创建反向Zn-Ferrite薄膜退火处理

除了生态可接受的性格,Zn-ferrite (ZnFe₂O₄)是一种尖晶石铁氧体化学元素,承诺制造成本相对较低。尖晶石结构相对“开放”,大量空置的晶体网站,允许插入的(移动)掺杂物,可能扩大材料的使用范围。这是在杂志上的进一步探索磁性。

研究:竞争在倒Zn-Ferrite薄膜磁相互作用。图片来源:马克西姆Safaniuk / Shutterstock.com

增长的情况下,如off-stoichiometry锌和铁含量的影响,非零铁^{2 +}/铁^{3 +}微/纳米菌株比率,也影响纳米Zn-ferrite的总体特征。例如,锌阳离子的迁移在退火可以导致两个截然不同的晶体的生产阶段(赤铁矿和磁铁矿),以及Zn-ferrite,阻碍众多的工业用途。

在不同的纳米Zn-ferrite,从纳米颗粒纳米晶体薄膜,阳离子的热力学障碍和反转的程度和退火温度之间的关系已被调查欧洲杯猜球平台。

尽管研究人员知道阳离子分布(Fe^{3 +}和锌^{2 +})控制的物质属性Zn-ferrite电影和新兴应用在自旋电子和高频设备,其低温磁特性尚未彻底调查;了解磁性的订购行为Zn-ferrite是至关重要的。

溅射是用于创建反向Zn-ferrite薄膜,然后真空退火原位和空气退火非原位。这些电影有多种与温度有关的磁特性可能是描述使用磁性元件模型(超顺磁的亚铁磁性,顺)。

方法

射频(RF)磁控溅射Zn-ferrite薄膜(500海里)的熔融石英基质进行了100和200 W的功率下纯氩1×10的压力³从陶瓷ZnFe mbar₂O₄目标。x射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)被用来研究这些电影的结晶相、微观结构,分别。

物理性质测量系统(项目组合管理系统)连接到一个振动样品磁强计是用来测试磁性特征(VSM)。磁化的温度依赖性(m - t)数据收集在一个比较大的应用领域为1.59×10⁶/ m冷却情况下从300到5公里。电影的磁化数据从石英基质的抗磁性的贡献。

结果

图1显示了XRD的模式是成年人Zn-ferrite薄膜以及空气中退火(非原位)和真空(原位),展示了创建一个单相FCC立方尖晶石Zn-ferrite结构。

图1所示。XRD的成熟模式,air-annealed和真空退Zn-ferrite薄膜以及散装Zn-ferrite数据。图片来源:Bohra, et al ., 2022

表1显示了这些电影的晶格常数,这从8.41 - -8.46,而大部分Zn-ferrite 8.44的价值。

表1。晶格常数、晶粒大小和m - t数据拟合参数。资料来源:Bohra,等,2022

样本	晶格常数 (一)	晶粒尺寸 (nm)	β	TC或θ (K)	α
是成年人100 W	8.46	24	1.25	604年	0.85
是成年人200 W的电影	8.43	30.	1.25	600年	0.8
100 W电影空气退火500°C	8.43	31日	1.45	452年	1
100 W电影空气退火850°C	8.44	58	- - - - - -	254年	0
100 W电影真空退火在500°C	8.41	41	2.5	828年	1

谢勒公式(表1)估计,晶粒大小是成年人电影在能力范围的纳米和上升(31-58海里)退火(不管环境)期间,由SEM照片验证(见图2)。

图2。扫描电镜的图像是成年人Zn-ferrite薄膜(沉积的射频功率100 W),后来退火在500°C和850°C。图片来源:Bohra, et al ., 2022

首先,的影响非原位空气中退火的温度依赖性的磁性Zn-ferrite薄膜进行了研究。图3显示了field-cooled (FC)是成年人和air-annealed样品的磁化强度。

图3。FC m - t曲线以1.59×10的固定字段⁶是成年人的/ m (A)和air-annealed Zn-ferrite薄膜(b, c),红线表示拟合数据与一个组件模型。图片来源:Bohra, et al ., 2022

磁化(M)的场依赖性曲线评估低温评价上述独特的磁行为Zn-ferrite薄膜中,如图4所示是成年人和air-annealed样本。

图4。M−H循环(打开符号)是成年人电影(a)和电影退火在500°C (b)和850°C (C)以及拟合曲线(实线)。mh insets显示低场地区的曲线。图片来源:Bohra, et al ., 2022

表2列出了所有的提取拟合参数。是成年人电影形成于100年和200年W整体调频贡献最高,但点或AFM的贡献从~ 11 ~ 17%增加随着退火温度的升高。

表2。矩形比:S = M_r/ M_年代饱和磁化:M_年代磁化率:χ,矫顽力:H_C,α¹和α²。资料来源:Bohra,等,2022

样本	HC1 (kA /米)	HC2 (kA /米)	米Sf1 (T)	米Sf2 (T)	年代1	年代2	α1	α2	1 -α1-α2	Xf
是成年人100 W	9.55	92.95	0.35	0.19	0.34	0.25	0.597	0.402	0.001	473年
是成年人200 W	45.67	446.111	0.048	0.02	0.20	0.13	0.984	0.001	0.016	0.47
100 W空气退火500°C	38.28	42.73	0.39	0.21	0.31	0.17	0.251	0.636	0.112	0.32
100 W空气退火850°C	14.40	36.37	0.16	0.13	0.06	0.03	0.105	0.722	0.173	0.13
在500°C 100 W真空退火	35.5	32.06	0.063	0.16	0.15	0.41	0.452	0.52	0.003	0.12

图5演示了FC的磁化行为原位真空退(500°C) Zn-ferrite电影;它揭示了一个异常低于130 K,这有别于传统的亚铁磁性行为如红虚线所示。这些电影的mh循环(参见图5 b)减少了饱和磁化M_年代值(表2),表明铁的价态发生了变化。

图5。m - t曲线测量1.59×10⁶对真空退/ m Zn-ferrite电影(A)。红色虚线显示安装数据到布洛赫的法律。红色象征关闭数据K₁各向异性常数的磁铁矿被引用。插图显示的m - t曲线磁铁矿薄膜。的M−H循环真空退Zn-ferrite电影拍摄5 K (b)。图片来源:Bohra, et al ., 2022

这既不同于阳离子反演技术非原位air-annealed Zn-ferrite和电影原位air-annealed Zn-ferrite电影[锌_{1 - x}^{+ 2}菲_x^{+ 3}]_一个(锌_x^{+ 2}菲_{2 x}^{+ 3}]_BO₄退火温度与锌_x菲_{3 x}O₄(见表2):[锌_x^{+ 2}菲_1−x^{+ 3}]_一个(铁_{1 + x}^{+ 3}菲_1−x^{+ 2}]_BO₄(参见图6),磁化强度值上升随着锌浓度下降在热处理过程中,特别是在减少环境。

图6。各种自旋在ZnFe安排计划₂O₄。图片来源:Bohra, et al ., 2022

研究人员还气急败坏的赤铁矿(铁磁铁矿电影₂O₃)目标可比增长和退火情况下Zn-ferrite电影进一步验证,观察到的异常是由于铁的价态的转变,也就是说,铁的存在^{+ 2}离子作为对照实验。

科学家发现一种模拟磁化下降低于130 K的FC磁铁矿电影的磁化曲线(见图5)的插图,但更大的净磁化整个温度范围值。

作为这项研究的结果,得出的磁性纳米晶体Zn-ferrite电影不仅生长条件也极其敏感气割后退火处理和他们的环境,导致各种各样的晶粒大小、铁^{2 +}/铁^{3 +}率和磁相互作用。

结论

本研究的目的是了解的基本磁性纳米晶体Zn-ferrite薄膜,这是一个反铁磁性物质的主要形式。这些电影,多种类型的原位和非原位退火过程的应用,每个引起Zn-ferrite阳离子反演尖晶石结构截然不同的方式。以下是可以从这项研究的主要结果。

研究人员有效地描述了温度和field-dependent气急败坏的磁性特征Zn-ferrite薄膜使用组件(SPM、调频和PM)模型,表明该模型可能是最适合多组分磁系统。

随着退火温度的增加,非原位退火空气转换的结合优势SPM和FM调频贡献,最后,bulk-type AFM状态同时保持单一磁离子(Fe^{+ 3})字符。

另一方面,原位真空退火导致部分过渡八面体的铁^{+ 3}离子进入菲^{+ 2}离子,降低了在低温磁化饱和磁化强度值并生成一个异常数据在130 K左右。

最后,可调的磁性气急败坏的Zn-ferrite薄膜提供了可能性在自旋电子学和高频设备由于其加工温度低,易于与半导体技术的集成。

期刊引用:

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