多铁氟化物的制备与研究

发布时间：2020-06-26 04:06

【摘要】：多铁材料由于同时具有铁磁性(或反铁磁性)和铁电性而得到广泛的关注,通过磁电耦合效应实现这两种铁性之间的相互调控,从而可以应用于各个领域,特别是自旋电子学。由于F元素比O元素具有更高的电负性,含有3d过渡金属的多铁氟化物更有可能打破钙钛矿氧化物中铁磁和铁电共存的限制,实现单相多铁性。氟化物BaMF_4(M=Mn,Ni,Co,Fe等)是典型的多铁材料,具有室温铁电性,居里温度很高的优点,但Ba MF_4一般为反铁磁的,并且奈尔温度极低,很难得到实际应用。我们制备了几种纯相Ba MF_4氟化物,将BaNiF_4制备成外延薄膜并研究了其磁性与铁电性,制备了BaCoF_4和BaNiF_4等比例混合的纯相固溶体并研究了其磁性。具体工作以及主要结论如下:(1)用脉冲激光沉积技术(PLD)在(0001)晶面取向的Al_2O_3衬底上外延生长了BaNiF_4薄膜,经过X射线衍射证实薄膜只具有(040),(080),(0120)晶面方向的谱峰,证明了薄膜的外延生长。通过压电力显微镜(PFM)的测量,薄膜中存在振幅和位相的回线,这是薄膜铁电性的表现。温度在10K以下可以明显的观察到蜂腰形的磁滞回线,这归因于其反铁磁机构上,相邻自旋微弱形成的净磁矩反平行排列导致的弱反铁磁性的磁结构。在高于室温时仍然可以看到弱的铁磁性,这是由于外延生长中衬底和薄膜晶格常数的失配引入的应力导致的。(2)纯相的固体材料BaCoF_4和BaNiF_4按照1:1的比例用固相反应的方法制备了BaCo_(0.5)Ni_(0.5)F_4,并用X射线衍射的方法确定其为纯相。随着温度低至5K,磁滞回线仍为线性曲线,这表明样品为反铁磁性。对比BaCoF_4和BaNiF_4,没有观察到明显的磁性增强,这说明样品中Co和Ni元素的随机分布,没有形成亚铁磁性。测量了零场冷却(ZFC)和场冷却(FC)的磁矩-温度(M-T)曲线,温度的降低使得零场冷曲线与场冷曲线在温度为118 K时分离,此时开始出现二维反铁磁结构,当温度降到87 K时磁矩最大,这归因于二维反铁磁结构的团簇,之后磁性剧烈的降低是因为三维反铁磁结构开始出现。在场冷却的曲线中,当温度降至40 K时磁矩有个小的增加,这归因于三维反铁磁结构的团簇,而9 K时磁矩剧烈增加是因为样品中存在未抵消的孤立自旋。温度低于90 K时,在样品中可以观察到明显的交换偏置,通过交流磁化强度的测量排除了表面自旋玻璃态的贡献,其机制被归因于两个反铁磁相之间的交换耦合作用。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O482.5;O614.811
【图文】：

示意图,铁电体,顺电体,铁电性

(ferrimagnetism)[3]。本文讨论的多铁性包括铁磁性，反铁磁性和铁电性。铁电性是指具有自发电极化，且自发极化的方向有两个或多个，在电场的作用下其取向会改变的特性。铁电体晶胞的原子构型使得正负电子重心沿着某个方向位移，导致电偶极矩，形成电极化。因为原子的构型是温度的函数，所以电极化的状态也会随温度的变化而变化，这种性质称之为热电性(pyroelectricity)[4]，这是所有具有电偶极矩的材料的通性。铁电体中，由于两端正负的束缚电荷在晶体内部形成退极化场，导致静电能的增加。而且极化导致的应变使得晶体内部的应变能增加，所以均匀极化的状态是不稳定的，为了降低能量，晶体会分成若干个小的区域，每个小的区域电极化方向相同，称之为电畴。电畴的出现使得退极化场形成的静电能和机械约束的应变能降低，畴壁之间的相互作用会形成畴壁能。铁电体的极化随着电场的变化而变化，形成电滞回线。电滞回线过程伴随有新畴的成核长大，畴壁的移动等。当铁电体完全极化外加电场将为零时，铁电体会有一个剩余极化。使得铁电体重新回归为零极化的状态需要一个反向的电场，场的大小称之为矫顽场 Ec。在铁电体中，铁电性只存在于一定的温度范围，当高于某个温度时，铁电体会变为顺电体(paraelectrics)，这一相转变温度称为居里温度 Tc[5]。图 1-给出了上面提到的三种状态的极化与电场的变化关系示意图。

示意图,磁学,磁性,外层电子

东南大学硕士学位论文作用下趋向于同一方向，磁化过程与电极化过程类似，具有磁滞回线，都运动与长大，只不过铁磁体的畴是磁畴[6]。铁电体和铁磁体的不同之处在磁矩的来源不同，电偶极矩来源于晶胞中正负电荷中心不重合，而磁矩来原子的外层电子，如果外层电子是成对出现的，根泡利不相容原理，其磁的，原子不表现出磁矩，而如果原子的外层电子是未满的，原子就表现出矩的不同排列方式可以将磁性材料分为四种，如图 1-2 所示(1agnetism，PM)；(2)铁磁性(ferromagnetism，FM)；(3)反铁磁性(antiferroma(4)亚铁磁性(ferrimagnetism，FIM)。

【参考文献】