稀土La掺杂对M型锶六角铁氧体电、磁、磁介电行为的影响
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引用格式：周双，杨阳，雷润宇，等．稀土 Ｌａ掺杂对 Ｍ 型锶六角铁氧体电、磁、磁介电行为的影响［Ｊ］．陕 西 师 范 大 学 学 报（自 然 科学版），２０２１，４９（４）：１１６１２４．［ＺＨＯＵＳ，ＹＡＮＧ Ｙ，ＬＥＩＲ Ｙ，ｅｔａｌ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｒａｒｅｅａｒｔｈｄｏｐｉｎｇｏｎｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ，ｍａｇｎｅｔ ｉｃ，ａｎｄｍａｇｎｅｔｏｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｂｅｈａｖｉｏｒｓｏｆＭｔｙｐｅｓｔｒｏｎｔｉｕｍ ｈｅｘａｆｅｒｒｉｔｅｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈａａｎｘｉＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ （ＮａｔｕｒａｌＳｃｉ ｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ），２０２１，４９（４）：１１６１２４．］犇犗犐：１０．１５９８３／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｓｎｕ．２０２１．０２．０１５
量具有 磁 介 电 效 应 的 六 角 铁 氧 体，例 如：Ｙ 型 Ｂａ０．５
Ｓｒ１．５Ｚｎ２ Ｆｅ１１．４ Ｃｒ０．６ Ｏ２２［１１］，ＢａＳｒＣｏ２ Ｆｅ１１ ＡｌＯ２２［１２］，
Ｂａ０．３ Ｓｒ１．７ Ｃｏ狓 Ｍｇ２－狓 Ｆｅ１２ Ｏ２２［１３］，ＢａＳｒＣｏＺｎＦｅ１１
ＡｌＯ２２［１４］，Ｚ 型 Ｓｒ３Ｃｏ２Ｆｅ２４Ｏ４１［１５］，Ｕ 型 Ｓｒ４Ｃｏ２Ｆｅ３６
犜犺犲犲犳犳犲犮狋狊狅犳狉犪狉犲犲犪狉狋犺犱狅狆犻狀犵狅狀狋犺犲犲犾犲犮狋狉犻犮犪犾，犿犪犵狀犲狋犻犮，犪狀犱犿犪犵狀犲狋狅犱犻犲犾犲犮狋狉犻犮 犫犲犺犪狏犻狅狉狊狅犳犕狋狔狆犲狊狋狉狅狀狋犻狌犿犺犲狓犪犳犲狉狉犻狋犲狊
ＺＨＯＵ Ｓｈｕａｎｇ，ＹＡＮＧ Ｙａｎｇ，ＬＥＩＲｕｎｙｕ，ＺＨＯＵＪｉａｎｐｉｎｇ （ＳｃｈｏｏｌｏｆＰｈｙｓｉｃｓａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＳｈａａｎｘｉＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，
磁电耦合效应是指当材料的磁化强度和电极化 强度能够被外场调 制，导 致 材 料 中 的 磁 有 序 和 电 荷
有序存在相互 耦 合 作 用 。 ［１６］ 在 １９ 世 纪 末，物 理 学
家 Ｒｏｎｔｇｅｎ 发 现 介 电 材 料 在 电 场 的 运 动 下 被 磁 化［３］，在 后 续 的 实 验 中 发 现 介 电 材 料 在 磁 场 中 的 运
Ｘｉ′ａｎ７１０１１９，Ｓｈａａｎｘｉ，Ｃｈｉｎａ） 犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｓｒ１狓Ｌａ狓Ｆｅ１２Ｏ１９（狓＝０，０．０５，０．１ａｎｄ０．１５）ｃｅｒａｍｉｃｓｗｅｒｅｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄｂｙ ｓｏｌｉｄｓｔａｔｅｒｅａｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ．Ｌａｄｏｐｉｎｇｃａｎａｆｆｅｃｔｔｈｅｃｒｙｓｔａｌｌａｔｔｉｃｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｂｕｔｉｔｈａｓｌｉｔｔｌｅ ｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｎｓｔａｎｔｏｆｔｈｅｄｏｐｅｄｃｅｒａｍｉｃｓｉｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎｔｈａｔｏｆｔｈｅｐｕｒｅｐｈａｓｅｃｅｒａｍｉｃｓ，ｂｕｔｔｈｅｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｌｏｓｓｉｓｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｌａｒｇｅ．Ｔｈｅｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｄｏｐｅｄｃｅｒａｍｉｃｓａｒｅｍａｉｎｌｙｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅ ＭａｘｗｅｌｌＷａｇｎｅｒｉｎｔｅｒｆａｃｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ．Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｒｅｉｍｐｒｏｖｅｄａｆｔｅｒｄｏｐｉｎｇｌａｎｔｈａｎｕｍｉｏｎｓ．Ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅｏｆｔｈｅｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｎｓｔａｎｔｗｉｔｈ ｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｆｒｏｍ ｐｏｓｉｔｉｖｅｔｏｎｅｇａｔｉｖｅｍａｇｎｅｔｏｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｅｆｆｅｃｔｉｓｄｉｆｆｅｒｅｎｔ．Ｔｈｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｏｒｔｈｅｐｕｒｅ
稀土 犔犪掺杂对 犕 型锶六角铁氧体电、磁、 磁介电行为的影响
周 双 ，杨 阳 ，雷 润 宇 ，周 剑 平
（陕西师范大学 物理学与信息技术学院，陕西 西安 ７１０１１９）
摘 要：采用固相反应法合成了Ｓｒ１－狓Ｌａ狓Ｆｅ１２Ｏ１９（狓＝０，０．０５，０．１和０．１５）陶瓷样品。结构分析表 明，镧掺杂对样品的晶胞参数能够产生影响，但不会对形 貌 产 生 影 响。 介 电 性 能 分 析 表 明，掺 杂 陶 瓷的介电常数比纯 ＳｒＦｅ１２Ｏ１９ 陶 瓷 有 明 显 提 高，但 是 介 电 损 耗 也 相 对 较 大，其 介 电 性 能 主 要 是 由 ＭａｘｗｅｌｌＷａｇｎｅｒ界面极化效应造成。磁性能分析表明，随着镧 掺杂 量 的 增 加，饱 和 磁 化 强 度 和 矫 顽力均有所提高。不同样品发生正负磁 介 电 系 数 转 变 的 温 度 有 所 不 同，其 中 狓＝０ 的 转 变 温 度 在 ５０～７５Ｋ 温度范围，而狓＝０．０５～０．１５的转变温度在２５～５０Ｋ 之间，镧掺杂后陶瓷在７５～２００Ｋ 获得较大的磁介电系数。镧掺杂在提高陶瓷样品介电常数的同时保持陶瓷的磁性能。 关键词：离子掺杂；Ｍ 型锶六角铁氧体；介电性能；磁性能；磁介电效应 中 图 分 类 号 ：Ｏ４８７ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１６７２４２９１（２０２１）０４０１１６０９
第４期 周双 等：稀土 Ｌａ掺杂对 Ｍ 型锶六角铁氧体电、磁、磁介电行为的影响
１１７
ＳｒＦｅ１２Ｏ１９ｉｓｂｅｔｗｅｅｎ５０ａｎｄ７５Ｋ，ａｎｄｔｈｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｏｒｓａｍｐｌｅｓｗｉｔｈ狓＝０．０５，０．１ ａｎｄ０．１５ｉｓｂｅｔｗｅｅｎ２５ａｎｄ５０Ｋ．Ｔｈｅｍａｇｎｅｔｏｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｉｓｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｌａｒｇｅｂｅｔｗｅｅｎ７５ ａｎｄ２００Ｋｄｕｅｔｏｔｈｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅ ＭａｘｗｅｌｌＷａｇｎｅｒｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ｗｈｉｃｈｉｓａｎｅｘｔｒｉｎｓｉｃ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｎｓｔａｎｔｏｆＬａｄｏｐｅｄｃｅｒａｍｉｃｓｉｓｇｒｅａｔｌｙｉｍ ｐｒｏｖｅｄ，ｗｈｉｌｅｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｒｅｗｅｌｌｍａｉｎｔａｉｎｅｄ． 犓犲狔狑狅狉犱狊：ｉｏｎｄｏｐｉｎｇ；Ｍｔｙｐｅｓｔｒｏｎｔｉｕｍｈｅｘａｆｅｒｒｉｔｅｓ；ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ；ｍａｇｎｅｔｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ； ｍａｇｎｅｔｏｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｅｆｆｅｃｔ
动也能够产生自发极化的现象。两种特殊现象的产
生并不 是 介 电 材 料 的 本 征 物 理 效 应。１８９４ 年，皮 埃 尔·居里根据晶 格 的 对 称 性 分 析，发 现 在 特 定 晶 体
中 能 够 实 现 本 征 磁 电 耦 合 现 象［４］，在 此 之 后 德 拜 正
式提 出 磁 电 耦 合 效 应。１９６０ 年，Ａｓｔｒｏｖ 首 次 在 Ｃｒ２Ｏ３实 验 中 证 实 该 现 象 的 存 在［７］，随 后 越 来 越 多 的研究者对磁电材料的物理机理进行探索研究。
收 稿 日 期 ：２０２１０４２７ 基金项目：国家自然科学基金（５１６７２１６８）；中央高 校 基 本 科 研 业 务 费 创 新 团 队 项 目 （ＧＫ２０１９０１００５）；陕 西 师 范 大 学 硕 士
创 新 基 金 （２０１９ＣＳＹ００５） 通 信 作 者 ：周剑平，男，教授，博士生导师，研究方向为功能磁介电材料。Ｅｍａｉｌ：ｚｈｏｕｊｐ＠ｓｎｎｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
Ｏ 和 ［１６］ ６０
Ｍ
型 ＢａＦｅ１０．２Ｓｃ１．８ Ｏ１９［１７］，ＢａＦｅ１０．３５Ｓｃ１．６
Ｍｇ０．０５Ｏ１９［１８］。相 比 于 其 他 类 型 的 铁 氧 体 材 料，Ｍ
型锶（ＳｒＭ）六 角 铁 氧 体 结 构 比 较 简 单，饱 和 磁 化 强
度和磁晶各向异 性 也 相 对 较 大。 同 时，这 类 陶 瓷 的
电 阻 率 和 抗 腐 蚀 能 力 也 较 强 ，在 一 些 永 磁 体 、高 频 器
件及高密度的 磁 记 录 仪 器 中 得 到 广 泛 使 用 。 ［１９］ Ｍ
型锶六角铁氧体 的 晶 体 堆 叠 方 式 为 ＲＳＲＳ ，其 中 星号表示 相 应 的 块 绕 ｃ轴 旋 转 １８０°［２０］。 六 角 铁 氧
本文研究镧掺杂对 ＳｒＭ 六角铁氧体介电和磁性 的影响，通过制备不同掺杂量的 Ｓｒ１－狓Ｌａ狓Ｆｅ１２Ｏ１９陶 瓷， 研究镧掺杂对陶瓷 微 观 结 构、介 电 性 能 和 磁 性 能 的 影响和机制。
１ 实验
采用传统的固相法制备 Ｌａ掺杂 Ｓｒ１－狓Ｌａ狓Ｆｅ１２Ｏ１９ （狓＝０，０．０５，０．１，０．１５ 和 ０．２）陶 瓷 样 品。 用 分 析 纯９９．０ ％的ＳｒＣＯ３、９９．０ ％的 Ｆｅ２Ｏ３及９９．９９ ％的 Ｌａ２Ｏ３为 实 验 原 料，按 照 化 学 配 比 进 行 精 准 的 称 取。 然后，用无 水乙 醇为 溶剂 在玛 瑙罐 中进 行球 磨 ６ｈ， 烘干并在１１００ ℃下进行预烧。在确定 预烧 无杂 相 后 ，再 将 预 烧 粉 体 碾 碎 后 再 次 重 复 上 述 的 球 磨 过 程 。 最后，将所得 粉 体 压 成 直 径 为 ８ ｍｍ、厚１ｍｍ的 圆 片，在１２５０ ℃空气中烧结 １０ｈ。 用 Ｘ 射 线 衍 射 仪 （ＸＲＤ、Ｒｉｇａｋｕ、Ｄ／ＭＡＸ２５５０）对 样 品 的 晶 体 结 构 进
体的介 电 性 能 和 磁 性 能 依 赖 于 ５ 种 不 同 亚 晶 格 Ｆｅ３＋ 的占位情况，即 四 面 体 （４ｆ１）、三 角 双 锥 体 （２ｂ） 和八面 体 （１２ｋ、２ａ 和 ４ｆ２）［２１］。 Ｍ 型 六 角 铁 氧 体 的
介电性能和磁性能 与 合 成 条 件、合 成 方 法 以 及 合 成 过程中是否使 用 添 加 剂 有 关 。 ［２０２２］ 同 时，不 同 金 属 离子掺杂后在晶格中的占位也会对陶瓷材料的性 能 产 生 一 定 的 影 响 。 ［２３］ 因 此 ，优 化 合 成 陶 瓷 样 品 的实验条件和取代不同离子的晶格位置可以改善 六 角 铁 氧 体 的 磁 性 。 在 六 角 铁 氧 体 中 ，对 于 Ｓｒ晶 格 位 置 ，利 用 半 径 比 Ｆｅ３＋ 大 得 多 的 金 属 离 子 ，如 Ｌａ３＋ 、Ｓｍ３＋ 、Ｎｄ３＋ ，可 以 提 高 陶 瓷 材 料 的 饱 和 磁 化 强 度 和 矫 顽 力 。 ［２４］ 早 期 的 相 关 文 献 表 明 ，Ｌａ３＋ 可 以 替 代 Ｍ 型 六 角 铁 氧 体 中 的 Ｓｒ２＋ 离 子 ，使 得 陶 瓷 样 品 的 磁 晶 各 向 异 性 常 数 和 矫 顽 力 增 加 。 ［２５］ 最 近 的 相 关 文 献 也 报 道 ，稀 土 离 子 的 掺 杂 能 够 提 高 陶 瓷 样 品 的 磁 性 能 。 ［２６］ 因 此 ，稀 土 离 子 局 部 替 换 Ｍ 型 锶 六 角 铁 氧 体 中 的 Ｓｒ２＋ ，可 以 使 陶 瓷 样 品 的 结 构 更 加 稳 定 ，并 显 著 影 响 材 料 的 饱 和 磁 化 强 度 和 矫顽力。
在大 多 数 多 铁 材 料 中，磁 介 电 现 象 只 能 够 在 低
温或者几个特斯拉 的 强 磁 场 下 实 现，这 对 于 实 际 的
应用而言是巨大挑战 。 ［８９］ 最近，由于六角铁 氧 体 可
在低磁场下和较高温度下即可产生本征的磁电效应
而受到广泛的关注 。 ［１０］ 在此 基 础 上，人 们 研 究 了 大
第 ４９ 卷 第 ４ 期
陕 西 师 范 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ）
Ｖｏｌ．４９ Ｎｏ．４
２０２１年７月 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈａａｎｘｉＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ （ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ） Ｊｕｌ．，２０２１
■ 电介质物理和材料专刊（主持人：陈晓明）
１１８
量具有 磁 介 电 效 应 的 六 角 铁 氧 体，例 如：Ｙ 型 Ｂａ０．５
Ｓｒ１．５Ｚｎ２ Ｆｅ１１．４ Ｃｒ０．６ Ｏ２２［１１］，ＢａＳｒＣｏ２ Ｆｅ１１ ＡｌＯ２２［１２］，
Ｂａ０．３ Ｓｒ１．７ Ｃｏ狓 Ｍｇ２－狓 Ｆｅ１２ Ｏ２２［１３］，ＢａＳｒＣｏＺｎＦｅ１１
ＡｌＯ２２［１４］，Ｚ 型 Ｓｒ３Ｃｏ２Ｆｅ２４Ｏ４１［１５］，Ｕ 型 Ｓｒ４Ｃｏ２Ｆｅ３６
犜犺犲犲犳犳犲犮狋狊狅犳狉犪狉犲犲犪狉狋犺犱狅狆犻狀犵狅狀狋犺犲犲犾犲犮狋狉犻犮犪犾，犿犪犵狀犲狋犻犮，犪狀犱犿犪犵狀犲狋狅犱犻犲犾犲犮狋狉犻犮 犫犲犺犪狏犻狅狉狊狅犳犕狋狔狆犲狊狋狉狅狀狋犻狌犿犺犲狓犪犳犲狉狉犻狋犲狊
ＺＨＯＵ Ｓｈｕａｎｇ，ＹＡＮＧ Ｙａｎｇ，ＬＥＩＲｕｎｙｕ，ＺＨＯＵＪｉａｎｐｉｎｇ （ＳｃｈｏｏｌｏｆＰｈｙｓｉｃｓａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＳｈａａｎｘｉＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，
磁电耦合效应是指当材料的磁化强度和电极化 强度能够被外场调 制，导 致 材 料 中 的 磁 有 序 和 电 荷
有序存在相互 耦 合 作 用 。 ［１６］ 在 １９ 世 纪 末，物 理 学
家 Ｒｏｎｔｇｅｎ 发 现 介 电 材 料 在 电 场 的 运 动 下 被 磁 化［３］，在 后 续 的 实 验 中 发 现 介 电 材 料 在 磁 场 中 的 运
Ｘｉ′ａｎ７１０１１９，Ｓｈａａｎｘｉ，Ｃｈｉｎａ） 犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｓｒ１狓Ｌａ狓Ｆｅ１２Ｏ１９（狓＝０，０．０５，０．１ａｎｄ０．１５）ｃｅｒａｍｉｃｓｗｅｒｅｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄｂｙ ｓｏｌｉｄｓｔａｔｅｒｅａｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ．Ｌａｄｏｐｉｎｇｃａｎａｆｆｅｃｔｔｈｅｃｒｙｓｔａｌｌａｔｔｉｃｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｂｕｔｉｔｈａｓｌｉｔｔｌｅ ｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｎｓｔａｎｔｏｆｔｈｅｄｏｐｅｄｃｅｒａｍｉｃｓｉｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎｔｈａｔｏｆｔｈｅｐｕｒｅｐｈａｓｅｃｅｒａｍｉｃｓ，ｂｕｔｔｈｅｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｌｏｓｓｉｓｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｌａｒｇｅ．Ｔｈｅｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｄｏｐｅｄｃｅｒａｍｉｃｓａｒｅｍａｉｎｌｙｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅ ＭａｘｗｅｌｌＷａｇｎｅｒｉｎｔｅｒｆａｃｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ．Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｒｅｉｍｐｒｏｖｅｄａｆｔｅｒｄｏｐｉｎｇｌａｎｔｈａｎｕｍｉｏｎｓ．Ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅｏｆｔｈｅｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｎｓｔａｎｔｗｉｔｈ ｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｆｒｏｍ ｐｏｓｉｔｉｖｅｔｏｎｅｇａｔｉｖｅｍａｇｎｅｔｏｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｅｆｆｅｃｔｉｓｄｉｆｆｅｒｅｎｔ．Ｔｈｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｏｒｔｈｅｐｕｒｅ
稀土 犔犪掺杂对 犕 型锶六角铁氧体电、磁、 磁介电行为的影响
周 双 ，杨 阳 ，雷 润 宇 ，周 剑 平
（陕西师范大学 物理学与信息技术学院，陕西 西安 ７１０１１９）
摘 要：采用固相反应法合成了Ｓｒ１－狓Ｌａ狓Ｆｅ１２Ｏ１９（狓＝０，０．０５，０．１和０．１５）陶瓷样品。结构分析表 明，镧掺杂对样品的晶胞参数能够产生影响，但不会对形 貌 产 生 影 响。 介 电 性 能 分 析 表 明，掺 杂 陶 瓷的介电常数比纯 ＳｒＦｅ１２Ｏ１９ 陶 瓷 有 明 显 提 高，但 是 介 电 损 耗 也 相 对 较 大，其 介 电 性 能 主 要 是 由 ＭａｘｗｅｌｌＷａｇｎｅｒ界面极化效应造成。磁性能分析表明，随着镧 掺杂 量 的 增 加，饱 和 磁 化 强 度 和 矫 顽力均有所提高。不同样品发生正负磁 介 电 系 数 转 变 的 温 度 有 所 不 同，其 中 狓＝０ 的 转 变 温 度 在 ５０～７５Ｋ 温度范围，而狓＝０．０５～０．１５的转变温度在２５～５０Ｋ 之间，镧掺杂后陶瓷在７５～２００Ｋ 获得较大的磁介电系数。镧掺杂在提高陶瓷样品介电常数的同时保持陶瓷的磁性能。 关键词：离子掺杂；Ｍ 型锶六角铁氧体；介电性能；磁性能；磁介电效应 中 图 分 类 号 ：Ｏ４８７ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１６７２４２９１（２０２１）０４０１１６０９
第４期 周双 等：稀土 Ｌａ掺杂对 Ｍ 型锶六角铁氧体电、磁、磁介电行为的影响
１１７
ＳｒＦｅ１２Ｏ１９ｉｓｂｅｔｗｅｅｎ５０ａｎｄ７５Ｋ，ａｎｄｔｈｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｏｒｓａｍｐｌｅｓｗｉｔｈ狓＝０．０５，０．１ ａｎｄ０．１５ｉｓｂｅｔｗｅｅｎ２５ａｎｄ５０Ｋ．Ｔｈｅｍａｇｎｅｔｏｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｉｓｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｌａｒｇｅｂｅｔｗｅｅｎ７５ ａｎｄ２００Ｋｄｕｅｔｏｔｈｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅ ＭａｘｗｅｌｌＷａｇｎｅｒｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ｗｈｉｃｈｉｓａｎｅｘｔｒｉｎｓｉｃ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｎｓｔａｎｔｏｆＬａｄｏｐｅｄｃｅｒａｍｉｃｓｉｓｇｒｅａｔｌｙｉｍ ｐｒｏｖｅｄ，ｗｈｉｌｅｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｒｅｗｅｌｌｍａｉｎｔａｉｎｅｄ． 犓犲狔狑狅狉犱狊：ｉｏｎｄｏｐｉｎｇ；Ｍｔｙｐｅｓｔｒｏｎｔｉｕｍｈｅｘａｆｅｒｒｉｔｅｓ；ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ；ｍａｇｎｅｔｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ； ｍａｇｎｅｔｏｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｅｆｆｅｃｔ
动也能够产生自发极化的现象。两种特殊现象的产
生并不 是 介 电 材 料 的 本 征 物 理 效 应。１８９４ 年，皮 埃 尔·居里根据晶 格 的 对 称 性 分 析，发 现 在 特 定 晶 体
中 能 够 实 现 本 征 磁 电 耦 合 现 象［４］，在 此 之 后 德 拜 正
式提 出 磁 电 耦 合 效 应。１９６０ 年，Ａｓｔｒｏｖ 首 次 在 Ｃｒ２Ｏ３实 验 中 证 实 该 现 象 的 存 在［７］，随 后 越 来 越 多 的研究者对磁电材料的物理机理进行探索研究。
收 稿 日 期 ：２０２１０４２７ 基金项目：国家自然科学基金（５１６７２１６８）；中央高 校 基 本 科 研 业 务 费 创 新 团 队 项 目 （ＧＫ２０１９０１００５）；陕 西 师 范 大 学 硕 士
创 新 基 金 （２０１９ＣＳＹ００５） 通 信 作 者 ：周剑平，男，教授，博士生导师，研究方向为功能磁介电材料。Ｅｍａｉｌ：ｚｈｏｕｊｐ＠ｓｎｎｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
Ｏ 和 ［１６］ ６０
Ｍ
型 ＢａＦｅ１０．２Ｓｃ１．８ Ｏ１９［１７］，ＢａＦｅ１０．３５Ｓｃ１．６
Ｍｇ０．０５Ｏ１９［１８］。相 比 于 其 他 类 型 的 铁 氧 体 材 料，Ｍ
型锶（ＳｒＭ）六 角 铁 氧 体 结 构 比 较 简 单，饱 和 磁 化 强
度和磁晶各向异 性 也 相 对 较 大。 同 时，这 类 陶 瓷 的
电 阻 率 和 抗 腐 蚀 能 力 也 较 强 ，在 一 些 永 磁 体 、高 频 器
件及高密度的 磁 记 录 仪 器 中 得 到 广 泛 使 用 。 ［１９］ Ｍ
型锶六角铁氧体 的 晶 体 堆 叠 方 式 为 ＲＳＲＳ ，其 中 星号表示 相 应 的 块 绕 ｃ轴 旋 转 １８０°［２０］。 六 角 铁 氧
本文研究镧掺杂对 ＳｒＭ 六角铁氧体介电和磁性 的影响，通过制备不同掺杂量的 Ｓｒ１－狓Ｌａ狓Ｆｅ１２Ｏ１９陶 瓷， 研究镧掺杂对陶瓷 微 观 结 构、介 电 性 能 和 磁 性 能 的 影响和机制。
１ 实验
采用传统的固相法制备 Ｌａ掺杂 Ｓｒ１－狓Ｌａ狓Ｆｅ１２Ｏ１９ （狓＝０，０．０５，０．１，０．１５ 和 ０．２）陶 瓷 样 品。 用 分 析 纯９９．０ ％的ＳｒＣＯ３、９９．０ ％的 Ｆｅ２Ｏ３及９９．９９ ％的 Ｌａ２Ｏ３为 实 验 原 料，按 照 化 学 配 比 进 行 精 准 的 称 取。 然后，用无 水乙 醇为 溶剂 在玛 瑙罐 中进 行球 磨 ６ｈ， 烘干并在１１００ ℃下进行预烧。在确定 预烧 无杂 相 后 ，再 将 预 烧 粉 体 碾 碎 后 再 次 重 复 上 述 的 球 磨 过 程 。 最后，将所得 粉 体 压 成 直 径 为 ８ ｍｍ、厚１ｍｍ的 圆 片，在１２５０ ℃空气中烧结 １０ｈ。 用 Ｘ 射 线 衍 射 仪 （ＸＲＤ、Ｒｉｇａｋｕ、Ｄ／ＭＡＸ２５５０）对 样 品 的 晶 体 结 构 进
体的介 电 性 能 和 磁 性 能 依 赖 于 ５ 种 不 同 亚 晶 格 Ｆｅ３＋ 的占位情况，即 四 面 体 （４ｆ１）、三 角 双 锥 体 （２ｂ） 和八面 体 （１２ｋ、２ａ 和 ４ｆ２）［２１］。 Ｍ 型 六 角 铁 氧 体 的
介电性能和磁性能 与 合 成 条 件、合 成 方 法 以 及 合 成 过程中是否使 用 添 加 剂 有 关 。 ［２０２２］ 同 时，不 同 金 属 离子掺杂后在晶格中的占位也会对陶瓷材料的性 能 产 生 一 定 的 影 响 。 ［２３］ 因 此 ，优 化 合 成 陶 瓷 样 品 的实验条件和取代不同离子的晶格位置可以改善 六 角 铁 氧 体 的 磁 性 。 在 六 角 铁 氧 体 中 ，对 于 Ｓｒ晶 格 位 置 ，利 用 半 径 比 Ｆｅ３＋ 大 得 多 的 金 属 离 子 ，如 Ｌａ３＋ 、Ｓｍ３＋ 、Ｎｄ３＋ ，可 以 提 高 陶 瓷 材 料 的 饱 和 磁 化 强 度 和 矫 顽 力 。 ［２４］ 早 期 的 相 关 文 献 表 明 ，Ｌａ３＋ 可 以 替 代 Ｍ 型 六 角 铁 氧 体 中 的 Ｓｒ２＋ 离 子 ，使 得 陶 瓷 样 品 的 磁 晶 各 向 异 性 常 数 和 矫 顽 力 增 加 。 ［２５］ 最 近 的 相 关 文 献 也 报 道 ，稀 土 离 子 的 掺 杂 能 够 提 高 陶 瓷 样 品 的 磁 性 能 。 ［２６］ 因 此 ，稀 土 离 子 局 部 替 换 Ｍ 型 锶 六 角 铁 氧 体 中 的 Ｓｒ２＋ ，可 以 使 陶 瓷 样 品 的 结 构 更 加 稳 定 ，并 显 著 影 响 材 料 的 饱 和 磁 化 强 度 和 矫顽力。
在大 多 数 多 铁 材 料 中，磁 介 电 现 象 只 能 够 在 低
温或者几个特斯拉 的 强 磁 场 下 实 现，这 对 于 实 际 的
应用而言是巨大挑战 。 ［８９］ 最近，由于六角铁 氧 体 可
在低磁场下和较高温度下即可产生本征的磁电效应
而受到广泛的关注 。 ［１０］ 在此 基 础 上，人 们 研 究 了 大
第 ４９ 卷 第 ４ 期
陕 西 师 范 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ）
Ｖｏｌ．４９ Ｎｏ．４
２０２１年７月 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈａａｎｘｉＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ （ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ） Ｊｕｌ．，２０２１
■ 电介质物理和材料专刊（主持人：陈晓明）
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