复合磁性材料制备及性能分析教学实验设计

张 贤

（淮南师范学院电子工程学院 安徽·淮南 232038）

材料科学基础实验作为材料物理专业本科生的必修课程，是一门动手能力很强的实践课程。它要求本科生运用所掌握的理论知识和基本操作技能，开展各类研究型实验。在实验过程中锻炼本科生的动手能力、操作能力以及分析能力。随着应用型本科高校的推广与建设，这类课程的重要性愈发突出。如何将最新的科研成果引入到本科生的实验教学中，以激发本科生的求知欲望和创新思维，提高本科生分析问题解决问题的能力，达到以科研促进实验教学的宗旨，是本实验教学设计的目的。

1 实验原理及目的

1.1 实验原理

磁性材料作为一种重要的功能材料，在日常生活中应用十分广泛，不同的应用领域对磁性能的要求也不同。例如：微纳器件要求材料要具备高磁能积；磁存储器要求材料要具备高饱和磁化强度和适当的矫顽力；磁热疗要具备热能转换效率最优的各向异性K值。然而单相磁性材料由于矫顽力和饱和磁化强度相互制约，难以实现对磁性能的调控。研究发现，硬磁材料具有很大的矫顽力但饱和磁化强度较小，软磁材料的矫顽力很小但饱和磁化强度很大，通过适当的方式进行复合可以达到调控磁性能的目的。因此，硬磁/软磁复合作为一种调控磁性能的有效途径受到科研工作者的广泛研究。研究表明，当复合磁性材料体系中不存在磁相互作用时，复合体系的各向异性K值满足公式：Keff=fsKs+fhKh，复合体系的饱和磁化强度Ms值满足公式：MS=fsMss+fhMsh，其中Ks为软磁的K、Kh为硬磁的 K，Mss为软磁的Ms、Msh为硬磁的Ms，fs和fh分别为两相的质量比，复合体系的Keff和Ms应在硬磁与软磁的K和Ms之间。事实上，复合磁体中往往存在复杂的磁相互作用，这些磁相互作用对宏观磁性能也会产生显著影响，例如：交换耦合作用可以提高磁能积，偶极相互作用会抑制剩磁比。因此，硬磁/软磁复合磁性材料还存在广泛的研究空间，其中的机理还尚待深究。

本实验选用矫顽力Hc较大的CoFe2O4(CFO)作为硬磁材料，饱和磁化强度Ms较大的La0.7Sr0.3MnO3(LSMO)作为软磁材料，按照LSMO的质量比为15%进行复合，制备出CFO/LSMO复合磁性材料。通过实验的开展使同学们掌握制备复合材料的方法，并学会分析磁相互作用对复合磁性材料性能的影响。

1.2 实验目的

通过本实验使学生获得以下能力：

（1）掌握采用固相法合成硬磁/软磁复合磁性材料的制备方法；

（2）学习使用 Origin 8.5、Rietveld、XPSPEAK41等软件处理分析实验数据；

（3）掌握复合磁性材料的基本表征方法；

（4）学会分析复合磁性材料中磁相互作用的方法。

2 实验方法及表征

2.1 实验方法

制备方法如下：第一步：按照化学计量比称取原材料Co2O3和Fe3O4，研磨 2 小时，压片(10Mpa)，800 度预烧 12 小时，研磨2小时，压片(10Mpa)，1000度煅烧12小时，制备出纯相CFO；按照化学计量比称取原材料La2O3、SrCO3和MnO2，研磨2小时，压片(10 Mpa)，分别经过800、1000和1200度预烧24小时，研磨2小时，压片(10 Mpa)，1400度煅烧24 h，制备出纯相LSMO。第二步：按照CFO:LSMO的质量比为85:15进行复合研磨2小时，压片，1000度煅烧3小时，制备出CFO/LSMO复合磁性材料。

2.2 测试与表征

（1）利用X涉嫌衍射仪对CFO/LSMO复合磁性材料的结构进行表征；（2）利用超高分辨扫描电子显微镜和高分辨透射电子显微镜对CFO/LSMO复合磁性材料的形貌及微结构进行表征；（3）X射线光电子能谱仪对CFO/LSMO复合磁性材料的元素组成、化合价态以及含量等化学信息进行表征；（4）利用超导量子干涉装置系统对CFO/LSMO复合磁性材料的磁性能进行测试分析。

3 实验结果与讨论

3.1 组成分析

为了对样品的晶体结构进行分析，我们测试了 CFO/LSMO复合磁性材料的XRD，并用Rietveld软件对实验数据进行拟合，拟合过程中参考的LSMO标准PDF卡片为No：51-0409，CFO标准PDF卡片为No：22-1086，拟合结果如图1所示。从拟合结果可知，在复合物中只存在CFO和LSMO两种物质，高温烧结的过程没有发生化学反应，表明我们采用固相法制备的 CFO/LSMO复合磁性材料是纯相的。复合物中CFO的空间群为Fd3m，晶胞参数为a=8.3879。复合物中LSMO的空间群为Rc，晶胞参数为a=b=5.5057，c=13.3589。

图1：CFO/LSMO复合磁性材料的XRD拟合图

3.2 形貌分析

图2为CFO/LSMO复合磁性材料的SEM(a)、TEM(b)和SAED(c)图像。从图3(a-b)可以看出，CFO/LSMO复合磁性材料的微观形貌均是由几百纳米到几微米大小的粒子构成。图3(c)给出了CFO/LSMO复合磁性材料的选区电子衍射图，图中展现的1.72、2.09和3.03的条纹间距与 CoFe2O4的(422)、(400)和(220)晶面对应。

图2：CFO/LSMO复合磁性材料的SEM(a)、TEM(b)和SAED(c)图像

3.3 磁性能分析

图3为CFO/LSMO复合磁性材料的磁化强度M与温度T的变化关系，即M(T)曲线。将dMZFC/dT极小值位置对应的温度定义为顺磁到铁磁的转变温度，即居里温度(Tc)。从图3中可知，CFO/LSMO复合磁性材料的Tc=362K，在Tc以上CFO/LSMO复合磁性材料处在顺磁区，宏观上不表现出磁性能，在Tc以下CFO/LSMO复合磁性材料处在铁磁状态。在Tc以下MZFC曲线随温度的升高逐渐上升，这是因为冻结的磁矩逐渐融化导致的。在 Tc以下 MFC显示出与温度无关的行为，表明体系内存在具有高各向异性的磁有序状态。

图3：CFO/LSMO复合磁性材料在场强为100Oe时的M(T)曲线

为了判断CFO/LSMO复合磁性材料中磁相互作用的类型和强弱，我们测量并绘制了m曲线。将测量得到的数据点Mr(H)和Md(H)归一化得到mr(H)和md(H)，根据公式m(H)=md(H)–[1–2 mr(H)]构筑m曲线，结果如图4所示。m的正负和大小反映磁相互作用的类型和强弱：m>0说明 CFO/LSMO复合磁性材料中存在交换耦合作用。m<0说明CFO/LSMO复合磁性材料中以偶极相互作用为主。m=0说明CFO/LSMO复合磁性材料中不存在磁相互作用。从图4中可以看出，m>0说明在复合物中CFO和LSMO之间存在交换耦合作用，这种交换耦合作用有利于提高复合材料的磁性能。图4中的插图为CFO/LSMO复合磁性材料在10 K时的磁滞回线M(H)。从回线中我们可以获得Hc=2404Oe，Ms=98emu/g，剩磁比 Mr/Ms=0.59。

图4：CFO/LSMO复合磁性材料在10 K时的m曲线，插图为10 K的磁滞回线M(H)

4 结语

本教学实验设计将科研中的实验技术进行有效整合，把当前材料领域的研究热点引入本科实验教学中。通过实验，本科生掌握了复合磁性材料的制备方法、表征的基本手段、磁性能测试和分析方法，学会了操作几种常用的科研软件。此外，基于本实验设计，教师可以引导本科生参与相关的科研实验，在激发本科生科研热情的同时，充分调动本科生的积极性和创造性，并提高了本科生分析问题、解决问题和实际动手的能力。