铬掺杂M型六角铁氧体的晶体结构与磁性能调控机制研究及其在微波器件中的应用

本研究针对自偏置环行器频率响应可调需求，通过高温固相反应合成Cr掺杂BaCrxFe12-xO19（x=0-0.5）取向多晶材料。结合XRD/VSM等表征技术，揭示Cr3+→Cr6+氧化诱导晶格畸变机制，实现矫顽力(Hc)提升114.6%、饱和磁化强度(Ms)降低10%，为可调微波器件设计提供新策略。

　　

在5G/6G通信技术迅猛发展的今天，微波器件的小型化与高频化成为制约系统性能提升的关键瓶颈。传统金属磁材如钐钴(SmCo)、钕铁硼(NdFeB)虽具有高磁能积(BH)_max，却因涡流损耗难以满足高频需求。而M型六角铁氧体(BaFe₁₂O₁₉, BaM)凭借其本征磁各向异性场(H_a)和低介电损耗，成为自偏置环行器的理想候选材料。然而，如何通过离子掺杂精准调控其磁参数（M_s、H_a、H_c）以匹配不同工作频段，仍是当前研究的核心挑战。

针对这一难题，中国的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表研究，创新性地采用Cr掺杂策略，通过高温固相反应(1250°C/4h)结合磁场取向技术(10kOe)，成功制备出c轴取向度达56%(Lotgering因子f_L)的BaCr_xFe_12-xO₁₉系列样品。研究综合运用X射线衍射(XRD)、振动样品磁强计(VSM)等七种表征手段，首次阐明Cr³⁺→Cr⁶⁺氧化过程引发的晶格膨胀机制，以及2b/4f₂/12k位点优先占位对磁性能的协同调控规律。

关键技术方法
研究采用高温固相反应法合成样品，通过行星式球磨(260rpm/12h)实现原料均质化，磁场辅助成型获得c轴取向块体。利用XRD Rietveld精修解析晶体结构，X射线光电子能谱(XPS)确定Cr价态变化，扫描电镜(SEM)观测晶粒形貌，VSM测试磁性能参数，阻抗分析仪(IA)评估介电特性。

研究结果

1. 晶体结构
   XRD精修显示Cr³⁺优先占据2b/4f₂/12k位点，引发局部对称性破缺。随着x增加，晶格参数c从23.19?扩展至23.23?，归因于Cr⁶⁺(0.26?)较Fe³⁺(0.49?)的离子半径差异及氧空位形成。

2. 磁性能调控
   VSM测试表明：当x=0.5时，H_c从3.2kOe跃升至6.9kOe(提升114.6%)，M_s从72.3emu/g降至65.1emu/g。这种"高H_c-低M_s"特性源自Cr掺杂导致的磁矩重排和晶格应变场对畴壁运动的抑制。

3. 微波应用潜力
   根据Kittel方程f=γ/2π(H_a-4πM_sN_c)，通过调节Cr含量可实现共振频率在12-40GHz范围内连续可调，满足不同频段器件需求。

结论与意义
该研究首次建立Cr掺杂浓度-晶格畸变-磁性能的定量关系模型，揭示位点选择性掺杂对BaM磁参数的调控机制。通过精确控制Cr³⁺/Cr⁶⁺比例，实现H_c与M_s的反向调控，突破传统铁氧体性能优化瓶颈。所开发的材料在无需外磁场条件下即可工作，为毫米波通信、相控阵雷达等系统的小型化提供关键材料支撑。Zhicong Chen等学者的工作不仅深化了对M型铁氧体构效关系的认识，更为新型可调微波器件的设计开辟了新路径。