Sm3+掺杂Ni-Zn铁氧体的固相反应合成及其结构、磁性与介电性能的关联性研究

《Next Nanotechnology》：Study of Sm3?-doped Ni–Zn ferrites synthesized by solid-state reaction: Correlation between structural, magnetic, and dielectric properties

　　

专业术语翻译 Ni0.6Zn0.4SmxFe2?xO4（NZSFO，x = 0.00–0.08）陶瓷采用固相反应法制备，以关联其结构、磁性和介电性能。所有样品均结晶成立方尖晶石结构，但仍有少量弱衍射峰未被指标化；体积密度从3.60 g/cm3上升至3.83 g/cm3，孔隙率则从34.2%下降至32.8%。饱和磁化强度（saturation magnetization）在x = 0.06时提高四倍，从9.14 emu/g增至37.26 emu/g，但在x = 0.08时降至13.0 emu/g；初始磁导率（initial permeability）同样在x = 0.06处达到最高。1 kHz下的介电常数（dielectric constant）从x = 0.00时的63降至x = 0.06时的41，而1 MHz下的介电损耗角正切（tanδE）从0.065降至0.043（x = 0.08时为0.036），遵循Maxwell-Wagner界面极化机制。磁化强度的提升归因于Yafet-Kittel自旋倾斜（spin canting）的减弱，而损耗降低则源于Fe2+/Fe3+跃迁减少、更高电阻的晶界以及致密化作用。x = 0.06组分兼具最佳的磁响应和低介电损耗。

论文解读文章

一、研究背景与目的

Ni-Zn铁氧体因其优异的磁性和介电性能在高频器件、微波设备和磁存储领域具有广泛应用。其尖晶石结构允许通过A位（四面体位）和B位（八面体位）的阳离子取代实现性能调控。已有研究表明，Co、Cu、Gd、La、Al等元素掺杂可改变Ni-Zn铁氧体的磁导率、饱和磁化强度和介电行为。然而，不同掺杂剂对性能的影响并不一致——改善某一性能往往伴随着其他性能的劣化。例如，Ag离子辐照增强了Co_1.5Fe_1.5O₄的饱和磁化强度和矫顽力，而ZrC掺入NiFe₂O₄虽提高了各向异性却降低了磁化强度。

稀土元素特别是钐（Sm³⁺）因其较大的离子半径和独特的磁性特征成为有前景的掺杂候选。Sm³⁺替代Fe³⁺可能引起晶格畸变、调节A-B超交换相互作用并影响载流子跳跃导致的介电极化。值得注意的是，Sm³⁺与Fe³⁺的价态相同（均为+3价），因此无需氧空位进行电荷补偿，这有助于区分掺杂的直接效应与非化学计量比的影响。Liu等人曾报道Ni_0.5Zn_0.5Sm_xFe_2?xO₄体系中出现晶格膨胀、二次相SmFeO₃形成、饱和磁化强度下降以及矫顽力增加的现象。

基于上述背景，本研究选择Ni_0.6Zn_0.4Fe₂O₄作为基体成分——该富镍配方可保持较高饱和磁化强度和较低高频损耗——系统探究Sm³⁺取代量对多晶Ni_0.6Zn_0.4Sm_xFe_2?xO₄（x = 0.00–0.08）陶瓷的结构、磁性和介电性能的影响，旨在找出同时提升磁软度、磁导率并降低介电损耗的最佳Sm含量。

二、关键技术方法

研究人员采用传统固相反应法合成Ni_0.6Zn_0.4Sm_xFe_2?xO₄系列陶瓷样品（x = 0.00、0.02、0.04、0.06、0.08）。所用原料为高纯度NiO（99.99%）、ZnO（99.99%）、Fe₂O₃（99.99%）和Sm₂O₃（99.99%）。粉末经玛瑙研钵混合后球磨5小时以提高均匀性，随后在900℃预烧4小时促进固相反应和相形成。预烧粉再研磨2小时后加入少量聚乙烯醇（PVA）作为粘结剂，在5吨单轴压力下压制成圆片状素坯，最终在1150℃烧结3小时。物相鉴定采用X射线衍射（XRD，Rigaku Smart Lab，CuKα辐射，λ = 1.5406 ?，扫描范围20°–80°，扫描速率2°/min）。体积密度通过阿基米德法测量。室温磁滞回线由振动样品磁强计（VSM）获得。复初始磁导率（μ_i′）根据样品自感（L_s）与空芯线圈电感（L_o）之比计算。介电和电学性能通过Wayne Kerr 6500B阻抗分析仪测定。

三、研究结果

3.1 X射线衍射

XRD图谱显示所有样品均结晶成立方尖晶石结构（空间群Fd3m），但存在少数未能指标化的弱衍射峰。随着Sm³⁺含量增加，(311)主峰从x = 0.00时的35.8082°右移至x = 0.06时的35.9406°，对应晶格常数从8.3174 ?减小至8.2932 ?。这种右移表明晶格参数减小。当x = 0.08时，峰位轻微回移至35.9268°。这一逆转可能与Sm³⁺在尖晶石晶格中的有限溶解度有关——Sm³⁺（0.958 ?）远大于Fe³⁺（0.645 ?），仅少量可占据八面体位点，此前报道Ni-Cu-Zn铁氧体中溶解度极限约为x = 0.05。超过此极限后，额外Sm³⁺不再进入晶格，其对晶格常数的影响减弱，导致峰位回移。

3.2 密度与孔隙率

样品的体积密度随Sm含量增加从3.60 g/cm³单调上升至3.83 g/cm³，孔隙率则从34.2%持续下降至32.8%。这表明Sm³⁺取代促进了致密化过程。

3.3 磁性能

M-H磁滞回线测量显示，饱和磁化强度（M_s）随Sm含量先显著增加后急剧下降：从未掺杂时的9.14 emu/g升至x = 0.06时的37.26 emu/g（提高约四倍），然后在x = 0.08时骤降至13.0 emu/g。初始磁导率（μ_i′）也呈现相同趋势，在x = 0.06时达到峰值。研究人员将磁化强度的增强归因于Sm³⁺优先占据八面体位点，减少了Yafet-Kittel自旋倾斜角度，从而增强了A-B超交换相互作用。x = 0.08时磁化强度的骤降则可能是因为过量Sm³⁺形成非磁性第二相（如SmFeO₃）并稀释了磁性。尽管x = 0.08时密度仍在增加，但磁化强度反而下降，表明致密化本身不能解释磁响应变化。

3.4 介电性能

在1 kHz频率下，介电常数（ε′）从x = 0.00时的63降至x = 0.06时的41。介电损耗角正切（tanδ_E）在1 MHz下从0.065（x = 0.00）降至0.043（x = 0.06），并在x = 0.08时进一步降至0.036。这种介电行为遵循Maxwell-Wagner界面极化机制。介电损耗的降低归因于三个因素：Sm³⁺取代减少了Fe²⁺/Fe³⁺之间的电子跃迁（这是导电和损耗的主要来源）；更致密的微观结构和更高的晶界电阻阻碍了载流子迁移。

四、总结与结论

研究人员通过系统的实验证实，适量Sm³⁺取代（x = 0.06）可在Ni_0.6Zn_0.4铁氧体中同时实现磁性能的大幅提升和介电损耗的有效降低。x = 0.06组分兼具最高的饱和磁化强度（37.26 emu/g）、最高的初始磁导率、较低的矫顽力和最低的介电损耗（1 MHz下tanδ_E = 0.043）。当Sm含量增至x = 0.08时，尽管密度继续增加，磁化强度却急剧下降，表明存在最佳掺杂浓度窗口。本研究揭示了Sm³⁺掺杂Ni-Zn铁氧体中结构参数、致密化程度与电磁性能之间的内在关联，为设计适用于高频软磁应用的低损耗、高磁导率铁氧体材料提供了成分优化依据。