磁性纳米材料的制备及其研究
班级：无机11—2 姓名：张彬
指导教师：李雪
摘要：应用溶液自蔓延高温合成技术，制备系列磁性纳米材料。通过对粉末进行X射线衍射测试并对测得的图谱进行分析，从而得到使纳米材料成晶较好的适宜温度以及温度和其他成分（Ce，Zr，La）对纳米材料(CoFe2O4, NiFe2O4)的影响。
关键词：纳米材料，XRD，图谱分析
1.引言
X射线照射到物质上将产生散射。晶态物质对X射线产生的相干散射表现为衍射现象，即入射光束出射时光束没有被发散但方向被改变了而其波长保持不变的现象，这是晶态物质特有的现象。
绝大多数固态物质都是晶态或微晶态或准晶态物质，都能产生X射线衍射。晶体微观结构的特征是具有周期性的长程的有序结构。晶体的X射线衍射图是晶体微观结构立体场景的一种物理变换，包含了晶体结构的全部信息。用少量固体粉末或小块样品便可得到其X射线衍射图。 XRD（X射线衍射）是目前研究晶体结构(如原子或离子及其基团的种类和位置分布，晶胞形状和大小等)最有力的方法。 XRD特别适用于晶态物质的物相分析。晶态物质组成元素或基团如不相同或其结构有差异，它们的衍射谱图在衍射峰数目、角度位置、相对强度次序以至衍射峰的形状上就显现出差异。因此，通过样品的X射线衍射图与已知的晶态物质的X射线衍射谱图的对比分析便可以完成样品物相组成和结构的定性鉴定；通过对样品衍射强度数据的分析计算，可以完成样品物相组成的定量分析； XRD还可以测定材料中晶粒的大小或其排布取向（材料的织构）等等，应用面十分普遍、广泛。 目前XRD主要适用于无机物，对于有机物应用较少。
尖晶石铁氧体是一类重要的非金属磁性材料，又称为“磁性陶瓷”（磁性陶瓷按晶格类型可分为尖晶石型、磁铅石型和石榴石型三类）。CoFe2O4具有尖晶石型结构，突出的优点是电阻率极高，磁谱特性好，极适宜在高频和超高频下应用。
2 实验部分 2.1实验仪器
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[1]
仪器名称：X-射线衍射仪
仪器型号：D/max-ⅢC
产地：日本Rlgaku
铜靶
波长：1.5406nm 扫描速度：8°/min 2.2 试验药品
自制纳米材料：CoFe2O4（ 600℃），CoFe2O4（ 950℃），CoFe2O4（ 1050℃），CoFe2O4（ 450℃），CoFe2O4（ 750℃），CoFe2O4，CoFe2O4（苯胺），CoFe2O4（ 磁性），NiFe2O4（ 750℃）, NiFe2O4（ 950℃）, NiFe2O4（ 1050℃）, NiFe2O4（ 450℃）, NiFe2O4（ 850℃）NiFe2O4（未烧）CoFe2O4（0.1%Ce 750℃）,CoFe2O4（0.5%Ce 未烧）CoFe2O（，CoFe2O（750℃），NiFe2O（，NiFe2O（750℃），41%Ce 未烧）41%Ce 40.1%Ce未烧）41%Ce NiFe2O4（0.5%Ce 750℃），NiFe2O4（0.1%Ce 750℃），NiFe2O4（0.5%Ce未烧）,CoFe2O4（0.1%La 未烧）CoFe2O4（0.5%La 未烧），CoFe2O4（0.5%La 750℃），CoFe2O4（1%La 750℃），N iFe2O4（0.1%La 750℃），CoFe2O4（0.1%La 未烧），CoFe2O4（0.5%La 未烧），CoFe2O（750℃），CoFe2O（750℃）CoFe2O4（0.1%Zr40.5%La 41%La 未烧），CoFe2O4（0.5%Zr未烧），CoFe2O4（1%Zr未烧），CoFe2O4（0.1%Zr 750℃），CoFe2O4（0.5%Zr 750℃），CoFe2O4（1%Zr 750℃），NiFe2O4（0.1%Zr 750℃），NiFe2O4（0.5%Zr 750℃），NiFe2O4（0.5%Zr 未烧），NiFe2O4（1%Zr 750℃），NiFe2O4（1%Zr 未烧），
2.3 X射线衍射原理
1912年劳埃等人根据理论预见，并用实验证实了X射线与晶体相遇时能发生衍射现象，证明了X射线具有电磁波的性质，成为X射线衍射学的第一个里程碑。当一束单色X射线入射到晶体时，由于晶体是由原子规则排列成的晶胞组成，这些规则排列的原子间距离与入射X射线波长有相同数量级，故由不同原子散射的X射线相互干涉，在某些特殊方向上产生强X射线衍射，衍射线在空间分布的方位和强度，与晶体结构密切相关。这就是X射线衍射的基本原理。
2.4 X射线衍射仪基本构造
高稳定度X射线源：提供测量所需的X射线，改变X射线管阳极靶材质可改变X射线波长，调节阳极电压可控制X射线源的强度。
样品及样品位置取向的调整机构系统：样品须是单晶，粉末，多晶或微晶的固体块。
射线检测器：检测衍射强度或同时检测衍射方向，通过仪器测量记录系统或计算机处理系统可以得到多晶衍射图谱数据。
衍射图的处理和分析系统：现代X射线衍射仪都附带安装专用衍射处理分析软件的计算机系统，他们的特点是自动化和智能化。
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3.图谱分析
014001300120011001000824681010Intensity（a.u）900800700600500400300200100020406080hg6f4edc2ba01002θ(°)
图1 不同温度下CoFe2O4的XRD图谱
(a) CoFe2O4
600℃下煅烧2h (b) CoFe2O4 950 ℃下煅烧2h (c) CoFe2O4
1050℃下煅烧2h (d) CoFe2O4
450℃下煅烧2h (e) CoFe2O4
750℃下煅烧2h (f) CoFe2O4
850℃下煅烧2h (g) CoFe2O4
(h) CoFe2O4
苯胺
从图1中可看出,(a)，(b)，(c)，(d)，(e),(f)在2θ为18.56°,30.04°,35.42°,37.06°,43.08°,53.52°,57.00°,62.58°处出现了尖晶石型CoFe2O4的特征衍射峰，而(g),(h)则没有出现特征峰，所以(g),(h)为非晶态物质。而且随着热处理温度的升高粉体的晶粒和颗粒长大，磁性增强。从图中可已看出450 ℃时特征峰已经出现.此时的XRD峰较弱且宽,这是由于低温时CoFe2O4的纳米晶粒小且无序的间结构及纳米晶体中的缺陷点阵间距连续变化所引起的.这说明在低温烧结的目标产物晶粒细小,晶体生成不完整,且含有一定的非晶成分
[4, 5][3][2]
.通过不同温度的XRD 谱图比较可以看到,随着温度升高,产物CoFe2O4 射线衍射峰逐渐变窄,表明产物处于完整,晶粒长大。而且产物在750℃煅烧后出峰已经很明显且比较窄，说明温度在750℃时.此时成晶情况较好,颗粒较小。
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014001300120011001000246810108Intensity（a.u）9008007006005004003002001000204060806gf4edc2ba01002θ(°)
图2 不同温度下NiFe2O4的XRD图谱
(a)NiFe2O4
磁性
(b) NiFe2O4 750℃下煅烧2h (c) NiFe2O4 950℃下煅烧2h (d) NiFe2O4 1050℃下煅烧2h (e) NiFe2O4 450℃下煅烧2h (f) NiFe2O4 850℃下煅烧2h (g) NiFe2O4 未烧
从图2中可看出,(a)，(b)，(c)，(d)，(e),(f)在2θ为18.32°,30.18°,35.58°,43.38°,53.84°,57.26°,62.96°,74.68°，90.40°处出现了尖晶石型NiFe2O4的特征衍射峰，而(g)则没有出现特征峰，所以(g)为非晶态物质。而且随着热处理温度的升高，NiFe2O4的出峰更加明显，而且峰更高，说明随着温度升高粉体的晶粒和颗粒长大，磁性增强。通过不同温度的XRD 谱图比较可以看到,随着温度升高,产物NiFe2O4 射线衍射峰逐渐变窄,表明产物处于完整,晶粒长大。而且产物在750℃煅烧后出峰已经很明显且比较窄，说明温度在750℃时.此时成晶情况较好,颗粒较小。[6]
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01000900800700824681010Intensity（a.u） 6005004003002001000204060806dcba420100 2θ(°)
图3 添加不同浓度Ce的CoFe2O4的XRD图谱
(a) CoFe2O4 0.1%Ce 750℃下煅烧
(b) CoFe2O4 0.5%Ce 未烧 (c) CoFe2O4 1%Ce
未烧 (d) CoFe2O4 1%Ce
750℃下煅烧
从图3对比可以看出未烧的CoFe2O4出峰较弱而且比较宽，而经过750℃条件下煅烧过的CoFe2O4出峰很强且很窄，说明结果煅烧CoFe2O4处于完整，晶粒长大。通过对比在相同温度下（未烧或750℃）添加不同浓度的Ce的XRD图谱可以看出添加浓度较低的出峰较强且比较窄，说明添加低浓度的Ce可以使产物处于完整，且晶粒较大。
0120011001000900246810108Intensity（a.u）8007006005004003002001000204060806e4dc2ba0100 2θ(°)
图4 添加不同浓度Ce的NiFe2O4的XRD图谱
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(a) NiFe2O4
0.1%Ce 未烧
(b) NiFe2O4
1%Ce 750℃下煅烧
(c) NiFe2O4
0.5%Ce 750℃下煅烧 (d) NiFe2O4
0.1%Ce 750℃下煅烧 (e) NiFe2O4
0.5%Ce 未烧
从图4对比可以看出未烧的NiFe2O4出峰较弱而且比较宽，而经过750℃条件下煅烧过的NiFe2O4出峰很强且很窄，说明结果煅烧NiFe2O4处于完整，晶粒长大。通过对比在相同温度下（未烧或750℃）添加不同浓度的Ce的XRD图谱可以看出添加浓度为0.5%Ce的出峰较强且比较窄，说明添加浓度为0.5%的Ce可以使产物处于完整，且晶粒较大。
01000900800700246810108Intensity（a.u）6005004003002001006dc4b2a02040608001002θ(°)
图5 添加不同浓度的La的CoFe2O4的XRD图谱
(a) CoFe2O4 0.1%La 未烧
(b) CoFe2O4 0.5%La 未烧 (c) CoFe2O4 0.5%La 750℃下煅烧
(d) CoFe2O4 1%La 750℃下煅烧
图5对比可以看出未烧的CoFe2O4出峰较弱而且比较宽，而经过750℃条件下煅烧过的CoFe2O4出峰很强且很窄，说明结果煅烧CoFe2O4处于完整，晶粒长大。通过对比在相同温度下（未烧或750℃）添加不同浓度的La的XRD图谱可以看出添加浓度为0.5%的出峰较强且比较窄，说明添加浓度为0.5%的La可以使产物处于完整，且晶粒较大。
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01000900800700246810108Intensity（a.u）6005004003002006ed4cb2100a02040608001002θ(°)
图6 添加不同浓度La的NiFe2O4的XRD图谱
(a) NiFe2O4
0.1%La 750℃下煅烧
(b) NiFe2O4
0.1%La 未烧 (c )NiFe2O4
0.5%La 未烧
(d) NiFe2O4
0.5%La 750℃下煅烧 (e )NiFe2O4
1%La 750℃下煅烧
图6从图中可以看出（d）没有出现特征峰，说明它不是晶体.而对比（a）(b)(c)(e)可以看出未烧的NiFe2O4出峰较弱而且比较宽，而经过750℃条件下煅烧过的NiFe2O4出峰很强且很窄，说明结果煅烧NiFe2O4处于完整，晶粒长大。通过对比在相同温度下（未烧或750℃）添加不同浓度的Ce的XRD图谱可以看出添加浓度最大（1%Ce）的NiFe2O4 出峰较强且比较窄，说明添加浓度高的可以使产物处于完整，且晶粒较大。
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0120011001000900246810108Intensity（a.u)8007006005004003002001000204060806fe4dcba010022θ(°)
图7 添加不同浓度Zr的CoFe2O4的XRD的图谱
(a) CoFe2O4 0.1%Zr
未烧
(b) CoFe2O4 0.5% Zr 未烧 (c) CoFe2O4 1% Zr
未烧
(d) CoFe2O4 0.1% Zr 750℃下煅烧 (e) CoFe2O4 0.5% Zr 750℃下煅烧 (f) CoFe2O4
1% Zr 750℃下煅烧
图7对比可以看出未烧的CoFe2O4出峰较弱而且比较宽，而经过750℃条件下煅烧过的CoFe2O4出峰很强且很窄，说明结果煅烧CoFe2O4处于完整，晶粒长大。通过对比在相同温度下（未烧或750℃）添加不同浓度的Zr的XRD图谱可以看出添加浓度为0.1%的出峰较强且比较窄，说明添加浓度为0.1%的Zr可以使产物处于完整，且晶粒较大。
0120011001000900246810108Intensity（a.u）8007006005004003002001000204060806e4dc2ba01002θ(°)
图8 添加不同浓度Zr的NiFe2O4的XRD的图谱
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(a) NiFe2O4
0.1%Zr
750℃下煅烧 (a) NiFe2O4
0.5%Zr
750℃下煅烧 (a) NiFe2O4
0.1%Zr
未烧
(a) NiFe2O4
1%Zr
750℃下煅烧 (a) NiFe2O4
1%Zr
未烧
图4对比可以看出未烧的NiFe2O4出峰较弱而且比较宽，而经过750℃条件下煅烧过的NiFe2O4出峰很强且很窄，说明结果煅烧NiFe2O4处于完整，晶粒长大。通过对比在相同温度下（未烧或750℃）添加不同浓度的Zr的XRD图谱可以看出添加浓度为高的出峰较强且比较窄，说明添加高浓度为的La可以使产物处于完整，且晶粒较大。
4.1实验小结
通过对自制的一系列纳米材料进行XRD的测定，通过对其图谱的分析可知NiFe2O4在750℃煅烧后，CoFe2O4在750℃煅烧后出峰都已经很明显且比较窄，说明在此温度下产物成晶较好，颗粒较小。
通过对相同温度下添加不同浓度同种元素的XRD的测定及其图谱分析，以及对添加相同浓度同一种元素在不同浓度下的XRD的测定及其图谱分析可以得知不同浓度的添加元素对纳米材料的影响。
参考文献
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