CN101452756A - 一种铈掺杂纳米钡铁氧体薄膜及其制备方法 - Google Patents

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本发明涉及一种铈掺杂纳米钡铁氧体薄膜及其制备方法，其特征在于配方如下：乙二醇1.48～1.60g/100ml、柠檬酸2.51～2.71g/100ml、硝酸铁1.74g/100ml、硝酸钡0.125g/100ml和硝酸铈0.04～0.125g/100ml。制备方法在石英基片上制备晶态纳米钡铁氧体薄膜，通过制备工艺的优化，得到高纯度的铈掺杂钡铁氧体纳米薄膜，薄膜可用于制备磁记录材料、吸波材料。该法优点：工艺流程简单、成本低；便于在各种不同形状的基底上制备薄膜；易制得均匀的多组分氧化物膜，易于定量掺杂，可以有效地控制薄膜成分及微观结构。

Description

一种铈掺杂纳米钡铁氧体薄膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种铈掺杂纳米钡铁氧体薄膜及其制备方法，是在石英基片上制备晶态纳米钡铁氧体薄膜，通过制备工艺的优化，得到高纯度的铈掺杂钡铁氧体纳米薄膜，薄膜可用于制备磁记录材料、吸波材料。
背景技术
目前对纳米钡铁氧体材料的研究表明，该材料存在吸波性能不理想、吸波频段有待进一步拓宽的问题。稀土元素具有丰富的f层电子，其化合物本身就是具有优良磁性能的吸波材料，因而稀土元素的掺入，必然会对钡铁氧体的整个体系吸波性能的改善发挥较大的作用。目前，已有文献报道利用稀土元素的掺入来制备纳米钡铁氧体粉体，但对纳米钡铁氧体吸波性能的改善作用并不理想。由于纳米钡铁氧体薄膜在垂直磁记录、微波器件以及磁光存储方面诱人的应用前景，因而目前已有文献报道利用溅射沉积、化学气相沉积来制备纳米钡铁氧体薄膜。
纳米薄膜有多种制备方法，主要可分为物理方法和化学方法两大类。其中经常使用的物理方法包括粒子束溅射沉积、磁控溅射沉积，以及新近出现的低能团簇束沉积法；化学方法包括(有机金属化合物)化学气相沉积(MOCVD)法、电沉积法、热解法和溶胶-凝胶法等。目前，国内外对稀土元素掺杂钡铁氧体的报道较少，且大部分报道集中在粉体材料及其制备上。有关铈掺杂纳米钡铁氧体薄膜及其利用溶胶—凝胶法来制备的研究尚未见报道。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种铈掺杂纳米钡铁氧体薄膜及其制备方法
技术方案
本发明的基本思想是：一般当稀土元素加入时，由于稀土离子半径比较大，取代部分铁氧体中的离子半径小的元素，使晶格常数变大，从而出现晶格畸变，提高物理活性，提高介电损耗和涡流损耗。因此，稀土元素——铈的掺入，必然会给钡铁氧体的整个体系及吸波性能的改善起到较大的作用，是纳米铁氧体吸收剂改性的重要途径之一。
本发明所提出的铈掺杂钡铁氧体纳米薄膜及其制备方法，是在石英基片上制备晶态纳米钡铁氧体薄膜，通过制备工艺的优化，得到高纯度的铈掺杂钡铁氧体纳米薄膜，薄膜可用于制备磁记录材料、吸波材料。
一种铈掺杂纳米钡铁氧体薄膜，其特征在于配方如下：乙二醇1.48～1.60g/100ml、柠檬酸2.51～2.71g/100ml、硝酸铁1.74g/100ml、硝酸钡0.125g/100ml和硝酸铈0.04～0.125g/100ml。
一种制备所述铈掺杂纳米钡铁氧体薄膜的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将主盐硝酸钡和硝酸铈放入A容器中，加入蒸馏水使溶液黏度为2～4mPa·s，搅拌至完全溶解；
步骤2：将主盐硝酸铁放入B容器中，加入蒸馏水使溶液黏度为2～4mPa·s，搅拌至完全溶解；
步骤3：将柠檬酸加入B烧杯中，搅拌至完全溶解；
步骤4：将A容器中的物质加入B容器中，搅拌5min；缓慢加入乙二醇，继续搅拌并使温度控制在70～80℃之间，缓慢蒸发以得到溶胶；
步骤5、将二氧化硅基片放入溶胶中浸泡，采用浸渍-提拉法涂膜；以2～2.5mm/s的速率垂直向上提拉出液面，形成溶胶膜，在干燥空气中放置后转变成凝胶膜；
步骤6、在400℃将步骤5得到的薄膜进行预烧；
步骤7、不断重复10到15次步骤5和步骤6，直至达到所需的厚度；
步骤8、将步骤7得到的薄膜在900℃进行焙烧，即得到铈掺杂钡铁氧体薄膜。
有益效果
本发明研制的铈掺杂钡铁氧体薄膜的特点在于(1)铈元素完全进入到钡铁氧体的晶格中，使半径较大的稀土元素扩大了钡铁氧体的晶格尺寸，从而增加铁氧体薄膜的吸波性能；(2)通过不同比例铈的掺杂可以调整稀土掺杂钡铁氧体薄膜的磁性能，即调整其矫顽力和饱和磁化强度；(3)通过不同比例铈的掺杂可以调整铈掺杂钡铁氧体薄膜的吸波性能，即调整其损耗正切值的吸收峰的高度和宽度。
本发明提出的铈掺杂纳米钡铁氧体薄膜的制备方法，该法主要有三点优点：第一，工艺流程简单、成本低，对生产设备要求不高。第二，便于在各种不同形状的基底上制备薄膜，甚至可以在粉末材料的颗粒表面制备一层包覆膜，可在较大尺寸的基片上成膜；第三，易制得均匀的多组分氧化物膜，易于定量掺杂，可以有效地控制薄膜成分及微观结构。
附图说明
图1：BaCexFe12-xO19薄膜的XRD图谱
图2：铈掺杂纳米钡铁氧体薄膜的FESEM图
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
实施例1：
本实施例是制备比例为Ce/Ba＝0.2的稀土铈掺杂纳米钡铁氧体薄膜，具体步骤如下：
1、将0.5g的硝酸钡和0.1662g的硝酸铈放入A烧杯中，加入200ml的蒸馏水使溶液黏度为2～4mPa·s，搅拌至完全溶解；
2、将6.956g的主盐硝酸铁放入B烧杯中，加入200ml的蒸馏水使溶液黏度为2～4mPa·s，搅拌至完全溶解；
3、将10.252g的柠檬酸加入B烧杯中，搅拌至完全溶解；
4、将A烧杯中的物质加入B烧杯中，搅拌5min；缓慢加入5.44ml的乙二醇，继续搅拌并使温度控制在70℃之间，缓慢蒸发以得到溶胶；
5、将二氧化硅基片放入溶胶中浸泡，采用浸渍-提拉法进行制膜；以2mm/s的速率垂直向上提拉出液面，形成溶胶膜，在干燥空气中放置后转变成凝胶膜；
6、在400℃将步骤5得到的薄膜进行预烧；
7、重复10次步骤5和步骤6，达到所需的厚度；
8、将步骤7得到的薄膜在900℃进行焙烧，即得到铈掺杂钡铁氧体薄膜，即BaCe0.2Fe11.8O19薄膜。
实施例2：
本实施例是制备比例为Ce/Ba＝0.4的稀土铈掺杂纳米钡铁氧体薄膜，具体步骤如下：
1、将0.5g的硝酸钡和0.3324g的硝酸铈放入A烧杯中，加入200ml的蒸馏水使溶液黏度为2～4mPa·s，搅拌至完全溶解；
2、将6.956g得主盐硝酸铁放入B烧杯中，加入200ml的蒸馏水使溶液黏度为2～4mPa·s，搅拌至完全溶解；
3、将10.453g柠檬酸加入B烧杯中，搅拌至完全溶解；
4、将A烧杯中的物质加入B烧杯中，搅拌5min；缓慢加入5.55ml乙二醇，继续搅拌并使温度控制在80℃之间，缓慢蒸发以得到粘度适宜的溶胶；
5、将二氧化硅基片放入溶胶中浸泡，采用浸渍-提拉法涂膜；以2.5mm/s的速率垂直向上提拉出液面，形成溶胶膜，在干燥空气中放置后转变成凝胶膜；
6、在400℃将5得到的薄膜进行预烧；
7、不断重复15次步骤5和步骤6，直至达到所需的厚度；
8、将步骤7得到的薄膜在900℃进行焙烧，即得到铈掺杂钡铁氧体薄膜，即BaCe0.4Fe11.6O19薄膜。
实施例3：
本实施例是制备比例为Ce/Ba＝0.6的稀土铈掺杂纳米钡铁氧体薄膜，具体步骤如下：
1、将0.5g硝酸钡和0.4985g硝酸铈放入A烧杯中，加入200ml的蒸馏水使溶液黏度为2～4mPa·s，搅拌至完全溶解；
2、将6.956g主盐硝酸铁放入B烧杯中，加入200ml的蒸馏水使溶液黏度为2～4mPa·s，搅拌至完全溶解；
3、将10.654g柠檬酸加入B烧杯中，搅拌至完全溶解；
4、将A烧杯中的物质加入B烧杯中，搅拌5min；缓慢加入5.65ml乙二醇，继续搅拌并使温度控制在75℃之间，缓慢蒸发以得到粘度适宜的溶胶；
5、将二氧化硅基片放入溶胶中浸泡，采用浸渍-提拉法涂膜；以2.3mm/s的速率垂直向上提拉出液面，形成溶胶膜，在干燥空气中放置后转变成凝胶膜；
6、在400℃将步骤5得到的薄膜进行预烧；
7、不断重复13次步骤5和步骤6，直至达到所需的厚度；
8、将步骤7得到的薄膜在900℃进行焙烧，即得到铈掺杂钡铁氧体薄膜，即BaCe0.6Fe11.4O19薄膜。
根据以下检测结果可以看出本发明研制的铈掺杂钡铁氧体薄膜的特点：
图1为不同比例的铈掺杂钡铁氧体薄膜的X-射线衍射图谱，其中各谱线的位置、强度都较相似，为BaFe12O19型的晶体。由XRD数据，通过谢乐公式计算可知：BaCexFe12-xO19薄膜的颗粒大小为60nm左右。
对所得样品采用X-射线能谱仪(EDS)进行了X射线能谱分析。结果如表1所示。
表1  不同比例Ce掺杂钡铁氧体薄膜的X射线能谱分析数据
X射线能谱(EDS)分析数据中有铈，说明铈已经掺杂进入钡铁氧体薄膜内。通过掺杂不同比例铈的钡铁氧体薄膜的EDS测试得出，随着掺杂Ce比例的增加，铈的量也在增加。
图2为铈掺杂钡铁氧体薄膜的场发射扫描电镜图。由图2可见，Ce掺杂钡铁氧体薄膜较致密，由呈不规则的棒状晶体颗粒堆垛而成，且颗粒棱角分明。晶体颗粒其径向尺寸为60nm～100nm，长度为130～150nm，与用谢乐公式计算的结果相符，且分布比较均匀。
在保持铈掺杂钡铁氧体薄膜中其它组分不变的条件下，改变Ce离子的浓度，对所制得的薄膜的磁性能进行研究，结果如表2所示。
表2  BaCexFe12-xO19薄膜的磁性能
Figure A200810151029D00091
由表2可见，纳米Ce掺杂钡铁氧体薄膜具有较高的剩余磁感应强度Mr，适当高的矫顽力Hc，近似矩形的磁滞回线，是比较理想的磁记录材料。
在铈掺杂钡铁氧体薄膜中保持其它组分不变的条件下，改变Ce离子的浓度，对所制得吸波性能进行了研究，结果如表3所示。
表3  铈掺杂钡铁氧体薄膜的电磁性能
Figure A200810151029D00092
由表3中可知，Ce掺杂钡铁氧体薄膜有较好的吸波性能，可作为吸波材料使用。

Claims (2)

1.一种铈掺杂纳米钡铁氧体薄膜，其特征在于配方如下：乙二醇1.48～1.60g/100ml、柠檬酸2.51～2.71g/100ml、硝酸铁1.74g/100ml、硝酸钡0.125g/100ml和硝酸铈0.04～0.125g/100ml。
2.一种制备权利要求1所述的铈掺杂纳米钡铁氧体薄膜的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将主盐硝酸钡和硝酸铈放入A容器中，加入蒸馏水使溶液黏度为2～4mPa·s，搅拌至完全溶解；
步骤2：将主盐硝酸铁放入B容器中，加入蒸馏水使溶液黏度为2～4mPa·s，搅拌至完全溶解；
步骤3：将柠檬酸加入B烧杯中，搅拌至完全溶解；
步骤4：将A容器中的物质加入B容器中，搅拌5min；缓慢加入乙二醇，继续搅拌并使温度控制在70～80℃之间，缓慢蒸发以得到溶胶；
步骤5、将二氧化硅基片放入溶胶中浸泡，采用浸渍-提拉法涂膜；以2～2.5mm/s的速率垂直向上提拉出液面，形成溶胶膜，在干燥空气中放置后转变成凝胶膜；
步骤6、在400℃将步骤5得到的薄膜进行预烧；
步骤7、不断重复10到15次步骤5和步骤6，直至达到所需的厚度；
步骤8、将步骤7得到的薄膜在900℃进行焙烧，即得到铈掺杂钡铁氧体薄膜。
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