高温液相有机溶剂法合成CrTe基无稀土硬磁纳米结构

摘要

硬磁材料（永磁材料）在科学技术高速发展的当今社会有着十分广泛的应用，由于具有高的磁晶各向异性能（Ku）和高磁能积（（BH）max），使硬磁材料不仅被广泛应用于清洁能源汽车、风力发电、节能家电和工业电机等民用领域，更作为航空航天、武器装备、电子信息等尖端科学技术领域中的重要基础材料。近几年，稀土硬磁材料由于具有优异的磁学性能而成为研究热潮，但随着国家对稀土资源保护措施的实施，稀土元素的价格猛升，这使得低含量或零含量稀土的硬磁材料成为研究学者探索的新领域。本文通过高温液相反应法制备出CrTe基无稀土硬磁纳米结构，并研究了掺杂对所获得纳米材料的结构和性能的影响，得出以下结论：
　　（1）以 Fe(acac)3为 Fe源，采用高温液相反应法合成了 FeTe2球状磁性纳米颗粒，并对纳米颗粒的结构、磁学性能、成分及形貌进行了研究。通过以 Cr(acac)3为Cr源在 FeTe2纳米材料中成功掺杂了3d过渡金属 Cr元素，掺杂后的 FeTe2纳米微粒趋向于形成均匀且分散性更好的的球形纳米粒子，相比未掺杂的 FeTe2纳米颗粒来说有更窄的粒径分布。其中，当x=0.15时，达到3d过渡金属Cr元素的最优掺杂值，此时Fe0.85Cr0.15Te2在室温下的饱和磁化强度可以达到7.34 emu/g，高出纯FeTe2纳米颗粒的20倍。这是由于Fe-Fe通过晶格畸变由反铁磁转变为铁磁，同时Cr-Te-Cr之间的超交换耦合也是铁磁性提高的原因之一。
　　（2）由于 Cr-Te-Cr之间强的铁磁相互作用，我们以 Cr(CO)6为 Cr源采用高温液相反应法首次合成出了以六角 Cr2Te3为硬磁相以单斜 m-Cr5Te8为软磁相的软/硬磁交换耦合的磁性纳米材料。并对所得到纳米结构进行了物相结构分析和磁性分析，研究了不同比例下Cr-Te相的磁性变化规律。当前驱体比例为Cr:Te=1:1.8时，得到Cr2Te3棒状纳米结构的最优硬磁相，矫顽力可以高达9.63 kOe，饱和磁化强度和剩磁分别是23.04 emu/g和9.85 emu/g。大的磁晶各向异性常数来源于较低的对称性和Cr-Te相强的自旋-轨道耦合作用，其强铁磁性来源于 Cr-Te-Cr的超交换耦合作用。软/硬磁耦合作用的强弱可以通过调整Cr:Te前驱体的初始比例来进行改进。当Cr过量时有利用硬磁Cr2Te3相的形成，当Te过量时则有利于软磁m-Cr5Te8相的形成。
　　（3）在成功制得 Cr2Te3硬磁纳米材料的基础上，我们基于3d过渡金属元素掺杂可降低晶格的对称性从而有效优化纳米材料的磁学性能这一原理，对 Cr2Te3硬磁纳米材料进行了3d过渡金属M（M=Mn、Fe、Co、Ni）元素掺杂，当x=0.2时，不同的3d过渡金属均进入 Cr2Te3晶格，所有样品的峰型和峰数都与六角 Cr2Te3相吻合，没有 M、Te、Cr及其氧化物等杂峰出现，且 Cr1.8Co0.2Te3硬磁材料的磁学性能达到最佳。此时，我们系统研究了 Co掺杂对 Cr2Te3结构、形貌以及磁学性能的影响。研究表明，当x=0.4时，Hc达到最大值14.01 kOe，为Cr2Te3硬磁材料的1.5倍，此时所制得的纳米材料主相为硬磁相。
　　总之，我们采用高温有机溶剂法首次合成Cr2Te3无稀土硬磁纳米相。通过3d过渡金属掺杂的方法制备出磁学性能更加优异的 Cr2-xMxTe3硬磁纳米材料，该方法为研究Cr基无稀土硬磁纳米材料的制备奠定了重要基础。

目录

声明

1 综述

1.1 研究的目的和意义

1.2 Cr-Te基材料的发展现状

1.3 高温液相有机溶剂法

1.4 纳米微粒的硬磁效应

1.5 本论文的写作思路及安排

2 样品制备及测试方法

2.1 引言

2.2 纳米微粒的制备方案

2.3 实验主要试剂及仪器

2.4 表征技术

3 Cr掺杂FeTe2磁性纳米颗粒磁学性能以及形貌的调控

3.1 引言

3.2 实验方法

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

4 Cr2Te3硬磁纳米材料的制备与表征

4.1 引言

4.2 实验方法

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

5 3d过渡金属掺杂对Cr2Te3硬磁纳米结构及磁学性能调控

5.1 引言

5.2 实验方法

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

6 结论

参考文献

附录

在学期间的研究成果

致谢