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        室溫鐵磁性Sr3YCo4O10.5+δ多晶有序化的燒結工藝及電磁性能

        2021-07-12 06:11:54霍廣鵬張曉東宋宏遠惠玉玉杜曉麗陳亮維
        人工晶體學報 2021年6期
        關鍵詞:鐵磁性多晶磁矩

        霍廣鵬,張曉東,宋宏遠,惠玉玉,杜曉麗,陳亮維,虞 瀾

        (昆明理工大學材料科學與工程學院,昆明 650093)

        0 引 言

        復雜四方有序結構的Sr3YCo4O10.5+δ因具有室溫鐵磁性、良好的熱電及摻雜效應,在半導體存儲、固體氧化物燃料電池等領域有著潛在應用[1-11],引起了人們的廣泛關注。Withers[1]和Istomin[2]等分別采用固相反應法制備了A位有序(AO)和氧空位有序(OO)的Sr3YCo4O10.5+δ多晶,發(fā)現(xiàn)變形鈣鈦礦Sr3YCo4O10.5+δ屬于四方相結構,I4/mmm空間群,晶格常數(shù)a=b=0.762 38 nm,c=1.531 44 nm[2-8]。c軸方向上,Sr2+、Y3+按-Sr-Y-Y-Sr-順序排布,缺氧CoO4.25+δ四面體層與富氧CoO6八面體層交替堆垛[12-15],4層一周期使c軸長度為原始鈣鈦礦型晶胞的4倍,a、b軸長度為原始晶胞的2倍。ab面內 Sr2+和Y3+比值為3∶1。

        目前對Sr3YCo4O10.5+δ的研究主要集中在電磁性能,其室溫鐵磁性機制眾說紛紜,可能源于:CoO4.25+δ和CoO6層間的鐵磁相互作用[10],或CoO6層低自旋態(tài)Co3+被高自旋態(tài)Co3+包圍形成的鐵磁“自旋袋”[13]。而因制備工藝的不同,Sr3YCo4O10.5+δ電磁性能存在較大差異。Kobayashi等[5]采用固相反應法1 100 ℃/48 h空氣中燒結制備的Sr3YCo4O10.5+δ多晶,在磁場強度H=0.1 T下,Tc~335 K,場冷曲線(FC)的峰值溫度Tf~260 K時,磁化強度(M)達到最大2.6 emu/g,電阻率ρ=0.1 Ω·cm;Fukushima等[16]以同樣方法在1 200 ℃制備的Sr3YCo4O10.5+δ多晶,在H=0.1 T下,Tc~330 K,Tf~300 K時M=0.04μB/Co,ρ=1 Ω·cm??梢哉J為A位有序和氧空位有序會對Sr3YCo4O10.5+δ的性能產生影響,但并未做過系統(tǒng)研究,也未對有序結構做過證明。

        本文系統(tǒng)研究了950~1 180 ℃內不同燒結時間和燒結次數(shù),共7種工藝的多晶樣品。結合熱分析、XRD和SEM的表征,篩選出了Sr3YCo4O10.5+δ多晶有序化的最佳燒結工藝,并進一步研究了多晶的電磁性能。

        1 實 驗

        采用固相反應法在空氣中制備Sr3YCo4O10.5+δ多晶,化學反應式如下:

        3SrCO3+ (1/2)Y2O3+ (4/3)Co3O4+(1/3+δ/2)O2→Sr3YCo4O10.5+δ+3CO2↑

        (1)

        將原料SrCO3(99.95%)、Y2O3(99.90%)和Co3O4(99.90%)按分子摩爾比3∶(1/2)∶(4/3)混合,充分研磨2 h,4 MPa/5 min+5 MPa/5 min壓片(直徑20 mm, 厚3~5 mm)。在950~1 180 ℃溫度范圍內進行不同時間和次數(shù)的燒結,7種燒結工藝如表1所示。1 180 ℃/24 h+1 180 ℃/24 h二次燒結是將一次燒結的樣品研磨后重新壓片,再次進行1 180 ℃/24 h燒結。采用德國NETZSCH STA 449F3型熱分析儀測量多晶原料的熱重-差示掃描量熱(TG-DSC)曲線,配料7.5~9.5 mg,放入Al2O3坩堝,參照物為Al2O3,在空氣中以10 ℃/min的升溫速率從25 ℃升至1 100 ℃;采用丹東TD3500型XRD(Cu靶,λ=0.154 056 nm,θ-2θ模式)表征樣品物相;用荷蘭Philips XL30ESEM型SEM觀察樣品斷面形貌;用四探針法測量樣品77~300 K的電阻率-溫度(ρ-T)曲線;用美國Quantum Design MPMS-XL型超導量子干涉儀測量磁化強度-溫度(M-T)曲線和不同溫度下的磁滯回線(M-H)。

        表1 不同燒結工藝下Sr3YCo4O10.5+δ多晶的晶體結構參數(shù)和多晶密度PTable 1 Crystal structure parameters and polycrystalline density P of Sr3YCo4O10.5+δ polycrystals at different sintering processes

        2 結果與討論

        2.1 熱分析

        圖1為Sr3YCo4O10.5+δ多晶原料25~1 100 ℃的TG-DSC曲線,按原料的失重和發(fā)生的相變分為三個階段。階段Ⅰ:25~680 ℃,TG曲線下降,失重1%,主要為原料脫水。階段Ⅱ:680~964 ℃,失重15.6%,DSC曲線在910 ℃、933 ℃出現(xiàn)吸熱峰,964 ℃出現(xiàn)放熱峰。910 ℃的吸熱峰對應SrCO3相變,933 ℃對應三方SrCO3分解[17],分別見式(2)、(3):

        圖1 Sr3YCo4O10.5+δ多晶的TG-DSC曲線Fig.1 TG-DSC curves of Sr3YCo4O10.5+δ polycrystals

        (2)

        (3)

        941~964 ℃,TG曲線進一步下降,941 ℃四方-Sr3YCo4O10.5開始結晶,964 ℃出現(xiàn)顯著的放熱峰,表明Sr3YCo4O10.5結晶完成。階段Ⅲ:964~1 100 ℃,樣品增重0.8%,DSC曲線在1 042 ℃出現(xiàn)微弱的放熱峰,為 Sr3YCo4O10.5多晶吸氧(δ),額外的氧原子部分填充CoO4.25層中的氧空位,推測樣品完成有序化,見式(4):

        (4)

        2.2 物相分析

        圖2和3分別為不同燒結溫度,不同燒結時間和次數(shù)下Sr3YCo4O10.5+δ多晶的XRD圖譜,與四方相標準卡片PDF#54-0234吻合,由于晶格常數(shù)a=b≠1/2c,使各圖譜均出現(xiàn)(400)(008)、(228)(424)和(408)(440)等雙衍射峰。根據(jù)布拉格方程、謝樂公式和四方晶系晶面間距公式計算出晶面間距d(204)、平均晶粒尺寸Dhkl和晶格常數(shù)a,c,并通過排水法得到多晶密度P,具體參數(shù)如表1所示。

        圖2中,當燒結溫度為950 ℃時,存在Y2O3雜相衍射峰,表明固相反應未完全,1 000 ℃雜相峰減弱,1 100 ℃消失,固相反應完成。隨燒結溫度升高,Sr3YCo4O10.5+δ衍射峰強度增強,半高寬β變窄,Dhkl增大,晶格完整性提高,結晶質量變好,最佳燒結溫度為1 180 ℃。圖3隨燒結時間增加,衍射峰強度增強,β變窄,Dhkl增大。1 180 ℃/24 h二次燒結樣品的衍射峰強度進一步增強,β更窄,Dhkl更大,結晶質量最好。

        圖2 不同燒結溫度下Sr3YCo4O10.5+δ多晶的XRD圖譜Fig.2 XRD patterns of Sr3YCo4O10.5+δ polycrystals at different sintering temperatures

        圖3 不同燒結時間、次數(shù)下Sr3YCo4O10.5+δ多晶的XRD圖譜Fig.3 XRD patterns of Sr3YCo4O10.5+δ polycrystals at different sintering time and times

        為探索Sr3YCo4O10.5+δ多晶的有序,對所有燒結工藝的樣品進行0.4(°)/min的XRD慢掃,結果如圖4和5所示,1 100 ℃和1 180 ℃出現(xiàn)(103)、(215)峰,明顯與四方鈣鈦礦結構晶面發(fā)生衍射的條件(晶面指數(shù)h=2n,k=2n,l=2n, 其中n為整數(shù))不符,證明制備了有序的AO/OO-Sr3YCo4O10.5+δ多晶,與熱分析1 042 ℃多晶完成有序化的推測一致。綜上,Sr3YCo4O10.5+δ多晶有序化的最佳燒結工藝為1 180 ℃/24 h+1 180 ℃/24 h。

        圖4 不同燒結溫度下Sr3YCo4O10.5+δ多晶的XRD圖譜Fig.4 XRD patterns of Sr3YCo4O10.5+δ polycrystals at different sintering temperatures

        圖5 不同燒結時間、次數(shù)下Sr3YCo4O10.5+δ多晶的XRD圖譜Fig.5 XRD patterns of Sr3YCo4O10.5+δ polycrystals at different sintering time and times

        2.3 形貌分析

        圖6為不同燒結工藝下Sr3YCo4O10.5+δ多晶的斷面SEM照片。圖6(a)~(d)隨燒結溫度的升高,晶粒長大并逐漸連接在一起,晶界和氣孔減少;圖6(e)、(d)、(f)隨燒結時間的增加,晶粒進一步長大并緊密堆疊,晶界減少,氣孔漸漸消失;圖6(g)1 180 ℃/24 h+1 180 ℃/24 h二次燒結樣品的平均晶粒尺寸最大,晶界和氣孔最少,圖6(f)與(g)相比,相同燒結溫度和時間下,二次燒結使固相反應更徹底,晶粒更加飽滿。Sr3YCo4O10.5+δ多晶的SEM結果與XRD一致,說明提高燒結溫度、時間和次數(shù)有利于晶粒長大,密度增加。綜上,1 180 ℃/24 h+1 180 ℃/24 h二次燒結的多晶氣孔和晶界最少,晶粒最大且堆積緊密,結晶質量最好。

        圖6 不同燒結工藝下Sr3YCo4O10.5+δ多晶的斷面SEM照片F(xiàn)ig.6 Fracture surface SEM images of Sr3YCo4O10.5+δ polycrystals at different sintering processes

        2.4 電性能測量

        圖7為不同燒結工藝下Sr3YCo4O10.5+δ多晶77~300 K的ρ-T曲線,插圖為室溫局部放大圖。所有樣品隨測試溫度升高,電阻率ρ下降,呈半導體電輸運行為,這是由于本征激發(fā)的載流子濃度n在整個測溫范圍內隨溫度升高呈指數(shù)式增加(n∝AT,A為常數(shù)),使電阻率下降,載流子主要為少量Co4+提供的空穴。

        圖7(a)相同測試溫度下,隨燒結溫度升高,ρ降低,且在1 180 ℃發(fā)生突降,此源于晶粒顯著長大,晶界和氣孔減少,對載流子的散射減少。圖7(b)隨燒結時間的增加,ρ下降,二次燒結樣品G的結晶質量最高,ρ進一步降低,300 K時僅為0.06 Ω·cm(見圖7(b)插圖),遠小于文獻報道的值[5-7,16]??芍w結晶質量對電阻率的降低起主要作用。

        圖7 不同燒結工藝下Sr3YCo4O10.5+δ多晶的電阻率-溫度曲線,插圖為局部電阻率-溫度曲線Fig.7 Resistivity-temperature curves and inset shows local resistivity-temperature curves of Sr3YCo4O10.5+δ polycrystals at different sintering processes

        2.5 磁性能測量

        圖8為不同燒結工藝下Sr3YCo4O10.5+δ多晶10~400 K的M-T曲線(H=0.1 T)。圖8(a)隨燒結溫度的升高,M先增大再減小,950 ℃和1 000 ℃制備的多晶,由于未形成有序相(見圖4),M很小。1 100 ℃多晶的M最大,源于多晶Co3+高的表面/體積比[18](見圖6),Co3+吸附空氣中的H2O后發(fā)生重組,在價態(tài)不變的情況下,更高自旋態(tài)的濃度翻倍,M增大。由圖8(b)可知,提高燒結時間,有利于M增加,但燒結時間過長(48 h)會使樣品表面過燒,反而抑制了M,故最佳燒結時間為24 h。1 180 ℃/24 h+1 180 ℃/24 h制備的Sr3YCo4O10.5+δ的M最大,原因是二次燒結多晶的結晶質量最好,有序化程度最高(見圖5),在外場下穩(wěn)固了鐵磁有序。1 100 ℃和1 180 ℃燒結樣品的Tc=322~335 K,為室溫鐵磁性,鐵磁-反鐵磁轉變溫度Tm=210~254 K。

        圖8 不同燒結工藝制備的Sr3YCo4O10.5+δ多晶的磁化強度-溫度曲線,空心符號為ZFC曲線,實心符號為FC曲線Fig.8 Magnetization-temperature curves of Sr3YCo4O10.5+δ polycrystals parpered by different sintering processes, the open symbol are ZFC curves and the solid symbol are FC curves

        圖9為采用最佳燒結工藝制備的Sr3YCo4O10.5+δ多晶的M-T,dM/dT-T和M-H曲線。根據(jù)圖9(a)中dM/dT的最小值確定Tc~335 K,根據(jù)dM/dT的最大值確定Tm~254 K。圖9(a)M-T曲線中ZFC曲線在T=298 K出現(xiàn)Hopkinson峰(M~2.2 emu/g),原因是:低溫時材料的磁疇磁矩隨機分布且被凍結,凈磁矩趨于零;隨溫度升高,各磁疇磁矩轉向外場方向,磁疇疇壁位移,磁疇長大,298 K時所有磁矩同向排列,疇壁消失,M達到最大;溫度繼續(xù)升高,熱擾動加劇,Tc~335 K磁矩同向排列被破壞,發(fā)生鐵磁-順磁轉變,M減小。FC曲線在低于Tc時,由于沒有磁疇壁間的阻力,M比ZFC大得多,且在Tf~288 K達到最大~2.64 emu/g,隨后減小。Tm~254 K時發(fā)生鐵磁-反鐵磁轉變,生成G-type反鐵磁相[10,12,19-20],基態(tài)呈反鐵磁性。

        圖9 最佳燒結工藝制備的Sr3YCo4O10.5+δ多晶的磁性能曲線Fig.9 Magnetic properties curves of Sr3YCo4O10.5+δ polycrystal prepared by optimal sintering process

        圖9(b)為相同外加磁場(-6~6 T)下,樣品G不同溫度下的M-H曲線。350 K曲線為閉合直線,無磁滯現(xiàn)象,呈順磁性;280 K出現(xiàn)較大磁滯,剩磁約2.3 emu/g,呈鐵磁性;180 K剩磁約1.2 emu/g,H=6 T時曲線未閉合,表明磁場誘導的鐵磁-反鐵磁轉變未完成,呈弱鐵磁性;10 K時曲線存在較小磁滯,呈反鐵磁性,其較小磁滯來自Co離子磁矩的非線性排列,Khalyavin等[12]通過中子衍射進一步證明低溫樣品呈反鐵磁性。Sr3YCo4O10.5+δ多晶測試溫度從350 K降到10 K,依次發(fā)生順磁-鐵磁-反鐵磁轉變,在圖9(b)明顯觀察到磁滯回線偏離原點,矯頑力增大,表明Sr3YCo4O10.5+δ多晶內部存在鐵磁/反鐵磁層和交換偏置[21]。由于在外場下,鐵磁層磁矩易偏轉,反鐵磁層不易偏轉且對鐵磁層有釘扎作用,使鐵磁層磁矩偏轉需更大的外場,造成磁矩偏轉不對稱,宏觀上磁滯回線偏離原點,矯頑力增大。

        3 結 論

        (1)采用固相反應法制備了室溫鐵磁性有序四方相的Sr3YCo4O10.5+δ多晶。通過熱分析和XRD 研究了燒結升溫時的相變,964 ℃四方相Sr3YCo4O10.5完全晶化,1 042 ℃時Sr3YCo4O10.5吸氧(δ)完成有序化,生成Sr3YCo4O10.5+δ。1 100 ℃和1 180 ℃燒結樣品的XRD圖譜出現(xiàn)(103)、(215)超結構峰,進一步證明了多晶結構的有序性,結合SEM確定了有序化的最佳燒結工藝為1 180 ℃/24 h+1 180 ℃/24 h。

        (2)Sr3YCo4O10.5+δ多晶在77~300 K呈半導體電輸運行為,且最佳工藝下300 K時電阻率僅為0.06 Ω·cm,Tc~335 K,在ZFC曲線298 K觀測到Hopkinson峰,源于低溫時被凍結的磁疇磁矩隨溫度升高轉向磁場方向,M在298 K達到最大,隨后在熱擾動下減小。此外,由于多晶存在鐵磁/反鐵磁層和交換偏置,隨溫度降低,磁滯回線偏離原點,矯頑力增大。

        (3)Sr3YCo4O10.5+δ多晶的室溫鐵磁性歸因于A位有序和氧空位有序,因為AO/OO使CoO6八面體和CoO4.25+δ四面體在晶體中有序排列,使IS或HS態(tài)Co3+的eg軌道有序,增強鐵磁性。

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