單相多鐵性納米材料的水熱法合成及物性研究.pdf

1、單相磁電多鐵性材料同時(shí)具有磁性和鐵電性，且二者可以通過磁電耦合效應(yīng)相互影響，所以其在信息存儲(chǔ)等諸多領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。因此，近十年來多鐵性材料已經(jīng)成為了凝聚態(tài)物理和材料物理等學(xué)科的研究熱點(diǎn)，并且在研究過程中涌現(xiàn)了許多性能優(yōu)異的多鐵性材料。例如，鐵酸鉍就是目前已發(fā)現(xiàn)的多鐵性材料中的佼佼者，它具有室溫以上的反鐵磁和鐵電轉(zhuǎn)變溫度，室溫環(huán)境下具有非常大剩余電極化強(qiáng)度。然而，鐵酸鉍的G型反鐵磁磁基態(tài)使其受到磁場(chǎng)的調(diào)控很弱。實(shí)際上，目前發(fā)現(xiàn)的單

2、相多鐵性材料大多是反鐵磁性的，同時(shí)具有鐵磁性和鐵電性的材料非常稀少。幸運(yùn)的是，實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)納米化可以在保持結(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)上增強(qiáng)反鐵磁材料的磁性。所以把納米技術(shù)引入到多鐵性材料的研究中來，一方面可以增強(qiáng)很多反鐵磁性的多鐵性材料的磁性，進(jìn)而獲得更大的磁電耦合效應(yīng)；另一方面，可能會(huì)出現(xiàn)一些新的物理現(xiàn)象，可以讓人們對(duì)磁電耦合效應(yīng)的理解和調(diào)控進(jìn)入一個(gè)全新的層次。不過，多鐵性材料多為多元的復(fù)雜氧化物，高質(zhì)量的納米晶體生長(zhǎng)比較難以調(diào)控，相關(guān)的物性研究

3、更是還處于初級(jí)階段。
　　 針對(duì)上述問題，本論文主要研究了水熱法生長(zhǎng)高質(zhì)量的鐵酸鉍納米晶體和具有多鐵性的新型納米材料，系統(tǒng)研究了它們?cè)诩{米化后的磁學(xué)特性，比如自旋團(tuán)簇玻璃態(tài)的動(dòng)力學(xué)行為和交換偏置效應(yīng)。此外，論文最后還對(duì)非典型磁電材料的磁介電特性進(jìn)行了深入的研究。論文內(nèi)容共分為五章，每章的主要內(nèi)容分別概括如下：
　　 第一章綜述了單相磁電多鐵性材料的研究進(jìn)展，其中重點(diǎn)介紹了鐵酸鉍的基本特性和相關(guān)研究，然后介紹了多鐵性材料中

4、的磁介電效應(yīng)和與之相關(guān)的各個(gè)材料體系，最后介紹了多鐵性納米材料的相關(guān)研究，并根據(jù)以上幾個(gè)方面給出了當(dāng)前研究中存在的一些問題。
　　 第二章提出了一種水熱法合成鐵酸鉍納米晶粒的途徑，首次系統(tǒng)研究了鐵酸鉍納米晶粒的自旋團(tuán)簇玻璃態(tài)的動(dòng)力學(xué)行為。相比于傳統(tǒng)的固相反應(yīng)法，水熱法可以大大降低鐵酸鉍的成相溫度，得到高質(zhì)量、純相的鐵酸鉍納米晶粒。通過多種表征手段得到納米晶粒的平均直徑約為170nm，反鐵磁轉(zhuǎn)變溫度為640K，鐵電轉(zhuǎn)變溫度為106

5、4K。通過測(cè)量BiFeO3納米晶粒在不同交流磁場(chǎng)頻率和不同直流磁場(chǎng)大小下的交流磁化率隨溫度依賴關(guān)系，研究其磁動(dòng)力學(xué)行為。利用不同的動(dòng)力學(xué)方程對(duì)結(jié)果進(jìn)行擬合，確認(rèn)了鐵酸鉍納米晶粒在低溫下存在一個(gè)自旋團(tuán)簇玻璃轉(zhuǎn)變，這一轉(zhuǎn)變的出現(xiàn)很可能與鐵酸鉍在納米化后出現(xiàn)的大量未補(bǔ)償自旋有關(guān)。
　　 第三章系統(tǒng)研究了鐵酸鉍納米晶粒的交換偏置效應(yīng)。通過研究發(fā)現(xiàn)，鐵酸鉍納米晶粒在2K到300K的溫度范圍內(nèi)都存在交換偏置效應(yīng)，且交換偏置場(chǎng)大小和溫度之間具

6、有非單調(diào)的依賴關(guān)系。其中，鐵酸鉍納米晶粒在其自旋團(tuán)簇玻璃轉(zhuǎn)變溫度以上的交換偏置效應(yīng)非常特別，因?yàn)樵谄渌孕ＡB(tài)的磁性納米體系中的交換偏置效應(yīng)會(huì)在此溫度以上消失。針對(duì)這個(gè)問題，我們分別用隨機(jī)場(chǎng)模型和2D-DAFF模型(two-dimensionaldilutedantiferromagnetinafieldmodel)予以解釋，并且同時(shí)給出了鐵酸鉍納米晶粒中存在2D-DAFF的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
　　 第四章利用水熱法合成了一種新型室溫

7、多鐵性材料Bi5Fe2O10.5單晶納米帶。通過結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)Bi5Fe2O10.5納米帶同構(gòu)于高溫超導(dǎo)體Bi2Sr2CaCu2O8+δ，并存在一個(gè)波矢為q*=(0,0.25，1)的公度的調(diào)制結(jié)構(gòu)。因此，Bi5Fe2O10.5納米帶在c軸方向上由結(jié)構(gòu)上類似BiFeO3的鈣鈦礦層和絕緣性好的[Bi2O2]2+鹽巖層交替排列而成，具有天然的磁電一介電超晶格結(jié)構(gòu)。最重要的是，室溫下在Bi5Fe2O10.5納米帶中發(fā)現(xiàn)了同時(shí)存在的磁性和鐵電性，

8、而巨大的磁介電效應(yīng)表明其內(nèi)部可能存在著磁有序和鐵電有序的相互耦合。Bi5Fe2O10.5納米帶的設(shè)計(jì)與水熱合成為探索新型的單相多鐵性材料提供有益的幫助。
　　 第五章系統(tǒng)研究了LaMn1-xFexO3(0.1≤X≤0.5)體系在外磁場(chǎng)和外電場(chǎng)作用下的介電響應(yīng)。在x≤0.2的樣品里觀察到了顯著的低場(chǎng)磁介電效應(yīng)，并且隨著Fe含量的增加，磁介電效應(yīng)消失。同時(shí)，所有的樣品都表現(xiàn)出了巨介電常數(shù)，且介電常數(shù)隨外加偏置電場(chǎng)增大而減小。我們通過