张变芳魏学伟王宏宇（石家庄铁道学院）
摘要：用溶胶-凝胶制备了系列Ni0.2Cu0.2Zn0.6Fe2O4铁氧体微粉。磁滞回线表明，Ni0.2Cu0.2Zn0.6Fe2O4在常温和低温都出现了交换偏置场，主要因为纳米晶的表面结构缺陷导致表面原子的磁结构自旋玻璃结构来解释。
关键词：交换偏置场矫顽力溶胶-凝胶法
中图分类号：TQ138
文献标识码：A
1研究性实验教学
研究性实验教学是素质教学体系的组成部分，教师吸收学生参加到实验项目开发以及科研活动中。我们的“导师制”教学就吸收一部分学生参与磁性纳米材料制备与研究，取得了一定效果。学生配合老师制备了Ni0.2Cu0.2Zn0.6Fe2O4纳米微粉晶，发现在常温和低温NiCuZn铁氧体微粉存在交换交换偏置现象，并对其机理进行了分析。
当包含铁磁（FM）/反铁磁（AFM）界面的材料在磁场中从高于AFM的Neel温度TN冷却到低温后，磁滞回线的中心将沿磁场方向偏离原点，同时矫顽力HC增大，这种现象称为“交换偏置”或“交换各向异性”。1956年在CoO外壳覆盖的Co颗粒中首次发现这一现象[1]。尽管对各种交换耦合系统作了大量的实验和理论研究，但是，交换耦合的微观机制仍然不十分清晰。
到目前为止，交换偏置现象多出现在铁磁（FM）/反铁磁（AFM）薄膜体系中。我们采用溶胶-凝胶法用硫酸盐制备了一系列Ni0.2Cu0.2Zn0.6Fe2O4纳米微粉晶，采用两次煅烧，在800℃烧结成纯尖晶石结构的镍铜锌铁氧体。
2实验
采用溶胶-凝胶(sol-gel)法制备Ni0.2Cu0.2Zn0.6Fe2O4多晶微粉。具体步骤为：①按所需名义组分将各种试剂配比称量。②在30℃将Fe（NO3）3放入烧杯中，加水100ml，边滴入HNO3边搅拌，直至溶液透明。③分别加入NiSO4，CuSO4，Zn(NO3)2，维持溶液的PH值为2~3，可以防止金属离子水解而形成沉淀。④加入一定量的柠檬酸和乙二醇作为金属离子络合剂，可以防止金属离子之间发生缔合，从而达到使其均匀分散的目的。⑤将溶液保持温度为85℃，随时搅拌，成为干胶状后将温度升至200℃直至成为炭状。⑥研磨之后在600℃下热处理5个小时，使有机物分解。⑦再次研磨后分别在600℃、800℃和1000℃下热处理3个小时，得到三个Ni0.2Cu0.2Zn0.6Fe2O4多晶粉体，命名为样品1、样品2、样品3。
用X射线衍射仪（Cu靶Ka，管压40Kv，管电流120mA）测定了样品的晶相。利用振动样品磁强计（M7310）在常温和低温测量了样品的磁性能。
3结果与讨论
3.1镍铜锌铁氧体的相结构
样品1出现了ZnSO4相，说明在凝胶在600℃烧结5小时后再在600℃以下烧结3小时还形不成纯的尖晶石结构镍铜锌铁氧体粉体。样品2和样品3具有镍铜锌铁氧体尖晶石结构的纯相而没有其他杂质相存在，说明凝胶在600℃烧结5小时后再在800℃烧结3小时就可以形成纯相。由于铜的存在，在适当加入助熔剂还是比较容易达到在800℃的烧结温度形成纯的尖晶石结构镍铜锌铁氧体的。
3.2镍铜锌铁氧体的磁性能
常温和低温下样品均是典型的铁磁性。表一是三样品的磁性参数，很明显，随着第二次烧结温度从600℃升高到1000℃，无论常温还是低温样品的MS都明显升高了，这是因为随着烧结温度升高，样品的固相反应更加完善，结晶完善，易于形成均相的尖晶石型的镍铜锌铁氧体。
在常温和低温下都出现了交换偏置场，交换偏置通常出现在铁磁/反铁磁双层膜系统或者是含有两个不同磁相的系统中。我们知道，在铁磁（FM）/反铁磁（AFM）体系中，产生交换偏置必须满足三个条件：①铁磁性微粒在磁场中冷却，并使温度低于反铁磁的奈尔点。②铁磁性的物质与反铁磁的物质之间有紧密接触界面，致使其产生交换耦合。③反铁磁提存在强单轴磁晶各向异性。但是从XRD图谱上看除了样品1含杂相外，样品2和样品3中都不存在其他的磁相。这里出现交换偏置的原因可能有两种，第一个原因是在多晶Ni0.2Cu0.2Zn0.6Fe2O4中的相邻铁磁颗粒之间存在很强的反铁磁耦合。第二个原因是Ni0.2Cu0.2Zn0.6Fe2O4纳米颗粒内部表现为亚磁性，而颗粒表面却存在不对称、残键和一定程度的结构无序，类似于玻璃态，这样在我们的系统中，自旋玻璃中反铁磁富集区要和相邻的亚铁磁层产生交换偏置现象，这样就出现了非晶/结晶之间的交换耦合，这在其他尖晶石材料中也曾经被观察到[2,3]。
4结论
4.1利用溶胶-凝胶采用两次煅烧在800℃合成了尖晶石型的Ni0.2Cu0.2Zn0.6Fe2O4纳米晶。
4.2样品在常温和低温都出现了交换偏置场，第一个原因是在多晶Ni0.2Cu0.2Zn0.6Fe2O4中的相邻铁磁颗粒之间存在很强的反铁磁耦合。第二个原因是可以用纳米晶的表面结构缺陷导致表面原子的磁结构自旋无序来解释。
参考文献：
[1]MeiklejohnWH,BeanCP.Newmagneticanisotropy[J].PhysRev,1957,105:904-913.
[2]KorenivskiV,vanDoverRB,SuzukiY,etal,Interlayerexchangecouplinginamorphous/crystallineNiFe2O4thin-filmbilayer[J],J.Appl.Phys.,1996,79(8):5926~5928
[3]SuzukiY,vanDoverRB,GyorgyEM,etal,Structureandmagneticpropertiesofepitaxialspinelferritethinfilms[J],Appl.Phys.Lett.,1996,68(5):714~716
河北省教育科学研究“十一五”规划课题（No.06020596）.