不同取代剂对镧掺杂锰钡六铁酸盐光学性质的增强

摘要

六铁氧体钡磁性材料的磁导率和电阻率可用于各种产品，如磁记录介质、计算机、电子设备、永磁材料和通信设备。本工作主要致力于合成稀土镧（La^３＋在六铁酸钡(Ba_1.−x拉_x锰_Y铁_12−YO₁₉） (x-0.10 = 0.02,Y= 0.02-0.10)。随着镧浓度的增加，强度峰增大，表明结晶度增强，晶粒尺寸增大。带隙能随镧浓度的增加而逐渐减小。显微观察发现，该材料基本上是由一些环或棒状颗粒组成，如纯镧-镧在六铁酸钡中的颗粒。观察到的团聚是由于在600°C的热行为或可能是浓度效应。采用x射线衍射、UV、FT-IR和SEM技术进行了结构研究。

1.介绍

六铁酸钡(BaFe₁₂O₁₉)已广泛应用于永磁材料。微波吸收材料已在军事和民用技术中得到应用，如石榴石和尖晶石铁氧体[1.]六铁氧体钡磁性材料的磁导率和电阻率可用于各种产品，如磁记录介质、计算机、电子设备、永磁体材料和通信设备[2.,3.]．六铁酸钡具有重要的工业用途。六铁酸钡的纳米颗粒具有大的饱和磁化强度、高的电阻率、大的单轴磁各向异性、化学强度、高居里温度和高矫顽力，因为它们的化合物也可以作为相关尖晶石铁氧体和石榴石在高频下使用[4.,5.]．六方铁氧体和化合物作为高电磁频率材料的巨大可能性为特殊敏感设备的电磁兼容性奠定了基础[6.]．在铁电性和铁磁性之间存在着一些物质。为了改善六铁素体的固有磁性，可以使用各种技术来实现，包括在Ba或Fe或两者的亚晶格中掺杂La-Mn [7.]．六铁酸钡用于设备的制造，在工艺和工业产品的改进中起着重要的作用。根据磁性的不同，磁性材料可分为铁磁性材料、抗磁性材料和顺磁性材料。铁素体呈立方结构，但有些铁素体呈六方晶体结构，也称为六铁素体[4.]．六方铁素体的化学组成和晶体结构有六种类型。这些结构可以区分为y型(Ba_2.我_2.铁₁₂O₂₂), w (Ba_2.我_2.铁₁₂O₂₂)，U型（Ba_4.我_2.铁₃₆O₆₀),交叉形(Ba_2.我_2.铁₂₈O₄₆)，Z型（Ba_3.我_2.铁₂₄O₄₁)和m型(BaFe₁₂O₁₉) [8.–10]．m型六铁酸盐的单元电池含有2个钡离子、24个铁离子和38个氧离子。在单元细胞中，24个铁离子占据5个不同的位置，如2a、2b、4f_1.4 f_2.和12 k。4f1的晶体结构为四面体，2b形成的三角形，12k, 2a，和4f_2.是八面体位置[11]．离子在晶体结构和磁矩中不同位置的取代取决于原子的电子排列[12]．的铁^３＋离子的自旋在2a(↑)、2b(↑)和12k(↑)位点平行于晶体c轴，而在4f位点_1.(↓) 和4f_2.(↓)站点方向相反。子晶格(2a, 2b，和12k)和(4f ._1.和4 f_2.)与六边形c轴平行或反平行[13]．铁电性和铁磁性并存于极少数材料中。六铁酸钡中反磁阳离子的取代在室温下具有较大的自发多铁效应和磁电效应及极化特性[6.]考虑到这一点，我们设计了本研究，以合成具有不同镧前体浓度的镧锰钡六铁氧体纳米颗粒，并研究其对光学性质的影响。

2.实验的细节

为了合成这些化学物质，一水硝酸铁(Fe(NO_3.)_3.h·9_2.O) 98%，四水氯化锰(MnCl ._2..4H_2.O) 99%，乙酸镧(La(CH_3.一氧化碳_2.)_3.99%，氯化钡脱水(BaCl_2..2H_2.O） 97%和氢氧化钠（NaOH）98%以化学计量量溶解在蒸馏水中。材料制备中使用的所有分析级样品均通过当地供应商以纯形式从默克和西格玛-奥尔德里奇购买，无需进一步纯化。

稀土镧(La^３＋在六铁酸钡(Ba_1.−x拉_x锰_Y铁_12−YO₁₉） (x-0.10 = 0.02,Y= 0.02-0.10)。用于制备样品的化学物质为一水硝酸铁(Fe(NO_3.)_3.h·9_2.O)、四水合氯化锰(MnCl_2..4H_2.O)、乙酸镧(La(CH_3.一氧化碳_2.)_3.)、氯化钡脱水(BaCl_2..2H_2.O)和氢氧化钠(NaOH)，并以化学计量量溶解在蒸馏水中。采用化学计量比法合成了(Ba_1.−x拉_x锰_Y铁_12−YO₁₉)六铁氧体。充分混合溶液，然后搅拌以获得均匀溶液。将溶液与沉淀剂（NaOH）混合以获得较少的纳米粒子化学分散，然后在100°C下进一步搅拌90分钟 更换氢氧化物（OH）的分钟数⁻)铁氧体。在搅拌过程中，溶液中加入氢氧化钠(滴入)有助于在整个反应过程中保持PH值12。当搅拌停止时，PH接近12。之后，样品保存整晚老化。一旦反应过程完成，溶液中的沉淀物就会沉淀下来，准备收集。为了去除杂质，收集的沉淀物用远端水多次洗涤，去除钠离子和氢离子。样品在90°C的烤箱中放置12小时。用杵臼将沉淀磨成清晰的粉末，然后在马弗炉中600℃烧结3小时。制备了四种不同镧浓度的样品。

镧(La^３＋在六铁酸钡(Ba_1.−x拉_x锰_Y铁_12−YO₁₉)如图所示1.．

3.结果和讨论

对样品进行XRD分析。当x射线不是由单晶衍射而形成随机取向的晶体颗粒时，这是测定晶体固体结构最广泛使用的衍射方法。这些峰型被用来识别和测量不同的结构相和参数。粉末法是获得衍射数据的一种非常快速方便的方法，适用于所有晶体材料。采用Cu-K进行XRD分析α(1.5406 Å)在环境温度下的辐射，用于研究相结构、晶格参数和晶粒尺寸。研究了镧掺杂六铁酸锰钡(Ba_1.−x拉_x锰_Y铁_12−YO₁₉)如图所示2.．尖峰(012)、(220)、(114)、(311)、(210)、(400)、(217)、(039)、(411)和(132)分别位于24.12、30.22、34.20、35.50、40.62、42.36、49.61、57.13、63.24和70.24角。用JCPDS卡# 73-1964和# 44-0206鉴定了衍射峰的六方晶体结构。对钡的相纯度和晶体结构进行了x射线衍射分析_1.−x拉_x锰_Y铁_12−YO₁₉用镧取代法制备了六铁素体。

由于晶体结构中掺镧六铁氧体锰的取代，强度峰发生了变化。尖峰（311）朝着较低的角度向较高的角度移动，如图所示2..由于La（2.35）的较大离子半径，峰值（311）从较低角度向较高角度移动 Å）和Mn（0.91 Å）与六铁氧体离子相比，掺镧六铁氧体锰具有六方结构。

通过x射线衍射(XRD)，利用Scherrer方程可以计算出平均晶粒尺寸[14]： ,“D“是晶体的大小，”λ"是波长，"β是最大宽度的一半，并且θ是布拉格角。随着镧浓度的增加，强度峰增大，表明结晶度增强，晶粒尺寸增大。结晶样品的平均尺寸由峰的宽度通过谢勒关系确定。平均晶粒尺寸分别为13.10、13.61、14.80、15.77和16.19 nm，如图所示3.，对于镧浓度分别为0.02、0.04、0.06.0.08和0.10 mol的样品。结晶尺寸值见表1.．

晶格参数"A.”和“C的计算公式如下:

这里,(hkl)是米勒指数，”D为平面间距，且A.”和“C为晶格常数。

六边形结构的体积可由以下公式确定: ,“v“是音量和”A.”和“C是六铁素体的晶格常数。

材料的紫外-可见吸收和带隙能是分析半导体材料光学性质的高能技术_1.−x拉_x锰_Y铁_12−YO₁₉(x = 0.02至0.08和Y= 0.2 ~ 0.8)， La-Mn六铁素体的紫外-可见吸收光谱如图所示4.．数字4.显示了Ba的吸收光谱_1.−x拉_x锰_Y铁_12−YO₁₉波长在300到900 nm之间。当波长从360 nm增加到500 nm时，吸光度从0.5急剧增加到1;当波长从500 nm增加到900 nm时，吸光度从1逐渐增加到1.15。这个峰是内层电子跃迁的标志。在低波长和高波长两侧有一个较小的峰移，分别是蓝移和红移的原因。在Tauc图中画出正切，得到如图所示的能隙为(1.13 eV, 0.77 eV, 0.74 eV, 0.72 eV, 0.71 eV)4.．

掺镧锰六铁素体样品的能带能大于堂吉诃德能。通过Tauc图模式，我们确定了能量与(hνα)^2.从紫外可见吸收。

绘制(hνα)^2.与光子能量(hν)表示某一区域的直线。陶克曲线方程是 在哪里A.是吸收常数，如是带隙能量，和hν是光子能量。的γ是电子跃迁的类型是1/2 2 3/2和3。的γ=½对应于半导体材料的直接带隙。用这个方程计算理论能的带隙:

计算公式为

在这里,Ab吸光度和T是比色管的厚度。

带隙能量(如= 1.13 eV, 0.77 eV, 0.74 eV, 0.72 eV, 0.71 eV)如表所示2.，随试样Ba的增加而逐渐减小_1.x拉_x锰_Y铁_12−YO₁₉(x = 0.02至0.10和Y= 0.2 ~ 0.10)如图所示5.．随着镧浓度的增加，导带宽度和价带宽度减小，导致禁带宽度减小。此外，随着镧浓度的增加，带隙值减小，意味着带内的能级降低，每个电子从价带跃迁到导带所需的能量增加。

用扫描电镜研究了Ba1−xLaxMnyFe12−yO19的微观结构和表面性能，如图所示6.．SEM图像的形状为不规则的立方体、螺旋形、环状和棒状，如图所示6.．显微照片观察到，材料基本上是由一些环或棒状的粒子，如纯的La-Ma在六铁酸钡(图)6.(a))，并且随着镧浓度的增加，这些粒子的团聚也发生增加。观察到的团聚是由于在600°C的热行为或可能是浓度效应。在Fe中引入La可以产生更多的氧原子空穴^＋３钡铁氧体的位置。烧结速率显著改善了制备样品的晶粒尺寸。在较高的镧浓度下，团簇的形成是由于镧和锰的顺磁和铁磁行为的交换。所有成分的扫描电镜图像都呈现出不均匀的粒度分布，表面边缘锐利。

傅里叶变换红外光谱(FT-IR)是一种用于生成材料的红外辐射吸收光谱的分析方法。Ba的FT-IR分析_1.−x拉_x锰_Y铁_12−YO₁₉(x-0.10 = 0.02,Y= 0.2-0.10)在400 ~ 4000 cm波数范围内研究了六方铁素体^−1.，如图所示7.．通过FT-IR光谱对样品中存在的有机聚吡咯(PPy)和无机瘦体质量(LBM)元素进行鉴定。FT-IR谱峰为465 cm^−1., 610厘米^−1., 1128厘米^−1., 1380厘米^−1., 1628 厘米^−1., 1988厘米^−1., 2920 厘米^−1., 3458厘米^−1.、3735厘米^−1.如图所示7.．第一波段在440到540厘米之间^−1.归因于铁的振动^３＋- o^2.−在八面体簇，和第二波段540至600厘米^−1.表明Fe^３＋- o^2.−在晶体位置的四面体簇（9-10）。由于镧（La）的浓度增加^３＋)，随着镧含量的增加，吸收带逐渐变宽，频率降低。掺镧锰钡六铁酸盐的FT-IR光谱表明，制备的样品中Ba的污染量不大_1.−x拉_x锰_Y铁_12−YO₁₉．

4.结论

标称成分为Ba的La-Mn取代钡铁氧体_1.−x拉_x锰_Y铁_12−YO₁₉(x = 0.02–0.08和Y = 0.2–0.8)La-Mn取代钡六铁氧体的磁性能包括大的磁各向异性、大的饱和磁化强度、高的电阻率、高的居里温度和良好的化学强度，因为这些化合物可以在更高的频率下用作共沉淀法与石榴石和尖晶石铁氧体相关。使用XRD、UV、FT-IR和SEM技术进行结构研究。XRD分析显示纯六角结构。使用Scherrer公式计算磁性材料的晶粒尺寸。煅烧样品的平均晶粒尺寸在13–22之间 通过紫外光谱测量样品的吸收率。随着样品浓度的增加，能带隙逐渐减小。导带和价带的带宽随着镧浓度的增加而减小，这导致带隙减小。所有成分的SEM显微图像均显示不均匀的g雨水粒径分布，表面有锐边。由于600°C下的热处理或可能是浓度效应，观察到结块。显微照片观察到材料基本上由一些环或棒组成，例如六铁氧体钡中纯La-Ma的颗粒（图6.(a))，并且随着镧浓度的增加，这些粒子的团聚也发生增加。通过FT-IR光谱对样品中存在的有机聚吡咯(PPy)和无机瘦体质量(LBM)元素进行鉴定。

数据可用性

本文包含了用于支持本研究结果的XRD、SEM、FT-IR和UV数据。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

参考文献

1. M. Ahmad, F. Aen, M. U. Islam, S. B. Niazi, M. U. Rana，“la -取代w型六方铁氧体的结构、物理、磁性和电学性质”，国际陶瓷，第37卷，第8期，第3691-36962011页。视图:出版商的网站|谷歌学者
2. K. K. Kefeni, T. A. M. Msagati, B. B. Mamba，“铁氧体纳米粒子的合成、表征和在电子器件中的应用”，材料科学与工程:B， vol. 215, pp. 37-55, 2017。视图:出版商的网站|谷歌学者
3. R. R. Kanna等，“镧对Mn的结构、光学、介电和磁性的影响_1.−x铜_x铁_1.．85 la0。15 o_4.尖晶石nanoferrites。”国际陶瓷，第43卷，第17期，第15868-15879页，2017年。视图:谷歌学者
4. M. Ayub, I. H. Gul, K. Nawaz, K. Yaqoob，“稀土和过渡金属La-Mn取代对共沉淀m型钡铁氧体纳米粒子电性能的影响”，稀土学报，第37卷，第2期，第193-197页，2019年。视图:出版商的网站|谷歌学者
5. M.A.Almessiere，F.Genc，H.Sozeri，A.Baykal，S.V.Trukhanov和A.V.Trukhanov，“电荷歧化对Zn-Nd取代Sr六铁氧体微波特性的影响，”材料科学学报:电子材料，第30卷，第2期7, pp. 6776-6785, 2019。视图:出版商的网站|谷歌学者
6. K. A. Korolev, C. Wu, Z. Yu, K. Sun, M. N. Afsar, V. G. Harris，“在毫米波频率下La-Co取代钡六铁氧体的可调谐铁磁共振”，每年的进步，第8卷，第2期5、文章编号056440,2018。视图:出版商的网站|谷歌学者
7. A. R. A. Dairy, L. A. Al-Hmoud，和H. A. Khatatbeh，“钛掺杂六铁酸钡纳米粒子的磁性和结构特性”，对称，第11卷，第5期。6, p. 732, 2019。视图:出版商的网站|谷歌学者
8. a.m. M. Awadallah和M. Sami，钡和铁的制备条件及金属离子取代对m型六铁酸钡性能的影响，约旦大学，安曼，约旦，2014。
9. A.-F。Lehlooh, R. Alghazo, F. Rawwagah, A. Hammoudeh, and S. Mahmood，“Mössbauer共沉淀法制备y型六铁素体(Ba2Co2Fe12O22)的光谱研究，”超精细相互作用，第241卷，第1期，第21页，2020年。视图:出版商的网站|谷歌学者
10. C. C. Chauhan, A. R. Kagdi, R. B. Jotania et al.，“Co-Zr取代m型六方钙铁氧体纳米粒子的结构、磁性和介电性能α菲_2.O_3.阶段,“国际陶瓷，第44卷，第5期。15, pp. 17812-17823, 2018。视图:出版商的网站|谷歌学者
11. I. A. Auwal, H. Güngüneş， A. Baykal, S. Güner, S. E. Shirsath，和M. Sertkol，“Bi的结构、形态、光学、阳离子分布和Mössbauer分析^３＋代替锶hexaferrite。”国际陶瓷，第42卷，第2期7, pp. 8627-8635, 2016。视图:出版商的网站|谷歌学者
12. P. Behera和S. Ravi，“Ni掺杂对m型六铁酸钡结构、磁性和介电性能的影响”，固体科学，第89卷，第139-149页，2019。视图:出版商的网站|谷歌学者
13. D. Suzuki, N. Sakamoto, K. Shinozaki, H. Suzuki, N. Wakiya，“沉积过程中的磁场效应对BaFe晶体结构和磁性能的影响₁₂O₁₉在磁场中使用PLD制备的薄膜（动态极光PLD），”日本陶瓷学会学报，第121卷，第1409号，第45-48页，2013年。视图:出版商的网站|谷歌学者
14. F. B. Abdallah, A. Benali, M. Triki, E. Dhahri, K. Nomenyo，和G. Lerondel，“双掺杂镧铁氧体的结构、形态、光学和电学性质的研究”，材料科学学报:电子材料，第30卷，第4期，第3349-3358页，2019年。视图:出版商的网站|谷歌学者

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