها معمولاً از تیوب‌های مخصوص (quartz tube) یا محفظه‌های پلی‌کربنات استفاده می‌شود.
نمونه باید با چسب یا وکیوم در محل خود محکم شود تا در طول ارتعاش جابه‌جا نشود.

دما، میدان مغناطیسی و فرکانس ارتعاش

دما: اگر VSM مجهز به کنترل دما باشد، می‌توان تأثیر دما بر مغناطش را بررسی کرد (مثلاً برای مطالعه گذار فاز مغناطیسی).
فرکانس و دامنه ارتعاش: در محدوده ۵۰–۱۰۰ هرتز، و با دامنه‌ای در حدود ۱ تا ۲ میلی‌متر؛ این مقادیر باید در حالت پایدار حفظ شوند.
میدان مغناطیسی: معمولاً از صفر تا مقدار اشباع (مثلاً ±10,000 Oe یا بیشتر) اعمال می‌شود تا منحنی M-H کامل ثبت شود.

کالیبراسیون و تنظیمات دستگاه

قبل از هر اندازه‌گیری، کالیبراسیون دستگاه با استفاده از یک ماده مرجع استاندارد (مانند Ni یا Fe) انجام می‌شود. این کار برای تنظیم پاسخ سیگنال و حذف نویز ضروری است.

چالش‌ها و ملاحظات تجربی در آنالیز VSM

شرایط کالیبراسیون و استانداردسازی
وجود نویز
حساسیت به جرم نمونه
تداخلات احتمالی

مفاهیم کلیدی در آنالیز VSM

میدان مغناطیسی (Magnetic Field – H):

نیروی اعمال‌شده از بیرون به ماده برای تحریک گشتاورهای مغناطیسی. واحد آن در سیستم SI آمپر بر متر (A/m) است.

مغناطش (Magnetization – M):

مغناطش یک کمیت برداری است که شدت و جهت میدان مغناطیسی در داخل یک ماده را بیان می‌کند. این کمیت نشان‌دهنده چگونگی پاسخ ماده به میدان مغناطیسی خارجی و میزان لحظه‌های مغناطیسی خالص در واحد حجم ماده است. مقدار M معمولا بر اساس جرم نمونه (emu/g) یا حجم (emu/cm³) یا به‌صورت مغناطش حجمی (A/m) گزارش می‌شود.مغناطش از دو منبع اصلی ناشی می‌شود:

گشتاور اسپینی الکترون‌ها (Spin magnetic moment)
گشتاور مداری الکترون‌ها (Orbital magnetic moment)

در مغناطیس‌سنج نمونه‌ ارتعاشی (Vibrating Sample Magnetometer – VSM)، مغناطش (Magnetization – M) به‌صورت مستقیم در برابر میدان مغناطیسی اعمالی (H) اندازه‌گیری و ثبت می‌شود. در دستگاه VSM با افزایش یا کاهش تدریجی میدان مغناطیسی، مقادیر مغناطش نمونه اندازه‌گیری می‌شود. این مقادیر معمولاً در یک بازه متقارن مانند:

ثبت شده و نتایج به‌صورت یک منحنی دو شاخه‌ای (هیسترزیس) ارائه می‌شوند.

منحنی هیسترزیس (Hysteresis Loop):

نمودار خروجی VSM معمولاً به شکل زیر است:

محور افقی (x): میدان مغناطیسی اعمال‌شده H (واحد: Oersted یا A/m)

محور عمودی (y): مغناطش نمونه M یا B (واحد: emu, emu/g, یا A/m)

نمودار M بر حسب H، رفتار مغناطیسی ماده در چرخه اعمال و حذف میدان را نشان می‌دهد و ویژگی‌هایی مانند مغناطش اشباع، پسماند مغناطیسی و میدان اجباری از این منحنی استخراج می‌شوند.

مغناطش اشباع (Saturation Magnetization – Ms):

Ms حداکثر مغناطش (M) ممکن برای یک ماده در حضور میدان مغناطیسی بسیار قوی است. در این وضعیت، تمام لحظه‌های مغناطیسی (magnetic moments) ماده در راستای میدان مغناطیسی هم‌راستا می‌شوند. معمولاً بر حسب آمپر بر متر (A/m) یا (emu/g) بیان می‌شود و بازتابی از چگالی لحظه‌های مغناطیسی در ساختار ماده است و به نوع یون‌های مغناطیسی، ترکیب شیمیایی، فاز بلوری و جهت‌گیری دامنه‌ها بستگی دارد. به عنوان مثال در فریت نیکل (NiFe₂O₄) مقدار Ms به نسبت مقدار یون‌های Fe³⁺ در موقعیت‌های بلوری تتراهدرال و اکتاهدرال وابسته است.

پسماند مغناطیسی (Remanent Magnetization – Mr):

مقدار مغناطشی که پس از صفر شدن میدان مغناطیسی باقی می‌ماند. این خاصیت ناشی از پایدار ماندن برخی دامنه‌های مغناطیسی در راستای میدان اولیه است.
Mr مشخصه‌ای برای بررسی رفتار حافظه‌ای مغناطیسی در مواد است. مواد با Mr بالا، برای حافظه‌های مغناطیسی مفید هستند. در مواد نانوساختار، به دلیل کاهش تعداد دیوارهای دامنه، Mr معمولاً کاهش می‌یابد.

میدان اجباری یا وادارندگی (Coercivity – Hc):

Hc شدت میدان مغناطیسی معکوسی است که برای صفر کردن Mr باید اعمال شود. یعنی مقداری از میدان که لازم است تا دامنه‌ها از راستای قبلی منحرف شوند.
Hc بازتابی از مقاومت ماده در برابر مغناطش‌زدایی است و به عوامل زیر بستگی دارد:

اندازه و شکل ذرات
انرژی آنتروپی بلوری
تنش‌های داخلی و نقص‌های ساختاری

مواد بر اساس میزان Hc به دو دسته مواد نرم مغناطیسی: Hc بسیار پایین (برای کاربرد در ترانسفورماتورها) و مواد سخت مغناطیسی: Hc بالا (برای آهن‌رباهای دائمی) طبقه بندی می‌شوند.

نسبت پسماند به اشباع (Mr/Ms)

این نسبت شاخص تجربی برای تشخیص نوع رفتار مغناطیسی ذرات و وضعیت دامنه‌ها در ماده است و در نانوذرات بسیار حائز اهمیت است و بر اساس این نسبت نانوذرات به دو دسته طبقه بندی می‌شوند:

نسبت پایین (Mr/Ms < 0.5): نشانگر رفتار سوپرپارامغناطیسی (SPM) یا حضور دامنه‌های تک‌گانه (single domain)
نسبت بالا (Mr/Ms > 0.5): ممکن است نشان‌دهنده حضور چنددامنه‌ای (multi-domain) یا پسماند شدید در مواد سخت مغناطیسی باشد.

نفوذپذیری یا حساسیت مغناطیسی (Magnetic Susceptibility – χ):

شیب منحنی M–H در ناحیه‌ی میدان‌های ضعیف، بیانگر حساسیت ماده در واکنش به میدان مغناطیسی است.

انواع حساسیت مغناطیسی شامل موارد زیر هستند:

χ_dc: در میدان ثابت (DC)
χ_ac: در میدان نوسانی (AC)، به‌ویژه برای مطالعه خواص دینامیکی

حساسیت مغناطیسی به دمای محیط (در مواد پارامغناطیس، χ با دما کاهش می‌یابد طبق قانون کوری) و به نوع نظم مغناطیسی (فرومغناطیس، آنتی‌فرومغناطیس، سوپرپارامغناطیس) ماده وابسته است.

تحلیل و تفسیر نتایج آنالیز VSM شامل چه مواردی است؟

1) بررسی منحنی M-H و ویژگی‌های آن

منحنی M–H (مغناطش بر حسب میدان مغناطیسی اعمال‌شده) نشان می‌دهد که نمونه چگونه به میدان مغناطیسی پاسخ می‌دهد. شکل و پارامترهای این منحنی، نوع ماده (فرومغناطیس، پارامغناطیس، آنتی‌فرومغناطیس، فری‌مغناطیس، سوپرپارامغناطیس) را مشخص می‌کند.

2) استخراج پارامترهای کلیدی: Ms، Mr، Hc، χ

مغناطش اشباع (Saturation Magnetization – Ms)

حداکثر مقدار مغناطشی که ماده می‌تواند در حضور میدان مغناطیسی قوی کسب کندو نشان‌دهنده تراکم لحظه‌های مغناطیسی (magnetic moments) است.

پسماند مغناطیسی (Remanent Magnetization – Mr)

مقدار مغناطش باقیمانده زمانی‌که میدان مغناطیسی به صفر می‌رسد. اگر Mr=0، ماده دارای حافظه مغناطیسی است (مانند مواد فرومغناطیس یا فری‌مغناطیس).

میدان اجباری (Coercive Field – Hc)

میزان میدان مغناطیسی معکوس مورد نیاز برای کاهش مغناطش باقی‌مانده به صفر است و هرچه Hc بزرگ‌تر باشد، ماده از نظر حفظ مغناطش “سخت‌تر” است

نفوذپذیری یا حساسیت مغناطیسی (Magnetic Susceptibility – χ):

3) محاسبه نسبت‌های تجربی Mr/Ms

نسبت‌ تجربی Mr/Msمعیاری از نظم مغناطیسی ماده است و برای نانوذرات سوپرپارامغناطیس معمولاً Mr/Ms<0.1 و برای مواد فرومغناطیس‌ سخت این نسبت نزدیک 0.5 یا بیشتر است.

4) مقایسه بین مواد مختلف (نانوساختارها، کامپوزیت‌ها، فازهای مخلوط)

چرا ما را انتخاب کنید؟

پشتیبانی 24 ساعته در 7 روز هفته

تجزیه و تحلیل دقیق توسط متخصصین

تضمین کیفیت و رضایت

بازبینی رایگان پس از تکمیل سفارشات

قیمت مناسب

آنالیز VSM در چه زمینه‌هایی کاربرد دارد؟

آنالیز VSM در زمینه‌های علمی، صنعتی و فناوری بسیار گسترده و متنوع کاربرد دارد زیرا خواص مغناطیسی، نقش مهمی در تعیین ساختار، ترکیب، رفتار و عملکرد مواد در ابعاد ماکروسکوپی و نانومتری ایفا می‌کنند. در ادامه برخی از زمینه‌ های پرکاربرد آنالیز VSM آورده شده است.

مهندسی مواد

آنالیز VSM در علم مهندسی مواد به منظور شناسایی، تحلیل و طراحی مواد مغناطیسی با رفتارهای خاص مورد استفاده قرار می‌گیرد و در زمینه تعیین فاز مغناطیسی (فرومغناطیس، فری‌مغناطیس، آنتی‌فرومغناطیس، پارامغناطیس، سوپرپارامغناطیس)، بررسی تغییرات مغناطش در دماهای مختلف (آنالیز M–T)، بررسی تاثیر افزودنی‌ها یا نانوکامپوزیت‌ها بر رفتار مغناطیسی ترکیبات مختلف کاربرد دارد.

نانوفناوری و نانوذرات مغناطیسی

آنالیز VSM در زمینه نانو فناوری به منظور تشخیص نوع رفتار مغناطیس، اندازه‌گیری دمای بلوکه (Blocking Temperature – Tb) و بررسی برهمکنش مغناطیسی بین ذرات کاربرد دارد.

شیمی حالت جامد و سنتز مواد

آنالیز VSM در شیمی و شناسایی ترکیبات سنتز شده به منظور ارزیابی خواص مغناطیسی و به عنوان ابزار ی برای تأیید فاز مغناطیسی و ترکیب شیمیایی مورد استفاده قرار می‌گیرد. از جمله کاربردهای VSM در شیمی می‌توان به تشخیص تشکیل فازهای خاص مانند Fe₃O₄ در مقابل γ-Fe₂O₃، تأثیر دمای کلسینه یا شرایط سنتز بر خواص مغناطیسی ترکیبات مختلف و شناسایی نوع فازهای مغناطیسی اشاره کرد.

صنایع الکترونیک

آنالیز VSM در صنایع الکترونیکی به منظور طراحی و انتخاب مواد مناسب برای استفاده در ادوات الکترومغناطیسی کاربرد دارد و به در زمینه ارزیابی مواد حافظه مغناطیسی (مانند MRAM) با بررسی Hc و Mr، تعیین ویژگی‌های مغناطیسی مواد مغناطیسی نرم و سخت، بررسی تغییرات مغناطش در مواد مغناطواستریکتیو یا پیزومغناطیس و …. مورد استفاده قرار می‌گیرد.

زیست‌فناوری و پزشکی

آنالیز VSM در زیست فناوری و پزشکی به منظور بررسی نانوذرات مغناطیسی در کاربردهای درمانی و تشخیصی مورد استفاده قرار می‌گیرد که از جمله آنها می‌توان به انتخاب ذرات با رفتار سوپرپارامغناطیسی برای جلوگیری از تجمع در بدن، بررسی کارایی نانوذرات در تصویربرداری MRI (Ms بالا، بدون Mr)، طراحی سیستم‌های دارورسانی هدفمند با پاسخ به میدان مغناطیسی خارجی اشاره کرد.

انرژی و محیط‌زیست

آنالیز VSM در زمینه انرژی و محیط زیست جهت بهینه‌سازی مواد مغناطیسی به منظور بهینه سازی انرژی یا حذف آلاینده‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. از جمله این کاربردها می‌توان به بررسی خواص مغناطیسی جاذب‌های مغناطیسی برای تصفیه پساب، ارزیابی مواد مغناطیسی در سلول‌های خورشیدی اسپینی (spintronic solar cells) و مطالعه مواد فتوکاتالیست مغناطیسی برای بازیابی آسان پس از مصرف اشاره کرد.

روشهای شناسایی مکمل آنالیز VSM

در مطالعات خواص مغناطیسی مواد، آنالیز مغناطیس‌سنجی نمونه ارتعاشی (VSM) یک تکنیک کلیدی و بسیار کارامد است. اما برای درک جامع از ساختار، ترکیب و رفتار فیزیکی-شیمیایی مواد، معمولاً از تکنیک‌های تحلیلی مکمل در کنار VSM استفاده می‌شود که در ادامه به آنها پرداخته می‌شود.

پراش اشعه ایکس (XRD)

آنالیز VSM برای تشخیص نوع فاز معناطیسی مورد استفاده قرار می‌گیرد ولی تشخیص نوع فاز بلوری، سایز کریستالی و کرنش شبکه از مواردی است که توسط الگوهای پراش XRD حاصل می‌گردد. دو ماده ممکن است که رفتار مغناطیسی مشابهی داشته باشند ولی نوع ساختار کریستالی آنها متفاوتی باشد که بررسی این امر با استفاده از پراش اشعه X امکان پذیر است.

میکروسکوپ الکترونی (SEM / TEM)

در آنالیز VSM، بسیاری از خواص مغناطیسی مواد مانند خاصیت سوپرپارامغناطیس یا دارا بودن پسماند مغناطیسی کم به اندازه ذرات وابسته‌ است. بررسی مورفولوژی، اندازه و شکل ذرات با استفاده از میکروسکوپ الکترونی SEM و همچنین بررسی ساختار داخلی، پراکندگی اندازه ذرات و همچنین تک دامنه یا چند دامنه بودن ساختارها با استفاده از میکروسکوپ الکترونی TEM قابل بررسی است. بنابراین آنالیزهای SEM و TEM تکنیکهای مکمل برای بررسی ترکیبات در کنار آنالیز VSM محسوب می‌شوند. به عنوان مثال رفتار مغناطیسی سوپرپارامغناطیسی در نانوذرات Fe₃O₄ در VSM زمانی تایید می‌شود که TEM اندازه کمتر از 20 نانومتر را نشان می‌دهد.

طیف‌سنجی موزباور ( Mössbauer spectroscopy)

طیف سنجی موزباور به منظور تعیین حالت اکسیداسیون، محیط بلوری و میدان داخلی در اتم‌های عناصری مانند Fe، Sn و Co مورد استفاده قرار می‌گیرد. در واقع Mössbauer به دلیل اینکه قابلیت تفکیک Fe³⁺ و Fe²⁺ را از هم دارد، می‌تواندفازهای Fe₂O₃ و Fe₃O₄ نیز ازط هم تشخیص دهد، حتی اگر مغناطش مشابهی در آنالیز VSM داشته باشند.

طیف‌سنجی رامان (Raman Spectroscopy)

در طیف سنجی رامان با بررسی ارتعاشات شبکه ای و نقص های کریستالی می توان فازهای کریستالی، به‌ویژه فازهای اکسید فلزی با شباهت ساختاری زیاد را بررسی کرد. بنابراین می‌توان گفت که طیف سنجی رامان یکی از تکنیک های مکمل آنالیز VSM جهت شناسایی و بررسی ویژگی های ترکیبات مختلف محسوب می‌شود.

طیف‌سنجی FT-IR و XPS

رفتار مغناطیسی ترکیبات به پیوندهای سطح حساس است. این حساسیت به ویژه در ترکیباتی که بهبود سطح در آنها انجام شده و یا ترکیبات خاصی بر روی آنها تثبیت شده است، بیشتر حائز اهمیت است. از این رو آنالیز FT-IR یکی از روشهای مکمل آنالیز VSM برای شناسایی ترکیبات شیمیایی محسوب می‌شود. همچنین آنالیز XPS که به منظور تحلیل حالات شیمیایی عناصر سطحی (مانند Fe³⁺ و Fe²⁺) مورد استفاده قرار می‌گیرد، می‌تواند توجیهی برای کاهش مغناطش اشباع در ذرات سطح‌اکسیده ارائه دهد.

آنالیزهای DLS (Dynamic Light Scattering) و Zeta Potential

رفتار مغناطیسی در محلول (bio-dispersed nanoparticles) وابسته به اندازه و بار سطحی است. از آنجاییکه، تعیین اندازه هیدرودینامیکی و پایداری کلوییدی نانوذرات مغناطیسی در محلول توسط آنالیزهای DSL و Zeta potential امکان پذیر است، این آنالیزها به عنوان تکنیک های مکمل آنالیز VSM مورد استفاده قرار می‌گیرند.

جمع بندی

آنالیز VSM ابزاری غیرمخرب و دقیق برای شناسایی کمی و کیفی رفتار مغناطیسی مواد به ویژه در مقیاس نانو است و نقش کلیدی در پژوهش‌های مواد مغناطیسی، نانوکامپوزیت‌ها، کاتالیست‌ها و دارورسانی هدفمند ایفا می‌کند. تحلیل و تفسیر نتایج VSM به صورت دقیق و علمی و تعیین پارامترهای مغناطیسی به همرا استفاده از روش‌های مکمل، مسیر توسعه مواد جدید و کاربردی را فراهم می‌سازد.