LuFe2O4及LuFeO3基陶瓷的結(jié)構(gòu)與多鐵性.pdf

1、由于其豐富的物理內(nèi)涵與誘人的潛在應(yīng)用，同時(shí)具有磁性與鐵電性的多鐵性材料正越來越受到廣泛關(guān)注。本學(xué)位論文系統(tǒng)研究了LuFe2O4與LuFeO3基陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)、介電、鐵電及磁學(xué)性能，并探討其可能的多鐵性機(jī)制，獲得如下主要結(jié)論:
　　采用真空反應(yīng)燒結(jié)法可控制備出致密的單相LuFe2O4陶瓷，其在室溫下為菱方結(jié)構(gòu)，空間群是R(3)m。LuFe2O4陶瓷在175-275K間存在一個(gè)激活能為0.29eV的類Debye介電弛豫，可歸結(jié)于Fe2

2、+與Fe3+離子之間的電子漲落作用。LuFe2O4陶瓷的亞鐵磁轉(zhuǎn)交溫度為250K，溫度約216K時(shí)發(fā)生玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變。室溫下存在的非線性磁滯回線說明LuFe2O4在奈耳溫度以上存在一定的弱鐵磁性。LuFe2O4陶瓷經(jīng)磁化處理后的介電常數(shù)在室溫附近有明顯下降，顯示了明顯的磁介電效應(yīng)。然而，由于漏電流較大，LuFe2O4陶瓷在室溫下難以測(cè)出可信的電滯回線。
　　通過Mg2+置換Fe2+得到LuFeMgO4，其晶體結(jié)構(gòu)與LuFe2O4一致。

3、LuFeMgO4陶瓷的反鐵磁轉(zhuǎn)變溫度為27K，遠(yuǎn)低于LuFe2O4的磁轉(zhuǎn)變溫度，這可歸結(jié)為非磁性的Mg2+離子置換磁性的Fe2+離子后引起的磁稀釋作用。在Fe-O雙層中Fe和O原子為非完全共面排列，導(dǎo)致LuFeMgO4在10K時(shí)出現(xiàn)宏觀凈磁化。LuFeMgO4陶瓷在240-420K溫度范圍內(nèi)存在一個(gè)明顯的介電弛豫，主要源于Fe2+與Fe3+離子之間的電荷躍遷。由于Mg2+離子的存在阻礙了電子的傳遞，其激活能的值比LuFe2O4要略大。經(jīng)

4、氧氣氛熱處理后介電弛豫受到明顯的抑制，表明氧空位對(duì)LuFeMgO4陶瓷的介電弛豫有非常重要的影響。
　　通過Cu2+置換Fe2+得到LuFeCuO4，其晶體結(jié)構(gòu)與LuFe2O4及LuFeMgO4類似。LuFeCuO4陶瓷在250-415K間存在一個(gè)明顯的介電弛豫，其激活能為0.37eV，與LuFe2O4及LuFeMgO4中介電弛豫的激活能較為接近，說明Fe3+/Fe2+及Fe3+/Cu2+離子之間的有序作用對(duì)LuFeCuO4的介電

5、行為有重要影響。在LuFe2O4、LuFeCuO4及LuFeMgO4中，隨著二價(jià)離子自旋磁矩的降低，磁轉(zhuǎn)變溫度逐漸下降，在LuFeCuO4陶瓷中，其反鐵磁轉(zhuǎn)變溫度為57K。與LuFe2O4相比，LuFeCuO4陶瓷剩余極化較弱，表明Cu2+離子抑制了體系的鐵電性。在室溫下，LuFeCuO4陶瓷具有顯著的磁介電效應(yīng)，在磁場(chǎng)12kOe，頻率10kHz下介電常數(shù)變化～7％。
　　LuFeO3在室溫下為正交扭轉(zhuǎn)的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，空間群為Pbn

6、m。LuFeO3陶瓷在140-250K及350-500K溫度范圍內(nèi)存在兩個(gè)明顯的類Debye介電弛豫，其激活能分別為0.21eV及0.76eV。低溫介電弛豫可能源自體系中Fe2+和Fe3+離子之間的電荷躍遷，而高溫介電弛豫則與氧空位等缺陷密切相關(guān)。LuFeO3陶瓷的反鐵磁轉(zhuǎn)變溫度為628K，低于該溫度時(shí)可觀測(cè)到弱鐵磁性的存在，這是由于Fe自旋結(jié)構(gòu)的排列存在一定的傾斜。在室溫下，LuFeO3陶瓷具有明顯的電滯回線，且其電極化在經(jīng)過磁化處理

7、后有明顯的增大，表明磁性與鐵電性之間可能存在耦合作用。室溫下可觀察到LuFeO3陶瓷中微弱的磁介電效應(yīng)，進(jìn)一步說明了其多鐵性的存在。
　　LuFe0.95Mn0.05O3陶瓷在室溫下的晶體結(jié)構(gòu)與LuFeO3一致。在360-530K間存在與LuFeO3中的高溫介電弛豫相似的介電弛豫，主要源自氧空位的貢獻(xiàn)。與LuFeO3相比，LuFe0.95Mn0.05O3陶瓷在室溫下的鐵電性有一定程度的削弱，說明了Fe2+和Fe3+電荷有序?qū)uF