葉有祥, 周盛華

(1.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院, 上海 200093;2.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 光學(xué)與電子科技學(xué)院, 杭州 310018)

鈷鐵氧體(CoFe2O4)是一種尖晶石結(jié)構(gòu)的磁性材料,它具有較高的介電常數(shù)和較高的壓磁系數(shù)[1],不僅可以廣泛地應(yīng)用于磁電材料和器件上[2],而且可以用于磁性光催化、傳感器等方面[3-4],具有廣泛的應(yīng)用前景.隨著市場(chǎng)對(duì)高頻磁性器件越來(lái)越大的需求量,以及電子工業(yè)對(duì)器件高頻化、微型化、集成化等的要求,需要積極探究新的材料加工工藝,制備出性能更高、更可靠的鐵氧體系列新材料.研究表明,不同的制備方法對(duì)材料的性能有很大的影響[5].因而探索其方便快捷的制備工藝以期獲得良好的性能是當(dāng)前研究這類(lèi)材料的一個(gè)熱點(diǎn).目前研究制備CoFe2O4的方法有很多,比如水熱法、燃燒法、固相合成法、化學(xué)共沉淀法和溶膠凝膠法等[6-7].基于燃燒法試驗(yàn)具有操作周期短、簡(jiǎn)單易行和節(jié)省能源的特點(diǎn),我們嘗試通過(guò)溶膠凝膠燃燒法制備CoFe2O4,以期獲得更好的介電性和磁性能[8].

1 樣品制備

按照CoFe2O4配比選擇所需要的原材料如下:硝酸鈷(純度>99%)、硝酸鐵(純度>99%)和檸檬酸(純度>99.5%).作為絡(luò)合劑的檸檬酸按照陽(yáng)離子物質(zhì)的量配比并略微過(guò)量10%左右.將稱重后的檸檬酸溶于適當(dāng)?shù)娜ルx子水中并適當(dāng)加熱(水溫40～50 ℃,pH約1～2).然后將硝酸鈷和硝酸鐵溶于檸檬酸溶液中并充分?jǐn)嚢?加入適當(dāng)乙二胺作為螯合劑,使得pH約為7.通過(guò)加熱揮發(fā)溶液直到濃稠狀態(tài).再將其倒入瓷元皿,并放在電爐上加熱直到燃燒.收集燃燒后的灰燼并放入爐中800 ℃保溫2 h.為了檢測(cè)其介電性能,通過(guò)壓片再燒結(jié)的方法成片,用壓片機(jī)壓片,直徑1 cm,厚度約1 mm,然后再燒結(jié)950 ℃保溫12 h燒結(jié)成片.并在樣品的上下表面鍍銀,以便于檢測(cè)其介電性能.

樣品通過(guò)X射線衍射儀(XRD,Rigaku 18 kW D/max-2500 diffractometer)確定其結(jié)構(gòu)特性,樣品的形貌通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM,JSM6700F)在加速電壓20 kV下測(cè)得.介電性能通過(guò)安捷倫介電測(cè)試儀(HP4284)測(cè)得.磁性能的測(cè)試?yán)谜駝?dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM option on PPMS-9T)檢測(cè).所有的測(cè)試都是在室溫下進(jìn)行的.

2 結(jié)果與討論

圖1是CoFe2O4材料的XRD圖譜.在25°～70°衍射角范圍內(nèi),通過(guò)指標(biāo)化后可以看出,所有的對(duì)應(yīng)峰值都能夠觀察到.另外從圖中可以看出沒(méi)有存在明顯的雜相.通過(guò)對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片并經(jīng)Jade軟件分析可以得出,該材料呈現(xiàn)立方尖晶石結(jié)構(gòu),其晶格常數(shù)a=0.838 903 nm,晶胞體積0.590 39 nm3,密度值為5.273 9 g·cm-3.

圖1 CoFe2O4的XRD衍射圖Fig.1 XRD diagram of CoFe2O4

樣品的微結(jié)構(gòu)通過(guò)掃描電鏡來(lái)研究,圖2顯示的是放大4 000倍下粉末掃描電鏡照片.從圖中可以看出,粉末的顆粒細(xì)小,大小較為均勻,且遠(yuǎn)遠(yuǎn)<1 μm,符合納米顆粒特征.

圖2 CoFe2O4的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM image of CoFe2O4

圖3顯示的是CoFe2O4片狀樣品的相對(duì)介電常數(shù)(εr)和損耗角正切(tanδ)隨頻率變化的關(guān)系,其中頻率值由1 kHz變化到1 MHz.從圖3中可以看出,相對(duì)介電常數(shù)在低頻范圍內(nèi)隨著頻率的增大而急劇減小,呈現(xiàn)出頻散現(xiàn)象,但在高頻范圍內(nèi)減小趨勢(shì)則逐漸趨緩[9].損耗因數(shù)也表現(xiàn)出類(lèi)似的行為,即開(kāi)始隨著頻率的增大而急劇減小,但隨著頻率的進(jìn)一步增大而變化不明顯,且趨于一個(gè)常數(shù)值.這種變化現(xiàn)象說(shuō)明偶極子起到了較為關(guān)鍵的作用,可以用偶極子弛豫行為來(lái)解釋[10].在頻率較低的時(shí)候,偶極子的翻轉(zhuǎn)能夠跟得上頻率的變化,因而介電常數(shù)較大,但隨著頻率的增加,偶極子的翻轉(zhuǎn)跟不上頻率的變化,所以介電常數(shù)急劇減小.

圖3 CoFe2O4室溫下測(cè)得的介電常數(shù)和損耗隨頻率的變化關(guān)系圖Fig.3 Measured varieties of dielectric constant and loss with frequency at room temperature about CoFe2O4

圖4顯示的是樣品在室溫下的磁滯回線.即磁場(chǎng)由0增加到6 000 Oe,再由6 000 Oe減小到-6 000 Oe,最后從-6 000 Oe增加到6 000 Oe.從圖4中可以看出,制備的CoFe2O4展現(xiàn)出良好的鐵磁性能.其中飽和磁化強(qiáng)度(Ms)、剩余磁化強(qiáng)度(Mr)和矯頑力場(chǎng)(Hc)分別為81.8 emu·g-1,29.4 emu·g-1和834.9 Oe.

圖4 CoFe2O4在室溫下的磁滯回線Fig.4 Magnetic hysteresis loop of CoFe2O4 at room temperature

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)溶膠凝膠燃燒的方法制備了尖晶石結(jié)構(gòu)的CoFe2O4樣品.通過(guò)XRD分析后發(fā)現(xiàn)樣品較純且無(wú)雜相.通過(guò)研究樣品的介電性能后發(fā)現(xiàn)樣品的介電常數(shù)和損耗都是開(kāi)始隨著頻率的增加而急劇減少,而隨著頻率的進(jìn)一步增大,減小趨勢(shì)放緩而逐漸趨于常數(shù).通過(guò)對(duì)樣品的檢測(cè)和分析,發(fā)現(xiàn)樣品展現(xiàn)出良好的磁性能.

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