单相多铁性磁电材料的同步辐射研究

发布时间：2017-05-12 02:04

  本文关键词：单相多铁性磁电材料的同步辐射研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：多铁性材料可分为单相多铁性化合物和多铁性复合磁电材料。自首次发现多铁性材料以来,有十多种不同系列的多铁性化合物被发现,但单相多铁性材料的研究在几十年中一直处在低潮。近十年来,随着稀土锰氧化物、铁酸铋为代表的几个多铁性单相材料体系的深入认识和了解,形成了一个世界范围的单相多铁性材料的研究高潮。但是,由于目前多铁性材料的铁电转变温度和铁磁转变温度比较低,或者磁电效应很弱,因而还远远不足以符合实际应用。探索新型室温单相多铁性材料,提高磁电耦合强度,实现可观的磁电耦合响应,建立微观物理机制等,都是亟待解决的关键问题。本篇论文主要讨论关于BiFeO3和’YMnO3这两个代表性的单相多铁性材料的离子掺杂改性研究。相比以往关于BMFeO3和YMnO3这两个单相多铁性材料的研究,我们这次的工作将根据同步辐射X射线吸收谱数据,从晶格局域结构以及电子杂化轨道方面来解释离子掺杂所引起的BiFeO3和YMnO3材料的磁电性能的变化。第一,为了研究Fe3+离子代替Mn3+离子位置对YMnO3材料的MnO5三角双锥结构和磁性的影响,我们利用固相反应法合成了YMn1-xAFeAO3 (0≤x≤0.08)系列样品。通过改变Fe3+离子的掺杂浓度,利用X射线吸收光谱研究了O2p-Mn 3d杂化轨道的电子态变化。实验结果表明Fe3+离子的掺杂并没有改变YMnO3的晶格结构。但是随着Fe3+离子的掺杂含量增加,YMnO3材料的磁性显著增强。掺杂的Fe3+离子缓解了YMnO3中的磁阻挫效应,并且破坏了YMnO3中Mn3+-Mn3+之间的反铁磁交换作用,诱导不同磁相互作用的竞争。YMn1-xFexO3(0≤x≤0.08)样品的O元素的K边吸收谱和Mn元素的L边吸收谱证明随着Fe3+离子的掺杂YMnO3杂化轨道在低能轨道出现了更多的空的电子态,改变了O 2p-Mn 3d杂化轨道。杂化轨道的变化会引起Mn-O化学键和MnO5三角双锥结构的改变,进而导致O 2p-Mn 3d样品的磁有序和电极化有序的改变。Fe3+离子的掺杂能够对YMn1-xFexO3(0≤x≤0.08)电子能带结构和局域微结构产生影响,从而引起YMnO3材料的磁性变化。第二,为了研究离子掺杂对BiFeO3材料的影响,我们在BiFeO3材料的A位(Bi3+离子位置)和B位(Fe3+离子位置)进行了离子掺杂。我们采用溶胶凝胶法制备了BiFeO3和Bi0.90La0.10FeO3样品。BiFeO3的晶格结构没有因为离子掺杂而改变,仍然为扭曲的钙钛矿结构。La3+离子掺杂没有引起BiFeO3的磁性明显变化,而Mn3+离子掺杂增强了BiFeO3的铁磁性。Fe元素L边吸收谱数据表明,随着La3+离子和Mn3+离子的掺杂没有引起BiFeO3中铁离子的价态改变。O元素K边X射线吸收谱数据则表明Mn3+离子的掺杂使得O 2p-Fe 3d的t2g和eg轨道出现了更多的空的电子态,轨道中电子态的改变说明了O 2p-Fe 3d的杂化也发生了改变,进而影响了Fe-O-Fe的键长和键角。如此也会影响BiFeO3材料中Fe3+离子磁矩的取向,导致反铁磁序排列被破坏,出现净磁矩,增强铁磁性。这种受抑制的螺旋反铁磁序导致BiFeO3同时存在空间反演对称性破缺和时间反演对称性破缺,能够诱导出铁电性相关联的结构和磁性相关联的结构来源于同一结构单元的多铁性,从而增强BiFeO3材料的磁电耦合效应。
【关键词】：离子掺杂 铁磁性 磁电耦合效应 X射线吸收谱
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O482.54
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-24
• 1.1 磁电效应11-12
• 1.2 单相磁电材料的研究进展12-17
• 1.2.1 孤对电子(ns)~2诱导的铁电性12-15
• 1.2.2 晶格畸变诱导的几何铁电性15-17
• 1.3 选题背景及本论文的主要研究内容17-19
• 参考文献19-24
• 第二章 实验方法以及相关原理24-30
• 2.1 磁相互作用24-25
• 2.1.1 双交换作用24
• 2.1.2 超交换作用24-25
• 2.2 X射线衍射分析25
• 2.3 扫描电子显微镜25-26
• 2.4 物性测量系统26
• 2.5 X射线吸收实验原理26-28
• 参考文献28-30
• 第三章 Fe掺杂对YMnO_3的磁性以及局域结构的影响30-44
• 3.1 单相多铁性材料YMn_(1-x)Fe_xO_3(0≤x≤0.08)的制备31-32
• 3.2 Fe离子掺杂对YMnO_3晶格结构的影响32-34
• 3.3 Fe离子掺杂对YMnO_3磁性的影响34-36
• 3.4 Fe离子掺杂对YMnO_3的电子态分布和局域结构的影响36-39
• 3.5 本章小结39-41
• 参考文献41-44
• 第四章 离子掺杂多铁材料BiFeO_3的同步辐射研究44-54
• 4.1 离子掺杂BiFeO_3系列样品的制备44-45
• 4.2 离子掺杂对BiFeO_3晶格结构的影响45-46
• 4.3 离子掺杂对BiFeO_3磁性的影响46-48
• 4.4 离子掺杂BiFeO_3系列样品的X射线吸收谱数据分析48-50
• 4.5 本章小结50-51
• 参考文献51-54
• 第五章 总结与展望54-56
• 5.1 总结54
• 5.2 展望54-56
• 第六章 攻读硕士期间发表的论文以及参加的学术会议56-58
• 致谢58

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本文编号：358524