硼酸鹽玻璃結晶超細鋰鐵氧體的結構和磁性能

【引言】

與硅酸鹽玻璃相比，硼酸鹽玻璃的優點是，可以通過將玻璃狀基質溶解在稀釋的醋酸中來分離鐵氧體顆粒。與硅酸鹽玻璃相比，這些玻璃還可以在較低的溫度下熔化，并具有較低的粘度。然而，在高Fe₂O₃濃度的玻璃澆注過程中，應加入一些堿氧化物，如K₂O和Na₂O，以減少不混溶性和自發結晶傾向。Na₂O的加入不如K₂O有利，因為加入Na₂O后FeBO₃可能會結晶。

【成果介紹】

摩爾分數為51.7 B2O3/9.3 K2O/1 P2O5/27.6 Li2O/10.4 Fe2O3的玻璃在400至540℃的溫度范圍內結晶不同時間（2-12小時）。X射線衍射顯示立方鋰鐵氧體具有尖晶石結構LiFe5O8，同時具有尺寸在3至31 nm范圍內的小晶粒。使用Linseis DSC PT1600熱分析儀確定了制備玻璃樣品的熱分布。在440、480和500℃下結晶的樣品顯示出無序相，而在540℃下結晶則表明向有序狀態的相變。磁化曲線表明，在440℃結晶的樣品具有超順磁性，最大磁化強度很低，而在480℃和500℃結晶的樣品具有清晰的S形磁化曲線，矯頑力為零，因此也具有超順磁性。相比之下，在540℃結晶的樣品顯示出40 Oe的矯頑場，因此具有鐵磁性。磁性能可根據鐵氧體晶體的大小以及結晶條件進行調整。

【圖文導讀】

圖1：51.7 B₂O₃/9.3 K₂O/1 P₂O₅/27.6 Li₂O/10.4 Fe₂O₃ 玻璃在10 K min^-1加熱速率下的DSC曲線。

圖2：在400-540 ℃下2 h的LiFe2710玻璃陶瓷樣品的XRD譜圖。

圖3：用于比較的尖晶石鋰鐵氧體有序（SO）和無序（SD）相的模擬XRD圖譜。

圖4：在440℃下不同時間結晶的LiFe2710微晶玻璃樣品的XRD圖譜。

圖5：從（a）440℃結晶8h，（b）480℃結晶2h，（c）500℃結晶2h，以及（d）500℃結晶2h（放大倍數更高）的LiFe2710微晶玻璃樣品中通過復制提取獲得的顆粒的TEM顯微圖與HRTEM顯微圖相對應。

圖6：在440℃下熱處理2、8和12小時（左）以及在480、500和540℃下熱處理2小時（右）的LiFe2710微晶玻璃樣品的室溫磁化曲線。

圖7：LiFe2710最大磁化強度的溫度和時間依賴性，（a）在440℃下結晶2、8和12小時的微晶玻璃樣品，以及（b）在480、500和540℃下結晶2小時的微晶玻璃樣品。

【結論】

在400至540℃的溫度范圍內，對摩爾分數為51.7 B2O3/9.3 K2O/1 P2O5/27.6 Li2O/10.4 Fe2O3的玻璃進行2至12小時的熱處理，使立方LiFe₅O₈結晶。在400℃和540℃下結晶的樣品的晶粒尺寸分別為2 nm和31nm。在440、480和500℃下結晶導致無序LiFe₅O₈的形成，而在540℃下熱處理的樣品顯示出有序狀態。在440℃、480℃和500℃下結晶的樣品的磁性測量表明，這些樣品具有超順磁性。在540℃下結晶的樣品具有鐵磁性，顯示出40 Oe的矯頑場。通過對結晶條件的仔細調整，我們可以調整超順磁性微晶玻璃的磁性，并最大限度地提高其磁化強度。