SrTiO3陶瓷的B位掺杂改性研究

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SrTiO3(STO)是一种宽带隙、抗磁性的量子顺电材料。作为典型的立方钙钛矿结构材料,因为具有高介电常数、可调谐性、低介电损耗、低漏电流密度、低微波损耗特性,得到了广泛的关注。原子位置的量子涨落抑制了 STO在低温处的铁电相变,介电常数在低温处迅速增大直到0K也未表现出铁电性。为了发挥其在铁电性方面的应用,通常采用A位阳离子掺杂来诱导其铁电有序,也可以通过施加应力或引入外加电场来诱导其铁电性。不同于上述方法,M.Itoh等人通过18O同位素替换STO中的16O,在23K附近成功诱导出SrTi18O3的铁电性,并提出了 Ti/O3=47.9/48≈1对量子涨落的演变起到重要作用,对这一比率的偏离会增加振动系统对外加场的非线性响应,从而贡献于软模。目前尚未有关于掺杂削弱量子涨落效应,从而诱导出铁电性的相关报道。最近的实验表明,磁性掺杂的STO在自旋电子学,多铁性材料和光学方面有着重要的应用。比如磁性离子掺杂的STO陶瓷的室温铁磁性(RTFM),磁电耦合等。本论文主要工作是对SrTiO3陶瓷分别进行了 B位Zr和Fe的掺杂改性研究。其一研究了 B位Zr掺杂诱导SrTi1-xZrxO3陶瓷的低温铁电性,其二对B位Fe掺杂SrZr0.09Ti0.91-xFexO3-δ固溶陶瓷的介电性和磁性进行了研究。具体结果如下:(1)采用标准固相反应法制备了 SrTi1-xZrxO3(0.05≤x≤0.2)固溶陶瓷,对陶瓷的晶体结构、介电性能和热释电性能进行了系统研究。XRD和Raman谱测试显示,Zr的B位掺杂使固溶陶瓷转变为四方结构。SrTi0.91Zr0.09O3和SrTi0.9Zr0.1O3两个比例样品的介电谱在37K附近出现明显的介电异常。热释电性以及PUND模式电滞回线表明,该介电异常来自固溶陶瓷在低温处的铁电相变。分析推断铁电相变的出现是由于Zr的掺杂削弱了量子涨落效应。(2)利用标准固相反应法制备了 SrZr0.09Ti0.91-xFexO3-δ(x=0.01,0.03,0.05)陶瓷材料。首先研究了不同烧结温度对SrZr0.09Ti0.91O3陶瓷的形貌、介电的影响,发现随着烧结温度的增加,陶瓷的晶粒增大。较低的烧结温度(1300℃)和较高的烧结温度(1500℃)都会使陶瓷在低温处的介电峰消失。在此基础上我们对Fe掺杂样品选择1400℃烧结温度,发现Fe的掺杂使SrZr0.09Ti0.91-xFexO3-δ固溶陶瓷的介电常数减小,且在200K以上介电和损耗出现色散现象。介电峰的消失可能与烧结条件有关,磁性测量表明样品为顺磁性。将烧结时间由20h延长为24h后发现,SrZr0.09Ti0.90Fe0.01O3-δ陶瓷在低温和室温下均表现出铁磁性,且在177K附近出现反铁磁转变。反铁磁转变的出现可能源于等价Fe离子之间的反铁磁超交换作用,而铁磁性可能来自不等价Fe离子之间的铁磁双交换作用。
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