Gd3+离子掺杂对石榴石型钇铁氧体性能的影响(图文)

论文导读：用传统的的陶瓷工艺制备了Gd3+掺杂的石榴石型铁氧体，并对其烧结特性进行研究。实验表明，在1120℃´5h下成功合成了掺杂Gd3+等离子的纯相石榴石钇铁氧体，并在1300℃´5h下制备出致密度在97%以上的纯相离子掺杂钇铁氧体；致密度和晶粒尺寸对材料的磁性性能影响不大；烧结试样的饱和磁化强度随Gd3+含量的增大而降低，局里温度基本不变。
关键词：石榴石型铁氧体，离子掺杂，饱和磁化强度
 

0 前言

微波铁氧体材料在现代化、自动化的微波技术中有着广泛的应用，占有重要的地位。目前， 微波铁氧体器件已广泛地使用在雷达、通信、电视、人造卫星、导弹系统、电子对抗系统及高能粒子加速器等各个方面[1]。发表论文。随着微波技术的应用进一步深入化，对各种微波器件诸如隔离器、环行器、变极化器等性能提出了更高的要求。本文研究的目的就是通过Gd3+对钇铁柘榴石(YIG)铁氧体进行离子取代，以降低YIG铁氧体材料的饱和磁化强度4pMs，提高温度稳定性等性能，从而制备出符合低磁矩大功率的石榴石型微波铁氧体材料，为微波器件领域做出贡献。

1 实验部分

采用传统陶瓷工艺，以Fe2O3（AR）、Y2O3（4N）、Gd2O3（3.5N）、In2O3（AR）、CaCO3（AR）、MnO2（AR）、C2H5OH（AR）等为原料，Gd3+的掺杂量分别为0.41、0.51、0.61、0.71，共制备四组分样品（表1）以研究掺杂量对钇铁氧体性能的影响。

表1Gd3+离子掺杂的样品配方

预烧后粉体，烧结后样品分别经日本电子公司生产的X射线粉末衍射仪分析物相组成和晶体结构，扫描速度为5o/min，扫描范围为15~75o；采用阿基米德排水法计算致密度；采用JSM5800型扫描电镜对颗粒形貌和粒度以及烧结体的显微结构进行分析；采用JDM-13型数字控制振动样品磁强计（VSM）测试材料的磁性能，最大磁强度为2.4×105A/m。

2 结果与讨论

2.1 物相结构分析

Gd掺杂的样品在1120℃下合成并保温5h，经XRD衍射分析表明合成粉体均为纯相。图 2为1120℃下Gd3+掺杂样品的XRD图谱。

对YIG系列Gd3+掺杂的样品在1300℃下进行烧结(YIG-1在1200℃，YIG-4在1250℃)，并保温5h。对其进行XRD测试表明，1300℃(YIG-1在1200℃，YIG-4在1250℃)下样品烧结基本为纯相，说明所掺杂的金属离子已经基本进入固溶石榴石结构中，其晶胞参数在1.2386nm~1.2412nm之间。图3为Gd掺杂样品的烧结后的XRD衍射谱。

图2 1120℃下保温5h合成的YIG的样品的XRD图谱

图3烧结后样品的XRD图谱(Gd掺杂)

2.2致密度对材料性能的影响

致密度的计算方法如下：

其中：表观密度由阿基米德排水法测得，理论密度由烧结体的XRD图谱经拟合计算得到。实验中，采用阿基米德排水法对三组样品进行了致密度的计算(见表2)，发现每组样品的致密度很相近，因此基本上不考虑致密度对材料磁性能的影响

表 2 阿基米德排水法测定的样品致密度

2.3晶粒尺寸对材料磁性能的影响

一般来说，饱和磁化强度随晶粒尺寸的减小而减小，可以用公式Ms(D)=Ms(bulk)(1-β/D)来解释[2]，Ms(D)表示的是粒度为D的颗粒的饱和磁化强度，Ms(bulk)为体材料的饱和磁化强度，为一定值，β为一常数。根据公式可以看出饱和磁化强度Ms与粒度D成简单的正比关系。图 4、5、6分别是YIG的样品的SEM图。发表论文。从中可以看到样品晶粒的大小，和计算平均晶粒尺寸和气孔分布。经观察发现，晶粒尺寸在1mm左右，变化不大，因此基本不考虑晶粒尺寸的变化对材料磁性能的影响。

图4 YIG-1样品的SEM图(Gd掺杂量为0.41)

图5 YIG-2样品的SEM图(Gd掺杂量为0.51)

图6 YIG-3样品的SEM图(Gd掺杂量为0.71)

2.4 Gd掺杂对YIG钇铁氧体性能的影响

对Gd3+掺杂的样品进行磁性能测试，VSM测试表明随着Gd3+含量的增加，Tc基本没变化(见图7)。随着Gd3+离子掺入量的增加，样品的饱和磁化强度呈线性降低。这是因为Gd3+离子半径(0.938nm)与Y3+离子半径(0.892nm)相差不大，Gd3+离子是取代十二面体c位的Y3+离子[3]。Gd3+离子是磁性离子(磁矩为7mB) [4]，Gd3+离子的掺入将导致样品次磁晶格数目的变化[5]。由于Gd3+离子磁距方向与Fe3+净磁距方向相反排列，从而随着Gd3+的掺入量的增加，样品的饱和磁化强度明显下降。

图7 饱和磁化强度/居里温度随Gd含量的变化关系图

根据磁性理论，石榴石a、d位之间的超交换作用远比c、d位强，因而a、d两次晶格的磁性离子的相互作用决定着居里温度的大小。发表论文。Gd3+进入c位对超交换影响不大，局里温度变化不大。

3 总结

本实验采用固相法制备离子掺杂石榴石型钇铁氧体，主要通过对烧结温度的调整来制备纯相、致密度较高、晶粒分布均匀的烧结体。对样品的烧结体进行了分析，得出以下结论：

（1）致密度和平均晶粒尺寸对材料的饱和磁化强度都有影响。但影响不大，本实验可不考虑。

（2）在1120℃´5h下成功合成了掺杂Gd3+等离子的纯相石榴石钇铁氧体，并在1300℃´5h下制备出致密度在97%以上的纯相离子掺杂钇铁氧体。

（3） Gd掺杂，用适量的Gd3+取代Y3+样品的饱和磁化强度明显下降。因此，Gd3+掺杂可以调节4pMs-T曲线的形状，而居里温度基本不变。

参考文献：
[1] 姚学标，胡国光，伊萍.高温度稳定度和低损耗的稀土钇钆复合石榴石微波材料的研究[J]. 中国稀土学报，2002，22(3)：24~26.
[2] 徐海涛. 掺杂稀土石榴石型铁氧体纳米材料磁性能研究及应用[D]. 吉林大学，2008，9，30~50.
[3] Francesca Romana Lamastra, Alessandra Bianco,Federica Leonardi, et al. High density Gd-substituted yttrium iron garnets bycoprecipitation[J]. Materials Chemistry and Physics, 2008, 107: 274~280.
[4] Zhongjun Cheng, Hua Yang, Lianxiang Yu, Yuming Cui,Shouhua Feng, Preparation and magnetic properties of Y3Fe5O12nanoparticles doped with the gadolinium oxide[J]. Journal of Magnetism andMagnetic Materials, 2006, 302: 259~262.
[5] Haitao Xu, Hua Yang. Magnetic properties of YIG dopedwith cerium and gadolinium ions[J]. Materials Science, 2008, 19: 589~593.