高性能鍶鐵氧體獲取途徑——Sr2+離子取代

2020-12-05 科研圈的那些事

鍶鐵氧體具有亞鐵磁性,其磁性來源於結構內部的不等量反向旋轉電子。我們可以通過改善材料的晶體結構來提高它的矯頑力和剩磁。研究表明,單純通過改善製備方法和成型條件雖然可以提高其性能指標,但距離鍶鐵氧體的各項理論值還有較大差距。因此,人們探求新的方法進一步提高鍶鐵氧體的性能。通過採用滲入離子取代Sr2+或Fe3+離子,可以改善鍶鐵氧體的某方面屬性,近年來已經成為提高鍶鐵氧體磁性能的主要方法之一。

離子取代能改善鐵氧體磁性能,是因為滲入的離子會改變鐵氧體內部的晶體空間結構和自旋磁矩,從而改變原子磁矩。離子取代並非隨意組合,而是要滿足三個條件: (1)離子數平衡,即取代前後鐵氧體內離子數不變;(2)電價守恆,取代後要保證鐵氧體電中性;(3)原子半徑相近,取代離子和被取代離子半徑要相同或者相似。

離子替代主要有三個方面,取代Sr2+離子、取代Fe3+離子以及聯合替代。現在主講一下Sr2+離子替代。

Sr2+離子半徑為0.127nm,根據離子取代的半徑相似條件,半徑為0.106nm的Ca2+離子以及半徑為0.125nm的Ce3+離子等都符合替代條件,替代後的鐵氧體晶體穩定性高,都是理想的替代離子。除了這些離子,目前的研究熱點是稀土離子(La3+、Pr3+、Nd3+、Sm3+、Gd3+、Y3+等)替代Sr2+離子,稀土離子不僅具有相似的離子半徑(0.122-0.099nm),另外,稀土離子為雙重六角晶格或超六角晶格,磁晶各向異性高。而且絕大部分稀土離子具有原子磁矩和軌道磁矩,替代Sr2+離子後,可以與Fe3+離子磁矩發生反應,增加磁晶各向異性、影響原子磁矩排列和提高磁致伸縮係數。

Van Diepen A M等在1974年就研究了La3+取代M型鍶鐵氧體,並指出取代前後鍶鐵氧體的飽和磁化強度Ms基本不變,而磁晶各向異性顯著增加。研究還發現三價的La3+離子取代了二價的Sr2+離子後,根據電價守恆原理,鍶鐵氧體內原本的Fe3+離子降價為Fe2+,改變了磁晶各向異性,穩定了磁鉛石結構。

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