水熱法合成鑭摻雜鍶鐵氧體及其磁性能研究*

施劉健，周 林，夏曉祥，晉傳貴

（安徽工業大學 材料科學與工程學院，安徽 馬鞍山 243032）

水熱法合成鑭摻雜鍶鐵氧體及其磁性能研究*

施劉健，周 林，夏曉祥，晉傳貴

（安徽工業大學 材料科學與工程學院，安徽 馬鞍山 243032）

采用水熱合成法制備La3+摻雜后的鍶鐵氧體（LaxSr1-xFe12O19）顆粒，其中摻雜比x分別為0.00、0.05、0.10、0.15、0.20、0.30。借助X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）和振動樣品磁強計（VSM）等分析手段對LaxSr1-xFe12O19的結構、形貌和磁性能進行了表征與分析。XRD分析結果表明：摻雜后的樣品晶粒尺寸均比純相小，摻雜La3+可以細化晶粒。SEM的觀測結果表明：不同摻雜比下制備的樣品均出現了典型的片狀六角結構。VSM測量結果表明：當摻雜比x=0.10時，其飽和磁化強度Ms達到最小值51.23emu/g；摻雜后樣品的剩余磁化強度Mr均比未摻雜的大，矯頑力Hc也隨摻雜量增大而逐漸減小。

鍶鐵氧體；水熱法；摻雜；表征；分析

1 引 言

鍶鐵氧體（SrFe12O19）作為六方晶系磁鉛石型鐵氧體中M型鐵氧體的一個代表，具有優良的物理和化學性能，如較高的磁晶各向異性、矯頑力和磁能積［1］，使得其適合用于永磁材料［2］、記錄材料［3］等功能材料。

由于稀土金屬離子，如La3+、Sm3+、Nd3+等在尺寸上十分接近Sr2+，可以對鍶鐵氧體中的Sr2+進行取代，得到更大磁晶各向異性，提高結構的穩定性，從而改善鍶鐵氧體的磁性能［4］。因此采用稀土離子取代方式來調節鍶鐵氧體的各項性能，已經成為提高鍶鐵氧體磁性能的主要手段之一。連江濱等［5］采用傳統陶瓷工藝制備La-Zn聯合取代的Sr1-xLaxFe12-xZnxO19磁粉，發現La3+、Zn2+替代可以抑制晶粒長大，提高磁粉的內稟矯頑力Hcj。黃凱等［6］采用陶瓷法成功制備了單軸M型La-Co共摻雜的鍶鐵氧體Sr1-xLaxFe12-xCoxO19（x=0～0.25），發現在溫度高于850℃時制備的樣品是單相結構；且隨著摻雜含量x的增加，晶格常數a基本保持不變，晶格常數c逐漸減小，居里溫度Tc也逐漸減小。Wang等［7］通過微波輔助溶膠-凝膠法制備鍶鐵氧體Sr1-xLaxFe12O19（x=0.05、0.15、0.25、0.50），發現矯頑力在摻雜量x=0.25獲得最大值474.54kA/m。Chen等［8］通過溶膠-凝膠法制備La3+替代Sr2+的M型鍶鐵氧體Sr1-xLaxFe12O19（x=0.05、0.1、0.15、0.2），發現在取代量x＜0.15時可以制備獲得鍶鐵氧體的單晶格結構。Liu等［9］利用水溶液法成功制備出不同量La3+摻雜的鍶鐵氧體，當摻雜量x＞0.06mol，La3+取代Fe3+形成SrLaxFe12-xO19；x＜0.06mol，La3+取代Sr2+合成出Sr1-xLaxFe12O19。

本文通過水熱法成功制備了具有六角片狀的單相鍶鐵氧體，并對所制備的樣品進行La3+摻雜，對其成分、樣貌、磁性能進行了測試和表征。

2 實驗

2.1 實驗方法

根據文獻10可知，當n（Sr）:n（Fe）=1:4時，水熱法制備出的鍶鐵氧體基本呈現單相結構［10］。故本文根據SrFe12O19的化學分子式及n（Sr）:n（Fe）=1:4，在不同的摻雜比x下分別稱量實驗原料Sr（NO3）2、Fe（NO3）3·9H2O、La（NO3）3·nH2O以及固體NaOH，前三種硝酸鹽溶解在裝有30mL蒸餾水的燒杯中并將燒杯移到磁力攪拌器上進行攪拌；而固體NaOH則加入到裝有20mL蒸餾水的小燒杯中，超聲振蕩直至完全溶解后緩慢加入到溶有硝酸鹽的燒杯中，混合溶液繼續磁力攪拌30min后轉移到100mL的反應釜中220℃下反應5h后，自然冷卻到室溫。所生成的沉淀物依次用5%的稀鹽酸溶液、蒸餾水以及無水乙醇洗滌，然后將其放入烘箱中在60℃下干燥24h，研磨后即可得到粉末樣品，分別編號為a～f。

2.2 實驗設備及測試儀器

采用X射線衍射儀（XRD，型號D8 Advance）測試樣品的相組成；采用掃描電子顯微鏡（SEM，型號JSM-6490 LV）測試樣品的形貌；采用振動樣品磁強計（VSM，型號7410）測試樣品磁性能。

3 結果與分析

3.1 LaxSr1-xFe12O19的XRD分析

圖1 LaxSr1-xFe12O19樣品的XRD圖

圖1為不同摻雜量的LaxSr1-xFe12O19樣品的XRD圖。樣品a（x=0.00）在2θ為23.15°、29.06°、30.33°、31.05°、32.35°、34.18°、37.12°、40.38°、56.85°、63.13°處都出現磁鉛石型鍶鐵氧體的特征衍射峰，分別與（006）、（106）、（110）、（008）、（107）、（114）、（203）、（205）、（2011）、（220）晶面對應，與標準粉末衍射卡片（JCPDS no. 33-1340）完全吻合，無其他物相的衍射峰，表明所制備的樣品為純SrFe12O19。

通過對樣品a的（107）晶面運用布拉格公式：

其中n為衍射級數，d為晶面間距，θ為入射X射線與相應晶面的夾角，λ為X射線的波長，可計算出該晶面的晶面間距。本實驗中，n=1，2θ=32.294°，θ=16.147°，λ=0.15406nm，帶入公式（1）可計算出d=0.2770nm。

同時根據Scherrer公式：

計算其晶粒尺寸。式中k為Scherrer常數，通常取0.89；β為衍射峰的半高寬。通過對（107）晶面進行單峰擬合，可得知此峰半高寬為β=0.238°=0.00415（rad），代入公式即得：D=34.36nm。

樣品a～f的晶體參數詳見表1。

表1 LaxSr1-xFe12O19的晶體參數

由表1可知，不同La3+摻雜比下LaxSr1-xFe12O19（x=0.00、0.05、0.10、0.15、0.20、0.30）晶粒的粒徑分別為34.36nm、25.72nm、27.91nm、30.63nm、31.83nm、32.20nm。由此可知摻雜后的樣品晶粒尺寸均比純相小，所以La3+摻雜可以細化晶粒。這是因為O、Fe、La的電負性分別是3.44、1.83、1.1，所以La-O鍵的鍵能比Fe-O鍵的鍵能大。摻雜La3+會使鍵能的增加，需要更多的能量去形成La-O鍵，而摻雜的鍶鐵氧體不能得到足夠的能量去完成結晶和晶粒的長大，從而導致晶粒尺寸降低［11］。隨著摻雜La3+的量增大，晶粒尺寸逐漸變大。這是因為La3+、Sr2+、Fe3+的分別半徑是0.106nm、0.113nm、0.064nm，La3+離子的半徑比Sr2+離子的半徑小得多，可以取代部分Sr2+離子，進入鐵氧體的晶格內部，使鐵氧體產生一定的晶格畸變，從而在一定程度上擴大了晶界的尺寸，導致晶粒尺寸變大。

3.2 LaxSr1-xFe12O19的SEM分析

圖2（a～f）是LaxSr1-xFe12O19的SEM圖，從照片中可以看出每個圖均為典型的六角片狀結構，顆粒分布較均勻，這說明La3+離子的加入，并沒有改變鍶鐵氧體的微觀結構［12］。隨著x增大，可以明顯看到樣品顆粒先變小后變大，與表1計算結果一致。所有樣品中都出現了團聚現象，說明磁性離子之間相互作用力強，而且顆粒尺寸在納米范圍內，表面能比較高，團聚可以降低表面能，所以磁性顆粒的團聚現象是很難避免的［13］。

圖2 LaxSr1-xFe12O19樣品的SEM圖

3.3 LaxSr1-xFe12O19的VSM分析

表2 LaxSr1-xFe12O19粉末的磁性參數

圖3 LaxSr1-xFe12O19磁滯回線圖

圖3和表2給出了在不同摻雜比x下制備的LaxSr1-xFe12O19粉末的磁滯回線圖和磁性參數。從圖3中的磁滯回線可以看出，所有樣品均表現出了鐵磁性。從表2可以看出，鍶鐵氧體的飽和磁化強度Ms隨著La3+摻入量的增加先減小后增大，從起始的53.02emu/g先減小到51.23emu/g后增大至59.88emu/g，當x=0.10時Ms最小，為51.23emu/g。在少量摻雜時（x≤0.10），La3+半徑比Fe3+大，而四面體的間隙比八面體小。因此，非磁性La3+優先進入八面體取代Fe3+，從而導致總磁矩減小，進而導致飽和磁化強度Ms減小。隨著摻雜量增大，La3+進入四面體中，由于價態平衡會使部分Fe3+轉變為Fe2+，導致離子磁矩增大，從而導致飽和磁化強度Ms上升［8，14］。

從表2中我們發現摻雜后剩余磁化強度均比未摻雜的大，說明摻雜La3+提高鍶鐵氧體的剩余磁化強度Mr。但摻雜后的剩余磁化強度變化不大，在上下波動，最大為22.62emu/g，最小為21.04emu/g。摻雜后的矯頑力Hc隨摻雜量增大而逐漸減小，這是因為稀土離子的存在提高了Fe2+的含量，減小了空位，也就相應地減少了晶體缺陷，對疇壁運動有促進作用，減小了矯頑力［15］。

4 結論

采用水熱法，按照n（Sr）:n（Fe）=1:4，在220℃下反應5h成功制備出純鍶鐵氧體，并對其進行了La3+摻雜研究，得到以下結論：

（1）摻雜后的樣品晶粒尺寸均比純相小，摻雜La3+可以細化晶粒；隨著摻雜量增大，晶粒尺寸也逐漸增大。

（2）所有樣品均為典型的六角片狀結構，說明La3+離子的加入，并沒有改變鍶鐵氧體的微觀結構。

（3）飽和磁化強度Ms隨著La3+摻入量的增加發生先減小后增大變化，在x=0.10時最小，為51.23emu/g；摻雜后剩余磁化強度Mr均比未摻雜的大；矯頑力Hc隨摻雜量增大而逐漸減小；說明摻雜La3+可以調節鍶鐵氧體的磁性參數。

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Synthesis and Magnetic Properties of La-Doped Strontium Ferrite by Hydrothermal Method

SHI Liu-jian, ZHOU Lin, XIA Xiao-xiang, JIN Chuan-gui
（School of Materials Science and Engineering, Anhui University of Technology, Maanshan 243032, Anhui, China）

La3+doped strontium ferrite (LaxSr1-xFe12O19) particles were prepared by hydrothermal method when the doping ratio x was 0.00, 0.05, 0.10, 0.15, 0.20, 0.30, respectively. The structures, morphologies and magnetic properties of LaxSr1-xFe12O19were characterized and analyzed by x-ray diffraction (XRD), scanning electron microscope (SEM) and vibrating sample magnetometer (VSM). XRD analysis showed that doping La3+can refined grains, and the grain size of the doped samples was smaller than the pure phase. SEM observation results show that all as-prepared samples exhibited typical hexagonal structures. VSM measurement results showed that the minimum saturation magnetization (Ms) of all as-prepared samples was 51.23 emu/g with the doping ratio x was 0.10. And the remanent magnetization (Mr) of all doped samples were smaller than the pure phase, while the coercivity Hcdecreased gradually with the increase of doping ratio x.

strontium ferrite；hydrothermal method；dope；characterize；analysis

TM277

A

1009-3842（2016）06-0052-04

2016-06-28

國家自然科學基金資助項目（21071003；51201002）；研究生創新研究基金（2014078）

施劉健（1991-），男，安徽池州人，碩士研究生，主要研究方向為鐵氧體復合物的制備及其磁性能研究。E-mail:934885681@qq.com