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磁性铁电材料是在一定温区内同时具有铁电(反铁电)序和铁磁(反铁磁)序的材料,两种有序共存耦合表现出特有的物理性质而倍受关注。最近Kimura报道称,CuO单晶在其奈尔温度230 K附近的螺旋磁有序能够感应铁电相变。本文受其启示,研究缺氧YBa2CuaO6+x多晶陶瓷在反铁磁相变温度附近感应铁电相变及样品的磁电耦合效应,并探讨了相变对电输运行为的影响。
将高温超导陶瓷YBa2Cu3O6+x经过真空热处理得到氧含量x=0.13的缺氧陶瓷样品,利用HP4294A精密阻抗分析仪测量了样品介电常数温谱图,在温度450 K发现了介电异常现象,认为是由反铁磁相变感应铁电相变引起的。如果铁电相变温度远高于磁相变温度,随着磁电耦合材料温度升高,在磁相变前后会出现这种介电异常,这是由于磁有序消失影响铁电有序的结果。实验上观察到的介电常数在磁相变温度附近的异常突变成为本征磁电耦合效应存在的标志。当频率升高时介电异常逐渐消失,这是由于氧空位导致的介电极化对高频信号无法良好响应所致。测量发现样品的介电损耗在奈尔温度410K出现异常峰,这是由于在该温度反铁磁有序基本变为无序使铁电畴移动消耗能量引起的。在不同温度下测量了缺氧YBCO陶瓷样品的介电常数随频率的变化,室温下低频区的介电常数很大而在高频区显著减小,表现出典型的介电驰豫特征:而在反铁磁相变温度附近介电常数随频率的升高而基本不变,显示出良好的频率稳定性,这是因为在奈尔温度410 K反铁磁相变对铁电畴作用使得直流电导降低从而减小了介电常数对频率的依赖性。利用RT6000铁电分析仪测量样品结果表明缺氧YBCO陶瓷室温下具有一定的铁电性。
缺氧YB2Cu3O6.13陶瓷样品中的磁电耦合特征还表现在室温下外加磁场对介电常数和介电损耗的影响。垂直于和平行于电场方向的外加磁场均使介电常数增大,对于平行电场方向的磁场,介电常数的变化相对较大。外加磁场使多铁材料产生应变,由于铁电畴与反铁磁畴耦合作用,这种应变将产生电场作用在铁电畴上导致介电常数变化。室温下外加磁场使低频区介电损耗降低,由于缺氧YBC0陶瓷样品存在磁电耦合效应,外加磁场使铁电畴易于运动,因此在低频电场作用下极化损耗降低。采用标准四引线法分别在零磁场和外加磁场作用下测量了样品电阻率随温度的变化关系,发现温度低于40.K时样品的磁电阻MR约为60%且基本不随温度变化,在反铁磁相变温度410 K附近MR出现异常,认为是由于YBCO多晶样品大量本征载流子产生并且外加磁场对顺磁区域影响较小所致。p-V特性曲线可以看出电阻率随电场增大而急剧降低进一步证明样品磁电耦合效应的存在。
缺氧YBCO(x=0.13)陶瓷样品的磁电耦合特性,显示出它可能成为一种新的室温多铁材料从而在传感、控制和信息储存等方面发挥重要作用。