高品位攀西钛铁矿的磁性质与宽场磁化模拟：一种跨尺度研究方法

《Minerals Engineering》：Magnetic properties of high grade Panxi ilmenite and Wide-Field magnetization Simulation: A Cross-Scale approach

　　

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  一种用于将密度泛函理论参数转化为微观磁学特性的磁性矿物计算框架。
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  钛铁矿晶胞中的层内与层间耦合机制以及超交换相互作用。
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  对钛铁矿晶体的磁畴结构及宽场磁滞回线进行了模拟。

章节节选

1.引言

钛铁矿是一种由岩浆分化作用形成的重要原生矿物，其单晶的磁学性质具有重要的研究价值（Raghavender等人，2013；She等人，2015；Charlier等人，2006）。在岩石磁学领域，钛铁矿广泛存在于地球和月球的土壤中，其自然剩磁有助于重建岩石形成环境及古地磁强度（McEnroe等人，2004；Robinson等人，2004）。

样品制备与晶体结构表征

该钛铁矿精矿取自中国攀西的一家商业选矿厂。通过脉冲高梯度磁选机经过一级粗选和五级清洗后，得到了高品位的钛铁矿样品，具体流程如图1所示。样品的XRD图谱如图2所示，表明该高品位钛铁矿样品主要由钛铁矿组成（理论化学式为FeTiO?，理论铁含量为36.84%，TiO?含量为52.63%），同时还含有少量其他成分。

钛铁矿晶体的磁交换作用

如图8(a)所示，高品位钛铁矿矿物的磁矩主要来源于铁原子和氧原子。在原始晶胞中，铁原子的3d轨道和氧原子的2p轨道所贡献的磁矩分别为3.51 μB和0.10 μB。在图8(b)中，当沿z方向磁化时，考虑到磁矩的空间各向异性，铁原子在z方向上贡献的磁矩最大，为3.001 μB。

结论

钛铁矿晶体中的磁交换相互作用起源于FeO?八面体晶场。由于电子离域作用，Fe–O键具有较弱的共价性，而詹恩-泰勒效应会导致结构畸变，使得Fe–O键长呈现不对称分布。此外，铁原子处于高自旋状态。

综合考虑层内与层间的铁磁耦合以及反铁磁耦合，可以确定层内Fe-O-Fe以及层间存在的超交换路径。

CRediT作者贡献说明

林汉宇：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，软件使用，数据整理。王东：软件使用，方法设计。谢一楠：软件使用，数据整理。尚洪亮：项目管理，实验研究。胡志成：监督指导，资源协调。库江刚：写作——审阅与编辑，项目管理，资金获取，概念构思。沈正昌：项目管理。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关联或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：52174245）、中国山东省重点研发计划（项目编号：2025CXGC010204）以及矿物加工国家重点实验室开放基金（项目编号：BGRIMMKJSKL-2025-04）的财政支持。

林汉宇|王东|谢一楠|尚洪亮|胡志成|库江刚|沈正昌