In3+/Dy3+ 共取代对钴铁氧体纳米颗粒阳离子分布、磁性能和微波吸收的影响

《Physica B: Condensed Matter》：Influence of In3+/Dy3+ Co-Substitution on the Cation Distribution, Magnetic Properties, and Microwave Absorption of Cobalt Ferrite Nanoparticles

　　

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  通过溶胶 - 凝胶燃烧法合成了掺铟和掺镝的钴铁氧体纳米粒子，并通过 XRD 和 FTIR 分析证实了其立方尖晶石结构。
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  TEM 和 FE-SEM 分析显示，纳米粒子呈球形，分散良好，尺寸范围为 5 到 15 纳米。
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  In³⁺ 和 Dy³⁺ 离子的取代导致饱和磁化强度和剩磁降低，使得磁性能能够进行定向调控。
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  最佳成分 (CoFe₁.₆In₀.₂Dy₀.₂O₄) 表现出优异的微波吸收性能，在 15.6 GHz 处反射损耗为 -37.9 dB，有效带宽为 1.9 GHz。

引言

磁性铁氧体因其结合的介电和磁特性，被广泛认为是用于电磁干扰 (EMI) 衰减的有效材料 1, 2, 3。因此，大量研究致力于优化其结构、电气和磁性能，以适应高频和微波应用 4, 5。其中，钴铁氧体 (CoFe₂O₄) 因其高矫顽力、适中的饱和磁化强度和较大的磁晶各向异性而受到特别关注 6, 7。CoFe₂O₄ 通常结晶为反尖晶石结构，其中四面体 (A) 和八面体 (B) 位点之间的阳离子分布决定了磁响应。沿 Fe³⁺–O^2-–Fe³⁺ 和 Co²⁺–O^2-–Fe³⁺ 路径的超交换相互作用导致 A 位和 B 位磁矩呈反平行排列 [8]。

已知钴铁氧体中的阳离子取代通过诱导 A 位和 B 位之间离子的重新分布，强烈影响其结构、磁性和电气特性。它还通过同时改变磁导率和电导率来修改材料的阻抗行为，这会影响阻抗的感抗和电阻分量。这些可调性能使得钴掺杂铁氧体适用于高频应用，如微波吸收体、传感器、天线和滤波器 [9]。

几项研究探讨了特定掺杂剂如何改变钴铁氧体的物理行为。Keswani 等人 [10] 检查了 Co₀.₇Mn₀.₃Fe_2-xDy_xO₄ 体系，并报告说 Dy³⁺ 取代降低了饱和磁化强度 (Ms)，同时增加了矫顽力 (Hc)，这归因于增强的磁晶各向异性和阳离子重新分布。同样，Naveed-Ul-Haq 等人 [11] 研究了 CoFe₁.₅X₀.₅O₄ (X = Al, Ga, In)，并观察到 In³⁺ doping 增加了晶格参数，表明非磁性离子取代如何有效调节尖晶石铁氧体的电子和磁行为。

多种合成路线——包括共沉淀、溶胶 - 凝胶自燃烧、水热、微乳液和传统固相技术——已被用于制备钴铁氧体纳米粒子 12, 13。其中，溶胶 - 凝胶自燃烧方法特别具有优势，因为它能够生产高纯度的超细和均匀粉末，并具有受控的阳离子分布，这对于实现稳定的磁性和微波性能至关重要 4, 14, 15, 16, 17。

尽管镝铁氧体中 Dy³⁺ 或 In³⁺ 的单独取代已引起一些关注，但同时引入这两种离子——它们的磁性和离子行为截然不同——尚未被探索。虽然已知 Dy³⁺ 占据八面体位点并增强磁晶各向异性，但 In³⁺ 充当磁稀释剂，削弱超交换相互作用 9, 18。这两种机制之间的竞争可能导致独特的阳离子重新分布模式，这是无法从单取代研究中预测的。此外，这些取代对微波吸收特性的综合影响，特别是在 Ku 波段，尚未得到系统研究。本研究旨在通过全面研究通过溶胶 - 凝胶自燃烧法合成的 CoFe_2-xIn_x/₂Dy_x/₂O₄ 体系 (0 ≤ x ≤ 0.5) 来解决这一差距，将阳离子分布与由此产生的磁性和微波吸收特性相关联。

章节片段

实验步骤

使用溶胶 - 凝胶自燃烧法合成了一系列 Dy/In 共取代的钴铁氧体，标称成分为 CoFe_2-xIn_x/₂Dy_x/₂O₄ (x = 0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5)。使用分析级试剂作为起始材料，包括 Fe(NO₃)₃·9H₂O, Co(NO₃)₂·6H₂O, In(NO₃)₃·6H₂O, Dy(NO₃)₃·6H₂O, 柠檬酸 (C₆H₈O₇·H₂O) 和 NH₄OH。在这种合成路线中，金属硝酸盐充当氧化剂，而柠檬酸既充当燃料又充当螯合配体。

铁氧体的结构和形态表征

通过 X 射线衍射 (XRD) 研究了 CoFe_2-xIn_x/₂Dy_x/₂O₄ (x = 0–0.5) 纳米粒子的晶体结构和相纯度，图谱展示在图 2 中。在大约 30°, 35.5°, 43°, 53°, 57° 和 62° 观察到的衍射峰对应于立方尖晶石 CoFe₂O₄ 结构 (JCPDS No. 22-1086) 的 (220), (311), (400), (422), (511) 和 (440) 晶面 18, 19, 20, 21, 22。

然而，在 x 的样品中观察到了归因于α-Fe₂O₃ 相的弱反射

结论

成功通过溶胶 - 凝胶自燃烧法合成了 CoFe_2-xIn_x/2Dy_x/2O₄ 铁氧体纳米粒子，并系统研究了 In³⁺–Dy³⁺ 共取代 (x = 0 – 0.5) 对结构、微观结构、磁性和微波吸收性能的影响。XRD 和 FTIR 分析证实，直到 x = 0.4 都保留了立方尖晶石结构，其中晶格膨胀、应变增加和晶粒尺寸减小源于较大掺杂离子的掺入。在 x = 0.5 时，该

CRediT 作者贡献声明

Marzieh Mohseni: 写作 – 原稿。 Majid Tavoosi: 调查。 Ali Ghasemi: 监督。 Gholam Reza Gordani: 监督

利益冲突声明

? 作者声明他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文中报告的工作。

Marzieh Mohseni|Ali Ghasemi|Gholam Reza Gordani|Majid Tavoosi