锰酸锶镧的掺杂改性与双负机理

发布时间：2017-08-07 00:13

  本文关键词：锰酸锶镧的掺杂改性与双负机理

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【摘要】：近几年,负介电常数、负磁导率、负折射率、负泊松比、负质量密度等负的材料物性参数,随着超构介质(metamaterials,也称超材料)在电学、磁学、微波、光学、声学、力学、热学等方面研究的不断深入和日益凸显的科学意义和应用价值,越来越受到关注。然而以负介电常数、负磁导率为主要性能特点的“超”材料,自2000年左右被提出后,并不强调化学成分、微观组织,与“真”材料相去甚远。随后,材料工作者开始利用典型材料技术、基于本征特性探索常规双负材料,并在金属/陶瓷异质复合材料中发现了双负性质。锰酸锶镧(La1-xSrxMnO3, LSMO)蕴含着双交换作用、电声子耦合、超交换作用、库仑作用等丰富的物理现象,并导致电荷、自旋、轨道有序,磁场或光诱导的绝缘体-金属转变、相分离及巨磁电阻效应等。此外,LSMO的eg电子的单电子能带较锰酸钙镧(La1-xCaxMnO3, LCMO)宽,材料在较宽的掺杂浓度范围内具有金属铁磁性,且居里温度较高(Tc=350-370K),因此具有更多优势和实际应用价值。但是,目前关于LSMO的介电常数和磁导率等频谱特性的研究报道较少。因此,这种基于单相材料的本征性质实现其双负性的研究是一项非常有意义的工作。本文采用溶胶-凝胶自蔓延燃烧法合成粉体并烧结制备了不同锶含量及多元素掺杂的LSMO样品,通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)对样品的微观结构进行了分析,利用阻抗分析仪、频率响应/特性分析仪、四探针电阻率/方阻测试仪等仪器系统地研究了LSMO陶瓷的成分、晶体结构、微结构对电磁参数的影响规律,以探明等离体子振荡、磁共振与掺杂组分、微观结构的相关性,揭示本征介电常数随化学成分的变化规律以及介电常数和磁导率的双负机理。具体研究内容如下：(1)采用溶胶-凝胶自蔓延燃烧法合成粉体,并在不同的烧结温度及保温时间等工艺参数下制备了不同Sr含量的LS1-xSrxMnO3陶瓷,研究了烧结温度及保温时间等参数条件对其物相组成和微观形貌的影响,进而分析物相组成、微观结构对其介电常数、阻抗及电导率及磁导率等电磁性能的影响。随烧结温度的提高,杂相逐渐消失,且晶粒尺寸增大并趋于均匀化。在此基础上,对烧结温度和保温时间进行了优化。(2)研究了不同Sr含量对微观结构及电磁性能的影响。研究发现：随Sr含量增加,晶体对称性得到提高,从而提高了La1-xSrxMnO3的金属铁磁性。另外,由于Sr含量的不同,导致三种不同的介电极化机制,除Debye弛豫之外,Lorentze共振和Drude等离子振荡这两种机制均可产生负介电常数(ε'0)。而对于La1-xSrxMnO3的负磁导率(μr'0),可通过调节Sr含量使其在不同频段内实现,从而在特定频段实现材料的双负性质。(3)研究了B位元素掺杂的La0.7Sr0.3MnO3, Fe、Ni、Cu、Co掺杂导致晶格的畸变程度及晶粒形貌发生明显变化,提高了晶体的对称性,进而有效的调节介电性能及导电性。对于衰减陶瓷的应用来说,这种可调谐性是非常有意义的。其中,Ni元素掺杂的La0.7Sr0.3Mn0.5Ni0.5O3具有较高介质损耗和较好电磁匹配特性(相对较低的□r'),有利于吸波。此外,采用K-K关系检验了介电常数的实验结果。(4)利用Lorentz和Drude两种模型计算拟合了La1-xSrxMnO3的介电频散特性。结果表明,当Sr含量较低时(如x=0.1),负介电常数是由于Lorentz共振导致的；当Sr含量较高时(如x≥0.2),由于传导电子浓度的增加导致其在外加交变电场的作用下发生集体性的等离体子振荡,从而产生等离子振荡型负介电。通过对电导率的分析进一步的证明了这两种负介电机制的存在。(5)利用等效电路法对La1-xSrxMnO3进行了阻抗分析并得到其等效电路,研究了其高频下的电学性能。当烧结温度及Sr含量较低时,样品可以等效为电容和电阻组成的电路；当烧结温度及Sr含量较高时,样品可以等效为电容、电阻和电感组成的电路。并且发现：并联电感的产生可能是负介电常数的来源。(6)利用磁导率公式拟合了La1-xSrxMnO3的磁导率随频率的变化关系。通过分析得到：负磁导率的产生是畴壁共振和自然共振共同作用的结果,且通过Sr元素掺杂调节其磁各向异性和晶格常数,从而使畴壁共振频率向低频方向移动,进而实现了对负磁导率频段的调节。通过外加稳恒磁场(Hdc=0.55 T),可以加强产生负磁导率的共振强度,从而对负磁导率数值及频段进行调控。本论文工作得到国家自然科学基金、教育部新世纪优秀人才支持计划等科研项目的资助。
【关键词】：钙钛矿结构 介电常数 磁导率 元素掺杂 双负材料
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ133.3
【目录】：

• 摘要10-13
• ABSTRACT13-17
• 第1章 绪论17-37
• 1.1 研究背景17-20
• 1.2 常规双负材料20-27
• 1.2.1 常规双负材料的探索20-25
• 1.2.2 常规双负材料的基本理论25-27
• 1.3 单相双负材料27-30
• 1.3.1 单相双负性材料的提出27-29
• 1.3.2 单相双负性材料的研究进展29-30
• 1.4 La_(1-x)Sr_xMnO_3的结构、特性30-36
• 1.4.1 La_(1-x)Sr_xMnO_3的结构30-32
• 1.4.2 La_(1-x)Sr_xMnO_3的特性32-34
• 1.4.3 La_(1-x)Sr_xMnO_3的结构与性能之间的关系34-36
• 1.5 研究目的及意义36-37
• 第2章 研究内容与研究方案37-49
• 2.1 研究内容37-38
• 2.2 研究方案38-42
• 2.2.1 试验原料38-39
• 2.2.2 主要仪器39-40
• 2.2.3 溶胶-凝胶工艺制备前驱体粉末40-41
• 2.2.4 La_(1-x)Sr_xMnO_3陶瓷的无压烧结41-42
• 2.3 样品表征42-43
• 2.3.1 物相分析-XRD分析42
• 2.3.2 微观组织分析-SEM分析42
• 2.3.3 热分析42-43
• 2.3.4 磁滞回线43
• 2.4 性能测试43-49
• 2.4.1 介电性能测试43-46
• 2.4.2 磁性能测试46-49
• 第3章 锰酸锶镧陶瓷的烧结工艺及其电磁性能49-67
• 3.1 制备过程与物相分析49-55
• 3.2 烧结制度与微观形貌55-58
• 3.3 物相组成、微观形貌对其电磁性能的影响58-65
• 3.3.1 电性能的影响58-61
• 3.3.2 磁性能的影响61-65
• 3.4 本章小结65-67
• 第4章 掺Sr量对锰酸锶镧结构及性能的影响67-77
• 4.1 Sr掺杂对结构的影响67-69
• 4.2 介电性能69-72
• 4.3 磁性能72-74
• 4.4 双负性质74-75
• 4.5 本章小结75-77
• 第5章 La_(1-x)Sr_xMnO_3的B位掺杂改性77-93
• 5.1 La_(0.7)Sr_(0.3)Mn_(1-y)M_yO_3(M=Fe,Ni,Cu,Co；y=0.3,0.5)的结构77-81
• 5.2 介电频散特性81-89
• 5.3 磁谱与磁共振89-91
• 5.4 本章小结91-93
• 第6章 La_(1-x)Sr_xMnO_3的双负机理93-113
• 6.1 洛伦兹共振型负介电93-95
• 6.2 等离子振荡型负介电95-98
• 6.3 等效电路分析98-101
• 6.4 K-K关系验证101-104
• 6.5 磁共振104-110
• 6.6 本章小结110-113
• 第7章 结论和展望113-115
• 7.1 结论113-114
• 7.2 展望114
• 7.3 本文主要创新点114-115
• 参考文献115-129
• 致谢129-131
• 附录Ⅰ 攻读博士期间发表的论文和取得的成果131-135
• 附录Ⅱ 理论计算所用的MATLAB程序135-137
• 附录Ⅲ 英文论文137-166
• 附件166

【参考文献】

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1 刘相果,彭晓东,谢卫东,魏群义;SrCO_3的热分解动力学及其影响因素[J];材料研究学报;2005年03期

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本文编号：632043