深度铝掺杂的钡六铁氧体中双磁矩重组的影响

《Journal of Alloys and Compounds》：The effect of double magnetic moment reorganization in deeply aluminum-doped barium hexaferrite

铝取代钡六角铁氧体晶体结构中，铝离子按层状分布机制取代铁离子，形成非磁中间层分隔磁子晶格，在加热时实现磁矩重取向形成新磁子晶格而不改变相组成。研究通过量子化学计算、中子衍射及穆斯堡尔谱证实取代机制。

　　

斯韦特兰娜·A·古德科娃（Svetlana A. Gudkova）| 格列布·M·齐尔尼克（Gleb M. Zirnik）| 亚历山大·S·切尔努卡（Alexander S. Chernukha）| 叶戈尔·A·什拉姆科夫（Egor A. Shramkov）| 伊丽莎白娃·D·希普科娃（Elizaveta D. Shipkova）| 尼古拉·S·佩罗夫（Nikolai S. Perov）| 丹尼斯·A·潘克拉托夫（Denis A. Pankratov）| 丹尼尔·A·乌恰耶夫（Daniil A. Uchaev）| 阿莉娅·R·马萨利莫娃（Aliya R. Masalimova）| 丹尼斯·A·维尼克（Denis A. Vinnik）

莫斯科物理技术学院（MIPT），俄罗斯莫斯科州多尔戈普鲁德尼（Dolgoprudnyi），邮编141701

摘要

M型六铁氧体晶体结构因其作为替代基体的潜力而受到关注，这种替代可以改变材料的性质。本文介绍了铝替代钡六铁氧体（BaFe₈Al₄O₁₉）的研究结果。研究发现，阳离子替代是逐层进行的，即位于12k位置的铝离子形成了一个非磁性层，该层将磁性子晶格分隔开，并在加热过程中使磁矩重新定向，从而形成新的磁性子晶格，而不会改变相组成。通过量子化学计算、中子衍射和穆斯堡尔光谱技术确认了铝离子在晶体结构中的分布。温度磁强测量和温度中子衍射实验也证实了材料存在两个不同的磁转变温度。

引言

在过去十年中，由于六铁氧体结构的可改性性和对其性质的深入研究，它们在科学和技术领域得到了广泛应用[1]、[2]、[3]。在六铁氧体中，铝是最常用的铁离子替代剂。

最初，铝的替代浓度较低，目的是为了改变材料的磁性能[4]、[5]、[6]。随后对钡六铁氧体进行了进一步改性，不仅通过用铝离子替代铁离子来实现矫顽力的变化，还采用了不同的合成技术（如固相法、溶胶-凝胶法等），这些技术可以改变陶瓷材料的颗粒大小[3]、[7]、[8]。主要研究了这些固态溶液的电学性质[9]、[10]、[11]、磁性质[12]、[13]以及微波性质[14]、[15]、[16]。

铝替代的钡六铁氧体单晶也形成了一个独立的研究方向，其中BaAl_xFe_12-xO₁₉（x最大为3）单晶的替代程度受到了关注[17]。

已有研究探讨了用第三方离子（如铝）替代钡六铁氧体中的铁离子[18]、[19]，还有一些研究关注用铝替代中心的Ba²⁺离子[20]，还有研究同时用两种不同离子替代钡和铁离子[21]、[22]。这些研究还探讨了掺杂对材料结构、磁性和介电性能的影响。

现有研究主要集中在宏观磁特性和晶体结构变化上，但尚未涉及高替代水平下材料磁性子晶格的变化及其替代机制。因此，本文的研究结果具有原创性和新颖性。

模型方法

建模方法

采用量子化学方法评估了铝替代铁在初始钡六铁氧体（BaFe₁₂O₁₉）中的可能机制。研究了单晶晶格中包含八个和十二个铁原子的替代系统。使用Python编程语言库ASE[23]和GPAW[24]（一种用于原子建模和网格实现的投影增强波方法）来解决这一问题。

样品合成

尽管已经有多种制备铁氧体的方法

铝替代的建模

计算的目的是确定替代系统的势能，并将其与原始钡六铁氧体的势能进行比较。实验数据和估算计算表明，铁替代对晶体参数的影响微乎其微；因此，本研究未考虑晶格变形对势能变化的影响。

在初始的BaFe₁₂O₁₉晶体结构中，根据铁原子的位置不同，可以区分出五种类型的铁原子

结论

通过量子化学建模方法，理论上确定了铝离子在钡六铁氧体（BaAl₄Fe₈O₁₉）中的替代位置：三个铝离子位于12k位置，一个位于4f₂位置。为了进行实验验证，通过溶胶-凝胶法制备了粉末样品。X射线衍射方法确定了样品的单一相组成。量子化学计算结果通过中子衍射和穆斯堡尔光谱得到了验证。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能会影响本文的研究结果。

致谢

穆斯堡尔分析工作是根据莫斯科国立大学（Lomonosov Moscow State University）的任务“利用离子辐射解决核能和环境安全问题以及材料诊断”（项目编号122030200324-1）进行的。