双钙钛矿Y2MnCrO6中的掺杂效应研究

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近年来,具有钙钛矿结构的过渡金属AB03氧化物表现出各种奇异的物理性质,例如超导电性,庞磁电阻效应,金属绝缘体转变,铁电性和多铁性等,成为凝聚态物理和材料科学工作者的研究热点之一。作为钙钛矿氧化物中的独特一族,双钙钛矿氧化物(A2BB’O6)由于A、B/B位能提供非常丰富的阳离子变换组合,有着丰富的物理内涵,其电磁性质表现出复杂多样的特点(如电荷有序、磁有序、磁晶各向异性、自旋玻璃态等),具有非常重要的学术研究价值和广阔的应用前景。具有B位层状有序的双钙钛矿Y2MnCrO6因表现出多铁性和亚铁磁性,正逐渐受到人们的重视。本文中我们分别对Y2MnCrO6的A、B/B位进行了掺杂,合成了Y2-2yLa2yMnCrO6、Y2-2yBi2yMnCrO6、Y2Mn1-yGayCrO6三个双钙钛矿氧化物体系,并主要研究了Y2-2yLa2yMnCrO6和Y2Mn1-yGayCrO6的结构和磁性,并初步探究了Y2-2yBi2yMnCrO6的制备工艺。本论文共分为五章,各章主要内容如下:第一章,我们首先简单介绍了钙钛矿锰氧化物的研究历史,接着对钙钛矿锰氧化物的晶体结构、超交换作用、双交换作用、Jahn-Teller效应、磁有序结构、有序效应等物理性质做了简要介绍,然后介绍了双钙钛矿的A2BB’O6氧化物的结构特点和磁电性质,并分别介绍了A、B/B’位掺杂对双钙钛矿的A2BB’O6氧化物磁电性质的影响,最后简要介绍了双钙钛矿Y2MnCrO6的相关性质。第二章,首先介绍了本文中所用到的多晶陶瓷样品的制备方法,然后介绍了分析材料晶体结构的方法,主要介绍了多晶粉末X射线衍射的有关原理,同时对Rietveld精修和GSAS软件使用进行了简要介绍。最后对样品磁性测量使用的PPMS选件振动样品磁强计(VSM)和自制变温电阻测试系统的相关原理和使用方法进行了说明。第三章,首先对Y2-2yLa2yMnCrO6(0≤y≤0.9)系列多晶样品的晶体结构进行了详细的分析,样品的XRD谱精修结果表明,低掺杂时(y≤0.3),随着La掺杂量的增加,A位阳离子半径逐渐增大,样品的结构各向异性减小,体系的B位层状有序有被抑制的趋势。并且变温磁化曲线给出低掺杂样品在75K以下表现出与Y2MnCrO6类似的亚铁磁态。当掺杂量为0.9时,样品的磁转变温度变为120K左右。而掺杂量在0.4-0.8之间时,样品呈现低掺和高掺双相共存。样品低掺杂时的高温顺磁Curie-Weiss行为表明,随着La离子掺入, Cr3+次格子之间的反铁磁耦合作用得到加强,这对于体系的亚铁磁性来说是一个不利因素。该系列样品的电输运性质表现出热激活模型决定的绝缘体行为,并且激活能随着掺杂量如≤0.3)的增加明显减少。这些结果表明,随着A为离子半径的增加,Y2MnCrO6氧化物中的亚铁磁性和B位有序是有被抑制的倾向。另外,对Y2-2yBi2yMnCrO6(0-0.5,0.7)系列样品的固相反应法制备工艺进行了探究,发现当Bi的掺杂量较低时,烧结温度对样品成相影响不大,而当Bi掺杂量变高时,烧结温度越高,样品结晶质量越差。并且随着Bi的掺杂量增加,样品的成相所需烧结温度逐渐降低。第四章,用非磁性Ga3+部分替换了Y2MnCrO6中的Mn3+,获得了Y2Mn1-yGayCrO6(y=0,0.2,0.4,0.6)系列多晶样品,通过粉末X射线衍射和磁性测量初步研究了Ga3+对其结构和磁性的影响。体系的晶体结构分析表明,当Ga的掺杂量y在0~0.6变化时,该系列样品的晶体结构基本没有变化,具有和Y2MnCrO6母化合物相似的单斜结构。对体系的磁性质研究表明,Ga掺杂样品在低温下仍为亚铁磁态,并且随着Ga掺杂量的增加,其磁晶各向异性减少,样品中的磁性离子数目相应的减少,磁相互作用也发生了相应的改变。第五章,对全文进行了总结,并提出了进一步研究的设想。
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