激光辐照与Li+掺杂诱导的α-Fe2O3铁磁性研究

论文摘要

α-Fe2O3是一种物理化学性能优良的氧化物,广泛应用在光催化降解,颜料,气敏材料,光限幅,锂离子电池和水处理等领域。目前对α-Fe2O3纳米晶磁性改进的研究报道不多,所使用的增强α-Fe2O3磁性的方式如表面修饰也非常复杂。研究简单、环保、经济的增强α-Fe2O3纳米粒子磁性的方法对开拓α-Fe2O3纳米粒子的应用领域具有实际意义。此外,激光诱导的磁性效应在光控制分子的磁性,光隔离、高密度信息存储和光开光等领域具有潜在的应用价值,探究新的物理化学性能优异的光诱导磁性材料和光诱导磁性机理无论从理论研究还是实际应用出发都具有十分重要的意义。本文使用了激光辐照与Li+掺杂两种方法诱导α-Fe2O3纳米颗粒的铁磁性,结果表明激光辐照与Li+掺杂都能诱导α-Fe2O3纳米颗粒从反铁磁性转换为铁磁性。本文首先采用第一性原理计算并分析了α-Fe2O3的能带、能态密度和光学特性。研究了976 nm激光激发下样品的荧光强度与激光功率的关系,结果表明低功率976 nm激光激发下α-Fe2O3的荧光可以忽略。考虑α-Fe2O3纳米晶的比热容和空气的热耗散特性,建立了激光辐照样品升高的温度与激光辐照时间的关系式,结果表明辐照对α-Fe2O3纳米晶起到一个快速加热作用。采用激光辐照处理了α-Fe2O3纳米晶,使用振动样品磁强计分别测量了976 nm激光辐照前后α-Fe2O3纳米晶、被辐照样品在氧气中退火后和被辐照样品在空气中放置七个月后的磁性。通过X射线衍射、扫描电子显微镜、紫外可见光吸收光谱、傅里叶红外吸收光谱、直流四端法探测电阻和X射线光电子能谱等表征手段研究了激光辐照前后样品的物理化学特性,结果表明激光辐照快速热处理引起的氧缺陷与邻近的铁离子形成了束缚磁极子,实现了α-Fe2O3纳米晶由反铁磁性向铁磁性的转换。制备了七种摩尔百分比不同的Li+掺杂α-Fe2O3粉末。使用振动样品磁强计表征了七种样品的磁性。通过X射线衍射、扫描电子显微镜、紫外可见光吸收光谱、傅里叶红外吸收光谱、Raman光谱、直流四端法探测电阻和光致发光光谱等表征方法分析了七种样品的物理化学性质。结果表明在2 mol% Li+掺杂的α-Fe2O3颗粒表面Li+替代了部分Fe3+,替代产生的空穴使得邻近Fe3+磁耦合作用增强,实现了α-Fe2O3纳米晶由反铁磁性到铁磁性的转变。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 光诱导的半导体材料磁性研究历史与现状
• 1.3 Li+掺杂诱导的磁性研究概述
• 2O₃的制备与应用'>1.4 纳米α-Fe₂O₃的制备与应用
• 1.5 课题研究的目的和意义
• 1.6 课题研究的内容
• 2O₃铁磁性理论'>第2章 激光辐照与Li+掺杂诱导的α-Fe₂O₃铁磁性理论
• 2.1 引言
• 2O₃铁磁性研究'>2.2 激光辐照诱导的α-Fe₂O₃铁磁性研究
• 2O₃的能带和能态密度'>2.2.1 α-Fe₂O₃的能带和能态密度
• 2O₃的光学特性'>2.2.2 α-Fe₂O₃的光学特性
• 2O₃的光热效应研究'>2.2.3 红外激光辐照α-Fe₂O₃的光热效应研究
• 2.2.4 氧缺陷诱导的α-Fe2Ο3铁磁性特性分析
• 2O₃铁磁性分析'>2.3 Li+掺杂诱导的α-Fe₂O₃铁磁性分析
• 2.4 本章小结
• 2O₃铁磁性实验研究'>第3章 激光辐照诱导的α-Fe₂O₃铁磁性实验研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验过程
• 3.2.1 样品的制备
• 3.2.2 样品的表征方法
• 2O₃纳米晶的表征分析'>3.3 激光辐照前后α-Fe₂O₃纳米晶的表征分析
• 3.3.1 结构与形貌
• 3.3.2 UV-vis吸收光谱特性
• 3.3.3 FI-IR吸收光谱特性
• 3.3.4 电学特性
• 3.3.5 X-ray光电子能谱特性
• 2O₃纳米晶的铁磁性特性'>3.4 激光辐照后α-Fe₂O₃纳米晶的铁磁性特性
• 3.5 本章小结
• 2O₃铁磁性实验研究'>第4章 Li+掺杂诱导的α-Fe₂O₃铁磁性实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 样品的制备与表征方法
• 4.3 Li+掺杂的样品表征分析
• 4.3.1 结构与形貌
• 4.3.2 UV-vis光吸收光谱特性
• 4.3.3 FI-IR吸收光谱与Raman光谱特性
• 4.3.4 光致发光光谱特性
• 4.3.5 电学特性
• 2O₃铁磁性特性'>4.4 Li+掺杂的α-Fe₂O₃铁磁性特性
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢