钬、铒、铥纳米晶块体结构、磁性及电输运特性研究

摘要

重稀土钬、铒、铥是一组具有丰富磁结构的强磁性金属元素。关于它们的单晶体和多晶体(粗晶态)的物理性能,特别是磁性能、电输运性质以及热学性质等已经建立了较为系统的研究结果。但是至今为止,由于制备技术上的限制以及材料本身具有较强的物理化学活性,人们在制备具有纳米结构的钬、铒、铥金属材料方面遇到了挑战,而对于这组稀土元素在结构纳米化后物理性能的变化更是鲜见报导。本论文的研究工作正是在这种背景下,基于上述令人关注的科学问题而展开的。
　　 据此,本研究首先利用惰性气体保护蒸发冷凝技术制备出钬、铒、铥金属纳米颗粒;之后利用放电等离子烧结技术(Spark Plasma Sintering,简称SPS技术)在低温、高压、快速的烧结条件下将上述纳米颗粒制备成接近材料理论密度的纳米晶块体材料;最后,通过系统的退火工艺,制备出平均晶粒尺寸在10-100纳米范围内精确可调的全致密钬、铒、铥纳米晶块体材料。我们将上述纳米晶材料制备成适当的样品,并以原始的粗晶材料作为对比样品,利用XRD分析样品的晶体结构,并计算块体材料的平均晶粒尺寸。采用透射电子显微镜(TEM)观察样品的显微组织和晶体结构。采用物理性质测量系统(PPMS)测试样品的磁性能和电输运性质。此外,利用阿基米德方法对烧结样品的密度进行测试,结果表明,所制备纳米晶样品密度均达到了该元素理论密度的99％以上,基本实现了致密化。
　　 研究发现,在10-100纳米的范围内,钬、铒、铥金属晶粒尺寸的纳米化没有对其晶体结构造成影响。XRD晶体结构测试发现钬、铒、铥三种材料纳米化以后均保持了粗晶状态时的密排六方结构。但是晶粒尺寸的减小对其物理性能造成了显著的影响。三种金属的物理性能随其晶粒尺寸的变化表现出如下变化规律:第一,随着晶粒度的变小,材料发生顺磁—反铁磁奈尔转变和反铁磁—铁磁居里转变的温度有所下降:第二,材料的磁化强度随着其晶粒度的减小而显著降低,但矫顽力则增高;第三,材料的电阻率随着晶粒度的下降而显著升高。分析发现,造成三种元素的物理性能发生上述显著变化的主要原因是随着晶粒度的减小,材料内部晶界所占比例显著升高。一方面,这种变化导致了材料内部原子间距发生变化,从而直接影响了原子间的磁相互作用并引起物质磁性能的变化;另一方面,晶界的显著增多对材料内部电子的传播起到阻碍作用,因此造成材料的电阻率显著升高。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 稀土元素概述

1.2 重稀土元素的结构与物理性能

1.2.1 强磁性重稀土元素的结构、磁性与电输运特性

1.2.2 具有纳米结构的重稀土元素的物理性能

1.3 课题背景及研究内容

第2章 实验方法与原理

2.1 研究方法

2.1.1 实验原料

2.1.2 金属纳米粉体制备

2.1.3 放电等离子烧结块体

2.1.4 烧结样品的退火处理

2.1.5 样品结构与物理性能测试

2.2 技术路线

2.3 实验原理

2.3.1 蒸发冷凝原理

2.3.2 放电等离子烧结(SPS)原理

2.3.3 X射线衍射分析原理

2.3.4 透射电子显微镜(TEM)原理

2.3.5 振动样品磁强计系统(VSM)测量原理

2.3.6 四探针法测量电阻原理

第3章 钬纳米晶块体结构、磁性、电输运特性研究

3.1 引言

3.2 稀土钬纳米晶块体的制备与结构表征

3.2.1 实验原料选取与分析

3.2.2 钬纳米颗粒的制备

3.3 不同晶粒尺寸的稀土钬纳米晶块体的制备与结构表征

3.4 稀土钬纳米晶块体的磁性能研究

3.4.1 钬纳米晶块体磁性转变过程的研究

3.4.2 钬纳米晶块体基本磁性参量的研究

3.5 稀土钬纳米晶块体的电输运特性研究

3.6 本章小结

第4章 稀土铒纳米晶块体结构、磁性及电输运特性

4.1 引言

4.2 稀土铒纳米晶块体的制备与表征

4.2.1 实验原料的选取与分析

4.2.2 铒纳米晶粉未的制备

4.3 不同晶粒尺寸的稀土铒纳米晶块体的制备与结构表征

4.4 稀土铒纳米晶块体的磁性能研究

4.4.1 铒纳米晶块体磁性转变过程的研究

4.4.2 铒纳米晶块体基本磁性参量的研究

4.5 稀土铒纳米晶块体的电输运特性研究

4.6 本章小结

第5章 铥纳米晶块体结构、磁性、电输运特性研究

5.1 引言

5.2 稀土铥纳米晶块体的制备与结构表征

5.2.1 实验原料选取与分析

5.2.2 铥纳米晶颗粒的制备

5.3 不同晶粒尺寸的稀土铥纳米晶块体的制备与结构表征

5.4 稀土铥纳米晶块体的磁性能研究

5.4.1 铥纳米晶块体磁性转变过程的研究

5.4.2 铥纳米晶块体基本磁性参量的研究

5.5 稀土铥纳米晶块体的电输运特性研究

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢