定制掺镱的稀土尖晶石铁氧体：针对微波应用对其结构、磁性、振动和介电性能的全面分析

《Materials Chemistry and Physics》：Tailoring Rare Earth Yb-Doped Spinel Ferrites: A Comprehensive analysis of Structural, Magnetic, Vibrational, and Dielectric Properties for Microwave Applications

Yb掺杂ZnFe2O4尖晶石铁氧体微波介电性能研究：通过溶胶-凝胶自燃法合成x=0.00-0.10的ZnYb_xFe_(2?x)_O4纳米材料，XRD证实晶体结构稳定，HRTEM显示粒径分布均匀。磁性测试表明掺杂量0.075时磁化强度达64.61 emu/g，矫顽力15.71-24.41 Oe，形成软磁单畴结构。矢量网络分析仪测得x=0.075样品反射损耗-28.86dB，较未掺杂体材料提升显著，归因于Yb3+离子增强晶格缺陷极化和界面极化效应，为微波器件和天线应用提供新思路。

　　

穆罕默德·优素福（Muhammad Yousaf）| 阿斯玛·努尔（Asma Noor）| 阿里·瓦卡尔（Ali Waqar）| 阿尔希德·马哈茂德·阿里（Arshid Mahmood Ali）| 乌扎伊尔·海亚特（Uzair Hayat）| 马吉德·尼亚兹·阿克塔尔（Majid Niaz Akhtar）| 库拉姆·沙赫扎德（Khurram Shahzad）| 穆罕默德·阿克巴尔（Muhammad Akbar）| 陆宇正（Yuzheng Lu）

福建泉州信息工程大学机械与电气工程学院，中国泉州362000

摘要

含有稀土氧化物的尖晶石铁氧体材料被认为是解决众多科学和技术领域关键问题的主要候选材料。本文制备了ZnYb_xFe_2-xO₄（x=0.00, 0.025, 0.05, 0.075, 0.1）样品，并对其结构、磁性、振动特性以及作为微波和天线材料的介电性能进行了研究。结构稳定的稀土Yb掺杂尖晶石铁氧体增强了缺陷极化和界面极化，从而改善了其磁性和介电性能。当x=0.075时，ZnYb_xFe_2-xO₄表现出最大的反射损耗（RL）为-28.86 dB，相比原始的ZnFe₂O₄具有显著的微波衰减效果。观察到的M-H曲线表明其具有软磁伪单畴结构，矫顽力（15.71 Oe至24.41 Oe）和饱和磁化强度（53.02 emu/g至64.61 emu/g）。这些结果为稀土Yb掺杂氧化物在微波设备和下一代天线系统中的应用提供了理论基础。

引言

尖晶石铁氧体因其独特的电性和磁性耦合而被认为是高磁性的材料。这类材料广泛应用于磁记录、微波设备、电绝缘材料、存储元件以及其他高频电子技术[1]。此外，在生物医学和传感领域也备受关注，例如疾病催化治疗、靶向药物输送系统、磁共振成像（MRI）和磁热疗法[2]。MFe₂O₄是尖晶石铁氧体的化学式，其中M代表Ni、Co、Zn等元素，占据四面体（A）位点，而Fe占据八面体（B）位点，氧离子形成密排的面心立方结构[3][4]。尖晶石铁氧体具有钴基尖晶石铁氧体的独特电学、磁性和光学特性，其晶体结构为反尖晶石型，属于空间群Fd-3m，引起了广泛的研究兴趣[5]。在尖晶石家族中，锌铁氧体是一种重要的类型，由于其较高的机械强度、优异的磁性和化学稳定性而受到许多研究人员的关注[6]。选择合适的掺杂剂来改善ZnFe₂O₄的磁性是研究人员面临的重要挑战。通过替代四面体或八面体位点的阳离子，可以显著改变锌铁氧体的物理和化学性质[8]。稀土镧系元素常用于改性钴铁氧体的性能，它们优异的绝缘性和高电阻使其具有优良的特性[9]。为了制备具有独特性质的磁性纳米颗粒，许多研究人员最近使用稀土（RE）离子作为掺杂元素。此外，稀土离子的取代强烈影响了尖晶石铁氧体的介电、结构和磁性。适当的高离子半径会导致铁氧体晶格的膨胀[10]。RE离子中未配对4f电子的轨道结构对改变磁各向异性至关重要。M. Hashim等人对Ce和Dy替代钴铁氧体的效果进行了分析，发现增加Ce和Dy的浓度会抑制磁响应[12]。AB. Kadam等人报告了Gd³⁺掺杂钴铁氧体的结果，发现Gd浓度增加会导致介电常数持续升高[13]。A. Kumar等人合成了Gd掺杂的钴铁氧体，发现随着稀土氧化物浓度的增加，介电常数持续降低[14]。因此，在本研究中，将稀土镱（Yb³⁺）氧化物掺入锌铁氧体中。由于4f电子的局域化特性，Yb³⁺具有较高的磁矩、显著的磁致伸缩效应和强的磁晶各向异性。稀土氧化物的主要特性是显著的自旋-轨道耦合和未配对电子的存在[15]。Yb³⁺离子的4f轨道中含有未配对电子，因此表现出顺磁行为。与Fe³⁺离子相比，Yb³⁺的离子半径较大，导致晶格膨胀。因此，Yb³⁺在B位点替代三价Fe离子可能改善尖晶石铁氧体的磁性和电性能，使其更适合技术应用。基于以上分析，选择了ZnYb_xFe_2-xO₄（x=0.00, 0.025, 0.05, 0.075, 0.1）组成，并采用溶胶-凝胶自燃法制备了样品。本研究利用傅里叶变换红外（FTIR）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）和矢量网络分析仪（VNA）等技术探讨了Yb掺杂尖晶石铁氧体的物理、结构和介电性能。

材料

使用了Zn(NO₃)₂·6H₂O（99.9%，Sigma-Aldrich）、Yb(NO₃)₂·6H₂O（99.9%，Sigma-Aldrich）、Fe(NO₃)₃·9H₂O（99.99%，Sigma-Aldrich）和柠檬酸（C₆H₈O₇，纯度99.59%，MACLIN）以及氨水（NH₄OH-SCR）。

样品制备

采用溶胶-凝胶自燃法制备了ZnYb_xFe_2-xO₄（x=0.00, 0.025, 0.05, 0.075, 0.1）样品。将六水合硝酸锌（Zn(NO₃)₂·6H₂、六水合硝酸镱（Yb(NO₃)₂·6H₂和九水合硝酸铁（III）（Fe(NO₃)₃·9H₂O）溶解在去离子水中

结构分析

使用X射线衍射（XRD）分析了不同x值（x=0.00, 0.025, 0.05, 0.075, 0.1）的ZnYb_xFe_2-xO₄的结构和成分特征，即尖晶石相的形成。所得XRD图谱显示尖锐且定义明确的衍射峰，表明样品具有良好的结晶性。观察到的反射峰对应于（111）、（220）、（311）、（222）、（400）、（422）、（511）、（440）和（620）晶面

结论

制备的ZnFe₂O₄（ZnYb_xFe_2-xO₄，其中x=0.0, 0.025, 0.050, 0.075, 0.10）纳米颗粒具有多功能性，使其成为微波吸收器和天线等应用的理想候选材料。本研究采用微波辅助的溶胶-凝胶自燃法合成了Yb³⁺掺杂的尖晶石铁氧体，并系统地测试了其结构、磁性、振动和介电性能。

CRediT作者贡献声明

阿尔希德·马哈茂德·阿里（Arshid Mahmood Ali）： 数据管理、研究方法、软件应用。 库拉姆·沙赫扎德（Khurram Shahzad）： 数据管理、数据分析、资源协调、软件应用。 穆罕默德·阿克巴尔（Muhammad Akbar）： 软件开发、数据分析。 陆宇正（Yuzheng Lu）： 项目指导、资金争取、数据分析。 乌扎伊尔·海亚特（Uzair Hayat）： 软件应用。 马吉德·尼亚兹·阿克塔尔（Majid Niaz Akhtar）： 文章撰写、审稿与编辑。 阿斯玛·努尔（Asma Noor）： 研究工作。 阿里·瓦卡尔（Ali Waqar）： 数据管理。 穆罕默德·优素福（Muhammad Yousaf）： 文章撰写、审稿与编辑、初稿撰写、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢南京晓庄大学江苏省低碳能源开发与系统集成重点实验室提供的实验设施和材料表征资金支持，以及中国江苏省的产教研合作项目（项目编号：BY2021057）的支持。