CN114883072A - 一种反铁磁性晶体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种反铁磁性晶体及其制备方法，反铁磁性晶体磷酸铜锂钾化学式为LiKCuP2O7，晶体属单斜晶系，空间群P21/n，晶胞参数为a=5.0657(9)Å，b=14.178(2)Å，c=8.4839(15)Å，分子量609.33。反铁磁性晶体磷酸铜锂钾纯样采用固相反应法合成，磷酸铜锂钾单晶采用高温熔液法生长。磁性测试结果表明该磷酸铜锂钾晶体具有反铁磁性，反铁磁材料可作为自旋电子材料使用，用于信息存储领域，由于自身不产生磁场，不会互相干扰，反铁磁材料可以紧密的堆叠在一起，实现高密度存储。
Description
技术领域
本发明涉及磁性材料科学技术领域，具体涉及一种反铁磁性晶体及其制备方法。
背景技术
随着科技不断进步，信息存储要求不断提高，存取速度快、存储容量大、能耗低、无限擦写、使用寿命长的新型存储器需求旺盛，磁性材料带来广阔发展空间。反铁磁材料作为磁性材料的一类，也引起了人们的注意。所谓反铁磁就是指在一个物质中，磁矩之间通过某种相互作用两两反向平行排列，导致在整个铁磁体中，磁矩之间相互抵消，宏观上的磁化强度为零。它一般存在于物质磁矩比较密集的情况下，并且它经常以一种磁有序的形态与铁磁有序共存。反铁磁材料种类较少，较多材料仅能够在低温条件下存在反铁磁性，例如氧化亚铁、铁锰铜合金等。反铁磁材料可作为自旋电子材料使用，用于信息存储领域，由于自身不产生磁场，不会互相干扰，反铁磁材料可以紧密的堆叠在一起，实现高密度存储。此外，反铁磁材料还可以与铁磁材料配合使用，进一步提高存储性能。虽然反铁磁材料的设计、控制、探测难度大，且材料内部存在近邻磁矩相互抵消问题，但由于其具有优异的抗磁场干扰性能，研究前景依然受到广泛的关注。
发明内容
本发明的目的在于提供一种反铁磁性晶体及其制备方法。
实现上述目的的技术方案如下：本发明所述的一种反铁磁性晶体，其化学式为LiKCuP2O7，晶体属单斜晶系，空间群P21/n，晶胞参数为a=5.0657(9) Å，b=14.178(2) Å，c=8.4839(15) Å，分子量609.33，晶体结构式如下：
本发明还提供上述反铁磁性晶体的多晶粉末的制备方法以及单晶制备方法，具体操作按下列步骤进行。
反铁磁性晶体的多晶粉末制备步骤：
步骤1，将含锂化合物中元素锂、含钾化合物中元素钾、含铜化合物中元素铜、含磷化合物中元素磷按照摩尔比为1:1:1:2称取放入研钵中，混合并研磨；
步骤2，将上述混合物装入Φ100mm×100mm的开口刚玉坩埚中，放入炉中预烧，排除原料中的水分和气体，冷却至室温；
步骤3，将坩埚从炉中取出、研磨，研磨完毕后放入炉中并在320oC条件下恒温煅烧12h，煅烧结束后冷却至室温；
步骤4，将坩埚从炉中取出、研磨，研磨完毕后放入炉中并在420oC条件下恒温煅烧12h，煅烧结束后冷却至室温；
步骤5，将坩埚从炉中取出、研磨，研磨完毕后放入炉中并在520oC条件下恒温煅烧11h，煅烧结束后冷却至室温，将坩埚从炉中取出、研磨；
步骤6，将步骤5再重复5次，制得钒铁磁性晶体磷酸铜锂钾的多晶粉末。
优选地，步骤2中，所述的预烧温度为230℃。
反铁磁性晶体的单晶制备步骤：
步骤1，将含锂化合物中元素锂、含钾化合物中元素钾、含铜化合物中元素铜、含磷化合物中元素磷按照摩尔比为1:1:1:2称取并混合均匀装入坩埚中，放入单晶生长炉中，以一定的升温速率升至700oC，在此温度下恒温1小时，直到熔体变透明；
步骤2，均匀熔体以1.82 oC/h的速度冷却至600oC；
步骤3，均匀熔体以2.4 oC/h的速度冷却至500oC；
步骤4，均匀熔体以3.33 oC/h的速度冷却至400oC；
步骤5，均匀熔体以4 oC/h的速度冷却至300oC，
步骤6，将300oC均匀熔体冷却至室温，得到钒铁磁性晶体磷酸铜锂钾的单晶。
本发明中，LiKCuP2O7反铁磁性晶体具有物理化学性能稳定﹑机械性能好、不易潮解和碎裂、易于加工和保存的优点；本发明所采用方法中使用的试剂及原料对人体毒性小，生长周期短，成本低；本发明LiKCuP2O7反铁磁性晶体制作的光学器件可用于实现高密度存储。
附图说明
图1为本发明的实验粉末X-射线衍射图谱。
图2为本发明LiKCuP2O7的单晶结构图。
图3为本发明的摩尔磁化率（χM）和摩尔磁化率倒数（χM -1）随温度的变化曲线以及其χMT-T图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
实施例1
按反应式：1/2 Li2CO3 + 1/2 K2CO3 + CuO +2NH4H2PO4 → LiKCuP2O7 + CO2↑ +2NO2↑ + 6H2O↑制备LiKCuP2O7多晶粉末：
步骤1，将含锂化合物中元素锂、含钾化合物中元素钾、含铜化合物中元素铜、含磷化合物中元素磷按照摩尔比为1:1:1:2称取放入研钵中，混合并研磨；
步骤2，将上述混合物装入Φ100mm×100mm的开口刚玉坩埚中，放入炉中预烧至230℃，排除原料中的水分和气体，冷却至室温；
步骤3，将坩埚从炉中取出、研磨，研磨完毕后放入炉中并在320oC条件下恒温煅烧12h，煅烧结束后冷却至室温；
步骤4，将坩埚从炉中取出、研磨，研磨完毕后放入炉中并在420oC条件下恒温煅烧12h，煅烧结束后冷却至室温；
步骤5，将坩埚从炉中取出、研磨，研磨完毕后放入炉中并在520oC条件下恒温煅烧11h，煅烧结束后冷却至室温，将坩埚从炉中取出、研磨；
步骤6，将步骤5再重复5次，制得钒铁磁性晶体磷酸铜锂钾的多晶粉末。
按反应式：1/2 Li2CO3 + 1/2 K2CO3 + CuO +2NH4H2PO4 → LiKCuP2O7 + CO2↑ +2NO2↑ + 6H2O↑制备LiKCuP2O7单晶：
步骤1，将含锂化合物中元素锂、含钾化合物中元素钾、含铜化合物中元素铜、含磷化合物中元素磷按照摩尔比为1:1:1:2称取并混合均匀装入坩埚中，放入单晶生长炉中，以一定的升温速率升至700oC，在此温度下恒温1小时，直到熔体变透明；
步骤2，均匀熔体以1.82 oC/h的速度冷却至600oC；
步骤3，均匀熔体以2.4 oC/h的速度冷却至500oC；
步骤4，均匀熔体以3.33 oC/h的速度冷却至400oC；
步骤5，均匀熔体以4 oC/h的速度冷却至300oC，
步骤6，将300oC均匀熔体冷却至室温，得到反铁磁性晶体磷酸铜锂钾的单晶。
实施例2
按反应式：1/2 Li2CO3 + 1/2 K2CO3 + Cu(OH)2 + 2NH4H2PO4 → LiKCuP2O7 + CO2↑+ 2NO2↑ + 7H2O↑制备LiKCuP2O7多晶粉末：
步骤1，将含锂化合物中元素锂、含钾化合物中元素钾、含铜化合物中元素铜、含磷化合物中元素磷按照摩尔比为1:1:1:2称取放入研钵中，混合并研磨；
步骤2，将上述混合物装入Φ100mm×100mm的开口刚玉坩埚中，放入炉中预烧至230℃，排除原料中的水分和气体，冷却至室温；
步骤3，将坩埚从炉中取出、研磨，研磨完毕后放入炉中并在320oC条件下恒温煅烧12h，煅烧结束后冷却至室温；
步骤4，将坩埚从炉中取出、研磨，研磨完毕后放入炉中并在420oC条件下恒温煅烧12h，煅烧结束后冷却至室温；
步骤5，将坩埚从炉中取出、研磨，研磨完毕后放入炉中并在520oC条件下恒温煅烧11h，煅烧结束后冷却至室温，将坩埚从炉中取出、研磨；
步骤6，将步骤5再重复5次，制得反铁磁性晶体磷酸铜锂钾的多晶粉末。
按反应式：1/2 Li2CO3 + 1/2 K2CO3 + Cu(OH)2 + 2NH4H2PO4 → LiKCuP2O7 + CO2↑+ 2NO2↑ + 7H2O↑制备LiKCuP2O7单晶：
步骤1，将含锂化合物中元素锂、含钾化合物中元素钾、含铜化合物中元素铜、含磷化合物中元素磷按照摩尔比为1:1:1:2称取并混合均匀装入坩埚中，放入单晶生长炉中，以一定的升温速率升至700oC，在此温度下恒温1小时，直到熔体变透明；
步骤2，均匀熔体以1.82 oC/h的速度冷却至600oC；
步骤3，均匀熔体以2.4 oC/h的速度冷却至500oC；
步骤4，均匀熔体以3.33 oC/h的速度冷却至400oC；
步骤5，均匀熔体以4 oC/h的速度冷却至300oC，
步骤6，将300oC均匀熔体冷却至室温，得到反铁磁性晶体磷酸铜锂钾的单晶。
实施例3
按反应式：1/2 Li2CO3 + 1/2 K2CO3 + Cu(NO3)2 +2NH4H2PO4 → LiKCuP2O7 + CO2↑+ 4NO2↑ + 6H2O↑制备LiKCuP2O7多晶粉末：
步骤1，将含锂化合物中元素锂、含钾化合物中元素钾、含铜化合物中元素铜、含磷化合物中元素磷按照摩尔比为1:1:1:2称取放入研钵中，混合并研磨；
步骤2，将上述混合物装入Φ100mm×100mm的开口刚玉坩埚中，放入炉中预烧至230℃，排除原料中的水分和气体，冷却至室温；
步骤3，将坩埚从炉中取出、研磨，研磨完毕后放入炉中并在320oC条件下恒温煅烧12h，煅烧结束后冷却至室温；
步骤4，将坩埚从炉中取出、研磨，研磨完毕后放入炉中并在420oC条件下恒温煅烧12h，煅烧结束后冷却至室温；
步骤5，将坩埚从炉中取出、研磨，研磨完毕后放入炉中并在520oC条件下恒温煅烧11h，煅烧结束后冷却至室温，将坩埚从炉中取出、研磨；
步骤6，将步骤5再重复5次，制得反铁磁性晶体磷酸铜锂钾的多晶粉末。
按反应式：1/2 Li2CO3 + 1/2 K2CO3 + Cu(NO3)2 +2NH4H2PO4 → LiKCuP2O7 + CO2↑+ 4NO2↑ + 6H2O↑制备LiKCuP2O7单晶：
步骤1，将含锂化合物中元素锂、含钾化合物中元素钾、含铜化合物中元素铜、含磷化合物中元素磷按照摩尔比为1:1:1:2称取并混合均匀装入坩埚中，放入单晶生长炉中，以一定的升温速率升至700oC，在此温度下恒温1小时，直到熔体变透明；
步骤2，均匀熔体以1.82 oC/h的速度冷却至600oC；
步骤3，均匀熔体以2.4 oC/h的速度冷却至500oC；
步骤4，均匀熔体以3.33 oC/h的速度冷却至400oC；
步骤5，均匀熔体以4 oC/h的速度冷却至300oC，
步骤6，将300oC均匀熔体冷却至室温，得到反铁磁性晶体磷酸铜锂钾的单晶。
实施例4
按反应式：LiOH + KOH + CuO + 2NH4H2PO4 → LiKCuP2O7 + CO2↑ + 2NO2↑ + 6H2O↑制备LiKCuP2O7多晶粉末：
步骤1，将含锂化合物中元素锂、含钾化合物中元素钾、含铜化合物中元素铜、含磷化合物中元素磷按照摩尔比为1:1:1:2称取放入研钵中，混合并研磨；
步骤2，将上述混合物装入Φ100mm×100mm的开口刚玉坩埚中，放入炉中预烧至230℃，排除原料中的水分和气体，冷却至室温；
步骤3，将坩埚从炉中取出、研磨，研磨完毕后放入炉中并在320oC条件下恒温煅烧12h，煅烧结束后冷却至室温；
步骤4，将坩埚从炉中取出、研磨，研磨完毕后放入炉中并在420oC条件下恒温煅烧12h，煅烧结束后冷却至室温；
步骤5，将坩埚从炉中取出、研磨，研磨完毕后放入炉中并在520oC条件下恒温煅烧11h，煅烧结束后冷却至室温，将坩埚从炉中取出、研磨；
步骤6，将步骤5再重复5次，制得反铁磁性晶体磷酸铜锂钾的多晶粉末。
按反应式：LiOH + KOH + CuO + 2NH4H2PO4 → LiKCuP2O7 + CO2↑ + 2NO2↑ + 6H2O↑制备LiKCuP2O7单晶：
步骤1，将含锂化合物中元素锂、含钾化合物中元素钾、含铜化合物中元素铜、含磷化合物中元素磷按照摩尔比为1:1:1:2称取并混合均匀装入坩埚中，放入单晶生长炉中，以一定的升温速率升至700oC，在此温度下恒温1小时，直到熔体变透明；
步骤2，均匀熔体以1.82 oC/h的速度冷却至600oC；
步骤3，均匀熔体以2.4 oC/h的速度冷却至500oC；
步骤4，均匀熔体以3.33 oC/h的速度冷却至400oC；
步骤5，均匀熔体以4 oC/h的速度冷却至300oC，
步骤6，将300oC均匀熔体冷却至室温，得到反铁磁性晶体磷酸铜锂钾的单晶。
实施例5
按反应式：LiOH + KOH + Cu(OH)2 +2NH4H2PO4 → LiKCuP2O7 + CO2↑ + 2NO2↑+7H2O↑制备LiKCuP2O7多晶粉末：
步骤1，将含锂化合物中元素锂、含钾化合物中元素钾、含铜化合物中元素铜、含磷化合物中元素磷按照摩尔比为1:1:1:2称取放入研钵中，混合并研磨；
步骤2，将上述混合物装入Φ100mm×100mm的开口刚玉坩埚中，放入炉中预烧至230℃，排除原料中的水分和气体，冷却至室温；
步骤3，将坩埚从炉中取出、研磨，研磨完毕后放入炉中并在320oC条件下恒温煅烧12h，煅烧结束后冷却至室温；
步骤4，将坩埚从炉中取出、研磨，研磨完毕后放入炉中并在420oC条件下恒温煅烧12h，煅烧结束后冷却至室温；
步骤5，将坩埚从炉中取出、研磨，研磨完毕后放入炉中并在520oC条件下恒温煅烧11h，煅烧结束后冷却至室温，将坩埚从炉中取出、研磨；
步骤6，将步骤5再重复5次，制得反铁磁性晶体磷酸铜锂钾的多晶粉末。
按反应式：LiOH + KOH + Cu(OH)2 +2NH4H2PO4 → LiKCuP2O7 + CO2↑ + 2NO2↑+7H2O↑制备LiKCuP2O7单晶：
步骤1，将含锂化合物中元素锂、含钾化合物中元素钾、含铜化合物中元素铜、含磷化合物中元素磷按照摩尔比为1:1:1:2称取并混合均匀装入坩埚中，放入单晶生长炉中，以一定的升温速率升至700oC，在此温度下恒温1小时，直到熔体变透明；
步骤2，均匀熔体以1.82 oC/h的速度冷却至600oC；
步骤3，均匀熔体以2.4 oC/h的速度冷却至500oC；
步骤4，均匀熔体以3.33 oC/h的速度冷却至400oC；
步骤5，均匀熔体以4 oC/h的速度冷却至300oC，
步骤6，将300oC均匀熔体冷却至室温，得到反铁磁性晶体磷酸铜锂钾的单晶。
实施例6
按反应式：LiOH + KOH+ Cu(NO3)2 +2NH4H2PO4 → LiKCuP2O7 + CO2↑ + 4NO2↑+6H2O↑制备LiKCuP2O7多晶粉末：
步骤1，将含锂化合物中元素锂、含钾化合物中元素钾、含铜化合物中元素铜、含磷化合物中元素磷按照摩尔比为1:1:1:2称取放入研钵中，混合并研磨；
步骤2，将上述混合物装入Φ100mm×100mm的开口刚玉坩埚中，放入炉中预烧至230℃，排除原料中的水分和气体，冷却至室温；
步骤3，将坩埚从炉中取出、研磨，研磨完毕后放入炉中并在320oC条件下恒温煅烧12h，煅烧结束后冷却至室温；
步骤4，将坩埚从炉中取出、研磨，研磨完毕后放入炉中并在420oC条件下恒温煅烧12h，煅烧结束后冷却至室温；
步骤5，将坩埚从炉中取出、研磨，研磨完毕后放入炉中并在520oC条件下恒温煅烧11h，煅烧结束后冷却至室温，将坩埚从炉中取出、研磨；
步骤6，将步骤5再重复5次，制得反铁磁性晶体磷酸铜锂钾的多晶粉末。
按反应式：LiOH + KOH+ Cu(NO3)2 +2NH4H2PO4 → LiKCuP2O7 + CO2↑ + 4NO2↑+6H2O↑制备LiKCuP2O7单晶：
步骤1，将含锂化合物中元素锂、含钾化合物中元素钾、含铜化合物中元素铜、含磷化合物中元素磷按照摩尔比为1:1:1:2称取并混合均匀装入坩埚中，放入单晶生长炉中，以一定的升温速率升至700oC，在此温度下恒温1小时，直到熔体变透明；
步骤2，均匀熔体以1.82 oC/h的速度冷却至600oC；
步骤3，均匀熔体以2.4 oC/h的速度冷却至500oC；
步骤4，均匀熔体以3.33 oC/h的速度冷却至400oC；
步骤5，均匀熔体以4 oC/h的速度冷却至300oC，
步骤6，将300oC均匀熔体冷却至室温，得到反铁磁性晶体磷酸铜锂钾的单晶。
将实施例1-6所得任意磷酸铜锂钾多晶粉末进行化合物磁性的测量，磁性测量使用 Quantum Design SQUID MPMS3 磁力计进行，测量在2至300K的温度范围内进行；图3a显示了摩尔磁化率（χM）和摩尔磁化率倒数（χM -1）随温度的变化曲线，磁化率随着温度的降低逐渐增大，在18.75 K处出现一个小峰，表明该化合物在该温度下具有反铁磁有序性；然后，根据居里-魏斯定律在 34.5 K 以上对磁化率数据进行拟合，得出魏斯温度θ为 -36.01 K，居里常数 C 为 0.65 cm3mol-1 K，负魏斯温度表明化合物中存在反铁磁耦合相互作用；从该化合物的χMT-T（图 3b）可以看出，室温300K下的χMT 值为 0.58 cm3·K/mol，显著高于其单独的 Cu(Ⅱ)离子的理论值0.375 cm3·K/mol)，这种现象主要是由于Cu2+电子轨道磁矩的贡献，随着温度的降低，χMT 值逐渐减小，这也表明相邻Cu(Ⅱ)离子之间存在反铁磁相互作用。
Claims (4)
1.一种反铁磁性晶体，其化学式为LiKCuP2O7，晶体属单斜晶系，空间群P21/n，晶胞参数为a=5.0657(9) Å，b=14.178(2) Å，c=8.4839(15) Å，分子量609.33，晶体结构式如下：
2.根据权利要求1所述的反铁磁性晶体的多晶粉末制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1，将含锂化合物中元素锂、含钾化合物中元素钾、含铜化合物中元素铜、含磷化合物中元素磷按照摩尔比为1:1:1:2称取放入研钵中，混合并研磨；
步骤2，将上述混合物装入Φ100mm×100mm的开口刚玉坩埚中，放入炉中预烧，排除原料中的水分和气体，冷却至室温；
步骤3，将坩埚从炉中取出、研磨，研磨完毕后放入炉中并在320oC条件下恒温煅烧12h，煅烧结束后冷却至室温；
步骤4，将坩埚从炉中取出、研磨，研磨完毕后放入炉中并在420oC条件下恒温煅烧12h，煅烧结束后冷却至室温；
步骤5，将坩埚从炉中取出、研磨，研磨完毕后放入炉中并在520oC条件下恒温煅烧11h，煅烧结束后冷却至室温，将坩埚从炉中取出、研磨；
步骤6，将步骤5再重复5次，制得反铁磁性晶体磷酸铜锂钾的多晶粉末。
3.根据权利要求2所述的反铁磁性晶体的多晶粉末制备方法，其特征在于，步骤2中，所述的预烧温度为230℃。
4.根据权利要求1所述的反铁磁性晶体的单晶制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1，将含锂化合物中元素锂、含钾化合物中元素钾、含铜化合物中元素铜、含磷化合物中元素磷按照摩尔比为1:1:1:2称取并混合均匀装入坩埚中，放入单晶生长炉中，以一定的升温速率升至700oC，在此温度下恒温1小时，直到熔体变透明；
步骤2，均匀熔体以1.82 oC/h的速度冷却至600oC；
步骤3，均匀熔体以2.4 oC/h的速度冷却至500oC；
步骤4，均匀熔体以3.33 oC/h的速度冷却至400oC；
步骤5，均匀熔体以4 oC/h的速度冷却至300oC；
步骤6，将300oC均匀熔体冷却至室温，得到反铁磁性晶体磷酸铜锂钾的单晶。
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- 2022-05-20 CN CN202210547543.XA patent/CN114883072A/zh active Pending
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