錳摻雜鋱鐵氧化物的磁性溫敏材料及其單晶和多晶的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種磁性材料，特別是涉及一種鐵氧體溫敏材料，應(yīng)用于感溫功能材料和溫敏電子器件技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有的磁溫敏開(kāi)關(guān)主要以軟磁鐵氧體材料作為感溫磁材料，主要應(yīng)用于磁性傳感器及電子器件上，尤其在通訊、家電、汽車(chē)、工業(yè)、醫(yī)療、安防等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。這種傳統(tǒng)的鐵氧體溫敏材料是利用該磁性材料在居里溫度附近會(huì)發(fā)生明顯的鐵磁-順磁轉(zhuǎn)變。這種磁轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)變臨界溫度點(diǎn)范圍較窄，在一定程度上限制了這類(lèi)材料的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。此外，這種磁性溫敏材料必須受到磁場(chǎng)的誘導(dǎo)作用才能產(chǎn)生磁性，往往需要和永磁體搭配使用。在小型器件中可以使用小的永磁體提供磁場(chǎng)，而要應(yīng)用到大型器件則比較困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)存在的不足，提供一種錳摻雜鋱鐵氧化物的磁性溫敏材料及其單晶和多晶的制備方法，以鈣鈦礦型稀土鋱的過(guò)渡金屬氧化物作為感溫磁材料，應(yīng)用于磁溫敏器件中，以豐富這類(lèi)器件的應(yīng)用范圍。
[0004]為達(dá)到上述發(fā)明創(chuàng)造目的，采用下述技術(shù)方案:
一種錳摻雜鋱鐵氧化物的磁性溫敏材料，具有單晶或多晶的材料形式，化學(xué)式為T(mén)bFe1 χΜηχ03，其中為稀土元素 Tb，0 < x 彡 0.8。
[0005]作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，0.25 < X < 0.8，臨界溫度易于實(shí)現(xiàn)，在日常工業(yè)生產(chǎn)和生活中較為常見(jiàn)，因此可用于制備相關(guān)電子器件。
[0006]作為本發(fā)明進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，0.4 < X < 0.8，臨界溫度在室溫附近，在日常工業(yè)生產(chǎn)和生活中較為常見(jiàn)，因此可用于制備相關(guān)電子器件。
[0007]作為本發(fā)明進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，0.5 < X < 0.8，臨界溫度更加接近室溫，在日常工業(yè)生產(chǎn)和生活中較為常見(jiàn)，因此可用于制備相關(guān)電子器件。
[0008]—種錳摻雜鋱鐵氧化物的磁性溫敏材料的多晶體制備方法，采用Rn1n、MnOjPFe2O3作為原料，其中勸稀土元素Tb，RmOn為鋪鐵氧化物，按照Tb: Fe: Mn: O的原子摩爾比例為1: (1-x):x:3的原料配比，以固相反應(yīng)法合成TbFe1 χΜηχ03多晶材料，其中m=4，n=7，
O < X < 0.8ο
[0009]—種錳摻雜鋱鐵氧化物的磁性溫敏材料的單晶體制備方法，首先采用Rn1^MnOjPFe2O3作為原料，其中勸稀土元素Tb，RmOn為鋪鐵氧化物，按照Tb: Fe: Mn: O的原子摩爾比例為1: (1-x):x:3的原料配比，以固相反應(yīng)法合成TbFe1 χΜηχ03多晶材料，其中m=4，n=7 ；然后再以TbFe1 χΜηχ03多晶材料為原料，采用光學(xué)浮區(qū)爐法生長(zhǎng)成TbFe1 χΜηχ03單晶材料，其中O < X < 0.8。在制備單晶時(shí)，將多晶樣品塑形成棒狀，掛入光學(xué)浮區(qū)爐中，通過(guò)調(diào)節(jié)生長(zhǎng)速度和爐體內(nèi)燈泡的功率，在氬氣的氣氛中進(jìn)行生長(zhǎng)。生長(zhǎng)完成后利用勞厄晶體定向儀給單晶確定晶體中a，b，c軸的方向。
[0010]本發(fā)明合成鈣鈦礦型稀土過(guò)渡金屬氧化物，即錳摻雜的鋱鐵氧化物磁性材料，利用這類(lèi)材料特有的自旋重取向相變的轉(zhuǎn)變溫度作為臨界溫度點(diǎn)，取代之前依賴(lài)于軟磁鐵氧體材料在居里溫度附近的磁轉(zhuǎn)變，這種材料可以根據(jù)應(yīng)用的需要做成塊材或薄膜材料。通過(guò)摻雜錳替換母相中的鐵元素形成新的材料，其自旋重取向相變的轉(zhuǎn)變溫度比母相TbFeO3有明顯的提高，隨著摻雜錳的濃度變化，其臨界轉(zhuǎn)變溫度可調(diào)。本發(fā)明中的材料在其自旋重取向轉(zhuǎn)變溫度以上具有自發(fā)磁化的特性，因此這種材料只需要溫度誘導(dǎo)而無(wú)需外加磁場(chǎng)的誘導(dǎo)就可表現(xiàn)出本征的磁性。本發(fā)明涉及多晶材料和單晶材料兩種系列材料。在純相的TbFeO3中摻雜Mn 3+離子，分別用固相反應(yīng)法和光學(xué)浮區(qū)爐法合成出TbFe ι χΜηχ03 (O< X < 0.8)多晶和單晶材料，并用X射線(xiàn)粉末衍射和勞厄照相法分別對(duì)多晶和單晶材料進(jìn)行純度分析和定向分析，再通過(guò)磁性測(cè)試來(lái)檢驗(yàn)自旋重取向溫度的變化。
[0011]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見(jiàn)的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn):
1.本發(fā)明TbFe1χΜηχ03 (O < x彡0.8)無(wú)須外加磁場(chǎng)輔助即能產(chǎn)生磁性，磁轉(zhuǎn)變溫度敏感度高，磁轉(zhuǎn)變臨界溫度可調(diào)節(jié)且可達(dá)到室溫，適合應(yīng)用于磁溫敏器件的制備；
2.本發(fā)明TbFe1χΜηχ03 (O < x彡0.8)通過(guò)改變配比獲得磁轉(zhuǎn)變臨界溫度范圍在-264.65°C到25.85°C的不同材料，其磁轉(zhuǎn)變基于鈣鈦礦型稀土過(guò)渡金屬氧化物中存在的自旋重取向相變的原理，這種相變使得磁轉(zhuǎn)變速度比傳統(tǒng)的居里溫度附近發(fā)生磁轉(zhuǎn)變迅速得多，且在臨界溫度以上具有自發(fā)磁化，因此轉(zhuǎn)變前后無(wú)需外加磁場(chǎng)誘導(dǎo)，這些特性使得TbFe1 χΜηχ03 (O < x彡0.8)材料優(yōu)于傳統(tǒng)的依賴(lài)于居里溫度附近磁轉(zhuǎn)變的磁敏溫度器件材料；
3.本發(fā)明TbFe1χΜηχ03 (O < x ^ 0.8)是具有有高自旋重取向臨界溫度的材料，其臨界溫度由摻雜配比的不同而從-264.65°C到25.85°C范圍內(nèi)變化。個(gè)別配比材料的自旋重取向臨界溫度可達(dá)到室溫以上，這使得TbFe1 χΜηχ03 (O ^ x ^ 0.8)這一系列材料具有很好的應(yīng)用價(jià)值，可廣泛應(yīng)用于磁溫敏開(kāi)關(guān)中，并且多種自旋重取向臨界溫度可以適用于對(duì)溫度有不同要求的器件中。
【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1是本發(fā)明實(shí)施例一制備的TbFea4Mna6O3多晶材料的磁熱曲線(xiàn)圖。
[0013]圖2是本發(fā)明實(shí)施例一制備的TbFea4Mna6O3多晶材料的磁化強(qiáng)度-時(shí)間和溫度-時(shí)間曲線(xiàn)圖。
[0014]圖3是本發(fā)明實(shí)施例二制備的TbFea75Mna25O3單晶材料的磁熱曲線(xiàn)圖。
[0015]圖4是本發(fā)明實(shí)施例二制備的TbFea75Mna25O3單晶材料的磁化強(qiáng)度-時(shí)間和溫度-時(shí)間曲線(xiàn)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例詳述如下:
實(shí)施例一:
在本實(shí)施例中，一種錳摻雜鋱鐵氧化物的磁性溫敏材料的TbFea4Mna6O3多晶體制備方法，采用Tb4O7, MnO2^P Fe 203作為原料，按照Tb: Fe: Mn: O的原子摩爾比例為1:0.4:0.6:3的原料配比，以固相反應(yīng)法合成TbFea4Mna6O3多晶材料。
[0017]在本實(shí)施例中，制備TbFea4Mna6O3多晶體材料的合成具體步驟為:
a.將純度為99.99%的Tb407、MnOjP Fe 203按照Tb: Fe: Mn: O的原子摩爾比例為1:0.0.4:0.6:3的原料配比進(jìn)行稱(chēng)重，研磨8 h混合均勻，在1000°C溫度下預(yù)燒24 h，得到多晶料粉；
b.將在所述步驟a中制備的多晶料粉裝入模具中，在20MP壓強(qiáng)下壓為直徑25mm的圓片，在高溫爐中在1350°C下燒結(jié)48 h，得到TbFea4Mna6O3多晶材料。
[0018]將在所述步驟b中得到的多晶片切下一小塊，用X射線(xiàn)衍射驗(yàn)證所得樣品的單相性。
[0019]參見(jiàn)圖1和圖2，將在所述步驟b中得到的多晶片切下小塊，稱(chēng)重，用綜合物性測(cè)量?jī)x(PPMS)測(cè)試磁性質(zhì)，并得到其自旋重取向溫度。測(cè)得其自旋重取向溫度為23.52°C。圖1為該樣品的磁熱曲線(xiàn)，反應(yīng)了材料的磁化強(qiáng)度與溫度的關(guān)系。由圖1可知，此時(shí)材料的自旋重取向溫度比x=0時(shí)提高了 288.17°C，即從-264.65 °C提高到23.52°C。磁熱測(cè)試結(jié)果顯示，當(dāng)溫度低于23.52°C時(shí)材料的磁性迅速降低，在2.35°C時(shí)磁性完全消失。圖2為T(mén)bFea4Mnll6O3多晶材料的磁化強(qiáng)度-時(shí)間和溫度-時(shí)間曲線(xiàn)，反映了當(dāng)溫度在_26.48°C和76.85°C之間反復(fù)變化，當(dāng)溫度在-26.48°C和76.85°C之間反復(fù)變化時(shí)，其對(duì)應(yīng)的磁化強(qiáng)度的變化呈現(xiàn)出非常規(guī)律的周期性，證明這種磁性溫敏材料可以反復(fù)升降溫而其磁化強(qiáng)度始終保持極好的可重復(fù)性，可以作為磁溫敏器件材料。由于單晶具有強(qiáng)烈的各向異性和完美的晶體學(xué)特性，其應(yīng)用更有針對(duì)性。在圖2中，臨界溫度為23.52°C，在室溫附近，在日常工業(yè)生產(chǎn)和生活中較為常見(jiàn)，因此可以采用本實(shí)施例TbFea4Mna6O3多晶體材料制備相關(guān)電子器件，尤其適合于制備磁敏溫度開(kāi)關(guān)。
[0020]實(shí)施例二:
本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，特別之處在于:
在本實(shí)施例中，一種錳摻雜鋱鐵氧化物的磁性溫敏材料的TbFea 75Mn0.2503多晶體制備方法，采用Tb4O7、MnOjP Fe 203作為原料，按照Tb: Fe: Mn: O的原子摩爾比例為1:0.75:0.25:3的原料配比，以固相反應(yīng)法合成TbFea75Mna25O3多晶材料片；然后將TbFea75Mna25O3S晶材料片研磨成粉末，再塑形成直徑約7.5_的棒狀，掛入光學(xué)浮區(qū)爐中，抽真空并通入氬氣，打開(kāi)聚焦燈并調(diào)節(jié)燈泡功率進(jìn)行升溫，設(shè)定初始上下棒旋轉(zhuǎn)速度，當(dāng)功率達(dá)到特定值時(shí)，棒的頂端出現(xiàn)融化跡象，繼續(xù)升功率直到上下端剛剛?cè)诨癁橐后w，此時(shí)緩緩將上棒向下移動(dòng)，使上下棒對(duì)接在一體，此時(shí)即可開(kāi)始晶體生長(zhǎng)。在生長(zhǎng)過(guò)程中，根據(jù)具體情況調(diào)節(jié)燈泡功率、氬氣的流量以及生長(zhǎng)速度，這三者的平衡將使熔區(qū)維持在相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，直到TbFea 7#11。.2503單晶生長(zhǎng)結(jié)束。在本實(shí)施例中，生長(zhǎng)結(jié)束后，將得到的單晶切下小塊，用X射線(xiàn)衍射驗(yàn)證所得樣品的單相性。
[0021]參見(jiàn)圖3和圖4，將本實(shí)施例制備的單晶材料切下小塊，稱(chēng)重，用綜合物性測(cè)量?jī)x(PPMS )測(cè)試磁性質(zhì)，并得到其自旋重取向溫度。圖3為該樣品的磁熱曲線(xiàn)，反應(yīng)了材料的磁化強(qiáng)度與溫度的關(guān)系。由圖3，