Sm3+掺杂铜铁氧体的结构调控与介电性能优化及其在微波器件中的应用

研究人员通过溶胶-凝胶法合成Sm3+掺杂铜纳米铁氧体（CuSmxFe2-xO4），系统研究了其结构、光谱及介电特性。结果表明，Sm3+掺杂可调控晶格参数、降低介电损耗（tanδ），并通过模量分析揭示高频共振行为，为磁性存储和微波器件开发提供新材料。

　　

在材料科学领域，尖晶石型铁氧体（spinel ferrites）因其独特的电磁性能和广泛的应用前景备受关注。然而，如何通过精准掺杂调控其介电响应和结构稳定性，仍是当前研究的难点。特别是稀土元素掺杂对铜铁氧体（CuFe₂O₄）性能的影响机制尚未完全阐明。针对这一科学问题，巴基斯坦伊斯兰大学巴哈瓦尔布尔分校（The Islamia University of Bahawalpur）的Muhammad Junaid团队在《Polyhedron》发表研究，首次系统探究了Sm³⁺替代Fe³⁺对铜铁氧体纳米材料的多尺度影响。

研究采用溶胶-凝胶自燃烧法（sol-gel auto-combustion）合成CuSm_xFe_2-xO₄（x=0.00-0.16）系列样品，通过X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和阻抗分析仪等关键技术，揭示了Sm³⁺掺杂浓度与材料性能的构效关系。

结构分析显示，所有样品均形成尖晶石相，但Sm³⁺掺杂导致晶格常数呈非单调变化（先减小后增大），并在20°-30°出现SmFeO₃杂质峰。XRD精修表明，Sm³⁺优先占据八面体位点（octahedral site），其离子半径差异导致晶格畸变。

光谱特性方面，FTIR在400-600 cm^-1范围内检测到金属-氧键的特征振动峰，对应四面体（tetrahedral）和八面体配位结构的伸缩振动。随着Sm³⁺含量增加，吸收峰蓝移现象证实了局部晶场环境的改变。

介电性能研究发现，介电损耗（ε"）和tanδ随频率升高而降低，符合Maxwell-Wagner界面极化机制。模量分析（M'和M"）显示低频区储能模量上升，高频区出现共振峰，表明Sm³⁺掺杂可优化高频响应特性。

结论与意义：该研究证实Sm³⁺掺杂能有效调控铜铁氧体的晶粒尺寸（从41%降至33%孔隙率）和介电损耗，其优化的高频性能使其成为微波器件（如谐振器、移相器）的理想候选材料。团队特别指出，相较于文献报道的Co/Mn-Zn铁氧体，CuSm_xFe_2-xO₄具有更低的介电常数和更紧凑的晶格结构，这一发现为磁性功能材料的理性设计提供了新思路。