利用交流磁场测量技术通过磁场成像实现缺陷的自动视觉识别

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Automatic visual identification of defects by magnetic field imaging using alternating current field measurement technique

钴铬铁氧体纳米颗粒通过溶胶-凝胶自燃烧法合成，研究Sm3?掺杂对结构和磁性能的影响。XRD和Rietveld分析显示晶格参数（8.3840-8.3952 ?）和晶粒尺寸（18.12-20.64 nm）随Sm掺杂量增加而增大，归因于Sm3?离子半径（0.964 ?）与Fe3?（0.645 ?）的尺寸差异。磁化率测试表明饱和磁化强度（72.07-62.18 emu/g）和有效磁矩（3.03-2.72 μB）随Sm掺杂量增加而降低，而矫顽力（277.7-324.2 Oe）和磁各向异性增强，源于离子分布变化（Sm3?优先占据八面体B位，Fe3?向四面体A位迁移）及应变效应。结构分析表明晶格膨胀和应变增加导致磁超交换作用减弱，同时引入Sm3?的轨道耦合效应增强了磁各向异性。本研究证实Sm3?掺杂能有效调控钴铬铁氧体的软磁性能，为磁性存储器件提供新思路。

　　本研究聚焦于Sm3?掺杂的Co–Cr尖晶石铁氧体纳米颗粒，其化学式为CoCr?.?Fe?.???Sm?O?，其中Sm的掺杂浓度x分别为0.0至0.1。通过溶胶–凝胶自燃烧法合成这些纳米材料，进一步分析其结构与磁性之间的关系，旨在探索稀土元素掺杂对尖晶石铁氧体性能的调控机制。研究结果表明，Sm3?的掺杂对材料的结构和磁性产生了显著影响，从而为开发新型磁性材料提供了理论依据和实验支持。

在结构特性方面，通过X射线衍射（XRD）和Rietveld精修分析，证实了所有样品均具有纯的立方尖晶石结构，空间群为Fd3?m。XRD图谱中观察到的峰位偏移表明，随着Sm3?掺杂浓度的增加，晶格参数从8.3840 ?逐步扩大至8.3952 ?。这种晶格参数的增加主要归因于Sm3?较大的离子半径（0.964 ?）替代Fe3?（0.645 ?）所导致的晶格膨胀。同时，晶粒尺寸从18.12 nm增长至20.64 nm，进一步支持了Sm3?对晶格结构的改变。

研究还通过Williamson–Hall（W–H）方法和Size-Strain Plot（SSP）方法对晶粒尺寸和晶格应变进行了详细分析。W–H方法揭示了随着Sm掺杂量的增加，晶粒尺寸逐渐增大，而晶格应变也显著增加，从0.296×10??提升至3.190×10??。这一趋势表明，Sm3?的掺杂不仅促进了晶粒生长，还引入了显著的晶格畸变，这些应变效应可能源于Sm3?与Fe3?在晶格中存在离子半径不匹配。SSP方法则进一步验证了这一结论，通过分析峰宽的变化，确认了晶粒尺寸和晶格应变的变化趋势，并与W–H方法的结果保持一致。

此外，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析，研究人员观察到了金属–氧振动的特征峰，位于400–600 cm?1范围。随着Sm3?掺杂浓度的增加，这些峰的波数发生偏移，表明金属–氧键的强度有所减弱。这一现象与Sm3?的离子半径较大有关，其替代Fe3?后，导致晶格结构的改变，从而影响了金属–氧键的特性。

为了进一步探讨Sm3?在晶格中的分布情况，研究采用Bertaud方法分析了不同样品中A位和B位的阳离子分布。结果显示，Sm3?倾向于占据B位，这是由于其较大的离子半径和对八面体位的偏好。这种选择性占据导致Fe3?部分迁移至A位，从而改变了A–O–B型超交换相互作用的强度。这不仅影响了磁性行为，还对材料的磁性能产生了显著的调控作用。

在磁性方面，通过振动样品磁强计（VSM）测量，观察到了Sm3?掺杂对磁性能的系统性影响。饱和磁化强度（Ms）从72.07 emu/g下降至62.18 emu/g，这与Sm3?的非磁性或弱磁性以及其对Fe3?的替代有关。磁滞回线显示，所有样品均表现出软磁性特征，即具有较窄且对称的回线，说明材料在室温下具有良好的磁化和退磁性能。然而，随着Sm掺杂浓度的增加，矫顽力（Hc）从277.7 Oe上升至324.2 Oe，表明Sm3?的掺杂增强了磁晶各向异性（K?）。这一趋势可以归因于Sm3?的离子半径较大引起的局部晶格畸变，以及其对磁矩的贡献较小，导致磁性材料的磁矩整体下降。

同时，剩余磁化强度（Mr）和磁矩比值（Mr/Ms）均呈现下降趋势，从0.34降至0.29。这一现象表明，随着Sm3?的掺杂，磁矩的保持能力减弱，这可能与磁性相互作用的削弱和晶格畸变有关。此外，有效磁矩（n_B）和归一化有效磁矩（n_BN）也随Sm含量的增加而减少，进一步支持了Sm3?对磁矩的抑制作用。

初始磁导率（μ_i）作为衡量磁性材料磁软性的重要参数，也随着Sm掺杂浓度的增加而降低。这一变化可以归因于磁晶各向异性增强和磁畴壁运动的受限。初始磁导率的下降表明，Sm3?的掺杂改变了材料的磁响应特性，使其在低频磁性和高频电子应用中表现出不同的行为。

综上所述，本研究揭示了Sm3?掺杂对Co–Cr尖晶石铁氧体纳米材料的结构和磁性的影响机制。Sm3?的掺杂不仅引起了晶格参数的增加和晶粒尺寸的扩展，还通过改变阳离子分布和引入晶格应变，显著影响了材料的磁性能。这些结果表明，稀土元素的掺杂是一种有效策略，可以调控尖晶石铁氧体的磁性特性，从而为开发具有特定磁性能的先进磁性材料提供了理论基础和技术支持。通过精确的合成方法和系统的结构与磁性分析，本研究展示了Sm3?掺杂在磁性材料工程中的潜力，特别是在软磁材料和多功能磁性器件的开发中。未来，这些材料可能在磁存储、电磁屏蔽、气体传感器、微波器件以及生物医学应用如靶向药物输送和磁热疗等领域展现出广泛的应用前景。