摘 要

在电子行业飞速发展的今天，各种各样的半导体材料层出不穷，而电子器件的小型化发展也是大势所趋，所以研究出一种能够和半导体性质结合在一起的多功能材料的需求迫在眉睫。现在的电子元件主要是通过控制电子或者空穴的数量来提供不同的导电方式，而具有磁性的半导体材料则有希望可以通过控制电子的自旋自由度，来提供一种崭新的导电方式，这种新型半导体材料因此而成为研究与关注的热点。

本文以醋酸镧、醋酸锶、乙酰丙酮铁等作为原料，再用酒精、丙酮、甘油和去离子水做为溶剂，使用前驱体化学沉淀法对前人制备过的SrFe₁₂O₁₉进行改性，制备出单相的La_0.2Sr_0.7Fe₁₂O₁₉粉体材料，并通过改变烧结温度来探究烧结温度对其磁性能的影响；同时还进行了La_0.2Sr_0.7Fe₁₂O₁₉陶瓷的烧结，并进行了介电温普测试。

研究结果表明：La_0.2Sr_0.7Fe₁₂O₁₉粉体的XRD图谱中没有显示出杂相衍射峰，说明合成了纯的La_0.2Sr_0.7Fe₁₂O₁₉相。通过紫外 - 可见 - 近红外吸收光谱表征了其半导体特性。通过磁滞回线得到其矫顽磁场强度为2025 Oe，剩余磁化强度为46 emu/g，证明了该材料是一种磁性半导体。La_0.2Sr_0.7Fe₁₂O₁₉陶瓷的介电温谱显示出其居里温度较高，介电常数突变明显，是一种优秀的弛豫铁电体。

本文的特色：通过稀土元素镧掺杂M型铁氧体制得了一种优秀的磁性半导体材料。

关键词：M型铁氧体；磁性半导体；元素掺杂；磁性能

Abstract

As electronics have been miniaturized, scientists are working on the development of multi-functional materials that can be combined with the semiconductors. Traditional electronic device functionalize through control the degree of charge freedom (n-type and p-type semiconductors), magnetic semiconductors has become a hot topic because of its ability to provide additional freedom of controlling the electron spin for a new type of conductive mode.

In this paper, we use strontium acetate, lanthanum acetate, iron acetylacetonate as raw materials, and use the pre-chemical precipitation method through rare earth element doping SrFe₁₂O₁₉ , In this way, we prepared single-phase La_0.2Sr_0.7Fe₁₂O₁₉ semiconductor and the effect of sintering temperature on its magnetic properties was studied by changing sintering temperature. At the same time, the sintering of La_0.2Sr_0.7Fe₁₂O₁₉ ceramics was carried out, and the dielectric temperature test was carried out.

The results show that there is no hybrid phase diffraction peak in the XRD pattern of La_0.2Sr_0.7Fe₁₂O₁₉ powder, which indicates that the pure La_0.2Sr_0.7Fe₁₂O₁₉ phase was synthesized. The semiconductor properties were characterized by UV-VIS-NIR absorption spectroscopy.The coercive magnetic field intensity of 2045 Oe, residual magnetization is 46 emu/g. It is proved that the material is a kind of magnetic semiconductor. The dielectric temperature spectrum of La_0.2Sr_0.7Fe₁₂O₁₉ ceramics shows that the Curie temperature is high. The dielectric constant mutation is obvious, and it is an excellent relaxor ferroelectrics.

The characteristics of this paper are as follows: an excellent magnetic semiconductor material has been obtained by rare earth element lanthanum doping M-type ferrooxygen system.

Key Words：M-type ferrite, magnetic semiconductor, element doping, magnetic properties

目 录

第一章 绪论 1

1.1铁磁性 1

1.1.1磁性的起源 1

1.1.2磁性的表征 3

1.2 M型铁氧体 4

1.2.1 M型铁氧体的晶体结构 4

1.2.2 M型铁氧体的磁晶各向异性 5

1.2.3 M型铁氧体的矫顽力 6

1.3磁性半导体 7

1.4磁性半导体的制备技术 7

1.4.1溶胶凝胶法 7

1.4.2水热法 8

1.4.3微乳液法 8

1.4.4化学共沉淀法 8

1.5研究内容与技术路线 8

1.5.1研究内容 8

1.5.2技术路线 9

第二章 La_0.2Sr_0.7Fe₁₂O₁₉粉体制备技术及性能分析 10

2.1实验部分 10

2.1.1.实验准备 10

2.1.2实验过程 10

2.1.3性能表征方法和设备 11

2.2结果分析 12

2.2.1 XRD物相分析 12

2.2.2半导体表征 13

2.2.2磁学性能分析 13

第三章 La_0.2Sr_0.7Fe₁₂O₁₉陶瓷烧结方法及其性能分析 15

3.1实验部分 15

3.1.1实验过程 15

3.1.2性能表征方法 15

3.2结果分析 15

3.2.1冷场发射扫描电镜分析 15

3.2.2介电温谱分析 16

第四章 结论与展望 18

4.1结论 18

4.2展望 18

参考文献 19

致 谢 21

1. 绪论

1.1铁磁性

1.1.1磁性的起源

1. 原子磁矩

在原子中电子所形成的磁矩和原子核所形成的磁矩之间相比要大很多，所以说大部分原子磁矩都来自于电子磁矩的贡献^[1,2]。如图1-1所示：图（a）为电子的轨道磁矩μ₁，图（b）为自旋磁矩μ₂，电子总磁矩的表示方法是通过μ₁和μ₂的矢量和得到的，而物质的宏观磁性则是由所有微观原子一起合成的总磁矩来得到的，是微观的宏观体现。由泡利不相容原理可得，没有配对的电子就是原子磁矩的来源，当原子互相结合而形成分子时，外层的s，p电子总是有形成电子对的趋势，因而同一条轨道上的两个电子因为形成了相反两个方向的磁矩而相互抵消，使得它们对外并不显磁矩，所以导致原子产生磁矩的最主要原因很可能就是由d或f电子层的电子未能填满所导致的。

图1-1电子磁矩示意图：（a）磁道磁矩 （b）自旋磁矩

1. 交换作用

在20世纪初，Faulkner等研究者最先提出了很重要的电子相互作用，并提出了铁磁体的磁化很有可能与该作用相关，在某些磁性物质中存在的自发磁化，其原因很有可能就是电子之间发生了一种静电交换作用，下面将介绍两个经典的交换作用模型：

图1-2 A和B分别表示氢分子模型中两个氢原子核

对于氢分子模型中的两个电子来进行分析，就可以解释直接交换作用的形成原理^[2,3]。如图1-2所示，两个氢原子核之间的距离有限，它们之间就将会存在某种相互作用，而体系的能量此时就会发生变化（当尝试去解哈密顿量时就会发现多出了交换哈密顿量—— -A_abS_a·S_b），我们将上式改写成含有N个原子的体系，并使第i和第j个原子的算符分别使用S_i和S_j来表示，则交换哈密顿量可以写成：

（式1-1）

当直接交换作用被用来表示当电子波函数发生重叠时，电子云的交叠才会产生附加能量，式1-1中所表示的交换积分A_ij表示的是电子之间、电子与原子核之间的静电作用的形式，所以可以得出这个交换作用是一种短程作用。

间接交换作用是由Kramers在20世纪30年代首先提出，因为几乎所有的亚铁磁和反铁磁物质都是化合物，而且它们的阳离子通常只能与紧邻的阴离子配位，所以其阳离子之间几乎不存在电子云重叠，如图1-3所示为间接交换作用的示意图，通过图中所表示出的模型我们可以看出，如果把中间的阴离子O2 与分布在阴离子两边的金属离子M² 作为一个研究系统，同时假设O^2-中两个p层电子和这种交换作用相关，其中图（a）为基态，而图（b）为激发态，处于基态中的M² 金属离子会与最相近的金属原子产生一种远程直接相互作用，而激发态使得O^2-阴离子中p轨道上的一个电子直接跃迁到与之邻近的M² 金属离子上，并占据其d轨道，从而使得M² 金属离子的外层d轨道变成充满状态，由于O² 的外层P轨道最后只剩下一个电子，就会出现因自旋而形成的对外表现出的磁矩，发生电子跃迁后，便会使另外一个M² 金属离子与O^2-阴离子由于其波函数的重叠而发生直接交换作用。通过p电子跃迁而产生的耦合被称做间接交换作用^[4]。

图1-3 间接交换作用示意图：（a）基态 （b）激发态

1. 缺陷

在目前的研究中，有很多种类型的缺陷被认为和一些非磁性材料中存在的磁矩应该是存在着一定关系的，目前能够被普遍认可的引起磁矩的原因是由于各种类型缺陷。观点大致分为三类：（1）Ran小组在（Al，Cu）N物质中发现了室温铁磁性，还在对其真空热处理后在其中发现了饱和磁化强度提高的现象，因此推测铁磁性有极大可能与Al间隙和N空位缺陷有关^[5]；（2）Hong小组在Fe或Mn掺杂前后的ZnO薄膜材料的测试中发现，它们均被发现了室温铁磁性，因此铁磁性元素掺杂所带来的影响可以被排除在外，并且还推测出铁磁性是由Zn的缺陷所导致的。（3）由于阴离子的缺陷而导致铁磁性的出现，例如在（Zn，Cu）O纳米线中的Vo^[6]、TiO2中的O空位（Vo）^[7]、ZnO纳米柱中的Vo^[8]、ZnS体系中的S缺陷^[9]等，在同一时间内，Sundaraesan小组则是在CeO₂、Al₂O₃、ZnO、In₂O₃及SnO₂中均发现了室温铁磁性。

1. RKKY作用

在1954年，罗德曼（Ruderman）和基特尔（Kittel）首次提出了由于传导电子发生极化，而使得核自旋与传导电子之间存在的交换作用，从而产生的媒介作用。之后，Kasuya和Yosida在研究Mn-Cu合金时，提出Mn的d电子间接交换作用。后人则使用了这四位科学家的名字首字母来命名这种间接交换作用，称为RKKY作用。并可以表示为下式：

（式1-2）

S：传导电子自旋；Sn：局域电子自旋

由于交换积分A（r-R_n）存在于两者之间，使传导电子的自旋产生极化，即电子自旋方向在电子局域以及其周围的分布是不相同的。

1.1.2磁性的表征

在磁性材料的众多性能测试中，最有效最直观的测试就要属PPMS测试-磁滞回线。随着外加磁场H的变化，磁化强度M以及磁感应强度B会随之改变，感应强度B和外加磁场H均为非线性量，而且它们还存在着滞后现象，因为这些现象而绘制出B-H曲线就叫做磁滞回线。当把外加磁场撤去后，磁性材料仍旧能够保持一定的磁化强度，并且能够让退磁变得较难。磁性材料通过以下几个参数来表征：剩余磁感应强度Br、矫顽力值Hc等。通过控制磁性材料的稳定性和磁性参数的不同，使得它们在各种不同的领域中均会使得不同的应用。

1.2 M型铁氧体

M型铁氧体是一种永磁铁氧体，其化学式为MeFe₁₂O₁₉,其中Me可以是Sr、Ba或者Pb。由于M型铁氧体具有很优秀的抗氧化性、剩磁和磁晶各向异性以及高矫顽力等性能，所以其在工业医疗等方面广泛应用于各种磁性元器件、微波元器件和医疗器件等。此外，M型铁氧体还具有着出色的永磁特性，其高性价比的特性也使得其在材料器件市场上一直扮演着炙手可热的重要角色。而M型铁氧体之所以拥有如此卓越的性能，与其结构和性质是密不可分的，接下来将对其晶体结构以及几种参数进行简单的阐述。

1.2.1 M型铁氧体的晶体结构

M型铁氧体的晶体结构属于六角晶系结构，这种晶体结构和自然界中存在的一种矿物磁铅石Pb(Fe_7.5Mn_3.5A_l0.5Ti_0.5)O₁₉的晶体结构十分的相似^[10]。M型铁氧体六角晶系的晶胞结构如图1-4所示。从其晶胞结构的示意图中可以看出来，它的一个晶胞中总共包含了十个氧离子的密集层，而这十个氧离子的密集层中有两个分别含有一个Sr² 离子，它们占据着氧离子的位置。而这种含有Sr² 的密集层我们称为R块，R块一共有三层氧离子层，它的化学成分是SrFe₆O₁₁^2-。还有另外一种密集层包含了两层氧离子层，我们称之为S块，它的化学成分是Fe₆O₈^{2 [11]}。M型铁氧体的晶体结构我们就可以理解为是由R块和S块这两种晶体结构块堆积组成的，而它们的堆砌顺序是按照…RSR*S*…的规律，其中R*和S*分别指的是R块和S块以c轴为旋转轴旋转180°形成的镜像层。 从这张晶体结构图中我们可以看出，Fe³ 离子一共占据着五种不同的亚晶格位置，分别是2a、2b、l2k、4f₁、4f₂。其中4f₁晶格是四面体结构，2b亚晶格是六面体结构，而2a、12k和4f₂的Fe³ 所占据的间隙是八面体结构^[12]。在M型铁氧体中相对应的分为五个磁亚点阵，不同的磁亚点阵有着不同的磁矩排列方向，2a, 2b, 12k亚点阵中磁性离子的磁矩排列方向向上，而4f₁和4f₂的亚点阵中磁性离子的磁矩排列方向向下，详细情况见表1-1所示。

图1-4 M型铁氧体的六角晶系晶体结构示意图

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：