錳酸鍶鑭的摻雜改性與雙負(fù)機(jī)理.pdf

1、近幾年，負(fù)介電常數(shù)、負(fù)磁導(dǎo)率、負(fù)折射率、負(fù)泊松比、負(fù)質(zhì)量密度等負(fù)的材料物性參數(shù)，隨著超構(gòu)介質(zhì)（metamaterials，也稱超材料）在電學(xué)、磁學(xué)、微波、光學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)等方面研究的不斷深入和日益凸顯的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值，越來(lái)越受到關(guān)注。然而以負(fù)介電常數(shù)、負(fù)磁導(dǎo)率為主要性能特點(diǎn)的“超”材料，自2000年左右被提出后，并不強(qiáng)調(diào)化學(xué)成分、微觀組織，與“真”材料相去甚遠(yuǎn)。隨后，材料工作者開(kāi)始利用典型材料技術(shù)、基于本征特性探索常規(guī)雙負(fù)材料

2、，并在金屬/陶瓷異質(zhì)復(fù)合材料中發(fā)現(xiàn)了雙負(fù)性質(zhì)。
　　錳酸鍶鑭（La1-xSrxMnO3，LSMO）蘊(yùn)含著雙交換作用、電聲子耦合、超交換作用、庫(kù)侖作用等豐富的物理現(xiàn)象，并導(dǎo)致電荷、自旋、軌道有序，磁場(chǎng)或光誘導(dǎo)的絕緣體-金屬轉(zhuǎn)變、相分離及巨磁電阻效應(yīng)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(nèi)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(shì)和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。但是，目前關(guān)于LSMO的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率等頻譜特性的研究報(bào)道較少。因此，這種基于單相材料的本征性質(zhì)實(shí)現(xiàn)其雙負(fù)性的研究是一項(xiàng)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(jié)制備了不同鍶含量及多元素?fù)诫s的LSMO樣品，通過(guò)X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)對(duì)樣品的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，利用阻抗分析儀、頻率響應(yīng)/特性分析儀、四探針電阻率/方阻測(cè)試儀等儀器系統(tǒng)地研究了LSMO陶瓷的成分、晶體結(jié)構(gòu)

4、、微結(jié)構(gòu)對(duì)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(jié)構(gòu)的相關(guān)性，揭示本征介電常數(shù)隨化學(xué)成分的變化規(guī)律以及介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的雙負(fù)機(jī)理。具體研究?jī)?nèi)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(jié)溫度及保溫時(shí)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(jié)溫度及保溫時(shí)間等參數(shù)條件對(duì)其物相組成和微觀形貌的影響，進(jìn)而分析物相組成、微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其介電常數(shù)、阻抗及電導(dǎo)率及磁導(dǎo)率

5、等電磁性能的影響。隨燒結(jié)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(chǔ)上，對(duì)燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)化。
　　(2)研究了不同Sr含量對(duì)微觀結(jié)構(gòu)及電磁性能的影響。研究發(fā)現(xiàn):隨Sr含量增加，晶體對(duì)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(dǎo)致三種不同的介電極化機(jī)制，除Debye弛豫之外，Lorentze共振和Drude等離子振蕩這兩種機(jī)制均可產(chǎn)生負(fù)介電常數(shù)(ε'＜0)。

6、而對(duì)于La1-xSrxMnO3的負(fù)磁導(dǎo)率(μr'＜0），可通過(guò)調(diào)節(jié)Sr含量使其在不同頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)，從而在特定頻段實(shí)現(xiàn)材料的雙負(fù)性質(zhì)。
　　(3)研究了B位元素?fù)诫s的La0.7Sr0.3MnO3，F(xiàn)e、Ni、Cu、Co摻雜導(dǎo)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(duì)稱性，進(jìn)而有效的調(diào)節(jié)介電性能及導(dǎo)電性。對(duì)于衰減陶瓷的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這種可調(diào)諧性是非常有意義的。其中，Ni元素?fù)诫s的La0.7Sr0.3Mn0.5Ni0.5O3具有較

7、高介質(zhì)損耗和較好電磁匹配特性（相對(duì)較低的r'），有利于吸波。此外，采用K-K關(guān)系檢驗(yàn)了介電常數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
　　(4)利用Lorentz和Drude兩種模型計(jì)算擬合了La1-xSrxMnO3的介電頻散特性。結(jié)果表明，當(dāng)Sr含量較低時(shí)（如x=0.1），負(fù)介電常數(shù)是由于Lorentz共振導(dǎo)致的;當(dāng)Sr含量較高時(shí)（如x≥0.2），由于傳導(dǎo)電子濃度的增加導(dǎo)致其在外加交變電場(chǎng)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(fù)介電。通過(guò)

8、對(duì)電導(dǎo)率的分析進(jìn)一步的證明了這兩種負(fù)介電機(jī)制的存在。
　　(5)利用等效電路法對(duì)La1-xSrxMnO3進(jìn)行了阻抗分析并得到其等效電路，研究了其高頻下的電學(xué)性能。當(dāng)燒結(jié)溫度及Sr含量較低時(shí)，樣品可以等效為電容和電阻組成的電路;當(dāng)燒結(jié)溫度及Sr含量較高時(shí)，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(fù)介電常數(shù)的來(lái)源。
　　(6)利用磁導(dǎo)率公式擬合了La1-xSrxMnO3的磁導(dǎo)率隨頻率的變化關(guān)系。通