層狀鈣鈦礦氧化物AnBnO3n+2體系的多鐵性研究.pdf

1、隨著科學技術(shù)的突飛猛進，對電子器件的多功能化、微型化以及低能耗的需求日益增強，探索新型多功能材料是未來科技發(fā)展的必由之路。同時具有鐵磁性和鐵電性以及它們之間可以相互耦合的多鐵性材料在自旋電子器件、新型信息存儲器件和新型磁-電傳感器件等領域表現(xiàn)出巨大的應用前景，受到了人們的廣泛關(guān)注。此外，磁電耦合的物理機制涉及到自旋、電荷、軌道和晶格等凝聚態(tài)物理多個范疇，多鐵性材料也成為了國際上新的前沿研究領域之一。當前，在探索新型單相多鐵材料進程中，鐵

2、電性和磁性之間的互斥性是集兩者于一體的困難所在。已證實可有效解決上述問題的方法就是選擇鐵電材料作為母體材料，向其摻入磁性離子或者插入磁性層，從而達到鐵電性和磁性共存的目的。本論文在層狀鈣鈦礦氧化物AnBnO3n+2體系中，選擇了稀土鈦氧化物R2Ti2O7作為鐵電母體材料，向其內(nèi)部插入兩層RFeO3磁性層，利用浮區(qū)熔融技術(shù)，成功生長了六層鈣鈦礦氧化物R6Ti4Fe2O20晶體，首次報道了該體系的多鐵性，并系統(tǒng)研究了該體系的晶體結(jié)構(gòu)、磁性、

3、介電性、鐵電性和光催化性，為AnBnO3n+2體系中多功能材料的發(fā)展提供了研究基礎。論文正文分為五個章節(jié)，每一章的概要如下:第一章綜述了單相多鐵材料在層狀鈣鈦礦氧化物中的研究進展。首先總體介紹了多鐵性材料的研究背景，并介紹了單相多鐵材料中的兩種不同種類;然后簡要介紹了鉍層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)多鐵材料Bim+1Ti3Fem-3O3m+3以及改性研究;最后重點介紹了層狀鈣鈦礦氧化物AnBnO3n+2體系的相關(guān)研究，為后續(xù)章節(jié)的研究了提供了背景知識。

4、
　　第二章成功生長了六層鈣鈦礦氧化物La6Ti4Fe2O20晶體，并首次報道了其多鐵性，為單相多鐵性材料在AnBnO3n+2體系的探索開辟了方向。由于磁性Fe3+離子優(yōu)先占據(jù)在鈣鈦礦層的中間兩層格位，材料的自旋玻璃態(tài)行為是由兩種磁相互作用的共存和競爭造成的，一個來源于中間層Fe3+離子之間的反鐵磁相互作用，另一個來源于邊界層Ti4+離子富集區(qū)中的氧空穴誘導出的鐵磁相互作用。介電損耗峰的頻率依賴是由熱激活的弛豫過程造成的，并強調(diào)氧

5、空位對材料的磁性和電學性質(zhì)有著非常重要的影響。
　　第三章通過在燒綠石結(jié)構(gòu)Sm2Ti2O7中插入兩層SmFeO3磁性層，我們利用浮區(qū)熔融技術(shù)成功生長出了層狀鈣鈦礦化合物Sm6Ti4Fe2O20晶體。借助于球差矯正掃描透射顯微鏡以及電子能量損失譜，觀察到Sm6Ti4Fe2O20樣品的層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。在原子尺度上確定了B位Ti/Fe離子的部分有序分布，F(xiàn)e3+主要集中在平板層的中間層，證實了文獻中報道的關(guān)于磁性離子在層狀鈣鈦礦化合物中

6、的擇優(yōu)分布的實驗和計算結(jié)果。由于Ti/Fe離子的部分有序分布以及磁性Sm3+離子和Fe3+離子之間的相互作用，Sm6Ti4Fe2O20表現(xiàn)出復雜的自旋玻璃行為。磁性和電學測量表明Sm6Ti4Fe2O20室溫下具有鐵電性和弱鐵磁性。
　　第四章將雙層NdFeO3磁性層摻入到母體材料Nd2Ti2O7中，我們成功生長了六層鈣鈦礦氧化物Nd6Ti4Fe2O20，通過HRTEM和SEM觀察到了材料的層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。Nd6Ti4Fe2O20的

7、自旋玻璃行為是由B位Ti/Fe部分有序分布以及包括Nd3+和Fe3+在內(nèi)的磁性離子之間的相互作用有關(guān)，在低溫下，磁行為強烈地受到了Nd3+離子的集體效應的影響，室溫下的鐵磁性和鐵電性已被相應的磁性和微觀電學測量證實。紫外可見漫反射吸收譜表明了Nd6Ti4Fe2O20是直接帶隙的可見光催化劑，帶隙為2.2eV。在可見光照射下，降解RhB溶液的光催化實驗中，由于生長的的晶體材料晶粒太大，較小的比表面積造成了Nd6Ti4Fe2O20較低的光催