D0I:10.13374/1.issnl00103.2008.05.006 第30卷第5期 北京科技大学学报 Vol.30 No.5 2008年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing May 2008 ZnxFe3-xO4粉末的高温固相法制备及其磁学性质和 输运性质 黄秀峰赵雪丹徐美邱红梅秦良强潘礼庆 北京科技大学应用科学学院，北京100083 摘要分别在空气和N2中高温烧结得到了不同掺杂浓度的F3O:Z粉末.X射线衍射(XRD)结果表明，空气中烧结使得 样品过氧化，生成大量的aFe203相，而N2环境下烧结可以获得较纯的Zn,Fe3-,04相.Zm2+在反尖晶石结构中A位的替位 掺杂，影响到B位F阳离子的价态分布，电子输运依然保持了电子变程跳跃的传导机制.磁性测量结果显示低浓度的Z?+ 掺杂对F阳离子之间的超交换耦合作用产生影响，也使负的磁致电阻的数值有所改善。 关键词磁性材料：高温固相法：磁滞回线：电输运性质 分类号TM272;0482.5 High-temperature solid state synthesis and characterization in magnetic and trans- porting properties of Zn,Fe3-:O4 powder HUANG Xiufeng,ZHAO Xuedan,XU Mei,QIU Hongmei,QIN Liangqiang.PAN Liqing School of Applied Science.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT Zn-doped magnetite Fe304 samples were prepared at different doped concentrations and annealed at high temperature in ambient air and N2 respectively.X-ray diffraction (XRD)results showed that samples annealed in air were oxidized and the conse- quent products were partially in -Fe203 form.While for the samples annealed in N2,Zn,Fe3-04 products of high purity were ob- tained.The doping ofnon the tetrahedral sit(A sites)changed the valence distribution of Feions on the octahedral site(B sites).The electron transporting mechanism remained to be variable range hopping (VRH)conduction.Measurement results of mag- netic properties indicated that the sperexchange coun inerionbetweenFonwas affected by the w doping conetion of Zn+ions in the crystal,and the negative magnetoresistivity of Zn,Fe3-04 was improved as well. KEY WORDS magnetic materials;high-temperature solid state reaction method:magnetic hysteresis loops:electronic property 根据能带理论计算，半金属材料在费米面处具 前景，通常情况下，多晶Fe3O4颗粒的磁致电阻值 有100%自旋极化的电荷载流子.但事实上，由于磁 较低：但通过掺杂适量的Co、Al、Ti,Zn和Ag等元 振子和光学声子激发等因素的影响，在实验中观测 素可以改善其电学和磁学性质2].本文采取高温 到的材料的自旋极化率总是低于理想极化率。目前 固相法制备了一系列不同掺杂浓度的Fe3O4Zn样 已知的在室温下自旋极化率最高的半金属材料是 品.实验结果表明，Zn2+的掺入使得Fes04的部分 Fe304,293K时其自旋极化率为(-80士5)%；与 半金属性能有所改善， 此同时，F3O4还具有目前已知最高的居里温度 (Tc=858K)·因此，在自旋电子学和隧道磁电阻器 1实验 件方面，Fe3O4有着很大的潜在价值和广阔的应用 将Zn0粉末(99.9%)与Fe304粉末(99.9%) 收稿日期：2007-03-06修回日期：2007-06-11 按比例混合研磨1.5h后压片，然后分别在空气和 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。-50472092) N2中进行烧结，烧结温度为1100℃，最终得到所需 作者简介：黄秀蜂(1982-)，女，博士研究生：潘礼庆(1964一)，男， 的Zn,Fe3-xO:样品.样品的烧结条件、掺杂比例和 教授，博士，E mail:lpan@sas-ustb:edu-en 相应的样品编号列于表1.ZnxFe3－xO4 粉末的高温固相法制备及其磁学性质和 输运性质 黄秀峰 赵雪丹 徐 美 邱红梅 秦良强 潘礼庆 北京科技大学应用科学学院‚北京100083 摘 要 分别在空气和 N2 中高温烧结得到了不同掺杂浓度的 Fe3O4∶Zn 粉末．X 射线衍射（XRD）结果表明‚空气中烧结使得 样品过氧化‚生成大量的α－Fe2O3 相‚而 N2 环境下烧结可以获得较纯的 Zn xFe3－ xO4 相．Zn 2＋在反尖晶石结构中 A 位的替位 掺杂‚影响到 B 位 Fe 阳离子的价态分布‚电子输运依然保持了电子变程跳跃的传导机制．磁性测量结果显示低浓度的 Zn 2＋ 掺杂对 Fe 阳离子之间的超交换耦合作用产生影响‚也使负的磁致电阻的数值有所改善． 关键词 磁性材料；高温固相法；磁滞回线；电输运性质 分类号 T M272；O482∙5 High-temperature solid state synthesis and characterization in magnetic and trans￾porting properties of ZnxFe3－ xO4 powder HUA NG Xiufeng‚ZHA O Xuedan‚XU Mei‚QIU Hongmei‚QIN Liangqiang‚PA N Liqing School of Applied Science‚University of Science and Technology Beijing‚Beijing100083‚China ABSTRACT Zn-doped magnetite Fe3O4samples were prepared at different doped concentrations and annealed at high temperature in ambient air and N2 respectively．X-ray diffraction （XRD） results showed that samples annealed in air were oxidized and the conse￾quent products were partially inα-Fe2O3form．While for the samples annealed in N2‚Zn xFe3－ xO4products of high purity were ob￾tained．T he doping of Zn 2＋ on the tetrahedral sites （A sites） changed the valence distribution of Fe 2＋ ions on the octahedral sites （B sites）．T he electron transporting mechanism remained to be variable range hopping （VRH） conduction．Measurement results of mag￾netic properties indicated that the super exchange coupling interaction between Fe 2＋ ions was affected by the low doping concentration of Zn 2＋ ions in the crystal‚and the negative magnetoresistivity of Zn xFe3－ xO4 was improved as well． KEY WORDS magnetic materials；high-temperature solid state reaction method；magnetic hysteresis loops；electronic property 收稿日期：2007-03-06 修回日期：2007-06-11 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No．50472092） 作者简介：黄秀峰（1982－）‚女‚博士研究生；潘礼庆（1964－）‚男‚ 教授‚博士‚E-mail：lpan＠sas．ustb．edu．cn 根据能带理论计算‚半金属材料在费米面处具 有100％自旋极化的电荷载流子．但事实上‚由于磁 振子和光学声子激发等因素的影响‚在实验中观测 到的材料的自旋极化率总是低于理想极化率．目前 已知的在室温下自旋极化率最高的半金属材料是 Fe3O4‚293K 时其自旋极化率为（－80±5）％［1］；与 此同时‚Fe3O4 还具有目前已知最高的居里温度 （ T C＝858K）．因此‚在自旋电子学和隧道磁电阻器 件方面‚Fe3O4 有着很大的潜在价值和广阔的应用 前景．通常情况下‚多晶 Fe3O4 颗粒的磁致电阻值 较低；但通过掺杂适量的 Co、Al、Ti、Zn 和 Ag 等元 素可以改善其电学和磁学性质［2－7］．本文采取高温 固相法制备了一系列不同掺杂浓度的 Fe3O4∶Zn 样 品．实验结果表明‚Zn 2＋的掺入使得 Fe3O4 的部分 半金属性能有所改善． 1 实验 将 ZnO 粉末（99∙9％）与 Fe3O4 粉末（99∙9％） 按比例混合研磨1∙5h 后压片‚然后分别在空气和 N2 中进行烧结‚烧结温度为1100℃‚最终得到所需 的 ZnxFe3－ xO4 样品．样品的烧结条件、掺杂比例和 相应的样品编号列于表1． 第30卷 第5期 2008年 5月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．5 May2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．05．006