掺杂M型铁氧体磁学、电学以及磁电耦合性质研究

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M型六角铁氧体在THz频段微波器件、高密度存储器等方面具有广泛的应用潜力。研究表明,对M型六角铁氧体中Fe3+进行离子取代能够改变材料的磁结构,使得材料展现出软磁性质。其中,Sc3+取代的M型钡铁氧体是潜在的室温多铁性材料,具有很广阔的应用前景,但是对其室温附近磁电耦合性能、磁介电性能等方面的研究还未见报道。随着电子材料和器件趋向于微型化和高频化,对磁性材料的需求也正逐步从块材扩展到薄膜的层面。所以,制备出高质量的M型六角铁氧体薄膜材料,同时对薄膜的磁性能、磁介电性能和磁电耦合性能进行系统的研究很重要。针对以上问题,本文重点研究了Sc3+取代的M型钡铁氧体在室温附近的磁性能、磁电耦合性能和磁介电性能,具体研究结果如下:首先,采用固相反应法制备了Sc3+取代的M型钡铁氧体BaFe10.2Sc1.8O19,研究了其在烧结过程中的相变和磁性质。结果表明,磁性质的变化过程与烧结产物的相变是一致的。当烧结温度增大到1200℃时,BaFe10.2Sc1.8O19才以单相的形式存在于烧结产物中。随着烧结温度的提高,Sc3+对Fe3+的取代会影响M型铁氧体中铁原子间的交换作用,从而改变材料的磁结构,宏观上变现为磁性质的变化。其次,探究了Ba Fe10.2Sc1.8O19多晶块材的磁性能。结果表明,随着环境温度的升高,材料的矫顽场和剩磁比均逐渐减小,而饱和磁化强度则先增大后减小。此外,外加磁场强度的增大会导致锥磁结构转变温度点Tcone不断减小。室温下,外加小磁场就能明显地调控Ba Fe10.2Sc1.8O19的磁矩,表明该材料中存在室温下的强磁电耦合效应。此外,在室温附近,材料存在着较大的磁电容效应。在低频阶段,材料的磁电容效应主要由Maxwell-Wagner型磁阻效应产生;而在高频阶段,则主要来源于逆Dzyaloshinskii-Moriya相互作用引发的磁电耦合型自旋声子耦合。再次,我们制备了一系列Sc3+取代的Ba Fe12-xScxO19外延薄膜,研究了材料组份对其晶体结构和磁性能的影响。结果表明,与多晶块材BaFe12-xScxO19相类似,随着较大半径Sc掺杂量的增大,薄膜的晶格常数c也逐步增大,但薄膜的饱和磁化强度、矫顽场却逐步减小。最后,我们研究了室温附近BaFe10.2Sc1.8O19薄膜材料的磁介电效应。结果表明,BaFe10.2Sc1.8O19薄膜中的磁介电效应和环境温度、频率的变化有很大关系。磁介电随频率的变化关系图谱表明,磁阻型磁介电效应仅仅存在于低频阶段(f<100Hz),并且强度很低。当频率高于1 kHz时,出现两个磁介电峰,这两个峰分别归因于界面极化效应(1 kHz<f<100 kHz)和电偶极子旋转效应(f>100 kHz)。进一步对磁介电效应随温度变化关系的研究表明,在Tcone(306K)以下,磁介电效应由Dzyaloshinskii-Moriya偶极子主导,但在Tcone以上,则是由晶格偶极子主导。而在Tcone附近,两种偶极子均有所贡献。
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