热处理温度对NiFe2O4纳米粉末红外特性及磁性能的影响

qcf · 发表于 2006-12-2 15:48:20

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摘要：采用溶胶-凝胶法制备了NiFe2O4纳米粉末，并经不同温度处理。测定了样品的X射线衍射谱、红外漫反射光谱和磁性能。结果表明，200℃以上的热处理开始促进粉末的长大和晶化过程，而且随着温度的升高，晶化程度增强，粉末粒径增大。红外漫反射谱可以较好地反映粉末的尺寸效应和形态效应，粉末粒径越小，漫反射函数值越大；当粒径达到一定尺寸时，红外漫反射的尺寸效应和形态效应消失。NiFe2O4纳米粉末的磁性能与热处理温度及粉末的粒径大小有着十分密切的关系。
关键词：NiFe2O4纳米粉末；红外漫反射谱；磁性

铁氧体是一种用途广泛的磁性材料，其制备技术一直是被研究的内容。由于纳米粒子具有独特的表面效应和体积效应，与块体材料相比，其光、电、磁、热等性能有较大的不同，因此近年来纳米尺寸的铁氧体粉末材料的研究更加受到关注[1～6]。 NiFe2O4是一种常用的软磁性铁氧体材料，它具有完全反型的尖晶石结构，在晶格内部三价铁离子以等比例占据氧八面体和氧四面体中心，而二价镍离子则全部占据氧八面体中心位置。超细尤其是纳米尺度的NiFe2O4磁性粉末的制备技术及性能有了一定的研究[7，8]。

我们采用溶胶-凝胶法制备NiFe2O4纳米粉末，通过测定经不同温度处理的样品的X射线衍射谱，探讨NiFe2O4的粉末颗粒长大过程及颗粒纳米化所引起的衍射峰宽化效应；测定红外漫反射光谱，观察其红外特性变化；利用振动样品磁强计测定其磁性能，探讨其磁性与热处理温度、粉末粒径的关系。

1 实验过程

1.1 NiFe2O4的制备

采用溶胶-凝胶法制备NiFe2O4纳米粉末样品。具体过程如下：将一定量的硝酸铁和硝酸镍，按确定的摩尔比（Fe∶Ni=2∶1)，溶入一定量的溶化后的柠檬酸中，加入少量聚乙二醇作为分散剂，经蒸发、干燥、自燃烧等过程后，得到相应的纳米尺度的NiFe2O4原粉，并在不同温度下进行热处理。

1.2 NiFe2O4纳米粉末的表征和测试

上述NiFe2O4纳米粉末样品采用X射线衍射仪来表征；运用付立叶变换红外光谱仪测定其红外漫反射光谱；使用振动样品磁强计测定其磁性能。

2 结果与讨论

2.1 NiFe2O4纳米粉末的表征

图1给出了经不同温度处理的NiFe2O4纳米粉末的X射线衍射谱。图中谱线表明，从200℃开始，随着热处理温度升高，NiFe2O4纳米晶颗粒逐渐长大，200℃处理的样品所有衍射峰的宽化效应表明其颗粒尺寸相对较小。在400℃、600℃处理的样品，衍射峰的特征发生明显跃迁，粉末颗粒长大过程主要发生在这一温度区间；而对于600℃和800℃处理的样品，虽然也遵循温度升高粉末粒径长大的规律，但两者接近。对于所有的样品，衍射峰都与粉末衍射卡片中固态反应法制备的NiFe2O4的衍射峰的位置是一致的，即为典型的尖晶石结构。图中各衍射峰随热处理温度升高，峰的强度逐渐增高，半高宽变窄，峰型更加尖锐，也说明了NiFe2O4粉末粒径的不断长大。值得注意的是，从图中结果是不能判断较低温度处理的NiFe2O4是否仍有非晶成分。

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由XRD半高宽法（HFMW)，根据Scheer公式可以计算颗粒的平均粒径

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式中常数K=0.89，λ=0.1789nm，β为半高宽，为衍射角。平均粒径D的计算结果列于表1中。图1和表1中的结果表明，随着热处理温度的升高，粉末的平均粒径增大，晶化程度增大；也更直接地反映了随着温度升高，粉末颗粒粒径不断长大的过程。

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2.2 NiFe2O4纳米粉末的红外漫反射谱

漫反射光是光进入样品内部经过多次反射、折射、衍射及吸收后返回样品表面的光，负载了样品的结构和组成信息。光与样品的作用在反射、折射、衍射等方面的差异都将影响漫反射函数，而这些差异又与样品的粒径大小、分布和外观形态有关[9]。

图2是NiFe2O4纳米粉末的红外漫反射谱。图2中的结果表明：经不同温度处理的样品的漫反射谱呈现相似的谱线形态和谱峰位置，区别在于不同样品的谱峰强度不同。具体讲，随着粉末粒径增大，峰的强度不断降低，十分规律，表现了强烈的尺寸效应和形态效应。值得注意的是600℃、800℃处理的样品的谱线几乎重叠，说明当粉末粒径达到一定尺度时，红外漫反射谱的尺寸效应和形态效应基本上消失了。

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2.3 NiFe2O4纳米粉末的磁性能

图3是不同热处理温度下NiFe2O4纳米粉末的磁滞回线。表2列出了样品的基本磁特性。结果表明，随着热处理温度的升高，饱和磁化强度和剩余磁化强度是不断增大的；矫顽力则先增高而后降低，在400℃处达到最大值。最大饱和磁化强度和最大矫顽力则分别达到3184A/m和60169A/m，同样这些结果也表现了明显的尺寸效应和形态效应。

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3 结论

通过溶胶-凝胶方法，在不同温度下热处理，可以得到不同尺寸和形态的NiFe2O4纳米粉末。X射线衍射分析表明，200℃以上的热处理开始促进粉末的长大和晶化过程；而且随着温度的升高，晶化程度增强，粉末粒径增大。红外漫反射谱可以较好地反映粉末的尺寸效应和形态效应，粉末粒径越小，漫反射函数值越大；当粒径达到一定尺寸时，红外漫反射的尺寸效应和形态效应消失。NiFe2O4纳米粉末的磁性能与热处理温度、粉末的粒径大小有着十分密切的关系。

参考文献：
[1] 李, 韩杰才, 杜善义. 铁氧体的自蔓延高温合成方法[J]. 功能材料, 1999, 30(6): 598-600.
[2] 岳振星, 周济, 张洪国, 等. 溶胶-凝胶自燃烧法合成Ni-Zn铁氧体纳米粉末[J]. 材料研究学报, 1999, 13(5): 483-486.
[3] 车仁超, 李永清, 陈朝辉, 等. 钴铁氧体微粉的化学法制备工艺及其磁特性研究[J]. 功能材料, 1999, 30(6): 615-616.
[4] 桑商斌, 古映莹, 黄可龙. 锰锌铁氧体纳米晶的水热法制备及热动力学研究[J]. 功能材料, 2001, 32(1): 27-29.
[5] 郭睿倩, 李洪桂, 孙培梅, 等. 不同稀土元素掺杂M型钡铁氧体超微粉末的磁性研究[J], 功能材料, 2001, 32(6): 598-599.
[6] Lee J G, Park J Y, Kim C S. Growth of ultra-fine colbalt ferrite particles by a sol-gel method and their magnetic properties[J]. 1998, 33: 3965-3968.
[7] 隋郁, 苏文辉, 郑凡磊, 等. NiFe2O4纳米固体的穆斯堡尔谱研究[J]. 物理学报, 1997, 46(2): 2444-2452.
[8] Kodama R H, Seaman C L, et al. Low-temperature mag- netic relaxation of organic coated NiFe2O4 particles[J]. J Appl Phys, 1994, 75(10): 5639-5641.
[9] 陆婉珍, 袁洪福, 徐广通, 等. 现代近红外光谱分析技术[M]. 北京: 中国石化出版社, 2000.4.

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