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，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度。然而，鐵酸鉍的G型反鐵磁磁基態(tài)使其受到磁場的調(diào)控很弱。實際上，目前發(fā)現(xiàn)的單

2、相多鐵性材料大多是反鐵磁性的，同時具有鐵磁性和鐵電性的材料非常稀少。幸運的是，實驗研究發(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，一方面可以增強很多反鐵磁性的多鐵性材料的磁性，進而獲得更大的磁電耦合效應(yīng)；另一方面，可能會出現(xiàn)一些新的物理現(xiàn)象，可以讓人們對磁電耦合效應(yīng)的理解和調(diào)控進入一個全新的層次。不過，多鐵性材料多為多元的復(fù)雜氧化物，高質(zhì)量的納米晶體生長比較難以調(diào)控，相關(guān)的物性研究

3、更是還處于初級階段。
　　 針對上述問題，本論文主要研究了水熱法生長高質(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)研究了它們在納米化后的磁學(xué)特性，比如自旋團簇玻璃態(tài)的動力學(xué)行為和交換偏置效應(yīng)。此外，論文最后還對非典型磁電材料的磁介電特性進行了深入的研究。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展，其中重點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簇玻璃態(tài)的動力學(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。通過測量BiFeO3納米晶粒在不同交流磁場頻率和不同直流磁場大小下的交流磁化率隨溫度依賴關(guān)系，研究其磁動力學(xué)行為。利用不同的動力學(xué)方程對結(jié)果進行擬合，確認(rèn)了鐵酸鉍納米晶粒在低溫下存在一個自旋團簇玻璃轉(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簇玻璃轉(zhuǎn)變溫度以上的交換偏置效應(yīng)非常特別，因為在其他自旋玻璃態(tài)的磁性納米體系中的交換偏置效應(yīng)會在此溫度以上消失。針對這個問題，我們分別用隨機場模型和2D-DAFF模型(two-dimensionaldilutedantiferromagnetinafieldmodel)予以解釋，并且同時給出了鐵酸鉍納米晶粒中存在2D-DAFF的實驗證據(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)體系在外磁場和外電場作用下的介電響應(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，所有的樣品都表現(xiàn)出了巨介電常數(shù)，且介電常數(shù)隨外加偏置電場增大而減小。我們通過