掺杂型二维Cr2Te3纳米片的结构及磁性调控

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永磁材料(又称硬磁材料)由于其高矫顽力(Hc)和高磁能积(BH)max被广泛应用于嫦娥探月飞船、无人机、神州系列飞船和核动力潜艇等国防军工高端技术设备。近年来,随着上述技术的迅猛发展,永磁材料的需求逐年增长。由于稀土元素能与3d过渡元素产生强的自旋-轨道耦合作用,成为制备永磁材料材料的首选,但是由于稀土材料的价格高、易腐蚀以及加工难度大等缺点,减少硬磁材料中稀土含量或者开发无稀土的硬磁材料是全球永磁材料可持续发展的必然趋势。本文通过高温有机液相反应法制备出Cr2Te3-xMx(M=Se、S)、Cr2-xCoxTe3和Cr2-xCoxTe3-ySey一系列无稀土硬磁纳米材料,并研究了掺杂对所获得纳米片的结构和磁学性能的影响,得出以下结论:(1)以Cr(Co)6为Cr源,Te粉末为前驱体采用高温液相反应法合成Cr2Te3磁性纳米颗粒,进行阴离子掺杂得到Cr2Te3-xMx(M=Se、S)磁性纳米材料,均表现出低温铁磁性。当掺杂物M为Se和S时,在低浓度掺杂均能使体系矫顽力(Hc)和饱和磁化强度(Ms)均可以提高,当Se掺杂量x=0.6时矫顽力达到最大,由纯Cr2Te3的Hc=8.8 kOe和Ms=18.4 emu/g提升到Hc=12.0 kOe,Ms=24 emu/g。当S掺杂量x=0.3时矫顽力达到最大,Hc=12.0 kOe,Ms=27 emu/g。可见,阴离子掺杂可有效增强Cr2Te3磁学性能,这与其有序度和Cr-Cr间距有关。(2)以Cr(CO)6和Te粉为前驱体,通过不同的实验条件如:成核温度、生长时间以及搅拌作用对Cr2Te3磁性纳米材料形貌进行调控。测试结果表明所得样品均为Cr2Te3六方晶格结构。优化生长条件可得,等温前提下,Cr2Te3体系在低温成核更有利于获得均匀的纳米材料,缩短生长时间促使超薄二维纳米片的生成。二维Cr2Te3磁性纳米片的矫顽力Hc和居里温度Tc均比传统Cr2Te3有显著提升。(3)以Cr(CO)6和Te粉为前驱体,乙酰丙酮钴Co(acac)2和硒粉Se分别作为钴源和硒源,分别合成了Cr2-xCox Te3和Cr2-xCox Te3-ySey硬磁纳米颗粒。测试结果表明,当Co掺杂时可合成Cr1.6Co0.4Te3花状纳米材料,掺杂量为x=0.40时,达到最大矫顽力Hc=16.0 kOe,而Co、Se共掺杂得到Cr2-xCox Te3-ySey荷叶状超薄纳米片。在适当比例x=0.2,y=0.15时,磁学性能达到最优,此时饱和磁化强度Ms增加到30.0 emu/g,而矫顽力Hc增加到13.6 kOe,与纯Cr2Te3相比,磁能积有显著提升。总之,我们采用高温有机液相法和热注入法相结合制备了一系列掺杂型Cr2Te3硬磁纳米材料,通过掺杂量和形貌调控使体系矫顽力和饱和磁化强度同时提高。该研究将为Cr基硫属化合物硬磁纳米材料的研究奠定重要基础。
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