通过界面工程设计的尖晶石/六铁氧体新型纳米复合材料，其在X波段频率应用中展现出优异的磁介电性能

《Journal of Alloys and Compounds》：Interface-Engineered Spinel/Hexaferrite Novel Nanocomposites with Enhanced Magneto-Dielectric Properties for X-Band Frequency Applications

本研究通过固相反应法合成Ni0.5Zn0.5Bi0.04Fe1.96O4与BaCoFe11O19的六角尖晶石复合铁氧体，作为X波段（8-12GHz）天线基板，实现低损耗（介电损耗tanδε=0.017-0.035，磁损耗tanδμ=0.028-0.045）与高电磁性能平衡，最优样品SF70反射损失达-13.5dB，阻抗匹配接近 unity，适用于微型化天线和高频器件。

　　

阿图尔·塔库尔（Atul Thakur）| 萨尔塔克·卡尔班达（Saarthak Kharbanda）| 法尤·万（Fayu Wan）| 桑斯克里蒂（Sanskriti）| 比乔伊·库马尔·库安尔（Bijoy Kumar Kuanr）| 普里蒂·塔库尔（Preeti Thakur）

南京信息科学与技术大学电子与信息工程学院，中国南京

摘要

本研究通过固态反应方法合成了一系列由Ni_0.5Zn_0.5Bi_0.04Fe_1.96O₄和BaCoFe₁₁O₁₉组成的六尖晶石复合铁氧体，以探讨其作为X波段（8-12 GHz）天线微型化磁电基底的适用性。X射线衍射（XRD）分析证实形成了双相结构，晶粒尺寸在26至42 nm之间，晶格参数表明离子替代成功。高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）显示了纳米级晶粒和均匀的元素分布。振动样品磁强计（VSM）测量结果显示其磁性能可调，饱和磁化强度从66.31 emu/g（SF30）变化到44.64 emu/g（SF50），矫顽力从458 Oe降低到98 Oe，表明表现出软磁行为。复合材料的介电常数实部（ε′）在8-12 GHz范围内为3.9至3.0，磁导率实部（μ′）随频率增加从1.1降至0.8。介电损耗和磁损耗 tangent 值较低，tanδ_ε在0.035-0.017之间，tanδ_μ在0.045-0.028之间。值得注意的是，反射损耗值在SF70时达到-13.5 dB，带宽覆盖整个X波段。复合材料的阻抗特性接近单位值，确保了最小的反射和高效的波吸收。与传统基底（如FR4，ε_r ≈ 4.4，tanδ ≈ 0.02）相比，我们的合成复合材料具有更好的介电常数-磁导率平衡、低损耗和优异的微型化潜力，使其成为下一代天线应用的理想候选材料。

引言

无线通信系统、雷达技术和物联网（IoT）设备的指数级增长迫切需要能够在微波频段（尤其是X波段（8–12 GHz）高效工作的紧凑型高性能天线[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。天线微型化的关键挑战在于开发能够在最小化损耗的同时保持阻抗匹配的基底材料[10]。传统的介电基底（如FR4、PTFE和陶瓷）由于其相对磁导率（μ′ ≈ 1）较低，通常无法满足这些要求，导致天线尺寸较大且带宽受限。因此，人们开始关注磁电材料，这类材料兼具高介电常数实部（ε′）和磁导率实部（μ′），能够在不牺牲性能的情况下显著减小天线尺寸。在磁电材料中，基于铁氧体的材料（如尖晶石铁氧体（如Ni-Zn铁氧体）和六铁氧体（如BaFe₁₂O₁₉和BaCoFe₁₁O₁₉）因其优异的磁性和介电性能、热稳定性、化学耐受性和经济可行的合成方法而备受关注[11]、[12]、[13]、[14]。然而，尖晶石铁氧体虽然具有可调的磁性和介电行为，但饱和磁化强度较低且各向异性中等。相比之下，六铁氧体具有高各向异性和磁硬度，但在软磁应用或阻抗匹配系统中难以集成[15]、[16]、[17]。因此，将这两种铁氧体家族战略性地结合到双相复合基质中，为针对特定频段设计具有协同增强磁电性能的材料提供了新途径[18]、[19]。在本研究中，我们报道了一种新型纳米复合材料（x）Ni_0.5Zn_0.04Fe_1.96O₄ + (1-x)BaCoFe₁₁O₁₉），通过传统的固态反应方法合成。Ni-Zn铁氧体中少量铋（Bi3?）替代Fe3?位点，作为尖晶石铁氧体组分；六铁氧体组分则掺杂了钴（Co2?）的BaFe₁₂O₁₉。掺杂剂的选择是基于它们在调节宿主铁氧体晶格电磁性能中的独特作用。Bi3?掺杂引入晶格畸变，并由于其较大的离子半径和6s2孤对电子增强介电极化，促进界面极化并提高介电常数。此外，Bi替代还可以通过晶界修饰降低介电和磁损耗[20]。Co2?掺杂则增强磁各向异性，并在复合基质中平衡时降低矫顽力，从而改善软磁行为。

所得到的六尖晶石双相结构结合了改性尖晶石的低损耗和高介电响应以及钴掺杂六铁氧体的强磁性能。这种双相设计实现了X波段内电性和磁响应的组分调节，获得了对天线微型化至关重要的介电常数-磁导率平衡。此外，两种相的存在促进了界面耦合，增强了阻抗匹配和电磁波吸收能力。包括使用Rigaku Miniflex台式X射线衍射仪（XRD）、Renishaw In-via傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）、Thermo Scientific TALOS S CRYO-TEM（200 KV）进行的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）以及能量色散X射线分析（EDX）在内的广泛表征，证实了复合结构的成功形成，具有纳米级晶粒尺寸和均匀的元素分布。使用microsense公司的振动样品磁强计（VSM）和Keysight PNA网络分析仪的矢量网络分析仪（VNA）测量了磁性和介电性能，揭示了可调节的饱和磁化强度（σ_s）、矫顽力（H_c）以及介电常数实部（ε′）和磁导率实部（μ′）值。特别是含有70%尖晶石相（SF70）的样品在X波段表现出出色的反射损耗（-13.5 dB）和接近单位的阻抗特性以及最小的损耗tanδ值，使其成为高性能射频和天线微型化的有力候选材料。尽管许多研究中描述了磁电铁氧体和基于铁氧体的复合材料在微波应用中的潜力，但在X波段实现低损耗、高磁导率、适中介电常数和可靠阻抗匹配的平衡仍具有挑战性。大多数已描述的系统要么依赖于未优化的复合设计，要么使用单相铁氧体，这往往以牺牲其他电磁参数为代价。本研究提出了一种六尖晶石双相纳米复合技术，其中仔细结合了钴掺杂的钡六铁氧体和Bi替代的Ni-Zn尖晶石铁氧体，以利用它们互补的电磁性能。

本研究因此介绍了一种功能梯度化的六尖晶石复合材料，具有可控的磁软度、低电磁损耗和可调的介电行为，为紧凑型天线基底和下一代高频设备提供了新的材料类别。该工作突显了协同设计的掺杂和混合相技术在纳米尺度上定制多功能性能的有效性，适用于先进的电磁应用。

铋替代NiZn尖晶石纳米铁氧体的合成

尖晶石（软）铁氧体纳米颗粒是使用标准的柠檬酸前驱体工艺合成的。使用双蒸水将高纯度前驱体材料Fe(NO₃)₃·9H₂O（98%）SRL、Zn(NO₃)₂.6H₂O（98%）SRL、Ni(NO₃)₃.4H₂O（99%）SRL和BiCl₃（98%）SRL溶解在烧杯中。在90 ?C的恒定温度下，将100 ml金属硝酸盐溶液与一定量的柠檬酸混合，制备出均匀溶液。然后将样品冷却至室温。

X射线衍射（XRD）

使用X射线衍射（XRD）分析了合成的六尖晶石复合材料的结构特性，如图1所示。XRD图案证实形成了包含六方相和尖晶石铁氧体相的双相复合结构[21]。根据XRD数据计算了晶格参数、晶粒尺寸、位错密度和微应变，结果总结在表1中。

结论

对合成的六尖晶石复合铁氧体的全面形态学、结构、磁性和电磁分析证实了其作为微型化X波段天线的多功能基底的强大潜力。这种多相结构结合了Ni_0.5Zn_0.04Fe_1.96O₄尖晶石铁氧体和BaCoFe₁₁O₁₉六铁氧体，表现出良好的结晶度和26-42 nm范围内的颗粒尺寸。磁性能高度可调，矫顽力从458 Oe降低。

利益冲突声明

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致谢

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作者协议/声明

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