B位Cr/Co掺杂和A位Zr掺杂YMnO3的结构、磁性和介电性能研究

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多铁材料是集铁电性、铁磁性以及铁弹性等物理属性于一体的多功能材料。由于多铁材料存在铁电性与铁磁性之间的耦合效应,从而在自旋电子器件、磁传感器、信息存储、低温磁制冷系统等方面具有巨大的应用前景。然而,目前所研发的多铁材料还远远不足以满足实际应用,主要是因为存在室温下的单相多铁材料极其匮乏、磁电耦合系数很小等问题。因此,对于多铁材料的探究一直是凝聚态物理和材料科学领域的重点课题。六方层状结构的YMnO3由于其新奇的物理性质,成为目前备受关注的多铁材料之一。本论文以六方YMnO3为研究对象,围绕不同离子在A位和B位的掺杂对YMnO3晶体结构、介电、磁性等物性的影响进行系统研究。主要研究成果如下:(1)采用固相反应法制备了B位Cr掺杂的YMn1-xCrxO3(x=0.00,0.03,0.05,0.07,0.10)多晶样品。研究发现Cr3+离子的掺杂并没有改变YMnO3的晶格结构,但晶粒尺寸随着掺杂量的增大而减小。通过外加交流偏压和温度变化对样品的介电性能施加影响,探讨了Cr掺杂的YMnO3介电弛豫行为。结果表明,介电温谱在温区70-90 K出现的反S形状曲线与磁电耦合有关;在160-280 K内存在明显的介电弛豫,并且该介电弛豫遵循Arrhenius定律,是热激活过程。对体系磁性的研究发现,随着Cr3+离子掺杂量的增加,YMnO3多铁材料的磁性显著增强,并且反铁磁有序转变温度TN提高到86 K。Cr3+离子掺杂减弱了YMnO3中Mn3+-Mn3+之间长程有序的反铁磁交换作用,并且引入了短程的Mn3+-Cr3+、Mn3+-Mn4+铁磁交换作用,这两种磁相互作用产生竞争,导致YMnO3的磁阻挫效应降低。YMn1-xCrxO3样品在低温(5 K)下的磁滞回线测试结果显示所有样品都存在水平交换偏置,并且交换偏置场随Cr3+离子掺杂量的增加而增大。该变化趋势表明,反铁磁体对铁磁体或未补偿自旋的钉扎作用起着至关重要的作用。同时,研究了O2、N2不同气氛退火处理对YMn0.9Cr0.1O3磁性的影响。研究结果表明:Mn4+离子的含量增大引起O2气氛退火处理后的YMn0.9Cr0.1O3铁磁成分含量增加;氧空位浓度的显著增大是导致N2气氛下退火的YMn0.9Cr0.1O3铁磁性减弱的主要因素。(2)采用高压光学浮区法制备出了直径为4-5 mm、长度为60-80 mm的Cr掺杂YMnO3晶体。通过X射线衍射、扫描电子显微镜研究了晶体中的气泡、包裹体和位错等缺陷。深入探究了以上缺陷产生的原因,且通过研究分析提出了控制与减少缺陷的有效措施,对生产工艺中的各项参数进行了优化。(3)通过固相烧结法制备B位Co掺杂的YMn1-xCoxO3(x=0.00,0.03,0.05,0.07,0.10)多晶样品。对YMn1-xCoxO3粉体的X射线衍射及拉曼光谱分析表明,当x<0.07时,样品为六方P63cm单相;当x>0.07时,样品中六方P63cm相与正交Pbnm相两相并存。对样品的磁性测量表明,铁磁磁化强度和最大磁熵变均随着Co掺杂浓度x的增加而增大,且两者之间存在非线性关系。这是由于体系中引入了除Mn3+-Mn4+铁磁交换作用之外的Mn2+-Mn3+交换作用。样品的介电测试结果显示,在350-650 K温度区间,存在一个热激活过程的介电弛豫。(4)在空气气氛下,利用固相烧结法制备了A位Zr掺杂Y1-xZrx MnO3(x=0.00,0.05,0.10)多晶样品。通过对磁性特征参数居里温度、居里常数和有效磁矩等的深入研究表明,Zr4+掺杂引起YMnO3铁磁成分增加,在温度低于15 K时体系进入自旋玻璃态,这不仅与铁磁双交换作用和反铁磁超交换作用的相互竞争有关,反铁磁倾斜也是重要的影响因素。
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