復(fù)合磁性材料制備及性能分析教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

張 賢

（淮南師范學(xué)院電子工程學(xué)院 安徽·淮南 232038）

材料科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)作為材料物理專業(yè)本科生的必修課程，是一門動(dòng)手能力很強(qiáng)的實(shí)踐課程。它要求本科生運(yùn)用所掌握的理論知識(shí)和基本操作技能，開展各類研究型實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中鍛煉本科生的動(dòng)手能力、操作能力以及分析能力。隨著應(yīng)用型本科高校的推廣與建設(shè)，這類課程的重要性愈發(fā)突出。如何將最新的科研成果引入到本科生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，以激發(fā)本科生的求知欲望和創(chuàng)新思維，提高本科生分析問題解決問題的能力，達(dá)到以科研促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的宗旨，是本實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的目的。

1 實(shí)驗(yàn)原理及目的

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

磁性材料作為一種重要的功能材料，在日常生活中應(yīng)用十分廣泛，不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Υ判阅艿囊笠膊煌＠纾何⒓{器件要求材料要具備高磁能積；磁存儲(chǔ)器要求材料要具備高飽和磁化強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)某C頑力；磁熱療要具備熱能轉(zhuǎn)換效率最優(yōu)的各向異性K值。然而單相磁性材料由于矯頑力和飽和磁化強(qiáng)度相互制約，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)磁性能的調(diào)控。研究發(fā)現(xiàn)，硬磁材料具有很大的矯頑力但飽和磁化強(qiáng)度較小，軟磁材料的矯頑力很小但飽和磁化強(qiáng)度很大，通過適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行復(fù)合可以達(dá)到調(diào)控磁性能的目的。因此，硬磁/軟磁復(fù)合作為一種調(diào)控磁性能的有效途徑受到科研工作者的廣泛研究。研究表明，當(dāng)復(fù)合磁性材料體系中不存在磁相互作用時(shí)，復(fù)合體系的各向異性K值滿足公式：Keff=fsKs+fhKh，復(fù)合體系的飽和磁化強(qiáng)度Ms值滿足公式：MS=fsMss+fhMsh，其中Ks為軟磁的K、Kh為硬磁的 K，Mss為軟磁的Ms、Msh為硬磁的Ms，fs和fh分別為兩相的質(zhì)量比，復(fù)合體系的Keff和Ms應(yīng)在硬磁與軟磁的K和Ms之間。事實(shí)上，復(fù)合磁體中往往存在復(fù)雜的磁相互作用，這些磁相互作用對(duì)宏觀磁性能也會(huì)產(chǎn)生顯著影響，例如：交換耦合作用可以提高磁能積，偶極相互作用會(huì)抑制剩磁比。因此，硬磁/軟磁復(fù)合磁性材料還存在廣泛的研究空間，其中的機(jī)理還尚待深究。

本實(shí)驗(yàn)選用矯頑力Hc較大的CoFe2O4(CFO)作為硬磁材料，飽和磁化強(qiáng)度Ms較大的La0.7Sr0.3MnO3(LSMO)作為軟磁材料，按照LSMO的質(zhì)量比為15%進(jìn)行復(fù)合，制備出CFO/LSMO復(fù)合磁性材料。通過實(shí)驗(yàn)的開展使同學(xué)們掌握制備復(fù)合材料的方法，并學(xué)會(huì)分析磁相互作用對(duì)復(fù)合磁性材料性能的影響。

1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

通過本實(shí)驗(yàn)使學(xué)生獲得以下能力：

（1）掌握采用固相法合成硬磁/軟磁復(fù)合磁性材料的制備方法；

（2）學(xué)習(xí)使用 Origin 8.5、Rietveld、XPSPEAK41等軟件處理分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

（3）掌握復(fù)合磁性材料的基本表征方法；

（4）學(xué)會(huì)分析復(fù)合磁性材料中磁相互作用的方法。

2 實(shí)驗(yàn)方法及表征

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

制備方法如下：第一步：按照化學(xué)計(jì)量比稱取原材料Co2O3和Fe3O4，研磨 2 小時(shí)，壓片(10Mpa)，800 度預(yù)燒 12 小時(shí)，研磨2小時(shí)，壓片(10Mpa)，1000度煅燒12小時(shí)，制備出純相CFO；按照化學(xué)計(jì)量比稱取原材料La2O3、SrCO3和MnO2，研磨2小時(shí)，壓片(10 Mpa)，分別經(jīng)過800、1000和1200度預(yù)燒24小時(shí)，研磨2小時(shí)，壓片(10 Mpa)，1400度煅燒24 h，制備出純相LSMO。第二步：按照CFO:LSMO的質(zhì)量比為85:15進(jìn)行復(fù)合研磨2小時(shí)，壓片，1000度煅燒3小時(shí)，制備出CFO/LSMO復(fù)合磁性材料。

2.2 測試與表征

（1）利用X涉嫌衍射儀對(duì)CFO/LSMO復(fù)合磁性材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征；（2）利用超高分辨掃描電子顯微鏡和高分辨透射電子顯微鏡對(duì)CFO/LSMO復(fù)合磁性材料的形貌及微結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征；（3）X射線光電子能譜儀對(duì)CFO/LSMO復(fù)合磁性材料的元素組成、化合價(jià)態(tài)以及含量等化學(xué)信息進(jìn)行表征；（4）利用超導(dǎo)量子干涉裝置系統(tǒng)對(duì)CFO/LSMO復(fù)合磁性材料的磁性能進(jìn)行測試分析。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 組成分析

為了對(duì)樣品的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，我們測試了 CFO/LSMO復(fù)合磁性材料的XRD，并用Rietveld軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合過程中參考的LSMO標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片為No：51-0409，CFO標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片為No：22-1086，擬合結(jié)果如圖1所示。從擬合結(jié)果可知，在復(fù)合物中只存在CFO和LSMO兩種物質(zhì)，高溫?zé)Y(jié)的過程沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，表明我們采用固相法制備的 CFO/LSMO復(fù)合磁性材料是純相的。復(fù)合物中CFO的空間群為Fd3m，晶胞參數(shù)為a=8.3879。復(fù)合物中LSMO的空間群為Rc，晶胞參數(shù)為a=b=5.5057，c=13.3589。

圖1：CFO/LSMO復(fù)合磁性材料的XRD擬合圖

3.2 形貌分析

圖2為CFO/LSMO復(fù)合磁性材料的SEM(a)、TEM(b)和SAED(c)圖像。從圖3(a-b)可以看出，CFO/LSMO復(fù)合磁性材料的微觀形貌均是由幾百納米到幾微米大小的粒子構(gòu)成。圖3(c)給出了CFO/LSMO復(fù)合磁性材料的選區(qū)電子衍射圖，圖中展現(xiàn)的1.72、2.09和3.03的條紋間距與 CoFe2O4的(422)、(400)和(220)晶面對(duì)應(yīng)。

圖2：CFO/LSMO復(fù)合磁性材料的SEM(a)、TEM(b)和SAED(c)圖像

3.3 磁性能分析

圖3為CFO/LSMO復(fù)合磁性材料的磁化強(qiáng)度M與溫度T的變化關(guān)系，即M(T)曲線。將dMZFC/dT極小值位置對(duì)應(yīng)的溫度定義為順磁到鐵磁的轉(zhuǎn)變溫度，即居里溫度(Tc)。從圖3中可知，CFO/LSMO復(fù)合磁性材料的Tc=362K，在Tc以上CFO/LSMO復(fù)合磁性材料處在順磁區(qū)，宏觀上不表現(xiàn)出磁性能，在Tc以下CFO/LSMO復(fù)合磁性材料處在鐵磁狀態(tài)。在Tc以下MZFC曲線隨溫度的升高逐漸上升，這是因?yàn)閮鼋Y(jié)的磁矩逐漸融化導(dǎo)致的。在 Tc以下 MFC顯示出與溫度無關(guān)的行為，表明體系內(nèi)存在具有高各向異性的磁有序狀態(tài)。

圖3：CFO/LSMO復(fù)合磁性材料在場強(qiáng)為100Oe時(shí)的M(T)曲線

為了判斷CFO/LSMO復(fù)合磁性材料中磁相互作用的類型和強(qiáng)弱，我們測量并繪制了m曲線。將測量得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)Mr(H)和Md(H)歸一化得到mr(H)和md(H)，根據(jù)公式m(H)=md(H)–[1–2 mr(H)]構(gòu)筑m曲線，結(jié)果如圖4所示。m的正負(fù)和大小反映磁相互作用的類型和強(qiáng)弱：m>0說明 CFO/LSMO復(fù)合磁性材料中存在交換耦合作用。m<0說明CFO/LSMO復(fù)合磁性材料中以偶極相互作用為主。m=0說明CFO/LSMO復(fù)合磁性材料中不存在磁相互作用。從圖4中可以看出，m>0說明在復(fù)合物中CFO和LSMO之間存在交換耦合作用，這種交換耦合作用有利于提高復(fù)合材料的磁性能。圖4中的插圖為CFO/LSMO復(fù)合磁性材料在10 K時(shí)的磁滯回線M(H)。從回線中我們可以獲得Hc=2404Oe，Ms=98emu/g，剩磁比 Mr/Ms=0.59。

圖4：CFO/LSMO復(fù)合磁性材料在10 K時(shí)的m曲線，插圖為10 K的磁滯回線M(H)

4 結(jié)語

本教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)將科研中的實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行有效整合，把當(dāng)前材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)引入本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。通過實(shí)驗(yàn)，本科生掌握了復(fù)合磁性材料的制備方法、表征的基本手段、磁性能測試和分析方法，學(xué)會(huì)了操作幾種常用的科研軟件。此外，基于本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，教師可以引導(dǎo)本科生參與相關(guān)的科研實(shí)驗(yàn)，在激發(fā)本科生科研熱情的同時(shí)，充分調(diào)動(dòng)本科生的積極性和創(chuàng)造性，并提高了本科生分析問題、解決問題和實(shí)際動(dòng)手的能力。