亚硝酸钠粉末及多晶的铁电相变研究

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铁电物理是凝聚态物理中重要的研究领域之一,特别是铁电材料的广泛应用激发了人们对新型铁电材料和新的物理效应探索的热情。铁电物理研究涉及到材料科学和固态物理领域中的很多重要问题,例如,结构相变,晶格动力学,非线性效应以及声子和电子的相互作用等等。在过去几十年里,铁电体的研究对基础科学和技术应用的发展产生了很大的推动作用,同时提出了一些重要的物理概念,解决了一些重要的科学问题。亚硝酸钠(NaNO2)是具有最简单结构的铁电体之一,但是对于亚硝酸钠单晶在铁电相变的临界温度之上1K范围内却存在反常现象,对这一问题认识并不深入。此外,对铁电材料研究的一个重要方面,是多晶材料的研究,所以针对NaNO2来说,有必要对其粉末与多晶材料进行研究,探索其性质是否与单晶材料的相同、临界温度TC之上1K范围内是否存在反常现象以及这些过程中的变化规律。本文利用同步热分析、扫描电子显微镜、X射线等多种检测方法对NaNO2进行了测量,并对测量结果进行了分析,结论如下:(1)通过X射线衍射图谱,得出了NaNO2粉末样品的晶系为正交晶系、空间群为Im2m(No.44),晶格常数a为3.57924、b为5.59407、c为5.41181和晶轴角α为90°、β为90°、γ为90°、晶胞体积为108.363以及晶粒尺寸69.67;NaNO2多晶样品的晶系为正交晶系、空间群为Im2m(No.44),晶格常数a为3.63149、b为5.64968、c为5.38749和晶轴角α为90°、β为90°、γ为90°、晶胞体积为110.533以及晶粒尺寸49.39。(2)利用同步热分析仪对NaNO2粉末及多晶样品的热学性质进行了测量,结果显示,在升温过程中NaNO2粉末及多晶TG曲线都没有太大改变。在NaNO2粉末样品中,5K/min的升温过程的DSC曲线仅在438.51K出现了一个热量变化的峰,为铁电相变;而0.1K/min的升温中DSC曲线在437.41K出现了一个热量变化的峰,并且在438.66K出现了一个台阶状的变化,这似乎与NaNO2单晶材料中存在的反常现象相吻合。在NaNO2多晶样品中,5K/min的升温过程的DSC曲线仅在434.14K出现了一个热量变化的峰,为铁电相变;而0.1K/min的升温中DSC曲线在434.17K出现了一个热量变化的峰,并且在434.92K附近也出现了一个峰,这似乎与NaNO2单晶材料中存在的反常现象相吻合。(3)利用介电谱方法对NaNO2的粉末及多晶样品进行了测量,通过对高温度的介电谱进行分析,表明在相变温度附近,高温(420K以上)低频(100Hz以下)NaNO2的粉末及多晶材料复介电常数的变化主要是由离子扩散引起的,而高频(105Hz,106Hz)的复介电常数能够反映材料的极化和结构信息。在443K-450K范围内,NaNO2粉末样品的激活能U为0.70ev,NaNO2多晶的激活能U为1.58ev,NaNO2多晶的激活能大于NaNO2粉末的激活能,这说明NaNO2粉末与NaNO2多晶离子扩散可能起源于材料的本征缺陷。NaNO2粉末中铁电相变在复介电常数曲线上的表现比NaNO2多晶明显;临界温度Tc以上437K至440K范围内NaNO2多晶的复介电常数实部随温度的变化曲线偏离居里-外斯定律,说明铁电相变的过程中存在反常现象,这一现象似乎与NaNO2单晶材料中存在的反常现象相吻合。(4)利用热膨胀仪对NaNO2粉末样品进行了测量,NaNO2粉末样品在低温段dL/L0随着温度T的增加,长度变化出现了递增趋势,表明NaNO2粉末样品在所测试的实验温度的范围内出现了膨胀,在温度为437.66K,热膨胀曲线却发生了“弯曲”,说明在437.66K附近发生了铁电相变,在相变中有体积的突变。(5)NaNO2粉末的导热系数和热扩散系数随着温度的变化出现了相似的变化趋势,呈现出先减小后增大再减小的趋势。比热则随温度的增加呈现先增大后减小的趋势。对于这些热学参数的变化,其温度均在437K,表明在这个温度点附近出现了相变。
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