论文部分内容阅读
由于CuFeO2具有单相多铁性和强的磁电耦合,进而受到人们广泛关注,其许多潜在应用都取决于它的几何自旋挫折和独特的磁结构。然而,CuFe02内部物性机理复杂,尤其是受关注最多的电磁调控机制尚不明朗。本论文详细观察了CuFeO2基陶瓷的微观结构,引入正电子探测技术和磁热效应分析手段,对材料微结构、磁性和光学性能进行了探究。1.在不同的烧结温度和时间下合成了CuFeO2陶瓷。详细探究合成工艺对CuFeO2陶瓷的微观结构、晶格缺陷和磁性能的影响。XRD和SEM结果表明烧结条件对CuFe02相结构和形貌具有显著影响。XPS测试表明所有CuFe02样品中都存在Cu2+杂质离子。正电子湮没结果表明所有样品中均存在空位型缺陷,且随着烧结温度的升高,缺陷的平均尺寸和开体积明显增大,但正电子陷阱浓度和电子密度的分布却保持稳定。磁性测量表明样品反铁磁相的稳定性在过高的烧结温度下会被削弱,但对烧结时间不敏感。研究表明CuFe02反铁磁相的稳定性与其晶格结构、元素价态和晶体缺陷等特征密切相关。2.探究了 Ga3+掺杂对CuFeO-2陶瓷的微结构、缺陷及磁性能的影响。结果表明Ga3+掺杂使得CuFeO2晶格收缩、晶粒减小、密度下降。正电子湮没分析结果显示所有样品都包含相当数量的空位型缺陷,而这些缺陷的存在有利于CuFeO2反铁磁相的稳定性。Ga3+的引入对样品整体缺陷环境几乎没有影响,但诱导了 CuFeO2缺陷开体积重新分布;使得CuFeO2相邻Fe3+离子磁相互作用增强(Curie-Weiss温度变大),同时也降低了其反铁磁相的稳定性。反铁磁转变温度TN2从x=0时的11K下降到了x=0.07的8 K。分析认为反铁磁相的这种失稳与样品晶体结构和缺陷的改变有关。3.观察了 CuFe1-xSnxO2(x=0-0.05)系列样品的微观结构和光/磁性能。Srn4+掺杂导致CuFeO2晶格膨胀,密度下降,但没有改变其元素价态。光学性能测试结果显示,直接光学带隙(Eg)值随Sn4+含量的增加逐渐减小;其中CuFe1-xSnxO2(x≤0.04)样品的Eg值都大于3.1 eV,说明可被用作透明导电材料。磁学性能测试表明,Sn4+掺杂降低了 CuFeO2的居里-外斯温度,但不影响反铁磁相的稳定性;但Sn4+改变了 CuFeO2的磁相互作用,使得铁磁和反铁磁性在低温下共存。详细探讨了 Sn4+掺杂下微结构与磁/光学性能的关系。4.研究了Ge4+掺杂对CuFe02陶瓷样品的微观结构、缺陷和磁性能的影响。Ge4+离子对CuFeOO中Fe3+位的替代使得其晶体结构、微观形貌和元素化合价发生改变。正电子测试结果显示,与未掺杂样品相比,CuFe1-xGexO2(x≥0.05)样品中的陷阱浓度和局域电子密度明显增加。有趣的是,磁性测试结果显示CuFe1-xGexO2(0.05)样品的磁相互作用发生明显改变,表现出了明显的铁磁性。居里-外斯温度从x=0的-137 eV下降到x=0.10时的-341 eV;同时磁转变温度TN2随着Ge掺杂量的增加轻微下降。样品磁性的改变与Ge4+掺杂导致的晶格畸变和电荷补偿相关。5.利用磁热效应观察了单相CuFeO2的低温磁基态。测量了在样品磁性转变温度(16 K和11 K)附近不同外加磁场下的等温磁化曲线,结果显示在16 K温度附近,磁化趋势发生反转,即在低于16K温度时,磁化曲线随温度的升高而逐渐升高,而在高于16 K后,磁化曲线随温度的升高而降低。Arrot曲线结果表明这两种磁跃迁分别伴随着二阶、一阶磁相变。通过对样品磁热效应分析,观察到样品在低温下占主导的磁序是反铁磁的。