In掺杂的GaFeO3磁性与拉曼光谱研究

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自从1959年Ga2-xFexO3(0.7<x<1.4)首次合成成功后,由于其具有多种铁的性能,如铁磁性,铁电性和铁弹性,这些性质在一定温度范围内表现出磁电效应、磁介效应等新的效应,使得这种材料在信息存储、转换器及传感器等方面具有非常高的发展潜力。Y.Kaneko等运用浮区法制备出Ga2-xFexO3(0.7<x<1.4)单晶,测量发现其磁转变温度随x的增加而增大,x=1.4时有最大值为370K,远远超出室温。   GaFeO3具有正交结构,其空间群为Pc21n,室温晶格常数a=8.751 A,b=9.399(A),c=5.081(A),易磁轴为c轴,饱和磁矩沿c轴方向。每个GaFeO3晶胞中包含8个分子,阳离子有四种占位方式Ga1、Ga2(主要被Ga离子占位),Fe1、Fe2(主要被Fe离子占位)。其中Ga1、Fe1、Fe2位被扭曲的氧八面体包围,这被认为是沿b轴的自发电极化的起源,而Ga1位则被规则的氧四面体包围。由于Ga和Fe的离子半径(0.64(A),0.62(A))非常相近,所以Ga和Fe离子之间存在部分的替换,也就是Fe3+在四个阳离子位置上的分布是无序的。   目前有GaFeO3中掺杂Al、Cr和Mn的研究,Cr和Mn的掺杂均使磁转变温度降低,Al的掺杂可以使磁转变温度升高。从Al掺杂中,用拉曼光谱测试法发现在磁转变温度附近存在存在自旋-声子的耦合。   本文主要阐述了在不同掺杂浓度下的Ga1-xInxFeO3(x=0,0.05,0.1,0.15)多晶样品的X射线衍射、磁性测量和拉曼光谱的实验结果与分析。由于掺入体系的In离子半径远大于本体的Ga、Fe离子半径,所以随着In掺杂量的增加,体系的晶格常数和体积增大,致使晶格无序度增大。对键长的分析表明Ga1四面体随In掺杂量的增加对称性基本不变,依然为规则四面体结构。由于Fe离子的无序分布和晶格无序,使样品的磁转变温度随In掺杂量的增加呈降低趋势。由于非谐相互作用,掺杂和升高温度都引起拉曼峰向低波数方向移动。随In掺杂量的增加各个模式的振动能量减小,样品在Tc附近的异常行为显示可能存在自旋-声子的耦合。   在本文的最后,我们用磁控溅射法制备了Ga0.4Fe1.4O3薄膜样品,均按GFO(0k0)方向生长,在Al2O3(0001)衬底上制备出的薄膜磁转变温度可达341 K,高于室温但低于相应块体的磁转变温度。
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