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本论文研究了六方结构稀土锰氧化物HoMnO3在化学内压力和外部压力调控下的晶体结构相变和基本物理性质,利用高温高压条件合成、研究了正交钙钛矿型HoMnO3的多重铁性,具体内容包括:
(1)通过传统的固态反应法对HoMnO3中的Ho3+离子进行替代,得到了Ho1-xDyxMnO3(0≤x≤1)系列固溶体多重铁性化合物。X射线衍射表明,随Dy+含量的逐渐增加,样品晶体结构从六方P63cm经过六方与正交的混相区转变为正交Pbnm,表明化学内压力可以实现六方HoMnO3晶格向正交结构相变。采用Rietveld方法精修得到其原子位置和键长、键角随掺杂浓度的演化,其中正交结构晶格参数的变化不遵从Vergards law。两种晶体结构在物性上同为反铁磁性和铁电体共存体,但替代后得到的正交相的反铁磁转变Néel温度和铁电转变居里温度更低。
(2)利用在位高压Raman散射和角散同步辐射X射线衍射等实验方法,详细研究了六方结构HoMnO3化合物压力诱导的晶体结构相变。常压下HoMnO3具有空间群为P63cm的层状六方结构。我们发现,在适当的压力下,六方HoMnO3转变为钙钛矿结构,空间群为Pbnm。通过分析在位高压Raman散射实验中各振动模式随压力的变化,我们首次构造了压力驱动的HoMnO3六方向正交相变的动力学模型。通过在位高压角散同步辐射X射线衍射实验进行了验证。采用Rietveld方法对同步辐射X射线衍射谱进行结构精修,得到晶胞参数及键长、键角随压力的变化关系,通过Birch-Murnaghan状态方程对晶胞体积-压力曲线进行拟合得到材料的体弹模量为246(14)GPa。
(3)通过高温高压合成了正交Ho1-xDyxMnO3(0≤x≤0.5)多铁化合物。详细研究了正交钙钛矿型HoMnO3的磁电及其耦合性质。通过研究在不同气氛(as-grown,O2,N2)下退火样品的磁性、介电和电极化性质,表明样品中氧空位含量的不同对40K左右的Néel温度影响不大,而Lock-in转变温度随氧空位浓度增加向高温方向移动。利用双波法实验,研究了HoMnO3的自发极化温度曲线,我们得到了该化合物迄今最高的自发极化强度(P~700μC/m2)。综合低温介电常数、电极化和磁化率的温度曲线和磁场曲线,得到as-grown和O2 annealed样品的低温磁电相图。