通过柠檬酸溶胶-凝胶自燃法制备RE-Yb3+掺杂的CuMg纳米颗粒，用于磁电应用：研究其结构、光学、电学和磁学性质

Yb掺杂Cu-Mg-Fe-O4纳米 Ferrite通过柠檬酸溶胶自燃法合成，XRD显示立方尖晶结构，平均晶粒尺寸36.38 nm。FE-SEM和TEM表明Yb3?掺杂优化了颗粒分散性并略微增大尺寸，FT-IR验证了Fe-O键特征峰。光学带隙从3.35 eV降至2.81 eV，电阻率随温度升高而下降，介电性能符合标准模型。CMYF-5样品矫顽力达204.44 Oe，饱和磁化率21.799 emu/g，适用于高频器件、磁记录及磁电复合材料。

　　

G. Vinod|J. Prashanth|N. Harikumar|N. Suryam|Gajula Kiran|K. Sudhakar|B. Sreematha|Byru Venkatram Reddy|L. Naga Prasad|J. Laxman Naik

海得拉巴Teegala Krishna Reddy学院物理系，500097，印度

摘要

本研究采用柠檬酸溶胶-凝胶自燃法制备了掺Yb³⁺的Cu_0.7Mg_0.3Fe₂O₄（Cu_0.7Mg_0.3Fe_2-xYb_xO₄；x = 0.00, 0.004, 0.008, 0.012, 0.016, 0.020）铁氧体纳米颗粒。P-XRD观察证实了存在尺寸在35.84 nm至37.92 nm之间的纳米尖晶石晶体。根据FE-SEM和TEM数据，Yb³⁺掺杂改善了晶粒分散性并略微增加了晶粒尺寸。所有FE-SEM显微图均显示了球形、结构良好的多晶颗粒，这些颗粒由多个晶粒组成。FT-IR测量识别出两个铁氧体特征带，即υ₁（约386–401 cm^?1）和υ₂（约510–574 cm^?1）。额外的Yb³⁺掺杂使光学带隙从3.35 eV降低到2.81 eV。随着温度的升高，铁磁区和顺磁区的直流电阻率均下降。CMYF纳米铁氧体在介电常数、介电损耗和交流导电性方面表现出标准的介电行为。掺Yb的CuMg纳米铁氧体材料的较低损耗正切值有利于偏转耦合和高频应用。随着稀土Yb³⁺离子的添加，矫顽力（Hc）增加，饱和磁化强度（Ms）减小。CMYF-5具有最高的矫顽力（204.441 Oe）和最低的饱和磁化强度（21.799 emu/g），使其适用于高频、微波和磁记录应用，以及需要磁稳定性和低损耗的磁电复合材料应用。

引言

尖晶石铁氧体（通用化学式为MFe₂O₄，其中M为二价金属离子，如Cu²⁺、Zn²⁺或Ni²⁺）因其结构适应性、环境耐受性和在电子、磁性和催化应用中的多功能性而受到广泛关注[1]、[2]、[3]。钇（Ytterbium）是一种稀土金属，赋予铁氧体卓越的光学和磁性性能，使其在催化、药物输送和能量存储等领域表现更好。然而，传统的制备掺Yb³⁺铁氧体纳米颗粒的方法使用有毒化学物质，消耗大量能源，并对环境产生不利影响。这促使人们开发了“柠檬酸凝胶自燃”方法，这种方法比传统方法更环保、成本更低、更耐用[4]。通过环保方法合成掺Yb的铁氧体纳米颗粒（包括掺Yb的Cu-MgFe₂O₄）是一个有前景的研究领域。其中，铜铁氧体（CuFe₂O₄）由于其混合价态、半导体性质以及可调的磁性和电子性能而受到广泛研究[5]。CuFe₂O₄通常根据Cu²⁺和Fe³⁺阳离子在四面体和八面体位点的分布不同，结晶成四方或立方尖晶石结构。研究表明，在CuFe₂O₄晶格中替换某些稀土金属离子可以增强多种性能。Cu²⁺是一种倾向于占据四面体位点的非磁性离子，它可以降低矫顽力并通过溶解A位点和B位点之间的超交换作用来改善介电行为。镁铁氧体的显著铁磁性能主要归因于Mg²⁺离子的反铁磁行为[6]、[7]。退火过程与晶格中Mg²⁺离子的排列密切相关。镁铁氧体可用于湿度传感、磁应用和气体传感。但研究人员正在通过用稀土元素替换其部分成分来改进它[8]。镁铁氧体（MgFe₂O₄）具有非常高的电阻率（>10⁷ Ω·cm）和非常高的磁导率。因此，原始的Cu-Mg尖晶石纳米铁氧体可能是一个优秀的磁电子系统，因为CuMgFe₂O₄同时具有CuFe₂O₄和MgFe₂O₄的优异性能。阳离子的分布、离子半径和替代元素主要决定了尖晶石纳米铁氧体的性质。有趣的是，稀土（RE）阳离子可以进入铁氧体晶格，由于其相对较大的离子半径而改变基体材料的物理性质[9]、[10]。铁氧体基体的磁性和光学特性与钇掺杂剂之间的特殊相互作用使得掺Yb的铁氧体纳米颗粒具有新颖性。钇对于改善铁氧体材料的磁性能至关重要，这归因于其4f电子配置[11]、[12]、[13]。Yb³⁺掺杂通过改变铁氧体的晶体结构、电荷分布和磁特性来增强其稳定性、磁化和比热容。因此，掺Yb³⁺的铁氧体是传感器、数据存储设备和磁共振成像（MRI）造影剂等前沿应用的理想选择。此外，使用各种铁氧体组合（如MgFe₂O₄和Mg-CuFe₂O₄）也有明显优势。由于MgFe₂O₄具有强磁性和良好的化学稳定性，它可以作为环境清理和磁设备的催化剂[14]、[15]。虽然有几种稀土掺杂的铁氧体，但尚不清楚Yb³⁺离子如何改变阳离子的分布，以及它们在CuMg尖晶石铁氧体中的磁交换相互作用。目前大多数研究集中在较轻的稀土掺杂剂上，而Yb³⁺可能由于其强大的4f轨道和较小的离子半径而与尖晶石晶格有不同的相互作用。本研究的假设是Yb³⁺改变了Fe³⁺-O^2?–Fe³⁺超交换相互作用，扭曲了晶格，并优先占据八面体位点。这些变化可能会影响带隙、矫顽力和磁化强度。本研究的目的是阐明Yb³⁺与其他稀土（RE）掺杂剂在改变CuMg铁氧体性质方面的差异[4]、[16]、[17]、[18]。该方法解决了结构修饰与功能性能之间的重要知识空白。

本研究的目标是研究掺Yb³⁺的CuMg铁氧体纳米颗粒（Cu_0.7Mg_0.3Fe_2-xYb_xO₄（0.00 < x < 0.020）软铁氧体（CMSF-软铁氧体）。向铁氧体中添加稀土Yb³⁺金属可以通过改变阳离子的分布来改变其结构性质，通过修改磁矩之间的交换相互作用来改善其磁性质，并通过引入改变其电能传导能力的陷阱来改善其介电性质。这些含有过渡金属的铁氧体可用于电磁干扰（EMI）屏蔽、高频变压器、微波通信和磁存储设备。

实验部分

当前研究使用六水合硝酸镁[Mg (NO₃)₂.6H₂O]（99.9% Sigma-Aldrich）、六水合硝酸铜[Cu (NO₃)₂.6H₂O]（99.9% Sigma-Aldrich）和六水合硝酸钇[Yb (NO₃)₃·5H₂O]、九水合硝酸铁[Fe (NO₃)₃ 9H₂O]（99.9% SRL化学，印度）分别合成了Cu_0.7Mg_0.3Fe_2-xYb_xO₄纳米铁氧体。在任何额外纯化之前，铁氧体是使用从Sigma-Aldrich获得的盐和试剂合成的。我们使用了这些硝酸盐

CMYF纳米铁氧体的P-XRD分析

图2(a)显示了在700°C下退火的Cu_0.7Mg_0.3Yb_xFe_2-xO₄样品（x = 0.00–0.020）的XRD图案。所有样品均表现出高结晶度的单相立方尖晶石结构。在2θ = 18.20°、30.22°、35.57°、37.24°、43.25°、53.63°、57.14°和62.46°观察到的衍射峰分别对应于（111）、（220）、（311）、（222）、（400）、（422）和（511）晶面。

这些峰与CuMgFe?O?的ICDD卡片No. 01–080-6487非常吻合，证实形成了纯尖晶石

CMYF纳米铁氧体的结论

本研究展示了用Yb³⁺替代Fe³⁺如何影响CuMg铁氧体纳米晶体的形态、结构和磁性质。未掺杂和掺Yb³⁺的Cu_0.7Mg_0.3Yb_xFe_2-xO₄样品（CMYF-0至CMYF-5组成）的尖晶石立方结构（由Fd-3 m空间群表征）进行了研究。随着掺杂水平的增加，由于钇的较大离子半径，晶粒尺寸、晶胞体积和晶格参数均有所增加。

CRediT作者贡献声明

G. Vinod：撰写——初稿。J. Prashanth：方法论。N. Harikumar：撰写——审阅与编辑。N. Suryam：方法论。Gajula Kiran：方法论。K. Sudhakar：方法论。B. Sreematha：方法论。Byru Venkatram Reddy：方法论。L. Naga Prasad：方法论。J. Laxman Naik：方法论。

作者贡献

G. Vinod：方法论和实验装置的最终确定，创新草稿的准备工作；Tota Jagadish和J. Prashanth：样品表征；N. Hari Kumar：实验装置，结果验证；J. Laxman Naik和Byru Venkatram Reddy：草稿准备，K. Sudhakar和Gajula Kiran：期刊投稿。

资金

作者声明在准备本手稿期间未收到任何资金、资助或其他支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

其中一位作者G. Vinod感谢新德里CSIR-HRDG在授权号09/132(0879)/2018-EMR-1（CSIR, JRF-SRF）下的财政支持。所有作者感谢奥斯曼尼亚大学科学学院物理系的支持。