錳酸鍶鑭的摻雜改性與雙負機理.pdf

1、近幾年，負介電常數(shù)、負磁導率、負折射率、負泊松比、負質量密度等負的材料物性參數(shù)，隨著超構介質（metamaterials，也稱超材料）在電學、磁學、微波、光學、聲學、力學、熱學等方面研究的不斷深入和日益凸顯的科學意義和應用價值，越來越受到關注。然而以負介電常數(shù)、負磁導率為主要性能特點的“超”材料，自2000年左右被提出后，并不強調化學成分、微觀組織，與“真”材料相去甚遠。隨后，材料工作者開始利用典型材料技術、基于本征特性探索常規(guī)雙負材料

2、，并在金屬/陶瓷異質復合材料中發(fā)現(xiàn)了雙負性質。
　　錳酸鍶鑭（La1-xSrxMnO3，LSMO）蘊含著雙交換作用、電聲子耦合、超交換作用、庫侖作用等豐富的物理現(xiàn)象，并導致電荷、自旋、軌道有序，磁場或光誘導的絕緣體-金屬轉變、相分離及巨磁電阻效應等。此外，LSMO的eg電子的單電子能帶較錳酸鈣鑭（La1-xCaxMnO3，LCMO）寬，材料在較寬的摻雜濃度范圍內具有金屬鐵磁性，且居里溫度較高(Tc=350-370K)，因此具有更多

3、優(yōu)勢和實際應用價值。但是，目前關于LSMO的介電常數(shù)和磁導率等頻譜特性的研究報道較少。因此，這種基于單相材料的本征性質實現(xiàn)其雙負性的研究是一項非常有意義的工作。
　　本文采用溶膠-凝膠自蔓延燃燒法合成粉體并燒結制備了不同鍶含量及多元素摻雜的LSMO樣品，通過X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)對樣品的微觀結構進行了分析，利用阻抗分析儀、頻率響應/特性分析儀、四探針電阻率/方阻測試儀等儀器系統(tǒng)地研究了LSMO陶瓷的成分、晶體結構

4、、微結構對電磁參數(shù)的影響規(guī)律，以探明等離體子振蕩、磁共振與摻雜組分、微觀結構的相關性，揭示本征介電常數(shù)隨化學成分的變化規(guī)律以及介電常數(shù)和磁導率的雙負機理。具體研究內容如下:
　　(1)采用溶膠-凝膠自蔓延燃燒法合成粉體，并在不同的燒結溫度及保溫時間等工藝參數(shù)下制備了不同Sr含量的La1-xSrxMnO3陶瓷，研究了燒結溫度及保溫時間等參數(shù)條件對其物相組成和微觀形貌的影響，進而分析物相組成、微觀結構對其介電常數(shù)、阻抗及電導率及磁導率

5、等電磁性能的影響。隨燒結溫度的提高，雜相逐漸消失，且晶粒尺寸增大并趨于均勻化。在此基礎上，對燒結溫度和保溫時間進行了優(yōu)化。
　　(2)研究了不同Sr含量對微觀結構及電磁性能的影響。研究發(fā)現(xiàn):隨Sr含量增加，晶體對稱性得到提高，從而提高了La1-xSrxMnO3的金屬鐵磁性。另外，由于Sr含量的不同，導致三種不同的介電極化機制，除Debye弛豫之外，Lorentze共振和Drude等離子振蕩這兩種機制均可產(chǎn)生負介電常數(shù)(ε'＜0)。

6、而對于La1-xSrxMnO3的負磁導率(μr'＜0），可通過調節(jié)Sr含量使其在不同頻段內實現(xiàn)，從而在特定頻段實現(xiàn)材料的雙負性質。
　　(3)研究了B位元素摻雜的La0.7Sr0.3MnO3，F(xiàn)e、Ni、Cu、Co摻雜導致晶格的畸變程度及晶粒形貌發(fā)生明顯變化，提高了晶體的對稱性，進而有效的調節(jié)介電性能及導電性。對于衰減陶瓷的應用來說，這種可調諧性是非常有意義的。其中，Ni元素摻雜的La0.7Sr0.3Mn0.5Ni0.5O3具有較

7、高介質損耗和較好電磁匹配特性（相對較低的r'），有利于吸波。此外，采用K-K關系檢驗了介電常數(shù)的實驗結果。
　　(4)利用Lorentz和Drude兩種模型計算擬合了La1-xSrxMnO3的介電頻散特性。結果表明，當Sr含量較低時（如x=0.1），負介電常數(shù)是由于Lorentz共振導致的;當Sr含量較高時（如x≥0.2），由于傳導電子濃度的增加導致其在外加交變電場的作用下發(fā)生集體性的等離體子振蕩，從而產(chǎn)生等離子振蕩型負介電。通過

8、對電導率的分析進一步的證明了這兩種負介電機制的存在。
　　(5)利用等效電路法對La1-xSrxMnO3進行了阻抗分析并得到其等效電路，研究了其高頻下的電學性能。當燒結溫度及Sr含量較低時，樣品可以等效為電容和電阻組成的電路;當燒結溫度及Sr含量較高時，樣品可以等效為電容、電阻和電感組成的電路。并且發(fā)現(xiàn):并聯(lián)電感的產(chǎn)生可能是負介電常數(shù)的來源。
　　(6)利用磁導率公式擬合了La1-xSrxMnO3的磁導率隨頻率的變化關系。通