过渡金属氟化物的物性研究

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过渡金属氟化物具有复杂多样的晶体结构,同时还伴有丰富的物理特性,如多铁性、光致发光、电化学特性等,这些材料在信息存储、能量捕获和自旋电子学等诸多领域中存在很大的应用价值。影响钙钛矿氧化物单相多铁材料发展的重要因素是铁电性和磁性对金属离子d轨道填充方式的要求不一致,然而在氟化物中,F元素具有高电负性,使得F与过渡金属离子形成具有较强离子性的共价键,从而打破钙钛矿氧化物中的d0准则,实现单相多铁性。在能量存储方面,超级电容器是介于传统电容器与电池之间具有特殊性能的供能装置,其主要依靠电化学吸附/脱附效应或者氧化还原反应来储存电能,而且这种储能过程是高度可逆的。其中,影响超级电容储能效果的重要因素就是电极材料的使用。电极材料多种多样,关于过渡金属氟化物在电极材料上的应用还研究甚少,但许多过渡金属氟化物满足电化学电极材料需要的基本条件:准二维的结构可以提供较大的比表面积,过渡金属离子可以作为氧化还原反应的载体。文章主要内容如下:第一章,首先介绍了过渡金属氟化物的分类、制备方法以及物理特性,并对超级电容器做了简要介绍,包括超级电容器的种类、原理、研究现状以及电极材料和电解液的分类及使用情况。第二章,介绍了本文所研究的材料的实验制备方法,材料制作采用了化学沉积法和固相反应法。接着对实验研究中所用到的X射线衍射晶体结构分析技术、扫描电子显微镜SEM、铁电分析仪、磁性测量、X射线光电子谱实验原理做出详细的说明介绍。第三章,采用化学沉积法制备出纯相KCoF3粉末样品,样品颗粒较小,具有较大的比表面积,样品中变价金属Co同样可以满足超级电容器中所需要的氧化还原反应条件。因此我们将KCoF3粉末用于超级电容的电极材料,在使用6 M的KOH电解质的标准三电极系统中,电化学测量表现出明显的电容行为和法拉第氧化还原反应。KCoF3电极显示出优异的比电容,并且具有优异的循环寿命良好的储能性能和优异的循环寿命,使得过渡金属氟化物KCoF3可以作为超级电容的活性材料。第四章,采用固相法成功制备出Sr3Fe2F12样品,通过XRD、XPS、EDS结构表征及元素表征手段证明了Sr3Fe2F12样品的纯相性,通过SEM观察了样品具有较光滑的表面形态。进一步的通过铁电测试仪测试了样品的铁电性,通过PUND测试方法,观测到的较饱和的电滞回线。利用SQUID测试了Sr3Fe2F12样品的场冷和非场冷M-H曲线,发现在T=47 K和T=29 K两处有磁相变;进一步测试低温的磁滞回线表明Sr3Fe2F12在低温下具有弱铁磁性。实验证实该样品具有较好的多铁性能。
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