铁氧体磁性材料,由于它具有特殊的磁性和电子结构,被广泛应用于许多领域。近年来,为了提升铁氧体材料的物理性质,又掀起一股研究铁氧体的热潮。人们发现,铁氧体的磁性与材料的化学有序状态息息相关,尤其是材料中阳离子的占位情况,铁氧体中阳离子的分布情况及其对磁性的影响,一直以来都是一个具有挑战性的问题。锌铁铁氧体(ZnFe2O4)因为具有奇特的磁性而经常成为研究者的课题,ZnxFe3-xO4 (x < 1)又会有怎样的磁性引起了我们的兴趣。X射线光电子能谱(XPS)和俄歇电子能谱(AES)是本文研究的主要手段。本文的研究对象是一系列用化学共沉淀法制备出来的锌铁铁氧体(ZnxFe3-xO4, x = 0, 1/6, 1/3, 1/2, 2/3),经X射线衍射(XRD)表征都为尖晶石结构,由振动样品磁强计(VSM)所得的磁滞回线显示随着掺入Fe3O4中锌含量的增加,样品饱和磁矩不是单调变化,而是先变大再变小,在x = 1/3时,出现了一个最大值。为了解释这个现象,我们从探究样品中离子的化学环境着手。论文的具体工作如下:首先,对样品进行芯能级谱的测量及数据分析。我们测量了样品的Fe 2p, Zn 2p以及O 1s的芯能级谱,O 1s谱显示样品中的氧都是以O2-存在着,Fe 2p谱峰随着锌含量的变化有所移动(化学位移),因而我们对Fe 2p谱进行了退卷积处理,通过各峰的面积计算出各铁离子相应的比例,从而得知它们的分布。Zn 2p谱的化学位移较小不容易分辨,需要分析它的俄歇谱。其次,对样品进行俄歇电子能谱的测量及数据分析。我们测量了样品的Zn L3M45M45谱,发现谱峰随着锌含量的增加向高动能端移动,计算了各样品的俄歇参数,与文献记载的经验值比较,发现掺入锌较少的样品的俄歇参数与ZnFe2O4的俄歇参数接近,也就是锌的占位与ZnFe2O4一样主要占据A位;而掺入锌较多的样品的俄歇参数ZnFe2O4的俄歇参数相距甚远,说明锌的占位与ZnFe2O4有所不同。最后,将所得铁离子和锌离子的占位规律与奈尔的亚铁磁性分子场理论结合起来解释样品的磁性变化。由于锌的加入,为保持分子中正负电荷的平衡,B位上有部分Fe2+转变为Fe3+,产生新的磁矩M2’,非磁性的锌离子取代样品中磁性的铁离子引起交换作用的变化,使得磁矩排列改变。我们将M2’的两种极端排列方式建立模型,计算两模型下样品的饱和磁化强度,与实验值比较,发现当样品中锌含量较少时,为A-O-B交换作用模型,锌含量增加到一定程度就转化到B-O-B交换作用模型。
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