Sm3+掺杂Co-Cr尖晶石铁氧体纳米颗粒的晶体结构与磁调制机制及其在磁存储器件中的应用研究

研究人员通过溶胶-凝胶自燃烧法合成Sm3+掺杂的CoCr0.2Fe1.8-xSmxO4纳米颗粒，系统研究了稀土离子对尖晶石铁氧体结构畸变和磁性能的调控作用。XRD和Rietveld精修证实Sm3+掺杂导致晶格膨胀（8.3840→8.3952 ?）和晶粒生长（18.12→20.64 nm），VSM测试显示饱和磁化强度降低（72.07→62.18 emu/g）而矫顽力提升（277.7→324.2 Oe），为磁存储材料设计提供了新思路。

　　

在信息技术飞速发展的今天，高性能磁存储材料的需求与日俱增。尖晶石铁氧体作为经典磁性材料，其性能调控始终是研究热点。然而，传统铁氧体面临饱和磁化强度与矫顽力难以协同优化的瓶颈，特别是如何通过离子掺杂精准调控磁性能仍存在挑战。稀土元素因其独特的4f电子结构和较大的离子半径，被认为是打破这一僵局的关键，但关于Sm³⁺掺杂对Co-Cr铁氧体体系的影响机制尚不明确。

印度马哈拉施特拉邦Dharashiv市Jawahar学院物理系的研究团队在《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》发表重要成果。研究人员采用溶胶-凝胶自燃烧法成功制备系列Sm³⁺掺杂的CoCr_0.2Fe_1.8-xSm_xO₄纳米颗粒，通过多尺度表征揭示了稀土离子对材料结构与性能的调控规律。

研究主要采用X射线衍射（XRD）进行物相分析，结合Rietveld精修确定晶体结构；通过Williamson-Hall和尺寸应变图（SSP）方法计算晶粒尺寸和微观应变；利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）检测金属-氧键振动；借助振动样品磁强计（VSM）测定磁性能；并采用透射电子显微镜（TEM）观察纳米颗粒形貌。

1. 结果与讨论

   3.1 结构特性

   XRD分析显示所有样品均呈现单一立方尖晶石相（空间群Fd3?m），Sm³⁺掺杂使晶格常数线性增加，归因于Sm³⁺（0.964 ?）对Fe³⁺（0.645 ?）的替代导致晶格膨胀。Rietveld精修证实晶胞参数从8.3794 ?（x=0）增至8.3918 ?（x=0.1），χ²值（1.09-1.96）表明拟合质量良好。

3.2 微观应变分析

Williamson-Hall和SSP分析显示，随着Sm含量增加，拉伸应变从0.296×10^-4显著提升至3.190×10^-4，而晶粒尺寸从18.24 nm（x=0）生长至22.51 nm（x=0.1）。这种应变增强主要源于Sm³⁺与Fe³⁺的离子半径失配。

3.3 阳离子分布

通过Bertaud方法计算（220）、（400）、（440）晶面强度比，确定Sm³⁺优先占据八面体位点（B位）。典型阳离子分布为（Cr_0.2Sm_0.004Fe_0.796）[Co_1.0Sm_0.096Fe_0.904]O₄（x=0.1），导致Fe³⁺从B位向A位迁移。

3.4 磁性能

VSM测试表明，饱和磁化强度（Ms）从72.07 emu/g（x=0）降至62.18 emu/g（x=0.1），而矫顽力（Hc）从277.7 Oe增至324.2 Oe。这种变化源于：1）Sm³⁺取代B位Fe³⁺削弱A-O-B超交换作用；2）晶格应变增强磁各向异性；3）4f-3d自旋轨道耦合效应。

研究结论表明，Sm³⁺掺杂通过晶体结构调制和阳离子重排，实现了Co-Cr铁氧体磁性能的精准调控。虽然饱和磁化强度有所降低，但显著提升的矫顽力和各向异性使其更适合作为高密度磁记录材料。该工作不仅阐明了稀土掺杂影响尖晶石铁氧体磁性能的微观机制，还为开发新一代磁存储器件提供了材料设计策略。特别值得注意的是，通过溶胶-凝胶法实现的纳米尺度均匀掺杂，展示了该方法在制备复杂组分功能材料方面的独特优势。