新型Ba0.4Sr0.4Ca0.2Al0.5DyxFe11.5-xO19六角铁氧体纳米颗粒的结构、磁性与介电特性调控及其电磁应用

研究人员通过溶胶-凝胶自燃烧法合成Dy3+掺杂的M型Ba-Sr/Ca六角铁氧体（Ba0.4Sr0.4Ca0.2Al0.5DyxFe11.5-xO19），发现Dy3+占据八面体位点可增强超交换作用，矫顽力提升至4500 Oe，介电损耗降低，为永磁体、高频微波器件（如谐振器、电磁屏蔽）提供新型多功能材料。

　　

论文解读

在电磁技术飞速发展的今天，高频通信设备和电子系统的普及带来了严重的电磁干扰（EMI）问题，而传统磁性材料如金属合金因涡流损耗大难以满足需求。M型六角铁氧体因其高电阻率、强磁晶各向异性和可调微波吸收特性成为研究热点。然而，如何通过离子掺杂精准调控其磁电性能仍是挑战。沙特阿拉伯Prince Sattam bin Abdulaziz大学的Raed H. Althomali团队在《Inorganic Chemistry Communications》发表研究，首次系统探索了Dy³⁺掺杂对Ba-Sr/Ca-Al六角铁氧体结构-性能关系的调控机制。

研究采用溶胶-凝胶自燃烧法合成Ba_0.4Sr_0.4Ca_0.2Al_0.5Dy_xFe_11.5-xO₁₉（x=0-0.8）纳米颗粒，通过X射线衍射（XRD）、振动样品磁强计（VSM）和阻抗分析仪等手段表征材料特性。

结构特性

XRD证实所有样品均为单一M相（空间群P63/mmc），Dy³⁺（离子半径0.912 ?）替代Fe³⁺（0.645 ?）导致晶胞膨胀，晶格参数a从5.812 ?增至5.876 ?。这种膨胀源于Dy³⁺优先占据八面体B位点（2a/2b/12k），改变了键长和键角。

磁性调控

磁学测试显示，Dy³⁺的强自旋-轨道耦合使其与Fe³⁺形成Dy³⁺-O^2?-Fe³⁺超交换作用，矫顽力（H_c）从2000 Oe显著提升至4500 Oe，饱和磁化强度（M_s）则因Dy³⁺磁矩（10.6 μ_B）与Fe³⁺反平行排列而略微下降。这种高H_c特性使材料适用于高密度磁记录介质。

介电性能

介电谱分析表明，Dy³⁺掺杂抑制了高频区介电常数（ε'）和损耗角正切（tanδ），归因于Dy³⁺对载流子跳跃的阻碍作用。这种低损耗特性使其在GHz频段微波器件（如谐振器、EMI屏蔽层）中具有应用潜力。

结论与意义

该研究揭示了稀土Dy³⁺掺杂通过调控六角铁氧体局域磁结构和电荷输运行为，实现磁-电性能协同优化的机制。材料兼具高矫顽力、低介电损耗和热稳定性，为设计新一代多功能电磁材料提供了新思路，尤其在5G通信、军事隐身技术和生物医学领域（如磁热疗）前景广阔。