Zn0.5Mg0.5Fe2O4铁氧体的结构-光学-电磁多性能调控及其在光电与磁器件中的应用研究

本研究针对尖晶石铁氧体多功能性优化需求，通过固相反应法合成Zn0.5Mg0.5Fe2O4纳米材料，证实其立方晶系（Fd3?m空间群）单相结构及35 nm晶粒尺寸。发现3.71 eV直接带隙光学特性、223 meV激活能的DC导电性，以及低温铁磁-室温超顺磁转变（阻塞温度80 K）。该材料在光电器件和磁传感器领域具应用潜力。

　　

论文解读：

尖晶石铁氧体作为功能材料界的"变形金刚"，因其可调控的磁电性能长期占据材料研究热点。传统ZnFe₂O₄虽具备良好的化学稳定性，但其固有的低磁各向异性和有限电导率制约了高端应用。更棘手的是，单一金属掺杂往往顾此失彼——提升磁性能可能牺牲电学特性，这种"跷跷板效应"成为领域痛点。为此，突尼斯研究团队创新性地采用Mg²⁺等摩尔取代策略，试图在原子尺度玩转"平衡术"，通过调控Fe³⁺在四面体(A位)和八面体(B位)的占位分布，实现磁电性能的协同优化。

研究采用固相反应法，以ZnO、MgO和Fe₂O₃为前驱体，经900℃煅烧和1200℃烧结制备样品。关键技术包括X射线衍射(XRD)物相分析、紫外-可见光谱带隙测定、阻抗谱导电机制解析，以及振动样品磁强计(VSM)磁性能测试。

X-ray结果
Rietveld精修确认样品为单相立方结构（Fd3?m空间群），35 nm晶粒尺寸表明纳米效应可能主导性能。这种长程有序的原子排列为电荷传输和磁矩耦合提供了理想载体。

光学特性
3.71 eV的直接带隙（通过Tauc plot确定）远超纯ZnFe₂O₄（约1.9 eV），这种"蓝移"现象源于量子限域效应和Mg²⁺引入的电子结构重组，使其具备紫外光响应潜力。

电学行为
阻抗谱揭示双重导电机制：DC区遵循Arrhenius定律（E_a=223 meV），AC区符合关联势垒跳跃(CBH)模型。Nyquist图呈现两个半圆，对应晶粒和晶界贡献，这种"双通道"传导特性对设计频率自适应器件至关重要。

磁性能突破
80 K阻塞温度标志着超顺磁转变临界点，低温区展现高矫顽力（~850 Oe）和剩余磁化强度，室温下却呈现超顺磁弛豫。这种"温度开关"特性源于Mg²⁺诱导的Fe³⁺重分布：Zn²⁺优先占据A位迫使更多Fe³⁺进入B位，增强A-B超交换作用；而Mg²⁺的双位点占位则打破磁矩长程有序，实现高温磁响应可调。

这项发表于《Inorganic Chemistry Communications》的研究，首次系统阐释了Zn/Mg等比例共掺杂对尖晶石铁氧体多性能的协同调控机制。其价值在于：① 提出"非磁性离子协同掺杂"新策略，突破传统单一掺杂的性能瓶颈；② 3.71 eV宽禁带与超顺磁转变的耦合特性，为开发紫外-磁双功能传感器提供材料基础；③ CBH传导模型与纳米晶界效应的关联分析，为设计高频微波器件建立理论框架。正如通讯作者Kamel Khirouni教授强调的，这种"原子尺度拼图游戏"不仅适用于铁氧体体系，更为其他多功能氧化物材料设计提供了范式转移。