復合磁性材料制備及性能分析教學實驗設計

張 賢

（淮南師范學院電子工程學院 安徽·淮南 232038）

材料科學基礎實驗作為材料物理專業本科生的必修課程，是一門動手能力很強的實踐課程。它要求本科生運用所掌握的理論知識和基本操作技能，開展各類研究型實驗。在實驗過程中鍛煉本科生的動手能力、操作能力以及分析能力。隨著應用型本科高校的推廣與建設，這類課程的重要性愈發突出。如何將最新的科研成果引入到本科生的實驗教學中，以激發本科生的求知欲望和創新思維，提高本科生分析問題解決問題的能力，達到以科研促進實驗教學的宗旨，是本實驗教學設計的目的。

1 實驗原理及目的

1.1 實驗原理

磁性材料作為一種重要的功能材料，在日常生活中應用十分廣泛，不同的應用領域對磁性能的要求也不同。例如：微納器件要求材料要具備高磁能積；磁存儲器要求材料要具備高飽和磁化強度和適當的矯頑力；磁熱療要具備熱能轉換效率最優的各向異性K值。然而單相磁性材料由于矯頑力和飽和磁化強度相互制約，難以實現對磁性能的調控。研究發現，硬磁材料具有很大的矯頑力但飽和磁化強度較小，軟磁材料的矯頑力很小但飽和磁化強度很大，通過適當的方式進行復合可以達到調控磁性能的目的。因此，硬磁/軟磁復合作為一種調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，當復合磁性材料體系中不存在磁相互作用時，復合體系的各向異性K值滿足公式：Keff=fsKs+fhKh，復合體系的飽和磁化強度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分別為兩相的質量比，復合體系的Keff和Ms應在硬磁與軟磁的K和Ms之間。事實上，復合磁體中往往存在復雜的磁相互作用，這些磁相互作用對宏觀磁性能也會產生顯著影響，例如：交換耦合作用可以提高磁能積，偶極相互作用會抑制剩磁比。因此，硬磁/軟磁復合磁性材料還存在廣泛的研究空間，其中的機理還尚待深究。

本實驗選用矯頑力Hc較大的CoFe2O4(CFO)作為硬磁材料，飽和磁化強度Ms較大的La0.7Sr0.3MnO3(LSMO)作為軟磁材料，按照LSMO的質量比為15%進行復合，制備出CFO/LSMO復合磁性材料。通過實驗的開展使同學們掌握制備復合材料的方法，并學會分析磁相互作用對復合磁性材料性能的影響。

1.2 實驗目的

通過本實驗使學生獲得以下能力：

（1）掌握采用固相法合成硬磁/軟磁復合磁性材料的制備方法；

（2）學習使用 Origin 8.5、Rietveld、XPSPEAK41等軟件處理分析實驗數據；

（3）掌握復合磁性材料的基本表征方法；

（4）學會分析復合磁性材料中磁相互作用的方法。

2 實驗方法及表征

2.1 實驗方法

制備方法如下：第一步：按照化學計量比稱取原材料Co2O3和Fe3O4，研磨 2 小時，壓片(10Mpa)，800 度預燒 12 小時，研磨2小時，壓片(10Mpa)，1000度煅燒12小時，制備出純相CFO；按照化學計量比稱取原材料La2O3、SrCO3和MnO2，研磨2小時，壓片(10 Mpa)，分別經過800、1000和1200度預燒24小時，研磨2小時，壓片(10 Mpa)，1400度煅燒24 h，制備出純相LSMO。第二步：按照CFO:LSMO的質量比為85:15進行復合研磨2小時，壓片，1000度煅燒3小時，制備出CFO/LSMO復合磁性材料。

2.2 測試與表征

（1）利用X涉嫌衍射儀對CFO/LSMO復合磁性材料的結構進行表征；（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CFO/LSMO復合磁性材料的形貌及微結構進行表征；（3）X射線光電子能譜儀對CFO/LSMO復合磁性材料的元素組成、化合價態以及含量等化學信息進行表征；（4）利用超導量子干涉裝置系統對CFO/LSMO復合磁性材料的磁性能進行測試分析。

3 實驗結果與討論

3.1 組成分析

為了對樣品的晶體結構進行分析，我們測試了 CFO/LSMO復合磁性材料的XRD，并用Rietveld軟件對實驗數據進行擬合，擬合過程中參考的LSMO標準PDF卡片為No：51-0409，CFO標準PDF卡片為No：22-1086，擬合結果如圖1所示。從擬合結果可知，在復合物中只存在CFO和LSMO兩種物質，高溫燒結的過程沒有發生化學反應，表明我們采用固相法制備的 CFO/LSMO復合磁性材料是純相的。復合物中CFO的空間群為Fd3m，晶胞參數為a=8.3879。復合物中LSMO的空間群為Rc，晶胞參數為a=b=5.5057，c=13.3589。

圖1：CFO/LSMO復合磁性材料的XRD擬合圖

3.2 形貌分析

圖2為CFO/LSMO復合磁性材料的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成。圖3(c)給出了CFO/LSMO復合磁性材料的選區電子衍射圖，圖中展現的1.72、2.09和3.03的條紋間距與 CoFe2O4的(422)、(400)和(220)晶面對應。

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

3.3 磁性能分析

圖3為CFO/LSMO復合磁性材料的磁化強度M與溫度T的變化關系，即M(T)曲線。將dMZFC/dT極小值位置對應的溫度定義為順磁到鐵磁的轉變溫度，即居里溫度(Tc)。從圖3中可知，CFO/LSMO復合磁性材料的Tc=362K，在Tc以上CFO/LSMO復合磁性材料處在順磁區，宏觀上不表現出磁性能，在Tc以下CFO/LSMO復合磁性材料處在鐵磁狀態。在Tc以下MZFC曲線隨溫度的升高逐漸上升，這是因為凍結的磁矩逐漸融化導致的。在 Tc以下 MFC顯示出與溫度無關的行為，表明體系內存在具有高各向異性的磁有序狀態。

圖3：CFO/LSMO復合磁性材料在場強為100Oe時的M(T)曲線

為了判斷CFO/LSMO復合磁性材料中磁相互作用的類型和強弱，我們測量并繪制了m曲線。將測量得到的數據點Mr(H)和Md(H)歸一化得到mr(H)和md(H)，根據公式m(H)=md(H)–[1–2 mr(H)]構筑m曲線，結果如圖4所示。m的正負和大小反映磁相互作用的類型和強弱：m>0說明 CFO/LSMO復合磁性材料中存在交換耦合作用。m<0說明CFO/LSMO復合磁性材料中以偶極相互作用為主。m=0說明CFO/LSMO復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合材料的磁性能。圖4中的插圖為CFO/LSMO復合磁性材料在10 K時的磁滯回線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復合磁性材料在10 K時的m曲線，插圖為10 K的磁滯回線M(H)

4 結語

本教學實驗設計將科研中的實驗技術進行有效整合，把當前材料領域的研究熱點引入本科實驗教學中。通過實驗，本科生掌握了復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，學會了操作幾種常用的科研軟件。此外，基于本實驗設計，教師可以引導本科生參與相關的科研實驗，在激發本科生科研熱情的同時，充分調動本科生的積極性和創造性，并提高了本科生分析問題、解決問題和實際動手的能力。